面向近紅外腦功能成像的平板模型CW-DOT圖像重建技術研究.pdf

1、近紅外腦功能研究利用對組織具有幾個厘米穿透能力的650-900nm波長范圍內的近紅外光，對頭骨以下約10mm大腦皮層內由腦活動引起的主要近紅外吸收物質的吸收系數(shù)變化進行研究。目前多采用基于修正的朗伯-比爾定律（Modified Larmbert-Beer law,MLBL）的拓樸成像系統(tǒng)（optical topography,OT）。但由于MLBL-OT方式簡單假設光源與探測點之間的頭部組織光學參數(shù)均勻分布，且并未有效反映組織體的散射效

2、應，所獲取的重建圖像空間分辨率和量化度較低。因此基于擴散光層析成像（diffuse optical tomography,DOT）理論的近紅外腦功能成像系統(tǒng)獲得越來越多的關注。針對近紅外腦功能常用的平板模型，本文通過對穩(wěn)態(tài)（continuous wave,CW）DOT圖像重建關鍵技術進行研究，旨在為提高近紅外腦功能圖像重建質量提供可能的途徑。
　　首先，根據(jù)人體頭部的解剖結構及近紅外光在人腦中的傳輸特性，本文提出了雙網(wǎng)格半三維圖像

3、重建算法，在正問題中采用密集網(wǎng)格剖分下的全三維有限元計算以提高計算精度；在逆問題中采用稀疏網(wǎng)格剖分，且忽略灰質內光學參數(shù)沿深度的變化，在同一腦組織層進行二維重建。結果表明，本方法能夠改善傳統(tǒng)CW-DOT逆問題欠定性，提高了重建速度并獲得了高量化度和分辨率的二維重建圖像。
　　其次，在CW-DOT三維成像研究中，采用多模態(tài)技術獲取先驗信息是改善DOT逆問題的有效途徑，但是采用多模態(tài)方式會增加測量系統(tǒng)的成本和算法融合以及配準方面的開銷

4、，本文提出了一種在單一光學模態(tài)下獲取―功能先驗‖的方法（OT-DOT），實現(xiàn)了MLBL-OT的―功能先驗‖圖像對DOT重建的自引導。即在傳統(tǒng)Jacobian矩陣中融合由MLBL-OT圖像生成的―功能先驗‖模板矩陣，針對―功能先驗‖區(qū)域進行重建。結果表明，在不增加測量系統(tǒng)成本和實驗代價的基礎上采用本方法可以有效獲得“功能先驗”信息降低逆問題的欠定性，經光學自導引后獲得的三維圖像在X-Y截面和X-Z截面重建質量和量化度較傳統(tǒng)DOT方法所得圖

5、像均有所提高。
　　再次，目前DOT模型中普遍采用離體測量的一定范圍內的經驗值作為背景光學參數(shù)，該值往往與個體實際背景光學參數(shù)存在一定差異，從而影響感興趣區(qū)域(region-of-interest, ROI)圖像重建質量。本文提出了一種多距離源-探組區(qū)域分步重建方法（RSRM）用于獲取近紅外腦功能成像中通用雙層平板模型背景光學參數(shù)。即根據(jù)不同源-探距離能夠探測最大深度不同的物理現(xiàn)象，對傳統(tǒng)DOT重建中Newton-Raphson迭