穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像重構算法理論與實驗研究.pdf

1、熒光蛋白已經成為研究蛋白質之間相互作用的重要工具，對于研究生命科學中的一些關鍵問題具有重要貢獻。然而現有用于觀測熒光蛋白的成像技術，其成像深度為幾百微米左右，即只能觀測淺表組織或培養(yǎng)細胞的生物學過程。為了能夠對深層組織，器官甚至整體小動物進行成像，穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像技術（Fluorescence Molecular Tomography，FMT）被提了出來。由于熒光在組織內存在多次散射的現象，導致了表面測量的熒光信號與體內熒光參數之間

2、的關系為非線性關系，重構問題則是一個病態(tài)問題；同時生物組織的多樣性又決定了組織光學參數的復雜多變，因此穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像重構理論是影響實現深層光學成像的關鍵問題。本文圍繞如何實現快速準確的穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像重構算法這一核心問題，從三個方面研究穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像重構理論與實驗。
　　 基于擴散理論，提出一種基于擴散近似并利用有限元方法進行重構的熒光分子層析成像算法，并提出了一種計算雅克比矩陣的直接（Direct）方法。利用仿

3、體模型實驗驗證了該方法在正問題和逆問題中計算的準確性，并證實了Direct方法計算的雅克比矩陣能夠更加準確的重構出深度方向上的熒光團的分布。
　　 根據隨機理論提出了一種快速的基于蒙特卡洛方法（Monte Carlo，MC）的穩(wěn)態(tài)熒光分子層析成像重構算法。該方法利用顯卡處理核心(Graphic Processing Unit，GPU)集群加速MC計算速度，從而突破了將MC方法用于FMT重構中存在的最大技術瓶頸--巨大的時間消耗。

4、仿體實驗證明了該方法在正問題和逆問題中的準確性，并且該方法不僅適用于高散射介質，在低散射介質中同樣具有很好的重構準確性。利用該方法，對40×20×20 mm3大小的樣本進行重構，整個過程只需要不到10分鐘，最后在體小動物成像結果證實了該方法在實際應用中的可行性。
　　 提出了一種適用于雙模式FMT/微型計算機層析成像（Micro-Computer tomography，Micro-CT）系統(tǒng)的重構算法。該方法包含了一種Micro

5、-CT引導的非等分體素的MC方法（Non-equal voxel Monte Carlo，NVMC）和一種修正的拉普拉斯正則化方法。仿真實驗和仿體實驗證明了NVMC方法能夠在保證不規(guī)則邊界處的計算準確性的同時，顯著的減少計算時間。并驗證了相對于傳統(tǒng)的拉普拉斯正則化方法，修正的拉普拉斯正則化方法能夠更加準確的將非等分體素的Micro-CT結構信息引入FMT重構中，從而減少重構問題的病態(tài)性。通過在體小動物實驗證明了該方法對于包含不規(guī)則的邊界