時域熒光擴散光層析的基本理論與實驗研究.pdf

1、由于近紅外光在生物組織中具有相對較低的組織吸收，可達到數(shù)厘米的穿透深度，同時隨著熒光分子探針技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究中的深入研究和廣泛應(yīng)用，熒光擴散光層析(FDOT)技術(shù)作為一種新穎的分子成像技術(shù)得到了不斷發(fā)展。時域技術(shù)在測量熒光壽命上具有潛在的優(yōu)勢，且能夠同時重建熒光產(chǎn)率和壽命以及進行多組分分析。本文主要探討了時域FDOT的基本原理和實驗方法，其內(nèi)容包括基于時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)的多通道時間分辨系統(tǒng)測量、圖像重建算法、數(shù)值模擬和實驗驗證三個

2、主要環(huán)節(jié)。
　　 擴散方程為輻射傳輸方程的一階球諧近似，可作為描述光在組織體中的傳輸模型。熒光檢測量的數(shù)學(xué)表達式可由激發(fā)光和發(fā)射熒光之間的耦合擴散方程得到。文中提出了將廣義脈沖譜技術(shù)(GPST)應(yīng)用到時域FDOT的方法。此方法應(yīng)用有限元方法求解拉普拉斯變換的時域耦合擴散方程正向模型，在逆向模型中，通過引入一對拉普拉斯變換因子和應(yīng)用代數(shù)重建技術(shù)(ART)求解線性方程使得熒光產(chǎn)率和壽命圖像同時重建。另外還應(yīng)用了歸一化玻恩比方法，此方

3、法具有與光源強度無關(guān)、對系統(tǒng)誤差具有較小敏感性、對背景光學(xué)特性的非均勻性不敏感等優(yōu)點，與拉普拉斯變換相結(jié)合能夠克服測量系統(tǒng)的零點校正問題。將提出的算法進行了數(shù)值模擬驗證，在空間分辨率、定量重建性等方面進行了評估，且討論了在噪聲數(shù)據(jù)下變換因子的選擇對圖像重建的影響。
　　 全時間分辨方法(Full TR)包含了組織體內(nèi)部光學(xué)參數(shù)和熒光參數(shù)最豐富的信息，成像質(zhì)量高，因而可作為評估其它算法成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。在此方法中，利用有限元-時域有

4、限差分方法求解了時域耦合擴散方程的正向模型，在逆向模型中應(yīng)用了Newtown-Raphson方法重建了熒光產(chǎn)率和壽命圖像，另外對權(quán)重矩陣的計算、線性逆和正則化方法進行了說明。將提出的方法進行了二維模擬驗證，并對其空間分辨率、重建定量性、重建目標(biāo)尺寸、噪聲魯棒性等方面進行了評估，且與廣義脈沖譜技術(shù)進行了比較。
　　 針對時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)，采用了基于時間分辨反射測量技術(shù)的混濁介質(zhì)光學(xué)參數(shù)重構(gòu)方法快速準(zhǔn)確地測量了固態(tài)及液態(tài)仿體的