漫射光成像理論模型及算法的性能研究.pdf

1、以近紅外光為探測手段的漫射光層析成像(DOT，Diffuse Optical Tomography)技術(shù)由于安全、輕便、不受電磁干擾、成本低等優(yōu)點(diǎn)而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有大好的應(yīng)用前景。DOT探測系統(tǒng)簡易，成像理論也不復(fù)雜，但在許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域(如早期乳腺癌的光學(xué)探測)至今仍未推廣到臨床應(yīng)用。最主要的困難在圖像重構(gòu)上。簡而言之，就是在DOT的實(shí)際應(yīng)用中，要么重構(gòu)圖像質(zhì)量太差而不能用于醫(yī)學(xué)診斷，要么重構(gòu)計(jì)算時間太長而無實(shí)用價值。 本論文

2、研究在DOT圖像重構(gòu)中使用的正問題理論模型的性能(精度和計(jì)算時間效率)以及重構(gòu)算法的性能。目的是獲得一套有實(shí)用價值的正問題模型和重構(gòu)算法，從而在可接受的時間內(nèi)得到質(zhì)量合格的、能用于醫(yī)學(xué)診斷的重構(gòu)圖像。 本論文由七章組成。第1章簡要介紹漫射成像的理論基礎(chǔ)、現(xiàn)有的各種重構(gòu)方法和研究概況。第2章提出并描述一種提高混濁介質(zhì)中光子傳輸Monte Carlo仿真(MC仿真)的時間效率的方法。第3章研究兩種版本的傳統(tǒng)漫射模型的偏差(與MC仿真

3、對比)。了解這些偏差是為了改進(jìn)漫射模型(作為DOT重構(gòu)計(jì)算中的正問題模型)以提高其精度(在不降低其時間效率的前提下)。這對于改善DOT重構(gòu)圖像的質(zhì)量是至關(guān)重要的(因?yàn)镈OT逆問題是高度病態(tài)的)。第3章還介紹求解漫射方程的有限元方法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)，并研究漫射邊值問題中的零值邊界的有效性和效率。 漫射模型在介質(zhì)表面附近比在介質(zhì)深處有更大的偏差。第4章研究這種表面偏差并提出一種修正漫射近似法。這

4、種修正既可用于純粹的漫射模型，又可用于漫射模型與MC仿真或光子傳輸方程混合的混合模型，并且在不降低模型的計(jì)算效率的前提下顯著地減小了表面偏差。因而，修正的漫射模型(純粹的或混合的)比傳統(tǒng)模型更適宜作DOT重構(gòu)中的正問題模型。這是本論文的主要貢獻(xiàn)(它有助于改善DOT重構(gòu)圖像的質(zhì)量)。 第5章首先提供一種在MC仿真中直接計(jì)算漫射光時間自相關(guān)函數(shù)的方法，該方法快速而精確。然后研究關(guān)于漫射光時間自相關(guān)函數(shù)的漫射模型的精度(通過與MC仿真

5、對比)。數(shù)值實(shí)驗(yàn)顯示，漫射模型用于計(jì)算歸一化光場時間自相關(guān)函數(shù)時的精度極高(比用于計(jì)算光強(qiáng)時的精度高得多)，幾乎可看作精確模型。因而，在重構(gòu)介質(zhì)的動態(tài)參數(shù)(如布朗漫射系數(shù))時，漫射模型是一個十分理想的正問題模型。 第6章內(nèi)容是關(guān)于DOT重構(gòu)算法和重構(gòu)圖像質(zhì)量的。首先，提出并描述一種基于有限元法和非線性共軛梯度法(NCG Nonlinear Conjugated Gradient，一種非線性優(yōu)化算法)的二步重構(gòu)算法。該算法能夠改善

6、DOT重構(gòu)圖像的質(zhì)量。然后，研究因?yàn)檎龁栴}模型的模型誤差而造成的DOT重構(gòu)圖像質(zhì)量的內(nèi)在限制。此限制就是： DOT重構(gòu)中逆問題的病態(tài)特性以及正問題模型的模型誤差使得被重構(gòu)介質(zhì)的吸收和散射系數(shù)分布的細(xì)節(jié)幾乎總不能被正確重構(gòu)出來，即，DOT重構(gòu)圖像中的細(xì)節(jié)信息是不可靠的，只有粗略信息才是可靠的、可用的。第6章的研究揭示了DOT重構(gòu)計(jì)算所用正問題模型的精度對于重構(gòu)圖像質(zhì)量的極端重要性。最后一章(第7章)先簡要敘述本論文相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作(