提升FMT-XCT双模式成像定位及定量性能的方法研究

摘要

在体、无损地对小动物体内与分子和细胞功能相关的荧光标记物进行定位和定量成像对于小动物的各种疾病模型研究以及药物研发等具有重要的意义。而荧光分子层析成像（Fluorescence molecular tomography，FMT）与X射线计算断层成像（X-ray computed tomography，XCT）组成的FMT-XCT双模式成像技术在这方面扮演着重要的角色。近年来，基于归一化玻恩比（normalized Born ratio，nBorn）方法的FMT-XCT双模式成像技术已经在多种小动物疾病模型的研究中得到了广泛的应用。然而FMT-XCT逆问题存在着严重的病态性，这使得其定位和定量性能极易受到噪声、组织的吸收和散射异质性以及CCD的探测性能等因素的影响。因此本文围绕如何提高FMT-XCT双模式成像技术定位及定量性能这一问题，从以下几个方面开展了研究：
　　首先对FMT-XCT双模式成像技术的基本理论和成像方法进行了研究。主要包括对FMT正、逆向问题及XCT的基本原理，FMT-XCT双模式成像系统组成及数据获取方法的研究。建立了基于nBorn方法及迭代再权重L1正则化的FMT-XCT双模式成像方法，从而为后续研究提供了可靠的理论和实验基础。
　　为减弱样品吸收和散射异质性对定位和定量性能的影响，本文提出一种线性nBorn方法。该方法将每一次光源入射所对应的所有探测器上的激发光强度的平均值用作该次探测时各个探测器上荧光信号的参考。理论上该方法不仅可以消除系统参数的影响，而且可以使构建的测量向量的相对强度分布与荧光信号的相对强度分布保持一致；并且采用的激发光均值的形式还可以降低激发光信号中测量噪声对重建结果的影响。实验结果显示：基于线性nBorn方法时，FMT-XCT双模式成像技术的定位精度要比基于非线性nBorn方法时高5~88％，定量精度要高5~35%。这表明：线性nBorn方法可以更加有效地克服样品吸收和散射异质性的影响，从而提升了FMT-XCT双模式成像技术的定位和定量性能。
　　为进一步提升FMT-XCT双模式成像技术的定位和定量性能，本文提出一种HDR（highdynamic range，高动态范围）-FMT方法。HDR-FMT方法首先通过基于多曝光的HDR方法构建了高动态范围荧光投影图，并将其用于FMT-XCT的图像重建。在图像重建中，迭代再权重L1正则化方法被用于求解FMT-XCT逆问题，同时该方法还可以补偿构建高动态范围荧光投影图过程中采集多幅低动态荧光投影图所造成的时间消耗。实验结果显示：基于HDR-FMT方法时，FMT-XCT双模式成像技术可以准确地对多个荧光标记物进行定位，且确定系数R2高达0.9975；而基于低动态荧光投影图时，则无法对浓度最小的荧光标记物进行定位，且重建结果存在较多的伪影。研究表明HDR-FMT方法可以有效克服CCD动态范围不足造成的影响，从而提升了FMT-XCT双模式成像技术的定位和定量性能。
　　综上所述，本文提出的线性nBorn方法以及HDR-FMT方法可以有效提升FMT-XCT双模式成像技术在样品具有复杂光学异质性或探测器动态范围不足的情况下对荧光标记物的定位和定量性能。

目录

声明

英文缩写名称一览表

1 绪论

1.1 多模式光学分子成像技术的研究意义

1.2 FMT-XCT双模式成像技术概述

1.3 FMT-XCT双模式成像技术的定位和定量性能

1.4 本文主要研究内容

2 FMT-XCT双模式成像方法研究

2.1 引言

2.2 基本理论

2.3 系统结构及数据获取方法

2.4 基于nBorn方法及iRL1正则化的FMT-XCT双模式成像方法

2.5 本章小结与讨论

3 基于线性nBorn方法的FMT-XCT双模式成像方法研究

3.1 引言

3.2 线性nBorn方法

3.3 仿体模型实验研究

3.4 在体小动物实验研究

3.5 本章小结与讨论

4 基于高动态范围投影图的FMT-XCT双模式成像方法研究

4.1 引言

4.2 CCD动态范围及扩展方法

4.3 基于多曝光的HDR方法

4.4 响应曲线的获取及高动态范围投影图的构建

4.5 仿体模型实验研究

4.6 在体小动物实验研究

4.7 本章小结与讨论

5 总结与展望

5.1 主要研究工作总结

5.2 主要创新点

5.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文和已授权发明专利目录