稳态扩散光学层析成像及快速多极边界元法研究

摘要

肿瘤疾病是医学上长存的问题,其治疗离不开对分子层次,肿瘤行为和其治疗反应中特定分子和生物过程的表达水平和活性的研究,近些年出现的分子成像技术因满足此需求而逐渐成为科学和工程领域的研究热点。分子成像是核素成像和光学分子成像等的统称,其中光学分子成像因具有更宽的可选荧光探针谱倍受关注。
　　扩散光学层析成像(Diffuseopticaltomography,DOT)是光学分子成像技术中重要的一种,它利用近红外光于组织内的传播模型和探测数据来重建组织光学参数。DOT成像包括成像系统和算法,用于获取探测数据的系统分三类,各类系统自有特色和缺陷,其中稳态系统使用较为广泛。用于处理传播模型的算法面向正、逆向过程,正向问题的求解普遍采用有限元法,但是随着实际模型规模的增大,其计算量问题日益显著,而边界元法(Boundaryelementmethod,BEM)则由于可以降低计算维度被关注。近来学界提出的快速多极边界元法(FastmultipoleBEM,FMBEM)更因无需系数矩阵且使用快速多极子法加速展现了BEM的潜力。
　　本实验室内搭建了一套基于自由空间CCD探测的稳态扩散光学层析系统,完成了系统的软件控制,方便用于获取稳态探测数据。成像算法直接影响了结果的准确性,文中使用Matlab编写了BEM和FMBEM程序。使用简单圆形组织模型,文章就正向问题分别将上述两种方法同蒙特卡罗法进行了模拟比较,结果表明利用BEM和FMBEM模拟的结果同蒙特卡罗法有很好的一致性。研究结果验证了两种方法用于扩散光学层析成像的可行性,为其大规模和实时成像带来可观的前景。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 扩散光学层析成像概述

1.3 本文研究内容和安排

2 稳态扩散光学层析成像系统

2.1 发展的扩散光学层析成像系统

2.2 稳态系统

2.3 本章小结

3 基于传统边界元法的正向问题求解

3.1 稳态扩散光学层析成像算法

3.2 边界元法用于正向问题

3.3 模型仿真验证和分析

4 基于快速多极边界元法的正向问题求解

4.1 快速多极边界元法的发展

4.2 快速多极边界元法的原理和步骤

4.3 模型仿真验证和分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文