面向早期乳腺癌检测的时域扩散光学方法研究

摘要

早期诊断是提高乳腺癌治愈率和降低病死率的关键。临床常用的乳腺早期检测方法——乳腺X射线摄影术和超声影像等方法在灵敏性、特异性、安全性、舒适性等方面存在缺陷，乳腺扩散光学层析成像技术(DOT)作为一种新兴的无创光学检测技术，因其可提供更丰富的功能性信息而越来越引起人们的关注。
　　 本文首先综述了早期乳腺癌的检测方法，提出了面向早期乳腺癌检测的时域扩散光学层析成像方法。该方法基于光与生理指标密切而灵敏的联系，采用时间分辨系统测量边界上多点的光子流量，可以实现对厘米级厚度的组织内部光学参数的有效重建。
　　 基于广义脉冲谱技术(GPST)的时域扩散光学层析成像的正向模型的建立，简化了时域DOT正向问题的有限元法(FEM)求解过程；在扩散光学层析成像的逆向问题中，Green函数方法和修正的GPST法的引入加速了Jacobian矩阵的求解过程。
　　 针对实际测量系统的标定问题，引入相对数据类型，提出了对该数据类型的Jacobian矩阵的两种尺度标定方法，从理论上推导了两种标定方法对图像重建结果的影响，并通过模拟和实验数据验证了Jacobian矩阵的两种尺度标定方法。
　　 探讨了网格剖分对重建图像性能的影响，提出了网格的疏密程度及网格的剖分方式不仅直接影响到图像的迭代时间，更影响到图像的量化度及空间分辨率等图像性能指标，并采用模拟实验进行了相关验证。
　　 为改善重建图像的性能，提出了优化探头分布位置策略和图像分割策略，并分别采用模拟数据和实验数据进行了验证。其中优化探头分布位置策略可广泛应用于已知病患位置的条件下，该策略充分利用有限个光探头携带的内部信息，降低系统的病态型，提高重建图像的质量；而二值图像分割策略则可广泛应用于乳腺的普查中，该方法的引入可缩小图像重建的区域，大量减少待求参量的个数，进而减小逆问题求解过程中Jacobian矩阵的维数，有效地降低系统的欠定性和病态性问题。
　　 基于时间分辨-锥形压缩扫描方式，搭建了时域乳腺扩散光学层析成像的实验系统，依据优化探头分布位置策略测得实验数据，并通过在两种Jacobian矩阵尺度标定方式下对固体仿体的图像重建，实现了对基于GPST技术的时域乳腺扩散光学层析成像方法及图像分割技术的实验验证。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 乳腺癌概述

1.2 早期乳腺癌检测的背景和意义

1.3 早期乳腺癌的检测方法

1.4 面向早期乳腺癌检测的扩散光学方法研究

1.5 本论文的主要研究内容及结构安排

第二章 光在组织体中的传输模型及组织体光学参数的测量方法

2.1光与组织体的相互作用

2.1.1组织体对光的吸收

2.1.2组织体对光的散射

2.2组织体的光学参数

2.2.1吸收系数及朗伯—比尔定理

2.2.2组织体对光的散射

2.2.3散射各向异性因子g

2.2.4约化散射系数μs'

2.2.5扩散系数κ

2.3光在组织体中的传输理论

2.3.1辐射传输方程

2.3.2时域扩散方程及其求解方法

2.3.3蒙特卡罗模拟

2.4组织体光学参数的近红外光测量方法

2.4.1连续光测量方法

2.4.2频域测量方法

2.4.3时间分辨测量方法

2.5基于时间分辨的组织体光学参数的确定方法

2.5.1利用时间扩展曲线重构组织体光学参数

2.5.2时域扩散光学层析成像

2.6本章小结

第三章 基于广义脉冲谱技术的时域扩散光学层析成像

3.1广义脉冲谱技术

3.2时域扩散光学层析成像的正向问题

3.2.1有限元法

3.2.2基于有限元法的正向求解

3.3时域扩散光学层析成像的逆向问题

3.3.1逆向问题的定义

3.3.2图像重建技术：Newton-Raphson法

3.3.3修正的GPST法

3.3.4 FEM实现离散化

3.3.5相对数据类型的引入及其Jacobian矩阵的尺度标定

3.4时域扩散光学层析成像方法在乳腺肿瘤的早期诊断中的应用

3.4.1乳腺成像测量的扫描方式

3.4.2面向锥形压缩方式的模拟实验

3.5本章小结

第四章 改善时域扩散光学层析成像性能的研究

4.1网格剖分的研究

4.1.1不同网格剖分方式的影响

4.1.2网格疏密程度的影响

4.2优化探头分布策略的方法研究

4.2.1源和探测器的两种分布方式

4.2.2模拟验证

4.3基于图像分割策略的研究

4.3.1图像分割技术

4.3.2模拟验证

4.4本章小结

第五章 时域乳腺扩散光学层析成像的实验研究

5.1实验系统

5.2固体仿体

5.3时间原点的校正

5.4数据处理

5.5实验验证

5.5.1实验数据与噪声数据比对

5.5.2对实验数据采用不同的Jacobian矩阵尺度标定方法

5.5.3对实验数据引入图像分割技术

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1本论文的主要研究工作及结论

6.2本课题完成的主要创新性工作

6.3今后工作的展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢