时域荧光扩散光层析的基本理论与实验研究

摘要

由于近红外光在生物组织中具有相对较低的组织吸收，可达到数厘米的穿透深度，同时随着荧光分子探针技术在生物医学研究中的深入研究和广泛应用，荧光扩散光层析(FDOT)技术作为一种新颖的分子成像技术得到了不断发展。时域技术在测量荧光寿命上具有潜在的优势，且能够同时重建荧光产率和寿命以及进行多组分分析。本文主要探讨了时域FDOT的基本原理和实验方法，其内容包括基于时间相关单光子计数技术的多通道时间分辨系统测量、图像重建算法、数值模拟和实验验证三个主要环节。
　　 扩散方程为辐射传输方程的一阶球谐近似，可作为描述光在组织体中的传输模型。荧光检测量的数学表达式可由激发光和发射荧光之间的耦合扩散方程得到。文中提出了将广义脉冲谱技术(GPST)应用到时域FDOT的方法。此方法应用有限元方法求解拉普拉斯变换的时域耦合扩散方程正向模型，在逆向模型中，通过引入一对拉普拉斯变换因子和应用代数重建技术(ART)求解线性方程使得荧光产率和寿命图像同时重建。另外还应用了归一化玻恩比方法，此方法具有与光源强度无关、对系统误差具有较小敏感性、对背景光学特性的非均匀性不敏感等优点，与拉普拉斯变换相结合能够克服测量系统的零点校正问题。将提出的算法进行了数值模拟验证，在空间分辨率、定量重建性等方面进行了评估，且讨论了在噪声数据下变换因子的选择对图像重建的影响。
　　 全时间分辨方法(Full TR)包含了组织体内部光学参数和荧光参数最丰富的信息，成像质量高，因而可作为评估其它算法成像质量的标准。在此方法中，利用有限元-时域有限差分方法求解了时域耦合扩散方程的正向模型，在逆向模型中应用了Newtown-Raphson方法重建了荧光产率和寿命图像，另外对权重矩阵的计算、线性逆和正则化方法进行了说明。将提出的方法进行了二维模拟验证，并对其空间分辨率、重建定量性、重建目标尺寸、噪声鲁棒性等方面进行了评估，且与广义脉冲谱技术进行了比较。
　　 针对时间相关单光子计数系统，采用了基于时间分辨反射测量技术的混浊介质光学参数重构方法快速准确地测量了固态及液态仿体的光学参数。基于自行设计的多通道时间分辩FDOT实验系统，将测得的实验数据应用于图像重建，应用前述的广义脉冲谱技术重建了荧光产率和荧光寿命的全三维图像，图像重建结果与实际情况相符，且验证了模拟实验结果，并对实验结果进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1分子成像的背景和意义

1.2分子成像的核心技术

1.2.1分子探针技术

1.2.2分子成像技术

1.3荧光分子成像技术

1.3.1荧光分子成像研究现状

1.3.2荧光分子成像研究的意义

1.4本课题研究的目的和意义

1.5本文主要研究内容及结构安排

1.5.1主要研究内容

1.5.2论文结构安排

第二章光在组织中的传输理论及模型求解

2.1光与生物组织的相互作用

2.1.1吸收

2.1.2散射

2.1.3组织体受激发光

2.2光在生物组织中传播的输运理论

2.2.1辐射传输方程

2.2.2蒙特卡洛模拟方法

2.3输运理论的扩散近似

2.3.1边界条件

2.3.2光源模型

2.3.3扩散方程的解析方法

2.3.4扩散方程的数值解法

2.4本章小结

第三章基于广义脉冲谱技术的时域荧光分子层析原理及模拟研究

3.1背景介绍

3.2正向问题研究

3.2.1正向问题理论研究

3.2.2拉普拉斯变换因子的选择

3.2.3正向问题模拟验证

3.2.4本节讨论

3.3逆向问题

3.3.1逆向问题原理及求解

3.3.2归一化玻恩比与拉普拉斯变换

3.4三维模拟验证

3.4.1模拟仿体

3.4.2算法评估

3.4.3本节讨论

3.5非均匀背景下图象重建

3.6本章小结

第四章基于全时间分辨方法的时域荧光分子层析原理与模拟研究

4.1背景介绍

4.2正向模型

4.2.1正向模型理论计算

4.2.2正向模型模拟及讨论

4.3逆向模型

4.3.1 Newton-Raphson法简述

4.3.2逆向问题求解

4.4二维模拟验证

4.4.1模拟实验介绍

4.4.2算法评估

4.5本章小结

第五章光学参数时域测量方法及实验仿体配制

5.1背景介绍

5.2生物组织光学测量方法

5.2.1连续光测量方法

5.2.2频域测量方法

5.2.3时域测量方法

5.3时间相关单光子计数技术(TCSPC)

5.3.1光子计数的计数原理

5.3.2时间相关的单光子计数原理

5.4模拟组织体

5.4.1模拟散射参数

5.4.2模拟吸收参数

5.4.3荧光染料

5.5利用时间扩展曲线重构组织体光学参数

5.5.1基于时间相关单光子计数的测量过程

5.5.2测量原理

5.5.3方法验证

5.6本章小结

第六章基于广义脉冲谱技术的时域荧光扩散光层析实验验证

6.1背景介绍

6.2实验验证-1

6.2.1实验系统-1介绍

6.2.2实验过程

6.2.3模拟及实验验证

6.2.4实验结果及讨论

6.3实验验证-2

6.3.1实验系统-2介绍

6.3.2实验仿体

6.4实验结果及讨论

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1本文工作的总结

7.2本课题完成的主要创新性工作

7.3今后工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢