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基于hp-FEM的生物发光光源重建算法研究

作　者: 韩润强
导　师: 田捷
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 光学分子影像生物发光断层成像 hp型自适应有限元光源重建
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 59次
引　用: 1次
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内容摘要

由于分子影像(Molecular Imaging, MI)可以对生理过程在体地进行分子和细胞水平的观测,从而在最近几年得到重点关注和迅速发展。与正电子发射断层成像,单光子正电子发射断层成像,磁共振成像,超声成像以及计算机断层成像等传统成像技术相比,光学成像尤其是生物发光断层成像(Bioluminescent Tomography, BLT)和激发荧光断层成像(Fluorescence molecular tomography, FMT)具有较高的探测灵敏度、无电离辐射以及较低的成本等优点。光在强散射的生物组织中的传播可以近似用漫射方程来描述,这是研究BLT问题的数学基础。BLT分为正向问题和逆向问题两个研究方向:正向问题指在已知光源分布、组织光学参数和解剖结构的情况下求解组织内光强分布;逆向问题是在已知表面光强分布、组织光学参数和解剖结构的情况下重建光源空间分布。本文的工作主要集中在BLT重建算法方面的研究,并最终通过小鼠真实实验验证了算法的有效性。本文提出了一种基于hp型自适应有限元方法的BLT光源重建算法。该算法利用基于后延误差的自适应p细分和自适应h细分,并结合了自适应可行区缩小策略,使得重建算法的鲁棒性和效率都得到明显改善,并在一定程度上降低了BLT问题的病态性。我们通过数值仿真和仿体实验对该算法进行了验证,数值仿真中的表面光强分布是通过Monte Carlo方法模拟得到的,仿体实验所使用的表面光强是通过CCD探测器采集到的。实验结果表明:所提出的hp型自适应有限元算法能够极大地改善光源位置及能量重建结果。论文最后详细介绍了基于小鼠活体实验光源重建的具体过程,并得到了初步的重建结果,说明了本文多提出的算法在实际应用中的潜力。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 课题研究背景及意义  7-8
  1.2 国内外研究现状  8-12
  1.3 本文主要工作和章节安排  12-15
    1.3.1 本文主要工作  12-13
    1.3.2 章节安排  13-15
第二章生物发光断层成像的数学模型与求解  15-31
  2.1 生物发光断层成像正向问题求解算法  15-20
    2.1.1 解析法  17-18
    2.1.2 数值解法  18-19
    2.1.3 随机统计方法  19-20
  2.2 生物发光断层成像逆问题求解算法  20-25
    2.2.1 建立内部未知光源与表面已知测量数据之间的关系  20-23
    2.2.2 求解光源分布  23-25
  2.3 BLT 逆问题的病态性  25-28
    2.3.1 病态性的定义  25-26
    2.3.2 BLT 问题病态性的本质  26-28
    2.3.3 降低病态性的方法  28
  2.4 本章小结  28-31
第三章：基于hp-FEM 的光源重建算法  31-45
  3.1 基于hp-FEM 的光源重建算法  31-36
    3.1.1 函数离散化和构造系统方程  31-32
    3.1.2 细分策略  32-34
    3.1.3 收敛性分析  34
    3.1.4 自适应可行区选取策略  34-36
  3.2 数值仿真实验  36-40
    3.2.1 单光源实验  36-38
    3.2.2 噪声实验  38-39
    3.2.3 双光源实验  39-40
  3.3 真实仿体实验  40-43
    3.3.1 实验设计  40-42
    3.3.2 重建结果  42-43
  3.4 本章小结  43-45
第四章：基于真实小鼠实验光源重建  45-57
  4.1 系统介绍  45-48
    4.1.1 MicroCT 系统  46-47
    4.1.2 光学系统  47-48
  4.2 数据获取和预处理  48-52
    4.2.1 实验设计  48-49
    4.2.2 CT 数据分割和网格剖分  49-52
    4.2.3 表面数据配准  52
  4.3 重建结果  52-54
  4.4 本章小结  54-57
第五章：总结与展望  57-59
  5.1 本文工作总结  57
  5.2 未来展望  57-59
致谢  59-61
参考文献  61-65
作者在硕士期间发表的论文和参加的课题  65-66

基于hp-FEM的生物发光光源重建算法研究

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