基于匹配追蹤的激發(fā)熒光斷層重建算法研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-14 11:29
光學(xué)分子影像是一種新興的分子影像技術(shù),它具有無(wú)創(chuàng)性,無(wú)放射性,靈敏度高,成像速度快,成本低等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在理論與實(shí)際應(yīng)用方面發(fā)展都很迅速。然而,生物體內(nèi)部光源經(jīng)過(guò)組織的散射和吸收,傳播到動(dòng)物體表,產(chǎn)生的二維表面熒光只能提供二維定性信息,不能反映其深度信息。因此,許多研究者致力于開(kāi)發(fā)光學(xué)斷層成像系統(tǒng)和算法,用以重建出動(dòng)物體內(nèi)目標(biāo)光源的三維分布。與傳統(tǒng)的二維光學(xué)成像方式不同,光學(xué)斷層成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在三維空間中分子活動(dòng)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)的監(jiān)測(cè),這種低成本的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)迅速成為光學(xué)分子影像的熱門研究領(lǐng)域之一。但是由于重建模型與重建方法方面的問(wèn)題,實(shí)際問(wèn)題中重建算法的魯棒性與精確度存在不足,需要在這兩個(gè)方面作進(jìn)一步的探索研究。本文針對(duì)激發(fā)熒光斷層重建算法的魯棒性與精確度這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究,充分利用了組織中熒光光源的稀疏性先驗(yàn)信息,并基于貪婪策略的匹配追蹤算法框架,提出了一種新的稀疏度自適應(yīng)的相關(guān)熵匹配追蹤重建算法,極大的提高了重建算法的魯棒性與精確度,并使用數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)與在體實(shí)驗(yàn)對(duì)算法做了詳細(xì)的驗(yàn)證。本文工作主要包括以下幾點(diǎn):1.激發(fā)熒光斷層重建前向問(wèn)題求解與逆問(wèn)題建立�？紤]光在生物體內(nèi)的傳輸規(guī)律,根據(jù)輻...
【文章來(lái)源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：70 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－２激發(fā)熒光成像示意圖??
方式是散射。由于組織的高度非勻質(zhì)性，光在傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象??（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）。比如當(dāng)用纖細(xì)激光束照射物體，除去激光匯聚點(diǎn)，周圍的組織也??被照亮，這就屬于散射現(xiàn)象，散射現(xiàn)象使得光學(xué)斷層重建問(wèn)題更加困難。圖２－１??給出了光與物質(zhì)的相互作用示意圖。??散射＾?ｆ學(xué)透射光??折射??生物組織??圖２－１光在生物組織內(nèi)的作用方式示意圖［？］??在通常的光學(xué)成像過(guò)程中，為了降低問(wèn)題的復(fù)雜性，僅僅考慮兩種主要的作??用的方式：散射與吸收。對(duì)于光的傳輸過(guò)程的描述，存在兩種不同的理論：解析??理論（ＡｎａｌｙｔｉｃＴｈｅｏｒｙ）與輸運(yùn)理論（ＴｒａｎｓｐｏｒｔＴｈｅｏｒｙ）。解析理論是根據(jù)麥克斯??韋波動(dòng)方程（Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｗａｖｅ?Ｅｑｕａｔｉｏｎ），全面了考慮了光的各種作用方式，具有??數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性，然而在實(shí)際問(wèn)題中，無(wú)法求得通用解，限制了在實(shí)際問(wèn)題中的??應(yīng)用。輸運(yùn)理論最早在丨９０３年由Ａｒｔｈｕｒ?Ｓｃｈｕｓｔｅｒ提出，與玻爾茲曼福射傳輸方??程等價(jià)，基本思想是將光在物質(zhì)內(nèi)的傳播看作粒子通過(guò)介質(zhì)的輸運(yùn)問(wèn)題，根據(jù)能??量守恒定律建立方程，在數(shù)學(xué)上缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，但因其靈活性，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用??廣泛［５６＞５７］。下一小節(jié)詳細(xì)描述輻射傳輸方程的具體形式
圖５－１數(shù)值鼠仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D。（ａ）數(shù)值鼠頭部三維圖像，被分割為腦，骨，肌肉三部分，紅??色圓球ＳＩ，?Ｓ２為置于腦內(nèi)的兩個(gè)重建光源。（ｂ）ｚ＝９．５ｍｍ的軸向切片圖，該切面穿過(guò)兩光源??圓心。??４．激發(fā)過(guò)程計(jì)算與組裝模塊??本模塊利用四面體網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)擴(kuò)散方程中的激發(fā)過(guò)程（２－丨８）進(jìn)行離散化，并??轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的矩陣方程形式（２－２２）。在離散化過(guò)程中，不同區(qū)域的不同器官對(duì)應(yīng)??的四面體有對(duì)應(yīng)的編號(hào)，根據(jù)編號(hào)對(duì)四面體賦予光學(xué)參數(shù)，來(lái)對(duì)非均值仿體進(jìn)行??模擬。本模塊輸出方程（２－２２），其系統(tǒng)矩陣、為對(duì)稱正定的稀疏矩陣，＆是離??散化的激發(fā)光源向量，吣表示激發(fā)光在成像物體內(nèi)的分布向量。對(duì)八組激發(fā)光源??分別激發(fā)計(jì)算，分別對(duì)其保存，供發(fā)射過(guò)程的計(jì)算使用。??５．發(fā)射過(guò)程計(jì)算與組裝模塊??發(fā)射過(guò)程的計(jì)算與激發(fā)過(guò)程的計(jì)算相類似。利用四面體網(wǎng)格對(duì)擴(kuò)散方程的發(fā)??射過(guò)程（２－１９）進(jìn)行離散化，然后將其轉(zhuǎn)化為矩陣方程的形式。在計(jì)算過(guò)程中，??
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Analysis of finite-element-based methods for reducing the ill-posedness in the reconstruction of fluorescence molecular tomography[J]. Zhun Xu, Jing Bai Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China. Progress in Natural Science. 2009(04)
[2]BIOLUMINESCENCE TOMOGRAPHY:BIOMEDICAL BACKGROUND,MATHEMATICAL THEORY,AND NUMERICAL APPROXIMATION[J]. Weimin Han Department of Mathematics,University of Iowa,Iowa City,IA 52242,USA Ge Wang Division of Biomedical Imaging,Virginia Tech-Wake Forest University School of Biomedical Engineering and Sciences,Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg,Virginia 24061,USA. Journal of Computational Mathematics. 2008(03)
本文編號(hào)：2916337
【文章來(lái)源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：70 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
圖１－２激發(fā)熒光成像示意圖??
方式是散射。由于組織的高度非勻質(zhì)性，光在傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象??（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）。比如當(dāng)用纖細(xì)激光束照射物體，除去激光匯聚點(diǎn)，周圍的組織也??被照亮，這就屬于散射現(xiàn)象，散射現(xiàn)象使得光學(xué)斷層重建問(wèn)題更加困難。圖２－１??給出了光與物質(zhì)的相互作用示意圖。??散射＾?ｆ學(xué)透射光??折射??生物組織??圖２－１光在生物組織內(nèi)的作用方式示意圖［？］??在通常的光學(xué)成像過(guò)程中，為了降低問(wèn)題的復(fù)雜性，僅僅考慮兩種主要的作??用的方式：散射與吸收。對(duì)于光的傳輸過(guò)程的描述，存在兩種不同的理論：解析??理論（ＡｎａｌｙｔｉｃＴｈｅｏｒｙ）與輸運(yùn)理論（ＴｒａｎｓｐｏｒｔＴｈｅｏｒｙ）。解析理論是根據(jù)麥克斯??韋波動(dòng)方程（Ｍａｘｗｅｌｌ?Ｗａｖｅ?Ｅｑｕａｔｉｏｎ），全面了考慮了光的各種作用方式，具有??數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性，然而在實(shí)際問(wèn)題中，無(wú)法求得通用解，限制了在實(shí)際問(wèn)題中的??應(yīng)用。輸運(yùn)理論最早在丨９０３年由Ａｒｔｈｕｒ?Ｓｃｈｕｓｔｅｒ提出，與玻爾茲曼福射傳輸方??程等價(jià)，基本思想是將光在物質(zhì)內(nèi)的傳播看作粒子通過(guò)介質(zhì)的輸運(yùn)問(wèn)題，根據(jù)能??量守恒定律建立方程，在數(shù)學(xué)上缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，但因其靈活性，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用??廣泛［５６＞５７］。下一小節(jié)詳細(xì)描述輻射傳輸方程的具體形式
圖５－１數(shù)值鼠仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D。（ａ）數(shù)值鼠頭部三維圖像，被分割為腦，骨，肌肉三部分，紅??色圓球ＳＩ，?Ｓ２為置于腦內(nèi)的兩個(gè)重建光源。（ｂ）ｚ＝９．５ｍｍ的軸向切片圖，該切面穿過(guò)兩光源??圓心。??４．激發(fā)過(guò)程計(jì)算與組裝模塊??本模塊利用四面體網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)擴(kuò)散方程中的激發(fā)過(guò)程（２－丨８）進(jìn)行離散化，并??轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的矩陣方程形式（２－２２）。在離散化過(guò)程中，不同區(qū)域的不同器官對(duì)應(yīng)??的四面體有對(duì)應(yīng)的編號(hào)，根據(jù)編號(hào)對(duì)四面體賦予光學(xué)參數(shù)，來(lái)對(duì)非均值仿體進(jìn)行??模擬。本模塊輸出方程（２－２２），其系統(tǒng)矩陣、為對(duì)稱正定的稀疏矩陣，＆是離??散化的激發(fā)光源向量，吣表示激發(fā)光在成像物體內(nèi)的分布向量。對(duì)八組激發(fā)光源??分別激發(fā)計(jì)算，分別對(duì)其保存，供發(fā)射過(guò)程的計(jì)算使用。??５．發(fā)射過(guò)程計(jì)算與組裝模塊??發(fā)射過(guò)程的計(jì)算與激發(fā)過(guò)程的計(jì)算相類似。利用四面體網(wǎng)格對(duì)擴(kuò)散方程的發(fā)??射過(guò)程（２－１９）進(jìn)行離散化，然后將其轉(zhuǎn)化為矩陣方程的形式。在計(jì)算過(guò)程中，??
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Analysis of finite-element-based methods for reducing the ill-posedness in the reconstruction of fluorescence molecular tomography[J]. Zhun Xu, Jing Bai Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China. Progress in Natural Science. 2009(04)
[2]BIOLUMINESCENCE TOMOGRAPHY:BIOMEDICAL BACKGROUND,MATHEMATICAL THEORY,AND NUMERICAL APPROXIMATION[J]. Weimin Han Department of Mathematics,University of Iowa,Iowa City,IA 52242,USA Ge Wang Division of Biomedical Imaging,Virginia Tech-Wake Forest University School of Biomedical Engineering and Sciences,Virginia Polytechnic Institute and State University,Blacksburg,Virginia 24061,USA. Journal of Computational Mathematics. 2008(03)
本文編號(hào)：2916337
本文鏈接：http://www.wukwdryxk.cn/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2916337.html
最近更新
教材專著
