基于改進(jìn)半閾值法的生物發(fā)光斷層成像仿真研究

發(fā)布時(shí)間：2020-11-17 12:41

　　生物發(fā)光斷層成像(Bioluminescence Tomography,BLT)通過生物體表面獲取到的有限測(cè)量信息來估計(jì)內(nèi)部生物自發(fā)熒光光源的分布,實(shí)現(xiàn)在分子水平觀測(cè)生物體的各種生物學(xué)過程。這一在體無創(chuàng)成像模態(tài)已成為分子成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),并在惡性腫瘤早期檢測(cè)及治療、藥物開發(fā)及療效評(píng)估等預(yù)臨床醫(yī)學(xué)研究中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。但BLT光源重建是一個(gè)典型的不適定逆問題,而且近紅外光在生物組織中傳播時(shí)要經(jīng)歷多次的散射和吸收,增加了光源重建的難度,因此BLT的廣泛應(yīng)用,仍依賴光源重建算法的不斷發(fā)展。本文圍繞BLT光源重建算法的研究開展了以下兩方面的工作:首先將BLIT光源重建建模為一個(gè)基于L1/2范數(shù)正則化的優(yōu)化問題,并將迭代半閾值算法(Half Thresholding Algorithm,HTA)引入進(jìn)來對(duì)此非凸優(yōu)化模型進(jìn)行求解。為評(píng)估HTA算法在BLT重建中的性能,設(shè)計(jì)了多組數(shù)字鼠模型上的仿真實(shí)驗(yàn),將HTA算法與求解L1范數(shù)正則化重建模型的迭代軟閾值算法(Iterative Soft Thresholding,IST)進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)合數(shù)字鼠仿真實(shí)驗(yàn)以及收斂性實(shí)驗(yàn),可以看出在采用混合譜測(cè)量數(shù)據(jù),以及不采用任何可行區(qū)域先驗(yàn)信息的條件下,HTA算法在重建光源中心定位誤差上,總體表現(xiàn)要優(yōu)于IST算法,但在雙光源重建中HTA算法存在位置偏差較大等問題,IST算法的收斂速度比HTA算法略快。為進(jìn)一步改善重建圖像的質(zhì)量,本文在HTA的基礎(chǔ)上,結(jié)合子空間跟蹤(Subspace pursuit,SP)和百分位閾值法,提出了一種改進(jìn)的重建算法——百分位半閾值匹配追蹤法(Percentile Half Thresholding Pursuit Algorithm,Percentile HTPA),即將HTA算法求得的解作為SP算法的候選集,通過兩輪迭代得到最終的解。該方法結(jié)合匹配追蹤和半閾值法的優(yōu)點(diǎn),并且閾值選取基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的排序模型,減少了重建中的人為干預(yù),進(jìn)一步提高了重建的精度。數(shù)字鼠模型上的多組仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與原有的HTA算法和求解L1/2范數(shù)正則化重建模型的迭代重賦權(quán)算法相比,所提出的百分位半閾值匹配追蹤算法,在不同光源設(shè)置下都得到了更為準(zhǔn)確的重建結(jié)果。收斂性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Percentile HTPA算法的收斂速度雖然與HTA算法相似,但其中心誤差更小。
【學(xué)位單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q63;TP301.6
【部分圖文】：

算法,雙光源,存在時(shí)間,分辨能力

〇ｌ?．?．．一?〇Ｌ?．??２０?１０?０?１０?２０?３０?２０?丨?〇?〇?ｌ〇?２０?３０??ＷｍｉＭ?Ｘ／ｎｉｍ?Ｙ／ｍｍ?Ｘ／ｍｍ??Ｄｅｎｓｉｔｙ（ｎｗ／ｎｉｍ３）?Ｄｅｎｓｉｔｙ（ｎｗ／ｉｎｍ３）??＇?ｍ?〇．〇２?￣?＿〇．０２２??ｉ：：：；ｒ?ｍ：ｚ??ｏｈ?？?？?（）�。�?．?．?■?ｏ．ｏｉ??１０?２０?３０?１０?２０?３０??Ｘ／ｍｍ?Ｘ／ｍｍ??（ａ）ＨＴＡ?（ｂ）ＩＳＴ??圖２－２雙光源實(shí)驗(yàn)結(jié)果??Ｆｉｇ．?２－２?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ?ｒｅｓｕｌｔ?ｏｆ?ｄｏｕｂｌｅ－ｓｏｕｒｃｅ?ｃａｓｅ??結(jié)合兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，與１ＳＴ算法相比，ＨＴＡ算法的優(yōu)勢(shì)在于定位??更準(zhǔn)確，對(duì)雙光源有更好的分辨能力，但ＨＴＡ算法目前還存在時(shí)間代價(jià)高，而且??單光源重建實(shí)驗(yàn)中的體積偏差較大，并且重建光源的密度偏小等問題。??