基于GPU加速蒙特卡罗建模的时域荧光扩散层析方法

为解决含有低散射、高吸收和空腔区域组织内扩散方程光子输运模型的不适用性,发展了基于图形处理单元(GPU)加速的任意复杂组织体光子输运的蒙特卡罗建模方法。在此基础上,提出了基于蒙特卡罗正向模型的时域荧光扩散层析广义脉冲谱技术法。模拟结果表明,与扩散方程相比,基于蒙特卡罗模拟的时域荧光扩散层析对含有低吸收高散射、低吸收低散射、高吸收低散射、高吸收高散射和空腔异质体的复杂组织体中荧光目标体的位置和形状都进行了更准确的重建,从而验证了这种荧光图像重建方法的通用性。

仿CT扫描模式扩散荧光层析成像方法

为了实现高灵敏度、高空间采样密度的扩散荧光层析成像，提出了一种基于光子计数技术的仿CT扫描模式的成像方法．光源经过准直后入射到仿体上，光电倍增管探测得到光源同一水平面101．25°～258．75°均匀分布的8路探测信号．按照与CT相似的方式，系统旋转仿体以实现对仿体的0°～360°扫描，采用光子计数方式采集多个光源入射角下多个探测位置的光子数信息，获得的大量数据可降低重建过程的病态性，使重建结果更加准确．仿体实验证明，对于荧光剂Cy5．5的探测可以达到2nmol／L左右的浓度和边对边距离5mm的空间分辨率，增加空间采样密度可以提高系统的灵敏度和分辨率．

基于多级小波域变换的时域扩散荧光层析成像方法

本研究面向基于无限平板荧光扩散解析模型的时域扩散荧光层析成像的反演问题,提出了一种基于多级小波域变换的图像重建方法。与基于全空间域离散像点的传统重建算法不同,采用小波函数对未知参量的空间域进行多尺度分解,通过逐级细化分解尺度来减少重建的未知参量个数,从而有效地改善重建过程的病态性,提高图像的量化度和空间分辨率。仿体实验验证中采用了基于时间相关单光子技术的非接触模式时域测量系统和两个双目标体平板仿体。实验结果证明了所提的图像重建方法可以有效地改善荧光参数重建图像的空间分辨率,而且相较于传统算法其重建图像量化度有着显著地提高。

基于组稀疏正则化的荧光扩散层析成像重建

针对荧光扩散层析成像中荧光光源的定位误差较大和形态学信息不完整的问题,提出一种基于组稀疏正则化的同时代数重建技术(GSR-SART)算法。该算法利用图像的非局部自相似性和局部稀疏性构造自适应相似组;然后,将相似组作为基本单元,学习自适应字典;最后,采用迭代收缩阈值算法求解目标函数。实验结果表明,所提算法在峰值信噪比和方均根误差的结果上比其他先进算法有较大的提升。

基于透射解析模型的时域扩散荧光层析原理与实验

利用基于耦合扩散方程拉氏变换的广义脉冲谱技术和基于玻恩比的逆模型归一化表示形式,提出了无限平板透射模式下的时域扩散荧光层析图像重建方法.该方法采用外推边界条件下无限平板结构扩散方程的解析解,通过引入一对实拉氏变换因子及相应的两次线性求逆,可实现荧光产率和寿命的同时重建.将提出的算法进行了数值模拟验证,在空间分辨率、噪声鲁棒性等方面进行了评估.通过实验验证获得的荧光参数空间分布较准确的重建结果证明了此重建算法的有效性和可行性.

基于卡尔曼滤波的荧光剂药代动力学层析优化

针对目前常用的扩展卡尔曼滤波技术由于舍弃了系统方程求导的高阶项,使得荧光剂药代动力学参数重建精度下降的缺点,研究发展了基于二室模型的二阶自适应扩展卡尔曼滤波技术并引入无迹卡尔曼滤波技术用于荧光剂药代动力学参数重建。通过数值模拟和在体实验对基于一阶自适应扩展卡尔曼滤波、二阶自适应扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的三种方法进行对比和评估,结果均表明,基于一阶和二阶自适应扩展卡尔曼滤波方法获取的荧光剂药代动力学参数重建结果相近,而基于无迹卡尔曼滤波方法获取的参数在量化度和对比度噪声比上均具有明显优势。该结果与无迹卡尔曼滤波由于没有忽略高阶项而具有更高精度相一致,证明了所提方法的可行性和有效性。

荧光分子断层成像系统的研究进展与比较

荧光分子断层成像(FMT)利用具有特异性的荧光分子探针,在体成像、观测生物体内细胞和分子水平的变化。介绍FMT系统的国内外研究进展,从系统的复杂性、投影数目、光源-探测器(S-D)数据对集大小、重构图像的质量等方面,分析5种S-D几何结构的特点。着重从实现方面,分析、比较已报道的几种FMT系统的特点,并对其多模态成像的可扩展性、临床应用的可能性等进行了总结与展望。

快速估计荧光分子断层成像中单个荧光物的深度

荧光分子断层成像支持在体无创研究长时间跨度的分子事件,满足21世纪系统化地观测生命过程的要求。在其复杂且耗时的重建中,先验信息有助于加快重建速度,提高重建图像的质量。文章将求解荧光物的深度作为待优化问题,由单幅荧光图像直接快速地估计深度信息。首先根据生物组织内的扩散模型和外推边界条件,推导出生物体边界上两点处荧光强度的比值Rf。然后用粒子群优化算法,在吸收系数和散射系数的估计区间内,由最小化生物体边界上两点处模型值RfM与测量值RfT之间的差,估计出荧光物的深度。不同尺寸荧光物的两个仿体实验的结果表明,所提出的方法不需要网格剖分和重建,能快速简单地估计出单个类似于球体的荧光物的深度。

基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析原理与实验研究

提出了基于二维圆域解析模型的时域扩散荧光层析图像重建算法。采用了外推边界条件下二维圆域结构的扩散方程解析解,利用基于耦合扩散方程拉氏变换的广义脉冲谱技术和基于玻恩比的归一化逆问题模型,实现圆柱层析模式下的图像重建。为了解决线性求逆过程中的病态问题,采用了代数重建技术进行相应的线性求逆。并通过引入一对实数拉氏变换因子,实现荧光产率和寿命的同时重建。利用多通道的时间相关单光子计数系统对实验仿体进行了圆柱层析式时间分辨的数据测量,实验结果表明,提出的重建算法对于目标体的位置和形状都进行了较准确的重建,从而验证了该重建算法的可靠性及可行性。

面向吲哚菁绿药代动力学成像的动态实验系统

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像,设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式,在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下,可有效提高系统的空间采样分辨率;同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式,兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性,设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体,并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法,实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。

基于自适应扩展卡尔曼滤波的吲哚菁绿药代动力学实验研究

基于动态扩散荧光层析成像(DFT)的荧光剂药代动力学参数(渗透率等),可为判断不同生物组织体的生理过程和病理信息提供参考。自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)作为一种动态分析方法,具有精确的建模和多参数在线估计等优势。基于DFT系统对吲哚菁绿(ICG)在健康小鼠肝脏和荷瘤小鼠皮下移植瘤组织中的代谢过程进行了测量,然后采用DFT重建技术获得了ICG的时间序列荧光层析图像,在此基础上结合二室模型和AEKF方法得到了ICG的时间序列渗透率参数层析图像。对比两种实验结果可知,肿瘤中ICG的渗透率参数Kpe、Kep均较健康小鼠肝脏中的小。时间序列荧光层析图像显示,AEKF方法能有效获得复杂生物体实时、稳定的ICG药代动力学参数。