基于正则化的荧光分子断层成像重建方法研究

【摘要】分子影像技术利用影像学手段，对生物体分子细胞水平的生理活动进行连续在体观测，在疾病的早期检测、靶向治疗、药物研制等领域有重要研究意义。荧光分子断层成像（FluorescenceMolecularTomography,FMT）由于具有灵敏度高、时间分辨率高、无电离、无放射性、成本低以及成像快捷方便等诸多优点，成为分子影像技术的重要分支并得到了广泛关注与迅猛发展。但荧光分子断层成像穿透距离短，目前主要应用于小动物成像。如何根据检测到的光分布，以及考虑目标本身对光的吸收和散射作用，准确而快速的重建出荧光标记物在目标内部的三维分布，一直都是荧光分子断层成像中的关键问题。本文围绕连续波荧光分子断层成像中荧光团的分布重建问题展开研究，主要内容如下：1.提出了一种基于网格自适应策略的混合正则化重建算法来准确定位目标内部的荧光团。利用有限元方法离散求解荧光分子断层成像的荧光团分布，一般需要较细的网格离散来逼近问题，但是均匀网格产生大量的未知数，进一步加剧重建问题的病态性。考虑到网格大小对重建结果的影响，本文采用了自适应的有限元方法来重建荧光团分布；针对不同水平的网格上荧光团有其不同的自身特性，可以将其利用作为先验信息，于是文中采用不同的正则化方法来重建荧光团分布。在该算法中，荧光目标重建区域随着网格的局部细分而不断缩小。在第一级粗网格水平上，重建区域为整个感兴趣的成像目标，荧光团相比于重建区域可看做是稀疏分布的，于是用稀疏正则化方法求解，所得的解指导下一级的网格细分，并为下一级正则化方法提供初始值。在后续网格水平上，随着重建区域的大大缩小，荧光目标不再满足稀疏性，于是采用Landweber迭代正则化方法来求解。经过这种多级细分与多次重建，最后获得准确的荧光团位置。基于非匀质数字鼠的计算机仿真和物理仿体实验证明了该算法的有效性与准确性。2.为了满足荧光分子断层成像中的定量重建问题，本文研究了基于正则化Born近似比的两阶段荧光分子断层成像定量算法。考虑到组织光学参数对重建结果的影响，文中采用基于正则化的Born近似比来构建问题的数学模型。算法主要包括两个步骤：第一个步骤是利用l1正则化方法对荧光目标进行定位，即获得荧光目标的三维空间信息。第二个步骤：在已知荧光目标的位置后，利用代数重建技术计算荧光目标的浓度。计算机仿真和物理仿体实验验证了算法的可行性与有效性。3.基于荧光分子断层成像的两种典型应用模型，即早期肿瘤检测模型与药物分布重建模型，论文系统比较了l1范数正则化与l2范数正则化方法在这两种模型上的优缺点。早期肿瘤检测模型一直是大部分研究者的研究对象，其显著特点就是重建目标相比于重建区域非常小，在数学上可以认为该模型具有稀疏特性；而药物分布重建模型是药代动力学研究的重要组成部分，其特点就是重建目标具有了一定的尺寸和体积。通过数字鼠实验和真实老鼠实验的结果，以位置误差和荧光产额值的半高全宽值作为衡量的标准，我们发现l1正则化方法适合于早期肿瘤检测模型，而l2正则化方法则对于药物分布重建模型更准确。
【作者】易黄建；
【导师】田捷；
【作者基本信息】西安电子科技大学，智能信息处理，2013，博士
【关键词】荧光分子断层成像；正则化方法；有限元方法；早期肿瘤检测；药物分布重建；

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