光學(xué)分子影像中自由空間光傳輸模型及其應(yīng)用.pdf

1、非接觸式光學(xué)斷層成像（Noncontact optical tomography，NOT）技術(shù)因其具有的顯著優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。作為一種光學(xué)分子影像技術(shù)，NOT技術(shù)具有靈敏度高、安全性好、操作簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)勢(shì)。此外，NOT技術(shù)摒棄了光纖、成像腔和匹配液，從結(jié)構(gòu)上避免了信號(hào)采集模塊與成像體之間的直接連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，提高了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的便利性。由于高靈敏度 CCD相機(jī)和成像鏡頭的使用，可以高分辨率地捕獲生物體體表大規(guī)模的光學(xué)數(shù)據(jù)，

2、在提高系統(tǒng)靈敏度和分辨率的同時(shí)，提高了采集數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。然而，自由空間光傳輸理論的缺乏又為 NOT技術(shù)的發(fā)展帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)。本文針對(duì) NOT技術(shù)中的自由空間光傳輸理論及其在光學(xué)斷層成像技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討和研究，主要內(nèi)容如下：
　　1.基于成像鏡頭的簡(jiǎn)化理論和Monte Carlo方法，研究了基于Monte Carlo方法的自由空間光傳輸模型及非接觸式光學(xué)成像前向問題仿真框架?？紤]Monte Carlo方法仿真速度慢

3、的特點(diǎn)，基于小型并行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前向問題仿真框架的并行加速模型。實(shí)驗(yàn)對(duì)比證明了模型的準(zhǔn)確性和有效性，同時(shí)通過多CPUs仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了并行仿真框架的并行性能。
　　2.研究了基于混合輻射度學(xué)-輻射亮度定理的自由空間光傳輸模型?；诔上耒R頭的簡(jiǎn)化理論，建立了非接觸式光學(xué)成像系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型；引入虛擬探測(cè)平面和可見度因子變量，建立生物體表面和CCD探測(cè)器之間的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系；基于逃逸光子的朗伯源假設(shè)，采用漫射光的朗伯源理論和像的輻射亮度定理描

4、述光能量從生物體表面到 CCD探測(cè)器之間的變化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示了該模型的準(zhǔn)確性和有效性。
　　3.由于基于混合輻射度學(xué)-輻射亮度定理的自由空間光傳輸模型在仿真左右視圖的探測(cè)結(jié)果時(shí)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。通過分析產(chǎn)生誤差的原因，同時(shí)考慮鏡頭光闌對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，研究了基于鏡頭光闌效應(yīng)分析的自由空間光傳輸改進(jìn)模型。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明了改進(jìn)模型的準(zhǔn)確性和有效性；與基于混合輻射度學(xué)-輻射亮度定理的自由空間光傳輸模型相比，改進(jìn)模型取得了

5、更好的性能。
　　4.借鑒光學(xué)上的光路可逆性原理和電路中源-探測(cè)器互易定理的思想，基于漫射光的朗伯源理論和像的輻射亮度定理，研究了自由空間光傳輸模型的逆問題，實(shí)現(xiàn)了多角度的二維熒光圖像到任意形狀生物體表面的三維能量映射。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明了該方法的準(zhǔn)確性和有效性。活體小鼠實(shí)驗(yàn)證明了該方法在三維光學(xué)斷層成像中的應(yīng)用潛力。
　　5.研究了自由空間光傳輸逆向問題在生物發(fā)光斷層成像(Bioluminescence Tomography，B

6、LT）技術(shù)中的應(yīng)用。針對(duì)BLT技術(shù)進(jìn)行體內(nèi)生物發(fā)光光源重建時(shí)對(duì)生物體解剖結(jié)構(gòu)的需求，提出了一種BLT-微計(jì)算機(jī)斷層成像（micro Computed Tomography，uCT）雙模態(tài)融合成像方法，其中uCT用于提供生物體的解剖結(jié)構(gòu)信息，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該雙模態(tài)融合成像方法的可行性和有效性。此外，考慮采用結(jié)構(gòu)成像技術(shù)提供解剖結(jié)構(gòu)帶來的一些問題，提出了一種全光學(xué)的生物發(fā)光斷層成像方法，避免了結(jié)構(gòu)成像技術(shù)的使用，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可

7、行性和有效性。
　　6.研究了自由空間光傳輸理論在內(nèi)窺式光學(xué)斷層成像技術(shù)中的應(yīng)用，提出了一種新的內(nèi)窺式光學(xué)斷層成像算法。通過一種微創(chuàng)方式，將內(nèi)窺探測(cè)器經(jīng)腔類器官送入到接近于感興趣的靶標(biāo)位置，內(nèi)窺式光學(xué)斷層成像（Endoscopic optical tomography，EOT）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)物體或人體內(nèi)部器官的精確成像。通過對(duì) EOT技術(shù)物理模型的分析，建立了更精確的光傳輸混合模型；然后利用有限元方法和稀疏正則化技術(shù)，構(gòu)建了一種