光学分子影像中自由空间光传输模型及其应用

【摘要】非接触式光学断层成像（Noncontactopticaltomography,NOT）技术因其具有的显著优势而备受关注。作为一种光学分子影像技术，NOT技术具有灵敏度高、安全性好、操作简单和成本低的优势。此外，NOT技术摒弃了光纤、成像腔和匹配液，从结构上避免了信号采集模块与成像体之间的直接连接，简化了系统架构，提高了系统实现和实验测量的便利性。由于高灵敏度CCD相机和成像镜头的使用，可以高分辨率地捕获生物体体表大规模的光学数据，在提高系统灵敏度和分辨率的同时，提高了采集数据的数量和质量。然而，自由空间光传输理论的缺乏又为NOT技术的发展带来了极大的困难和挑战。本文针对NOT技术中的自由空间光传输理论及其在光学断层成像技术中的应用进行了探讨和研究，主要内容如下：1.基于成像镜头的简化理论和MonteCarlo方法，研究了基于MonteCarlo方法的自由空间光传输模型及非接触式光学成像前向问题仿真框架。考虑MonteCarlo方法仿真速度慢的特点，基于小型并行系统实现了前向问题仿真框架的并行加速模型。实验对比证明了模型的准确性和有效性，同时通过多CPUs仿真实验评价了并行仿真框架的并行性能。2.研究了基于混合辐射度学-辐射亮度定理的自由空间光传输模型。基于成像镜头的简化理论，建立了非接触式光学成像系统的简化模型；引入虚拟探测平面和可见度因子变量，建立生物体表面和CCD探测器之间的位置对应关系；基于逃逸光子的朗伯源假设，采用漫射光的朗伯源理论和像的辐射亮度定理描述光能量从生物体表面到CCD探测器之间的变化过程。实验结果对比显示了该模型的准确性和有效性。3.由于基于混合辐射度学-辐射亮度定理的自由空间光传输模型在仿真左右视图的探测结果时，与实验数据存在一定的误差。通过分析产生误差的原因，同时考虑镜头光阑对探测结果的影响，研究了基于镜头光阑效应分析的自由空间光传输改进模型。实验对比表明了改进模型的准确性和有效性；与基于混合辐射度学-辐射亮度定理的自由空间光传输模型相比，改进模型取得了更好的性能。4.借鉴光学上的光路可逆性原理和电路中源-探测器互易定理的思想，基于漫射光的朗伯源理论和像的辐射亮度定理，研究了自由空间光传输模型的逆问题，实现了多角度的二维荧光图像到任意形状生物体表面的三维能量映射。实验对比表明了该方法的准确性和有效性。活体小鼠实验证明了该方法在三维光学断层成像中的应用潜力。5.研究了自由空间光传输逆向问题在生物发光断层成像（BioluminescenceTomography,BLT）技术中的应用。针对BLT技术进行体内生物发光光源重建时对生物体解剖结构的需求，提出了一种BLT-微计算机断层成像（microComputedTomography,uCT）双模态融合成像方法，其中uCT用于提供生物体的解剖结构信息，并通过实验验证了该双模态融合成像方法的可行性和有效性。此外，考虑采用结构成像技术提供解剖结构带来的一些问题，提出了一种全光学的生物发光断层成像方法，避免了结构成像技术的使用，并通过实验验证了该方法的可行性和有效性。6.研究了自由空间光传输理论在内窥式光学断层成像技术中的应用，提出了一种新的内窥式光学断层成像算法。通过一种微创方式，将内窥探测器经腔类器官送入到接近于感兴趣的靶标位置，内窥式光学断层成像（Endoscopicopticaltomography,EOT）技术可以实现大动物体或人体内部器官的精确成像。通过对EOT技术物理模型的分析，建立了更精确的光传输混合模型；然后利用有限元方法和稀疏正则化技术，构建了一种有效的逆问题反演算法。通过一系列的仿真实验，验证了新EOT算法的准确性和有效性，也展示了NOT技术在大动物体或人体内部器官成像的应用潜力。
【作者】陈雪利；
【导师】高新波；田捷；
【作者基本信息】西安电子科技大学，模式识别与智能系统，2012，博士
【关键词】自由空间光传输；朗伯源；三维能量映射；生物发光断层成像；内窥光学成像；

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