生物自发荧光三维断层成像的方法与应用-博士学位论文公示.PDF

博士学位论文公示材料 学生姓名 张爽 学号 1210555 二级学科 生物医学工程 导师姓名 田捷 论文题目 生物自发荧光三维断层成像的方法与应用 论文关键词 光学分子影像，生物自发荧光断层成像，三维重建算法，Split Bregman 迭代收 缩方法，替代函数，光学表面重建 论文摘要(中文) 影像学已经成为癌症临床研究和临床实践一项强有力的工具。在过去的十五年里，有非常多的成 像技术以及其使用的肿瘤应用在蓬勃发展，但获得最大突破是日新月异的光学分子影像技术。光学分 子影像是一门可应用于生物医学研究的科学。运用非侵入性影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞 水平的特定分子，反应活体状态下分子水平变化，对生物学行为在影像方面进行定性和定量研究。值 得一提的是，光学分子影像技术可以帮助我们实现疾病的早期诊断，药物递送及疗效评估，特别是针 对于全球发病率逐年增加的癌症，有更深远的意义。生物自发荧光断层成像是一种重要的光学分子影 像模态，因为它的高灵敏度，可以通过探针特异性地标记靶点，从而对病灶分布进行定位和量化。 近年来，世界上不同的研究组都针对生物自发荧光断层成像进行了研究，其成像理论已初步建立。该 成像理论从物理本质上来说，是要运用从生物体表面上获取的边界测量信息去估计生物体内部的肿瘤 病灶三维分布，而光子在生物体传播时要经历多次散射和吸收，因此增加了该问题的难度，是个典型 的病态问题。这种严重的病态性，不仅增加了求解的难度，也限制了成像的精度。因此，如何寻求新 的成像模型和算法，降低对苛刻成像条件的依赖，提高图像的重建精度与速度，是现今的科研人员一 直在不断探索的问题。本文正是在这样的背景下开展了生物自发荧光断层成像的研究。围绕成像方法 及成像系统的研究与构建，立足于解决生物医学中的实际应用问题，重点研究了成像技术中求解逆问 题的重建算法，构建了成像系统及设备，并通过生物活体实验验证了三维重建算法与成像系统的实用 性与有效性。本文的工作主要包括如下几个方面： 1. 提出了一种基于Split Bregman 迭代收缩的改进算法，该算法利用替代函数的思想，通过在每个迭代 点使用更简单的函数替代目标函数，使迭代过程简化，从而提高重建速度，减少系统内存压力。再通 过建立乳腺癌皮下肿瘤模型以及肝癌原位植入荧光珠模型，对小鼠微小病灶区域进行非侵入式的活体 三维探测。现有的三维重建算法虽然已经解决了部分精度和速度的问题，但开展的验证实验绝大多数 还是基于数值仿真、几何仿体、或小鼠仿体。由于在实际情况中，光源信号所表征的肿瘤区域往往要 弱得多，因此开展真实肿瘤模型的小鼠活体实验来验证算法十分必要。本方法利用了二维多角度生物 自发荧光成像与微型CT 成像两种模态的互补优势，融合了小鼠的三维解剖结构信息以及从体表捕捉到 的来自于体内肿瘤的荧光信息，不仅能够重建出肿瘤的大小，还能反应肿瘤与体内各器官的三维位置 关系。同时，采用特定的迭代收缩算子，以及替代函数等策略，本方法还能提高重建的精度、效率及 鲁棒性等。通过开展小鼠活体成像实验验证算法的特性。结果表明，本方法能精确定位病灶区域，误 差小，重建速度比传统方法提高了1~3 个数量级。 2. 提出了一种基于多角度的光学投影表面轮廓重建和 Split Bregman 光源重建算法的三维自发荧光成 像方法，能在避免由传统的计算机断层扫描带来的辐射危害情况下，对小鼠乳腺癌皮下肿瘤进行三维 重建。本方法利用多角度光学图像进行光学投影的3D 表面轮廓重建与多角度荧光无缝融合，使用扩散 方程建立光子传输模型，采用基于L1 范数的Split Bregman 迭代重建算法对自发荧光内部光源，进行 精确重建。该技术能有效地应用于目标体全身生理代谢的研究，重建效率高且适用于成像系统性能较 低或者实验环境较差的情况。此外，通过开展小鼠活体实验，进行了一系列三维重建的对比试验，包 括：⑴与通过微型CT 扫描获取结构信息的双模态系统进行三维成像结果的对比(P 0.05) 。⑵与现有的 商业系统，即高检测灵敏度的光学活体成像系统（IVIS Imaging System ）进行三维成像结果的对比(P 0.04)。结果不仅验证了基于多角度纯光学表面重建的三维自发荧光成像方法及系统的成像效果明显优 于商业光学活体成像系统设备，还发现本方法能达到和BLT/CT 双模态一致