基于格子波尔兹曼方法的荧光分子成像前向问题研究

Fluorescence molecular tomography (FMT) is a molecular imaging modality, with great application prospects in the areas like biology and medicine. However, current FMT encounters difficulty in simulating photon propagation in biological tissue, which limits its further application in biomedical research. In this project, we innovatively apply the lattice Boltzmann method (LBM), which has great advantage in multi-scale simulation and parallel computation, to build forward models for light propagation on microscopic, mesoscopic and macroscopic scales in biological tissue. We utility the theories and methods like multi-scale grid expression, wavelet transform and grid interpolation to explores the expression and design of equilibrium distribution function and relaxation time for tissue optical parameters distribution and photon transport characteristics, and studies the treatment of can-be-fitted irregularly-shaped boundary condition. Thus we are able to greatly improve FMT the computational efficiency in forward problem realization, under the precondition of simulation accuracy, and provide theoretical and technical support for fast FMT imaging. This project’s successful execution can not only promote the development and biomedical application of FMT imaging directly, but also impact on other optical molecular tomography technologies such as BLT and DOT.

荧光分子断层成像(FMT)是一种新兴的分子影像技术，在生物学和医学等领域具有广泛的应用前景。然而，基于现有FMT技术，难以快速并准确地模拟光子在成像体内的传播过程，这限制了其在生物医学研究中更深入的应用。本项目，拟改变现有FMT前向模型实现思路，创新性地应用在介观和多尺度模拟及并行计算方面具有突出优势的格子波尔兹曼(LB)方法，综合多尺度网格表达、小波变换和网格插值等理论与方法，探索结合组织体光学参数分布和光子输运特征的平衡态分布函数和松弛时间的表达与设计方法；研究可拟合非规则形状边界的处理方式；建立光在生物组织中传播的LB模型，以期在不损失模拟准确度的基础上，大幅提高FMT前向问题求解的计算速度和效率，为快速FMT成像提供理论与技术支持。本项目的顺利实施，不仅能够直接促进FMT成像技术的发展和生物医学应用，而且可方便地扩展到BLT和DOT等其他光学分子断层成像技术，具有很大应用潜力。

荧光分子断层成像(FMT)是一种新兴的分子影像技术，在生物学和医学等领域具有广泛的应用前景。然而，基于现有FMT技术，难以快速并准确地模拟光子在成像体内的传播过程，这限制了其在生物医学研究中更深入的应用。本项目，针对荧光分子断层成像（FMT）中前向模型计算量大稳定性差等问题，创新性地基于格子玻尔兹曼（LB）方法，探索了结合生物组织体光学参数分布和光子输运特征的平衡态分布函数和松弛时间的表达和设计方法，通过LB演化方程中光粒子（微团）的迁移与碰撞方式，描述光在生物组织中的各向异性扩散过程，提出了多尺度模拟处理边界条件的方式，建立了一种描述光在生物组织中传播的LB模型，并通过数值仿真及物理仿体实验，评估并验证了基于LB前向模型实现FMT断层成像的可行性及其提高计算效率的潜力。本项目的研究成果，不仅能够直接促进FMT成像技术的发展和生物医学应用，而且可方便地扩展到BLT和DOT等其他光学分子断层成像技术，具有很大应用潜力。