基于无网格方法的生物发光断层成像研究

生物发光断层成像能够在分子细胞水平上无创、特异、在体地反映生物体生理病理变化，已经在生命科学领域得到了广泛的应用。本项目将结合无网格方法与辐射传输方程的高阶近似数学模型，对生物发光断层成像前向问题和逆向光源重建进行研究，以解决有限元方法网格剖分复杂以及扩散近似不适用于低散射、高吸收和小尺寸几何形体的问题；本项目将研究混合光谱的数值分割技术，获取多光谱或超光谱信息，以降低生物发光断层成像逆向光源重建的病态性，提高光源重建的精度；本项目将研究非适定问题的快速准确最优化算法和无网格与有限元的耦合数值重建方法，以提高生物发光断层成像的光源重建效率和实验通量。针对上述算法性能的验证，本项目将开展匀质、非匀质生物组织仿体成像实验以及裸鼠肝原位肿瘤成像实验，并进一步优化和改进算法。本项目的开展将为生物发光断层成像理论、算法、系统和应用的深入研究奠定基础，具有重要的学术价值和研究意义。

本项目以生物发光断层成像为主要研究对象，在光学分子影像数学模型、重建方法、融合框架和生物实验四个方面进行了深入研究。针对有限元方法网格剖分复杂以及扩散近似不适用于低散射、高吸收和小尺寸几何形体的问题，研究修正的无网格算法，结合辐射传输方程的高阶近似数学模型开展生物发光断层成像前向问题和逆向光源重建的研究；针对生物发光断层成像逆向光源重建的病态性问题，研究混合光谱的数值分割技术，获取多光谱或超光谱的先验知识，以提高光源重建的精度；针对生物发光断层成像逆向光源重建的实用性问题，研究快速准确的非适定问题最优化方法，以提高光源重建效率和实验通量；针对上述算法精确性和鲁棒性的验证问题，开展匀质、非匀质生物组织仿体成像实验以及真实小动物肝原位肿瘤成像实验，并进一步优化算法。在国际SCI期刊和主流会议上发表23篇高质量学术论文，申请16项发明专利，申请计算机软件著作权8项，培养博士研究生7名，超额完成预期目标。