实时高分辨扩散光学断层成像方法研究

扩散光学断层成像是一种具有大深度的组织功能成像技术，与荧光探针技术结合可以快速、远距离、无损伤地反映活体特征及生物进程。在肿瘤的产生生长机制、蛋白质分子的输运及相互作用研究、药物疗效检测方面具有独特的优势。.目前，改善成像分辨率、提高成像实时性以及对任意几何形状的物体成像是扩散光学断层成像的研究焦点。本项目拟对具有任意形状复杂边界物体的光子扩散传播模型、成像方式和投影重建方法展开研究。通过玻尔兹曼辐射传输方程建立高精度的适于任意形状物体的光子扩散传播解析模型和有限元数值模型，利用基于体素的Monte Carlo模拟程序研究解析模型和数值模型的精度和实用性。研究基于Born近似的光子测量密度函数的空间敏感性，优化源-探配置方式。通过正则化方法，解决求逆过程中方程组的病态性，建立三维高精度快速重构算法。该项目的研究对改善扩散光学断层成像的分辨率、提高实时动态检测能力、增强实用性具有指导意义。

本项目的在改善成像分辨率、提高成像实时性及对任意几何形状的物体成像方面开展了系统研究。主要研究内容包括：（1）搭建了的基于双振镜快速扫描的自由空间探测的稳态扩散光光学断层成像系统，基于MFC构建了系统的整个控制平台界面，能够准确快速的获得扩散光的二维投影数据。分析了光子测量密度函数的空间敏感性，优化了源-探配置方式。(2)首先基于玻尔兹曼辐射传输理论构建了了高精度的扩散光学断层成像模型-体素化的微扰Monte Carlo模型，该模型不受物体光学参数的限制、适对于任意形状物体进行成像。并针对该方法计算代价昂贵的劣势，研发了基于CPU/GPU集群模式下的加速图像重建的方法，提高了该成像模型的实用性。利用该模型进行图像重建，图像分辨率和量化准确性大大提高。（3）为了提高成像的实时性，构建了基于扩散近似模型的扩散光学断层成像模型，研究基于有限元法和边界元法的扩散光学断层图像重建方法。发展了边界元法和快速多极子法结合的快速多极边界元法用于该成像模型。验证了快速多极边界元法法具有高的计算精度和速度。（4）为了改善扩散光学断层成像的病态性，保证图像重建结果的稳定性，研究了Tikhonov、Laplacian和Helmholtz正则化对病态性的改善。通过本项目的研究，我们建立了三维高精度快速断层图像重建算法。该项目的研究对改善扩散光学断层成像的分辨率、提高实时动态检测能力、增强实用性具有指导意义。