基于辐射传输方程高阶近似的时域荧光分子层析方法

荧光分子层析成像技术在现代生物学、医学研究以及药物研发等领域极具应用前景，由于其具有特异性、灵敏性、无电离以及光学标记灵活性、多样性等优点，成为国内外研究热点。目前成像技术中的图像反演理论普遍采用扩散方程光子传输模型，但该模型在描述生物组织体中的空腔、高吸收区域以及光学测量中光源与探测器近距离等情况存在局限性，从而影响成像准确性。本课题基于时域荧光分子层析的成像优势，以时域辐射传输方程为基础建立高阶简化球谐近似光子传输模型，克服扩散方程的局限性和辐射传输方程的复杂性，并研究基于通用图形处理器并行计算技术的高效数值求解。在精确传输模型基础上，探索基于时间分辨特征数据的荧光分子层析多参数（荧光产率和寿命）图像重建算法以及有效改善图像重建精度、分辨率和稳定性的方法，并实现模拟和实验验证，为荧光分子层析成像进一步面向实际应用开拓新思路。

荧光分子层析成像技术在现代生物学、医学研究以及药物研发等领域极具应用前景，由于其具有特异性、灵敏性、无电离以及光学标记灵活性、多样性等优点，成为国内外研究热点。目前成像技术中的图像反演理论普遍采用扩散方程光子传输模型，但该模型在描述生物组织体中的空腔、高吸收区域以及光学测量中光源与探测器近距离等情况存在局限性，从而影响成像准确性。.本课题基于时域荧光分子层析的成像优势，从辐射传输方程出发，主要研究了三方面内容。（1）基于辐射传输方程，导出了含各项异性因子的三阶展开的球谐函数微分方程组（P3近似）；发展了基于P3近似方程以及基于高阶简化球谐近似（SPN）方程的数值解并与扩散方程和蒙特卡洛模拟进行了比较；基于特征值分解策略和已发展成熟的扩散方程解析解方法，首次推导了SPN方程以及荧光SPN方程的通用解析解；发展了基于GPU加速的任意复杂组织体光子输运的蒙特卡洛（MC）建模方法；（2）在精确传输模型基础上，探索基于时间分辨特征数据的荧光分子层析多参数（荧光产率和寿命）图像重建算法以及有效改善图像重建精度、分辨率和稳定性的方法。主要包括建立了基于广义脉冲谱技术的P3、SP3近似方程的多光学参数同时重建方法，以及基于荧光P3和SP3方程的荧光产率和寿命图像同时重建的方法；发展了荧光导引“扩散光层析（DOT）”图像重建的方法；发展了基于多级离散小波变换技术的方法；建立基于广义脉冲普技术的MC-FDOT图像重建技术；发展了一种pH值敏感性检测的稳态差分FDOT成像方法以及重叠时间门的全时间分辨数据处理方法等；（3）在模拟和实验验证方面，本课题主要基于两套实验系统，分别为基于光子计数技术的仿CT扫描模式荧光扩散层析成像系统以及搭建的基于时间相关单光子计数测量模式的时域扩散荧光―光学混合层析成像系统，实现了仿体和实验验证，证明了本项目所研究方法的有效性。