非接触式生物发光成像前向问题研究

非接触式生物发光成像因具有灵敏度高、成本低、速度快等优点而成为一种重要的光学分子成像模态。光学分子影像前向问题旨在从物理的角度揭示在体光学成像的原理，是光学分子影像的物理基础和理论依据。针对非接触式生物发光成像前向问题，本项目深入研究现有生物组织中的光子传输模型，考虑生物组织光学散射特性，采用有效的边界处理方法，建立兼顾精度与速度的复杂生物组织中的光子传输模型及求解算法；研究成像系统的物理器件影响，基于透镜成像理论，采用朗伯余弦定律描述自由空间中光传输时的能量变化，结合基于虚拟探测面和薄透镜模型的辐射亮度定理，建立光子由三维体表到二维探测面的传输模型及求解算法；并研究上述算法的并行实现方法以提高计算效率；利用真实实验数据验证算法的可行性并加以完善，最终形成一套准确有效的非接触式生物发光成像前向问题模型以及快速精确的求解算法，研究成果将对非接触式光学分子影像发展起到积极的推动作用。

生物发光成像因具有灵敏度高、成本低、无电离辐射等优点而成为一种重要的光学分子成像模态。本项目深入研究了非接触式生物发光成像中，光在生物组织内部和由生物组织到探测器的传输模型以及光传输模型的快速求解方法；并将光传输模型应用于光学断层成像逆问题，研究光学断层成像中的光源高精度定位定量方法。.对于光子在生物组织内的传输问题，我们采用辐射传输方程的离散坐标近似模型并在模型中融入各向异性系数对其进行改进。同时，采用LSC算法进行自适应离散点加密策略以避免积分近似计算过程中可能出现的射线效应。最后采用基于漫射综合加速的源迭代算法进行求解对改进的自适应离散坐标模型进行求解。为提高源迭代算法的求解速度，我们提出了全局存储器访问加速策略以及基于CUDA架构的GPU并行运算方法。此外，我们利用球谐波函数对RTE方程进行近似，并采用扩展有限元方法进行求解。由于采用有符号的距离方程对生物体内的器官边界进行精确描述并用此构造富集节点的基函数，计算效率大大提高。.对于光子由三维生物体表到二维探测面的传输问题，我们采用基于复杂光学成像系统的简化模型和改进的朗伯余弦定律的位置及能量映射对其进行建模和求解。具体来说，项目结合镜头简化理论，同时考虑光阑等物理器件对成像的影响，实现对复杂光学成像系统的建模；将朗伯余弦定律与基于虚拟探测面和薄透镜模型的辐射亮度定理相结合，实现对生物体表面逃逸光子在光学成像系统中传输时的能量变化的建模。.在前向问题研究基础上，我们进一步研究了光学断层成像的光源重建问题。为提高光源重建精度，我们提出基于网格自适应策略的混合正则化算法，在每一级网格水平上都进行一次对未知数的重建，且得到的结果指导下一级的网格剖分并提供初始值；将结构信息融入生物发光成像模型，研究了基于MRI先验结构信息的生物发光断层成像光源定位定量方法；为了对光源进行高精度定位和定量，我们提出基于正则化Born近似的两阶段光学分子断层成像方法，考虑到光源分布的稀疏性，利用基于l1正则化方法对光源进行定位，所得的解作为重建区域和重建算法的初始值，基于该初值利用ART方法对光源进行定量。.项目研究成果获教育部高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖二等奖，发表论文10篇，其中SCI检索 9篇，申请专利4项。邀请国外专家来访2次，参加国际会议1人次。