《非接觸式生物發光成像前向問題研究》是依託西安電子科技大學，由陳多芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：非接觸式生物發光成像前向問題研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳多芳
- 依託單位：西安電子科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
非接觸式生物發光成像因具有靈敏度高、成本低、速度快等優點而成為一種重要的光學分子成像模態。光學分子影像前向問題旨在從物理的角度揭示在體光學成像的原理，是光學分子影像的物理基礎和理論依據。針對非接觸式生物發光成像前向問題，本項目深入研究現有生物組織中的光子傳輸模型，考慮生物組織光學散射特性，採用有效的邊界處理方法，建立兼顧精度與速度的複雜生物組織中的光子傳輸模型及求解算法；研究成像系統的物理器件影響，基於透鏡成像理論，採用朗伯餘弦定律描述自由空間中光傳輸時的能量變化，結合基於虛擬探測面和薄透鏡模型的輻射亮度定理，建立光子由三維體表到二維探測面的傳輸模型及求解算法；並研究上述算法的並行實現方法以提高計算效率；利用真實實驗數據驗證算法的可行性並加以完善，最終形成一套準確有效的非接觸式生物發光成像前向問題模型以及快速精確的求解算法，研究成果將對非接觸式光學分子影像發展起到積極的推動作用。
結題摘要
生物發光成像因具有靈敏度高、成本低、無電離輻射等優點而成為一種重要的光學分子成像模態。本項目深入研究了非接觸式生物發光成像中，光在生物組織內部和由生物組織到探測器的傳輸模型以及光傳輸模型的快速求解方法；並將光傳輸模型套用於光學斷層成像逆問題，研究光學斷層成像中的光源高精度定位定量方法。 對於光子在生物組織內的傳輸問題，我們採用輻射傳輸方程的離散坐標近似模型並在模型中融入各向異性係數對其進行改進。同時，採用LSC算法進行自適應離散點加密策略以避免積分近似計算過程中可能出現的射線效應。最後採用基於漫射綜合加速的源疊代算法進行求解對改進的自適應離散坐標模型進行求解。為提高源疊代算法的求解速度，我們提出了全局存儲器訪問加速策略以及基於CUDA架構的GPU並行運算方法。此外，我們利用球諧波函式對RTE方程進行近似，並採用擴展有限元方法進行求解。由於採用有符號的距離方程對生物體內的器官邊界進行精確描述並用此構造富集節點的基函式，計算效率大大提高。 對於光子由三維生物體表到二維探測面的傳輸問題，我們採用基於複雜光學成像系統的簡化模型和改進的朗伯餘弦定律的位置及能量映射對其進行建模和求解。具體來說，項目結合鏡頭簡化理論，同時考慮光闌等物理器件對成像的影響，實現對複雜光學成像系統的建模；將朗伯餘弦定律與基於虛擬探測面和薄透鏡模型的輻射亮度定理相結合，實現對生物體表面逃逸光子在光學成像系統中傳輸時的能量變化的建模。 在前向問題研究基礎上，我們進一步研究了光學斷層成像的光源重建問題。為提高光源重建精度，我們提出基於格線自適應策略的混合正則化算法，在每一級格線水平上都進行一次對未知數的重建，且得到的結果指導下一級的格線剖分並提供初始值；將結構信息融入生物發光成像模型，研究了基於MRI先驗結構信息的生物發光斷層成像光源定位定量方法；為了對光源進行高精度定位和定量，我們提出基於正則化Born近似的兩階段光學分子斷層成像方法，考慮到光源分布的稀疏性，利用基於l1正則化方法對光源進行定位，所得的解作為重建區域和重建算法的初始值，基於該初值利用ART方法對光源進行定量。 項目研究成果獲教育部高等學校科學研究優秀成果獎科學技術進步獎二等獎，發表論文10篇，其中SCI檢索 9篇，申請專利4項。邀請國外專家來訪2次，參加國際會議1人次。
