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近场光子输运理论及薄层光学层析非线性图像重建研究

【摘要】:对宫颈及皮肤等上皮组织的成像具有深度小和空间分辨率高的特点。而现有的介观成像技术,如光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT),由于功能信息的缺失,使其不完全具备对这些上皮组织中的病灶,尤其是(早期)肿瘤的探测能力。薄层光学层析成像(Laminar optical tomography,LOT)是一种新型的介观功能成像技术,可实现0~2.5mm深度范围内100~200μm的空间分辨率,对浅层组织中的黑色素、血红蛋白及荧光团物质较为敏感。然而,现有LOT图像重建方法中对逆问题的线性化假设存在较多局限性,难以满足临床应用的要求。本论文首先对图像重建中的正问题展开研究,针对介观成像中的高密度采样以及准直光源近场建模问题,本文先后提出了三种光子输运模型并验证了其用于LOT图像重建的可行性。然后,针对成像逆问题中的大数据迭代重建,提出了一种用于LOT非线性吸收图像重建的方法,并通过仿体及动物实验对其进行验证。具体创新点如下:1.提出了基于路径变换及目标体元回归(Rajectory translation and target voxel regression,TTTVR)技术的数值化正向模型。采用蒙特卡洛(Monte-Carlo,MC)模拟来实现近场区的光子输运建模时,由于LOT属于高密度采样系统,使得利用MC求解正问题的计算效率极低。为此,本论文提出了TTTVR方法来简化建模过程,实现了仅依靠一次单扫描点的基准MC模拟计算出所有扫描点下的模型预测值,使运算速度至少提升10倍,存储空间缩小大约6.9?10~4倍(接收光子为1.0?10~7)。同时,图像重建的模拟结果表明,该方法实现了较准确的异质体位置、尺寸重建以及较高的重建量化度。2.提出了基于虚拟光源—扩散近似(Virtual source-diffuse approximation,VS-DA)技术的半解析、半数值化的正向模型。考虑到大多数用于描述浑浊介质中的准直光近场区光子输运的解析模型表达式过于复杂,本文提出了虚拟光源技术。该方法用一组沿入射方向的各向同性向点光源来等效代替原连续准直光束。为了获得点光源的强度及分布,可由场的唯一性及叠加定理建立虚拟光源方程,并通过最优化理论进行求解。通过与扩散近似结合,得到了VS-DA模型。该模型既大幅提高了传统单点源DE模型在准直光近场区低反照率场合的建模精度,同时继承了DE模型求解的高效性。通过与几种典型近场模型的对比,验证了VS-DA模型的求解精度及计算效率。3.提出了基于混合辐射传输-扩散方程(Radiative transfer equation-diffusion equation,RTE-DE)的全解析解模型。目前,采用基于子区域分割方法的RTE-DE模型来描述近场光子输运问题时,方程间的耦合计算复杂甚至具有物理上的不准确性。为此,本论文提出一种新型的基于瞬态光子动力学的耦合策略,可实现辐射传输与扩散近似过程物理上的无缝连接。该方法将时域扩散方程在一个约定转化时间点的瞬态解转化为一个局部分布的各向同性点光源,并作为扩散方程的光源项用于描述该时间点之后(即晚期)已被充分散射的传输过程。完整的稳态传输建模由早期稳态辐射传输方程解及晚期的稳态扩散方程解组成。最后通过与全域RTE方程比较,验证了所提出模型用于求解近场区光子密度的准确性。4.提出了基于显性奇异值分解(Singular value decomposition,SVD)递归表达式的非线性LOT吸收图像重建策略。由于介观成像具有扫描点多和小探测距离的特点,基于高阶输运理论的迭代非线性图像重建效率较低难以应用。为此本文提出将Jacobian矩阵合成及其SVD分解转化为求解显性SVD递归表达式,大幅降低了图像重建中每次迭代的计算复杂度,从而实现了具有实际意义的LOT迭代非线性图像重建方法。对于采用缩放原理的快速正向计算,推导了其中的缩放因子—光子路径的表达式并在迭代重建过程中及时更新,完整地诠释了逆问题的非线性本质。最后通过仿体及荷瘤鼠在体实验对重建结果的量化度、空间分辨率及计算效率进行了验证。本论文所提出的近场光子输运模型及非线性成像方法不仅适用于LOT系统,也能够应用于其他介观成像系统。此外,对高密度或(及)大体积成像同样具有重要的参考价值。

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