多目标动态荧光分子成像关键技术研究

作     者：臧青杨 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈春晓

授予年度：2019年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：双模态映射 压缩感知 动态荧光 稀疏贝叶斯学习 逆向重建 

摘      要：动态荧光分子成像技术是通过对活体目标进行连续监测,利用荧光分子探针在体内不同器官中的分布随时间变化的动态性差异进行成像的技术。作为分子影像的重要分支,动态荧光分子成像技术在药代动力学、疗效评估和生理病理过程监测中占据着独特的优势。本文针对多目标动态荧光分子成像系统存在的问题,从配准及重建算法方面进行改进,以提高多目标动态荧光分子成像的精度。动态荧光分子成像在药物研究中有着很重要的应用,论文利用重建的多目标荧光光源建立药代动力学模型,通过得到的动态荧光重建结果实现对模型参数的估计。本文主要工作内容如下:(1)研究了动态荧光分子成像的理论基础,包括前向光子模型构建、双模态图像映射与逆向重建基本方法。(2)研究了双模态图像映射算法。针对二维荧光图像和三维CT结构图像的双模态图像之间需要建立能量映射的问题,提出了一种基于DRR图像配准的光学-CT双模态图像映射算法,实现将CCD相机采集的多角度二维光学数据映射到CT数据的三维体表,并重建出生物体表面的三维能量分布。仿体和肿瘤小鼠实验验证了算法的有效性。(3)针对基于范数优化的重建稀疏性不足、定位精度低的问题,本文提出了基于块稀疏贝叶斯学习的多目标动态荧光分子重建方法。该方法利用多观测动态荧光信号共享相同稀疏结构的特点,可以有效降低重建问题的病态性。双光源与三光源仿真实验验证了算法的有效性。(4)搭建了动态荧光分子成像系统,并通过猪肉组织实验对多目标动态荧光分子成像算法进行验证。针对猪肉组织实验建立药代动力学模型,并根据基于MMV模型的块稀疏贝叶斯学习的动态荧光分子重建结果实现了对药代动力学参数的估计。