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快速多极边界元法用于扩散光学断层成像研究

物理学报 2013年第10期62卷 159-164页

作者：许军谢文浩邓勇王侃罗召洋龚辉华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)-华中科技大学Britton Chance生物医学光子学研究中心生物医学光子学教育部重点实验室武汉430074

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时,目前普遍采用有限元法,但是随着实际模型规模的增大,有限元法的计算量问题日益显著,而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注.本文以均匀的高散射介质为模型,研究了将快速多极边... 详细信息

在求解扩散光学断层成像中的正向问题时,目前普遍采用有限元法,但是随着实际模型规模的增大,有限元法的计算量问题日益显著,而边界元法则由于可以降低计算维度使计算量减少而备受关注.本文以均匀的高散射介质为模型,研究了将快速多极边界元法用于扩散光学断层成像的正向问题.快速多极边界元法利用核函数的多极展开,将常规边界元法中系数矩阵和迭代矢量的乘积项等价为相应四叉树结构的一次递归,再结合广义最小残量法进行迭代求解.将计算结果和蒙特卡罗法的模拟结果进行了比较,表明利用快速多极边界元法的模拟结果和蒙特卡罗法的结果有很好的一致性.研究结果验证了快速多极边界元法可以用于扩散光学断层成像,为其大规模和实时成像带来可观的前景.

关键词：扩散光学断层成像边界元法快速多极边界元法

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磁共振辅助的近红外扩散光学断层成像

红外与毫米波学报 2012年第5期31卷 425-430页

作者：陈春晓王睿吴佳妮滕皋军南京航空航天大学生物医学工程系江苏南京210016 东南大学附属中大医院放射科江苏南京210009

将大脑磁共振T1加权像分割为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质,并生成分层体网格.利用具有大脑解剖结构信息的分层体网格建立近红外扩散光学断层成像前向光学模型和实现功能重建,可以避免目前所使用的半球头模或图谱头模空间定位不准的问... 详细信息

将大脑磁共振T1加权像分割为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质,并生成分层体网格.利用具有大脑解剖结构信息的分层体网格建立近红外扩散光学断层成像前向光学模型和实现功能重建,可以避免目前所使用的半球头模或图谱头模空间定位不准的问题,解决图像重建过程中所解方程的欠定性和病态性.在棋盘格旋转视觉刺激及扩张视觉刺激实验中,基于磁共振图像的扩散光学断层成像重建的含氧血红蛋白图像具有更高的空间分辨率及定位精度.

关键词：图像分割体网格磁共振成像扩散光学断层成像

定量评估磁共振成像辅助的扩散光学断层成像质量

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光学学报 2011年第7期31卷 191-197页

作者：刘雯卿陈春晓吴佳妮南京航空航天大学生物医学工程系江苏南京210016

针对目前扩散光学断层(DOT)成像空间定位精度较低的特点,采用与磁共振成像结合的成像方法,通过有限元网格引入磁共振先验解剖信息,可有效提高重建图像的空间分辨率和定位精度。定义了多个评价指标,利用点扩展函数(PSF)仿真,在不同组织... 详细信息

针对目前扩散光学断层(DOT)成像空间定位精度较低的特点,采用与磁共振成像结合的成像方法,通过有限元网格引入磁共振先验解剖信息,可有效提高重建图像的空间分辨率和定位精度。定义了多个评价指标,利用点扩展函数(PSF)仿真,在不同组织分类和不同的光学参数条件下,定量评估了重建图像空间位置的准确性、有效分辨率和对称性,并给出了具有深度信息的三维重建图像。仿真结果表明,将大脑组织分成头皮、头骨、大脑和脑脊液可以得到最优的扩散光学断层成像的图像质量,且图像质量在三维空间分布较为均匀,同时验证了在一定范围内改变组织的光学参数大小,重建图像指标仅在较小的范围内浮动,对仿真结果影响可忽略。

关键词：图像处理图像质量磁共振成像扩散光学断层成像图像分割网格化

基于CPU-GPU加速的扩散光学断层成像软件框架设计与实现

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基于CPU-GPU加速的扩散光学断层成像软件框架设计与实现

作者：白玉龙西安电子科技大学

学位级别：硕士

扩散光学断层成像（Diffuse optical tomography,DOT）是一种新型近红外组织功能成像技术,和传统成像技术相比,具有特异性强、成本低、无侵害等优点。DOT在乳腺癌早期检测、新辅助化疗、药物疗效在体评估等领域有着较好的应用前景。然而... 详细信息

扩散光学断层成像（Diffuse optical tomography,DOT）是一种新型近红外组织功能成像技术,和传统成像技术相比,具有特异性强、成本低、无侵害等优点。DOT在乳腺癌早期检测、新辅助化疗、药物疗效在体评估等领域有着较好的应用前景。然而,DOT重建是一个复杂的数学迭代过程,其运算量非常大。本文工作围绕如何准确以及高效地重建光学参数进行展开,主要包含如下三个方面:***重建算法设计。根据DOT重建原理,设计了重建算法的实现方案。基于有限元法（Finite Element Method,FEM）针对连续波（Continuous Wave,CW）以及频域（Frequency Domain,FD）DOT重建过程中正向与逆向问题,设计了刚度矩阵运算、雅克比矩阵运算、光源向量计算以及节点光子密度求解等过程的计算方案。***加速方案设计。根据重建算法的可并行性,提出了连续波DOT以及频域DOT重建的加速方案,并进行验证。基于中央处理单元（Central Processing Unit,CPU）,图形处理单元（Graphic Processing Unit,GPU）对DOT重建中的刚度矩阵计算部分、雅克比矩阵计算部分、更新量计算部分进行加速,获得了较大的加速比,在三维连续波DOT重建中,当重建网格含有61322个节点,使用5292对源-探测器对时加速比为22.50;在三维频域DOT重建中,当重建网格含有61322个节点,使用2916对源-探测器对时加速比为17.78。***重建软件开发。基于Visual Studio平台上开发出一套用于DOT重建的C++版本软件。该软件功能广泛,可以实现二维连续波、三维连续波、二维频域、三维频域重建;通过多组连续波、频域仿真以及仿体实验对该软件的重建精度进行了验证,证明其具有较高的重建精度;另外,在不同的重建问题规模、不同重建类型条件下,本文使用常用的DOT重建软件NIRFAST（Near Infrared Fluorescence and Spectral Tomography）与本软件进行速度对比实验,结果表明本软件在不同的实验条件下均比NIRFAST快10倍以上。

关键词：扩散光学断层成像重建算法 CPU-GPU加速重建软件

数字乳腺断层摄影图像质量提升及其引导的扩散光学断层成像

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数字乳腺断层摄影图像质量提升及其引导的扩散光学断层成像

作者：王鑫西安电子科技大学

学位级别：硕士

乳腺癌是女性健康的“头号杀手”,早期筛查是提高乳腺癌患者生存率的必要手段。数字乳腺断层摄影(Digital Breast Tomography,DBT)作为一种三维钼靶成像,克服了二维钼靶成像存在的组织重叠和结构噪声大的缺点,可以更清晰地显示乳腺组织... 详细信息

乳腺癌是女性健康的“头号杀手”,早期筛查是提高乳腺癌患者生存率的必要手段。数字乳腺断层摄影(Digital Breast Tomography,DBT)作为一种三维钼靶成像,克服了二维钼靶成像存在的组织重叠和结构噪声大的缺点,可以更清晰地显示乳腺组织结构,提高癌症检出率,降低乳腺筛查的回访率。然而,DBT的图像质量易受系统几何误差和低对比度投影图像影响,并且缺乏功能影像信息。针对以上问题,本文系统性研究了DBT的几何校正问题,提出了基于深度学习的投影图像增强技术,提升了DBT的图像质量。此外,本文还引入了扩散光学断层成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)实现双模态成像。基于DBT结构先验引导的DOT重建,为DBT结构影像提供了肿瘤血氧功能信息,有望提升肿瘤良恶性鉴别能力。具体而言,本论文的研究工作可以分为以下几个方面:1、DBT系统几何校正研究。在DBT图像重建过程中,需要精确获取图像采集中的各项几何参数。然而,DBT硬件设备在加工安装时存在一定的系统误差。这种误差可能导致重建图像中的部分结构扭曲、位置偏移和强度衰减等。本文首先评估了DBT系统的相关几何参数失真对重建图像质量产生的影响,然后针对DBT系统的几何校正问题,设计了双平面8球校准仿体,并利用基于投影矩阵的几何参数提取方法实现了高精度几何校正。2、低对比度DBT投影图像增强研究。由于乳腺组织的衰减系数相近,DBT投影图像的对比度很低。这导致医师很难在致密的乳腺中将肿块和腺体区分开,并可能会忽略乳腺癌重要标志物-微钙化(Microcalcifications,Mcs)。为了解决该问题,本文借鉴弱光图像增强技术的思想,设计了基于注意力机制的乳腺病变组织增强网络(Attention-based Breast Lesion Enhancement network,BLENet),并利用数字乳腺模型投影图像对BLENet进行了训练。为了保留投影图像中的微钙化细节,本文设计了相应的微钙化损失函数。不同仿真测试集上的量化评估表明,该网络在提升肿块对比度的同时增强了Mcs的显著性。此外,本文发现该网络具有较强的泛化能力,利用仿真数据集训练的网络可直接应用于实测数据,并且获得较好的增强效果。3、基于DBT结构先验的DOT重建研究。为了在乳腺筛查过程中同时获取结构影像和功能影像,本文在自主开发的无光纤平行平板DOT系统基础上实现了基于DBT结构的软先验和硬先验引导的DOT重建算法,不仅有效提升DOT图像质量而且获得了肿瘤的血氧功能信息。本文设计了双孔模型与数字乳腺模型实验,并利用阈值分割方法获取了DBT重建图像结构先验。结果表明,与标准的Tikhonov正则化方法相比,基于DBT结构先验的方法,在减少图像伪影的同时显著提高了肿瘤对比度。此外,与基于肿块和乳腺区域的双区域结构先验相比,包含肿块,腺体和整个乳腺区域的三区域结构先验能在保持肿块高对比度的同时更好的恢复组织内部的形貌结构。

关键词：数字乳腺断层摄影扩散光学断层成像图像质量增强引导成像

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MRI辅助提高扩散光学断层成像质量的研究

MRI辅助提高扩散光学断层成像质量的研究

作者：刘雯卿南京航空航天大学

学位级别：硕士

扩散光学断层成像无创、便携和易用的特点,使之作为一种重要的检测手段,在危重症病房病人、儿童和婴儿等人群的脑功能检测领域具有很大的潜力。然而,扩散光学断层成像图像重建过程中的欠定性和病态性,导致图像空间分辨率和定位精度远未... 详细信息

扩散光学断层成像无创、便携和易用的特点,使之作为一种重要的检测手段,在危重症病房病人、儿童和婴儿等人群的脑功能检测领域具有很大的潜力。然而,扩散光学断层成像图像重建过程中的欠定性和病态性,导致图像空间分辨率和定位精度远未达到临床诊断的要求。因此,提高扩散光学断层成像质量的研究,对促进它在脑功能方面的广泛应用具有重要意义。本文利用磁共振成像中获得的解剖信息,建立特定受试者头模,实现扩散光学断层成像的重建,可避免目前使用半球头模或图谱头模以及重建过程中所解方程的欠定性和病态性带来的空间定位不准的问题,进而提高扩散光学断层成像质量。论文研究的主要工作包括:根据磁共振图像特点,结合阈值、混合水平集和数学形态学等多种分割方法,将人脑组织分成头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质五部分;研究了带有组织标记的三维体数据网格生成算法,开发了一个三维医学数据网格生成工具包,可生成质量较高的四面体网格;为了把真实的解剖信息引入扩散光学断层成像系统中,研究了空间配准算法,将光学成像系统中光源和检测器的坐标值变换到磁共振成像空间;此外,利用结构化体绘制和非结构化体绘制算法,分别提供了磁共振图像和光学图像的三维显示和交互操作。为了进一步提高扩散光学断层成像系统的精度,本文根据不同分类策略建立受试者头模,利用点扩散函数模拟成像系统在点源激励下的响应,重建光学图像,用位置误差、空间分辨率和最大距离评估所建头模对成像质量的影响。实验结果表明,将大脑分成头皮、头骨、脑脊液和灰质-白质四部分时,重建的图像质量最好。论文最后给出了利用上述最优分类策略所建立的有限元模型,重建视觉皮层刺激响应的实验,得到了符合生理意义的结果。

关键词：扩散光学断层成像磁共振成像图像分割体网格配准

DOT与Micro-CT双模式成像算法研究

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DOT与Micro-CT双模式成像算法研究

作者：张暄轩华中科技大学

学位级别：硕士

扩散光学断层成像（Diffuse optical tomography，DOT）是利用散射光来探测组织功能的一种具有大深度的光学在体成像技术，可非侵入进行深层组织功能成像，具有成本低、无辐射伤害、成像深度深的优点，在疾病过程的在体检测、基因治疗... 详细信息

扩散光学断层成像（Diffuse optical tomography，DOT）是利用散射光来探测组织功能的一种具有大深度的光学在体成像技术，可非侵入进行深层组织功能成像，具有成本低、无辐射伤害、成像深度深的优点，在疾病过程的在体检测、基因治疗的在体示踪、药物在体疗效测评和功能分子在体活动规律研究等许多生物医学研究领域具有独特的优势使其脱颖而出、独树一帜。然而DOT成像受非线性和高病态性的限制，成像分辨率低，多模式成像成为一种改善其成像质量的有效方法。本论文针对双模式成像中亟待解决的问题，主要研究工作如下：提出了一种由CT图像产生三角网格，并采用区域修正算法用于修正标记区域的正确性的方法。该方法首先对CT图像进行图像分割获取多区域边界，然后使用采样算法产生初始点集用于Delaunay三角化算法产生初始网格，再利用分割内边界的方法产生区域节点细化网格，最后进行网格平滑和松弛改善网格质量。网格生成过程中对节点和单元分别进行了区域标记，采用区域修正算法修正标记区域的正确性。建立了一种用于DOT与Micro-CT双模式成像系统的图像重建算法，该算法以扩散模型为基础，利用有限元方法求解稳态扩散方程来模拟正向过程，以变分的方法求解逆向问题，以改进的Newton算法来重建光学特性参数，以Laplace正则化方法来引入CT获取的结构先验信息。仿真实验结果表明，结构先验信息的引入大大改善了DOT成像的质量。

关键词：扩散光学断层成像双模式成像有限元方法

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基于长余辉纳米粒子的荧光成像技术研究

基于长余辉纳米粒子的荧光成像技术研究

作者：巩玉珠西安电子科技大学

学位级别：硕士

荧光分子成像技术以无电离辐射、成像过程简单、成像时效性高、成本低等优势广泛的应用于生物活体成像的研究中。但是目前荧光成像存在一些问题:在激发荧光成像时,由于生物组织的自体荧光现象和激发光信号的残留造成较大背景噪声,严重... 详细信息

荧光分子成像技术以无电离辐射、成像过程简单、成像时效性高、成本低等优势广泛的应用于生物活体成像的研究中。但是目前荧光成像存在一些问题:在激发荧光成像时,由于生物组织的自体荧光现象和激发光信号的残留造成较大背景噪声,严重影响信号的采集和定量分析。自发光成像虽然没有激发光带来的背景噪声的干扰,由于自发光信号比较微弱,会对生物成像质量造成一定的影响。本文选用具有较长荧光寿命和较强发光强度的长余辉材料,来解决传统荧光成像的不足之处,实现“免激发”生物发光成像。本文研究的主要内容如下:第一,设计搭建了用于长余辉成像的荧光成像系统,从系统设计、各模块选型、数据采集和图像预处理方面展开。该系统不仅可以完成长余辉成像实验,同时还可以开展透射激发荧光成像以及生物自发光成像实验。对系统的性能展开测试,通过分析成像系统总的噪声模型,探究成像过程中噪声的来源并制定相应的解决方案。根据系统的组成,设定了荧光成像系统数据采集分析的使用流程,并针对本荧光系统研究分析可以提高成像质量的优化方案。第二,对长余辉材料的粒径和水溶性进行相应的改善,使其能够满足生物成像的要求,并对其进行了相关光学性质的测试分析。通过和Cy5.5的对比实验,发现基于长余辉材料的荧光成像具有较高的成像分辨率和信噪比。基于长余辉荧光材料开展了动态荧光成像实验,结合药代动力学模型分析其代谢过程,结果表明长余辉动态荧光成像能够量化代谢过程。第三,结合扩散光学断层重建技术与长余辉荧光成像的特点,提出了单角度长余辉荧光断层成像方法。为解决重建问题的病态性,提出了一种稀疏约束的正则化正交匹配追踪算法,获得了良好的重建效果。单角度长余辉荧光断层成像,结合CT扫描的结构影像,可以获得长余辉纳米粒子在小鼠体内的三维分布。仿体和活体实验表明该方法优于传统荧光断层成像。

关键词：长余辉成像质量荧光成像扩散光学断层成像

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扩散光对大脑及乳腺的功能成像和监测

光学与光电技术 2015年第3期13卷 1-4页

作者： Arjun G.Yodh 美国宾夕法尼亚大学物质结构研究实验室

在乳腺癌成像、大脑的功能激活及临床研究、癌症治疗监测和肌肉疾病的研究等各种医疗解决方案中,功能性扩散光学成像和组织的光谱学技术逐渐成为一种重要的诊断方法。在简要介绍扩散光学的概念后,回顾了实验室多项近期的临床研究,特别... 详细信息

在乳腺癌成像、大脑的功能激活及临床研究、癌症治疗监测和肌肉疾病的研究等各种医疗解决方案中,功能性扩散光学成像和组织的光谱学技术逐渐成为一种重要的诊断方法。在简要介绍扩散光学的概念后,回顾了实验室多项近期的临床研究,特别是那些针对乳腺癌和脑功能的研究。乳腺癌研究的核心在于试点性的临床试验,目前已经进展到了对扩散光的定量评估,以用于肿瘤的检测和表征,也有助于癌症治疗检测等衍生问题的解决。扩散光学方法的第二个重要应用是在脑功能和生理学研究领域,这个领域中,组织氧消耗、维管联结和调节效应之间的相互作用甚少为人所知。这一方法在脑研究中的应用将会以多个示例介绍,包括临床上对急性缺血性脑卒中病人的看护等。

关键词：近红外光学成像大脑成像扩散光学断层成像乳腺癌症检测荧光分子断层成像