基于并行計(jì)算策略的DOT-DFT圖像重建先進(jìn)方法.pdf

1、光學(xué)成像技術(shù)（如擴(kuò)散光學(xué)層析（DOT）與擴(kuò)散熒光層析（DFT）），因其在靈敏度、特異性及安全性上具有的綜合優(yōu)勢(shì)，已發(fā)展為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像方法在獲取功能和分子水平生物信息上的有效補(bǔ)充手段。然而，目前的DOT/DFT技術(shù)在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)組織的準(zhǔn)確光子輸運(yùn)模型、大尺寸組織體的光學(xué)參數(shù)精細(xì)重建和全時(shí)間分辨數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用等問(wèn)題上存在較大缺陷。本文致力于尋求上述問(wèn)題基于并行計(jì)算策略的先進(jìn)解決方法，提高DOT/DFT圖像重建的質(zhì)量。
　　首先發(fā)展了一

2、套任意復(fù)雜組織體中基于GPU加速的光子輸運(yùn)MC模型，以準(zhǔn)確描述生物體中的高吸收、低散射和空腔等復(fù)雜光學(xué)特性。在此正向模型基礎(chǔ)上，提出對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)DOT和時(shí)域DFT圖像重建方法。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法可比擴(kuò)散方程獲得更準(zhǔn)確的組織體生理和病理信息。
　　搭建了一套穩(wěn)態(tài)DFT-DOT聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)：系統(tǒng)采用基于光開(kāi)關(guān)切換的串-并混合門控光子計(jì)數(shù)檢測(cè)模式，可有效實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)間、靈敏度和系統(tǒng)性價(jià)比之間的平衡。在面向乳腺組織的應(yīng)用上，采用了

3、高對(duì)比度DFT“導(dǎo)航”血氧DOT的圖像重建策略，并以高速M(fèi)C模型為正向計(jì)算，有效改善了單獨(dú)血氧DOT重建的不適定性。
　　基于并行全區(qū)域分解策略和CPU-GPU聯(lián)合加速的Schwarz迭代框架，解決了大尺寸和三維組織DOT圖像重建過(guò)程中，正逆向算子不斷線性迭代帶來(lái)計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)量上的負(fù)擔(dān)。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本模型在改善重建質(zhì)量、計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間方面的有效性。
　　為充分發(fā)揮時(shí)域DFT重建的優(yōu)勢(shì)，提出一種利用全時(shí)間分辨模式

4、下輻射率的傅里葉序列近似和CPU-GPU聯(lián)合加速多頻域擴(kuò)散方程的策略求取時(shí)域DFT的近似解法。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法可獲得較好的重建圖像，計(jì)算資源也遠(yuǎn)小于有限差分法。
　　論文通過(guò)Monte-Carlo光子輸運(yùn)建模、CPU多核并行和GPU多線程并行等先進(jìn)方法，提高了DOT和DFT技術(shù)對(duì)生物組織體的重建效果。通過(guò)MC模擬器、自行搭建的穩(wěn)態(tài)光子計(jì)數(shù)型DOT/DFT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)室已搭建的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果