分子光學(xué)成像平臺的FEM-MC理論研究與實現(xiàn).pdf

1、隨著探針標記技術(shù)的發(fā)展，分子影像(MI)在生物醫(yī)學(xué)成像中已經(jīng)成為一個重要的新領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷成像手段相比較，分子影像可以提高人們對生物現(xiàn)象的理解，監(jiān)測基因表達和細胞變化以及提前發(fā)現(xiàn)疾病。在分子影像的研究中，生物自發(fā)光斷層成像(BLT)是當(dāng)前醫(yī)學(xué)科學(xué)前沿領(lǐng)域內(nèi)的一個熱門研究課題，它的研究對人類健康有著深遠的影響。 生物自發(fā)光斷層成像研究的問題分為前向問題和逆向問題。前向問題是指根據(jù)生物組織中自發(fā)光光源的相關(guān)信息和生物組織的光

2、學(xué)特性參數(shù)信息，獲取生物體表面的光強分布；而逆向問題是指已知生物體表面的光強分布信息和生物組織的光學(xué)特性參數(shù)信息，反演生物組織內(nèi)自發(fā)光光源的相關(guān)信息。其中，前向問題是研究生物自發(fā)光斷層成像研究的基礎(chǔ)。前向問題主要研究的是光在生物組織中的傳輸問題，是典型的粒子輸運問題，數(shù)學(xué)上常用輻射傳輸方程和蒙特卡洛模型來描述。前向問題的求解方法主要有有限元方法、邊界元方法、差分方法、自適應(yīng)有限元方法和蒙特卡洛方法等，其中蒙特卡洛方法具有精確的特性，因而

3、較多的被人們使用。 由于BLT逆向問題的研究需要獲取生物表面的光強數(shù)據(jù)(即前向問題的結(jié)果)作為原始數(shù)據(jù)，但通過真實實驗獲取這種數(shù)據(jù)代價高昂。為此，實驗室開發(fā)了一個基于蒙特卡洛算法的仿真軟件一分子光學(xué)仿真平臺(MOSE)來對光子包在生物組織中的傳輸過程進行模擬，它為BLT逆向問題的研究提供了一種廉價、方便但可靠的原始數(shù)據(jù)獲取方式。但這個軟件還存在一些缺陷：首先光子包在復(fù)雜組織內(nèi)部運動的處理方式不夠完善，導(dǎo)致運行結(jié)果不夠精確；其次，

4、蒙特卡洛算法雖然比較精確，但時間代價過大，導(dǎo)致軟件仿真時間較長；此外，軟件的仿真核心算法過于單一，缺少有限元等數(shù)值解方法；最后軟件的使用界面不是很友好，功能也不是很完善。針對這些問題，本文主要做了以下幾點工作：(1)對原來的蒙特卡洛算法模塊改進了光子包在組織傳輸中的處理，使軟件的仿真結(jié)果更精確，運行更穩(wěn)定；大幅度的修改了軟件的結(jié)構(gòu)以改善可擴展性，并開發(fā)了更友好的用戶界面。(2)從單層平板模型出發(fā)，提出了復(fù)雜生物組織模型的FEM-MC算法