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1、华中科技大学 博士学位论文 稳态荧光分子层析成像重构算法理论与实验研究 姓名：全国涛 申请学位级别：博士 专业：生物医学工程 指导教师：骆清铭 2011-05-25 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要* 荧光蛋白已经成为研究蛋白质之间相互作用的重要工具，对于研究生命科学中 的一些关键问题具有重要贡献。然而现有用于观测荧光蛋白的成像技术，其成像深 度为几百微米左右，即只能观测浅表组织或培养细胞的生物学过程。为了能够对深 层组织，器官甚至整体小动物进行成像，稳态荧光分子层析成像技术（Fluorescence Molecul
2、ar Tomography, FMT）被提了出来。由于荧光在组织内存在多次散射的现象， 导致了表面测量的荧光信号与体内荧光参数之间的关系为非线性关系，重构问题则 是一个病态问题；同时生物组织的多样性又决定了组织光学参数的复杂多变，因此 稳态荧光分子层析成像重构理论是影响实现深层光学成像的关键问题。本文围绕如 何实现快速准确的稳态荧光分子层析成像重构算法这一核心问题，从三个方面研究 稳态荧光分子层析成像重构理论与实验。 基于扩散理论，提出一种基于扩散近似并利用有限元方法进行重构的荧光分子 层析成像算法，并提出了一种计算雅克比矩阵的直接（Direct）方法。利用仿体模型 实验验证了该方法在正问题和
3、逆问题中计算的准确性，并证实了 Direct 方法计算的 雅克比矩阵能够更加准确的重构出深度方向上的荧光团的分布。 根据随机理论提出了一种快速的基于蒙特卡洛方法（Monte Carlo, MC）的稳态 荧光分子层析成像重构算法。该方法利用显卡处理核心(Graphic Processing Unit, GPU)集群加速 MC 计算速度，从而突破了将 MC 方法用于 FMT 重构中存在的最大 技术瓶颈-巨大的时间消耗。仿体实验证明了该方法在正问题和逆问题中的准确性， 并且该方法不仅适用于高散射介质，在低散射介质中同样具有很好的重构准确性。 利用该方法， 对 402020 mm3大小的样本进行重构，
4、 整个过程只需要不到 10 分钟， 最后在体小动物成像结果证实了该方法在实际应用中的可行性。 提出了一种适用于双模式 FMT/微型计算机层析成像（Micro-Computer tomography, Micro-CT）系统的重构算法。该方法包含了一种 Micro-CT 引导的非等 * 本课题得到国家高技术研究发展计划（863 计划：2006AA020801）和 985 计划资助 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 分体素的 MC 方法 （Non-equal voxel Monte Carlo, NVMC） 和一种修正的拉普拉斯正
5、 则化方法。 仿真实验和仿体实验证明了 NVMC 方法能够在保证不规则边界处的计算 准确性的同时，显著的减少计算时间。并验证了相对于传统的拉普拉斯正则化方法， 修正的拉普拉斯正则化方法能够更加准确的将非等分体素的 Micro-CT 结构信息引 入 FMT 重构中， 从而减少重构问题的病态性。 通过在体小动物实验证明了该方法对 于包含不规则的边界和复杂的光学参数分布的小动物具有较好的成像效果。 关键字：关键字： 荧光分子层析成像， 扩散近似， 有限元方法， 蒙特卡洛模拟， 正 问题， 逆问题 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III
6、Abstract* Fluorescent protein has become a very important tool for the research of protein interaction, and it has very important contribution to life science. However, the existing imaging technology for observation of fluorescent protein is still restrained in the depth of hundreds microns, which
7、means that it can only observe the biological processes in superficial tissue. in order to observe the biological processes in organs or even whole body, steady-state fluorescence molecular tomography (FMT) has been proposed. The multiple scattering of photons in tissue determine that the relationsh
8、ip is nonlinear and the reconstruction problem is an ill-posed problem. Therefore, steady-state FMT reconstruction theory is a very challenging research problem. The main task of this paper is to propose an accurate and fast reconstruction algorithm for steady-state FMT. Therefore we start our work
9、from three different but related theory in FMT. First we propose a FMT reconstruction method based on diffusion approximation with finite element method(FEM), and a direct method is proposed to calculate the Jacobian matrix, which can be more accurate than the traditional adjoint method. Phantom exp
10、eriments are carried out to demonstrate the validity of our method in both forward problem and inverse problem. These experiments also prove that the direct method reveal more accurate distribution of fluorophore in depth direction. Then we propose a FMT reconstruction method based on Monte Carlo(MC
11、) method accelerated by GPU cluster. With the help of GPU cluster, the bottleneck of the MC calculation which means the large time-consumption of MC is removed. Phantom experiment demonstrates the accuracy of our method not only in high-scattering tissue but also in the low-scattering tissue, howeve
12、r the FMT reconstruction based on diffusion * This work was supported by the National High Technology Research and Development Program (Grants No. 2006AA020801) and national 985 projection 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV approximation with FEM can only be accurate in high-scatteri
13、ng tissue, meanwhile our method requires only 10 minutes to finish the whole process which is equal to the time-consumption of traditional method based on diffusion approximation. At last the in vivo small animal experiment has demonstrated the application value of this method. At last, a reconstruc
14、tion method which is suitable for the dual-modality FMT/Micro-CT system is proposed. We induct the structure information of Micro-CT into the FMT reconstruction to reduce the ill-posed of reconstruction algorithm. This reconstruction method includes a Micro-CT guided non-equal voxel MC (NVMC) method
15、 and a modified Laplacian regularization method. Simulation and phantom experiment prove that this method can not only increase the calculation accurate in the irregular boundary, but also reduce the time-consumption and occupancy of memory; Experiments also demonstrate that modified Laplacian regul
16、arization method can be more accurate than traditional Laplacian method when the non-equal structure information is inducted into the reconstruction. At last the in vivo small animal experiment proves that our method is suitable for the small animal which has irregular boundary and complex distribution of optical coefficients. Keywords: Fluorescence Molecular Tomography, Diffusion Approximation, Finite Element Method, Monte Carlo Simulation, Forward Problem, Inverse Problem. 独创性声明 本人声明所呈交
