高效光学断层成像方法研究

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1、博士学位论文｜１高效光学断层成像方法研究作者姓名任胜寒Ｂ指导教师姓名、职称梁继民＿＿Ｍ教授申请学位类别工学博±学校代码10701学号1102110193分类号TP391密级公开西安电子科技大学博士学位论文高效光学断层成像方法研究作者姓名：任胜寒一级学科：控制科学与工程二级学科：模式识别与智能系统学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：梁继民教授学院：电子工程学院提交日期：2016年6月AstudyonefficientmethodforopticaltomographyAthesissubmittedt

2、oXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorinPatternRecognitionandIntelligentSystemByShenghanRenSupervisor:JiminLiangTitle:ProfessorJune2016摘要摘要光学分子影像作为分子影像技术中的重要组成部分，同其它分子影像技术相比具有更强的组织特异性和靶向性，而且具有低成本、高通量、非接触的优势。利用光学断层成像技术对生物体内的光源进行重建，可

3、以对组织内部的光源信息进行定量分析。光学断层成像研究的核心问题包括光在生物组织中前向传输的精确建模和对光源信息的逆向重建。目前光学断层成像的前向传输和逆向重建方法研究中均存在求解效率低下、处理流程复杂的问题。如何高效地对光学断层重建问题进行快速建模和求解，是目前光学分子影像研究的热点。本文针对自发荧光断层成像求解过程复杂，数据处理困难，以及自发荧光断层成像的病态性等问题，围绕着光学传输的前向问题和逆向重建过程展开研究。针对复杂生物组织中的光传输问题，开发了光学分子影像仿真平台，提出了多种并行加速求解方法；针对逆向重建时数据处理复

4、杂的问题，提出了基于多图谱配准和自适应体素划分的方法。本文主要成果包括以下方面：第一，针对复杂生物组织中光传输过程的仿真问题，开发了光学分子影像仿真平台（molecularopticalsimulationenvironment，MOSE）。MOSE底层采用基于蒙特卡洛仿真（MonteCarlo，MC）和自由空间内光传输算法分别对光子在生物组织内和自由空间中的传输过程进行仿真。该平台支持多种光学成像模态的仿真，包括自发荧光成像、扩散光学成像、激发荧光成像。同其它光传输仿真软件相比，该平台提供交互界面和实时的可视化图形显示功能，为

5、光学分子影像的仿真提供有利的仿真工具。通过真实实验验证，表明该平台的仿真结果与真实设备采集的结果具有很好的一致性。第二，针对光子在生物组织中传输的MC仿真效率低的问题，分别提出了基于多核并行和基于图形处理单元（graphicprocessunit，GPU）并行加速的策略。由于光子在MC仿真中具有相互独立性，光子传输的MC仿真过程非常适合并行加速。开放式多任务处理（openmulti-processing，OpenMP）技术具有高度的并行抽象性，因此本文提出的多核CPU并行加速方法采用OpenMP技术实现。考虑到近些年GPU在并行

6、计算中的广泛应用，本文基于四面体模型和计算统一设备构架（CUDA）实现了GPU并行加速的的MC仿真，对数据存储、读取、写入和随机数发生器等方面进行优化。实验结果表明，两种加速方法具有更好的加速性能。第三，针对简化球谐波函数（simplifiedsphericalharmonicequations，SPN）求解光子传输问题效率低且求解过程复杂的问题，提出了基于GPU加速的SPN方程求解方法。SPN方程求解光传输过程包括系统矩阵的构建和求逆过程。利用CUDA技术，本文在构建系统矩阵和线性方程组求解过程中均作了GPU加速处理。考虑到系

7、统矩阵的稀疏性，系统矩阵采用压缩稀疏行存储格式，矩阵的求逆过程采用共轭梯度方法I西安电子科技大学博士学位论文求解。本文分别在规则仿体、复杂仿体和小鼠实验上将提出的算法同传统方法进行了测试，测试指标包括计算精度和加速比，结果表明本文提出的方法在保证精度的前提下具有较高的处理效率，最高加速比可达25。最后，针对多模态自发荧光断层成像（bioluminescencetomography，BLT）系统中生物组织分割困难和四面体剖分复杂的问题，提出了基于多图谱配准和自适应体素划分的方法来加速BLT重建过程。考虑到图谱配准的方法在图像自动分

8、割中的适用性，将基于多图谱配准的方法用于小鼠解剖结构的自动分割处理，以解决小鼠内部软组织对比度低而难以分割的问题；针对传统BLT重建必须对组织进行四面体剖分的过程，将组织进行自适应体素划分；采用基于自适应体素的有限元方法对BLT进行重建，可避免复杂的四面体剖分过