生物发光断层成像中光源重建逆问题研究

《生物发光断层成像中光源重建逆问题研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、西安电子科技大学博士学位论文生物发光断层成像中光源重建逆问题研究作者：贺小伟导师：田捷教授学科：模式识别与智能系统中国西安2011年1月11{lIll[IIIIrlTllit1IIlY1958592ResearchontheInverseProblemforSourceReconstructioninBioluminecescence●。-1●lomographyADissertationSubmittedtoXidianUniversityInCandidacyfortheDegreeofDoc

2、torofPhilosophyInPatternRecognition&IntelligentSystemByHeXiaoweiXi’an，ER．ChinaJanuary2011独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了

3、明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期竺!：：2关于论文使用授权的说明本人完全理解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩放或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：

4、导师签名：∑幻幺艺日期!!!：2日期枷If．)]摘要生物发光断层成像(BioluminescenceTomography，BLT)是一种非常有发展前景的小动物光学分子影像(OpticalMolecularImaging)模态，它以非侵入的方式，在细胞和分子水平研究或监测生理和病理过程，有望成为疾病早期诊断、基因治疗和药物研发的有力工具。生物发光断层成像的关键之处在于从体表检测的信号中定量重建内部生物发光光源的分布。由于表面测量数据不足、近红外光在生物组织内的传输行为复杂等原因，生物发光断层成像的光

5、源重建仍是一个充满挑战的不适定逆问题。因此，如何克服生物发光断层成像的不适定性，精确重建出组织内部的生物发光光源，成为生物发光断层成像研究的核心和热点问题。本文主要围绕生物发光断层成像的逆问题展开，研究如何克服逆问题的不适定性，开发鲁棒的光源重建算法，本文的工作可概括如下：1)我们将四种正则化方法引入到生物发光断层成像逆问题中，它们是截断奇异值分解(TruncatedSingularValueDecomposition，TSVD)、截断总最小二乘(TruncatedTotalLeastSquare

6、s，TTLS)、共轭梯度最小二乘(ConjugateGradientLeastSquares，CGLS)和最小二乘QR分解(LeastSquaresQRdecomposition，LSQR)，并通过一个非匀质的仿体模型评估了四种正则化方法的重建性能。重建结果表明，在结合光源可行区域先验后，这四种方法都可以实现光源的准确定位，并且正则化参数相比传统的Tikhonov方法更易于调整；此外，迭代的方法比直接的正则化方法运行速度快；当考虑系统误差及测量噪声时，LSQR在四种方法中表现最稳定。2)我们将生物

7、发光断层成像的光源重建模型转化为一个带有二次约束的最小二乘问题，并首次采用一种可处理大规模问题的信赖域子问题方法求解这一离散不适定逆问题，非匀质仿体实验验证了所提出的基于信赖域子问题的重建算法可以克服生物发光断层成像光源重建逆问题的不适定性，实验结果表明本文方法在光源定位及能量定量上都要优于Tikhonov正则化方法。3)为了满足预临床或临床研究对成像分辨率的要求，在使用有限元方法来求解生物发光断层成像中的数值问题时，一般都需要精细的网格离散。但是一致均匀的细网格不仅会使问题的规模膨胀更会加剧重建

8、问题的病态性。此外，以往的重建算法往往不能获得密度和能量的同时准确重建。为此，我们提出了一种基于自适应有限元的多级稀疏重建算法。在此方法中，光源可行区域随着网格的局部细分而逐渐缩小，在每一级网格上进行Z1范数正则的稀疏重建，所得的解指导下一级网格的细分并为下一级网格提供初值，通过多级重建，最终获得准确的光源西安电子科技大学博士学位论文IT生物发光跗f睡成像r}，)匕源一K理逆州题研≯E定位、密度及能量的同时恢复，非匀质仿体和数字鼠图谱模型上的实验结果表明了所提出算法的有效性。4)提