基于混合传输模型和稀疏贝叶斯学习的增强型切伦科夫荧光断层成像

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1、分类号：ＴＰ３９１学校代码：１０６９７密级：公开学号：２０１５２０９３２＿如硕士字位论文ＭＡＳＴＥＲ’ＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ基于混合传输模型和稀疏贝叶斯学习的增强型切伦科夫荧光断层成像学科名称：通信与信息系统作者：薛花指导老师：侯榆青教授西北大学学位评定委员会二〇一八年六月EnhancedCerenkovLuminescenceTomographyBasedonSparseBayesianLearningandHybridTransmissionModelAthes

2、issubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinCommunicationandInformationSystemByXueHuaSupervisor:HouYuqingProfessorJune2018摘要摘要切伦科夫发光断层成像（CerenkovLuminescenceTomography,CLT）能够利用光学成像仪器探测到放射性核素衰变产生的切伦科夫荧光，反映放射性核素探针在生物体内的三维空

3、间信息，并且拥有大量临床可应用的放射性核素探针，受到了光学分子影像领域学者的广泛关注。但是切伦科夫成像存在荧光信号微弱、组织穿透性差、逆问题病态性严重等缺陷，严重的限制了该技术的应用和发展。本文针对切伦科夫荧光在生物组织中复杂的传输过程以及荧光信号的稀疏性，在CLT切伦科夫荧光信号的增强方法和CLT的三维重建方法方面进行了初步探究，具体研究工作如下：（1）针对CLT技术信号强度弱和组织穿透力差的问题，本文采用基于放射荧光材料的切伦科夫荧光信号增强方式。利用核素衰变产生的高能射线激发放射荧光材料发光，最后探测器采集到的是切伦科夫荧

4、光和放射荧光的混合光。本文实验采用稀土68纳米颗粒和放射性核素分别为Gd2O2S:Tb和GaCl3。结果表明，基于放射荧光材料的切伦科夫荧光信号增强方式，使得表面光信号总量得到增强，加大探测灵敏度，加快CLT技术的向临床应用的转化。（2）切伦科夫荧光在生物组织中的传输规律和数值模型是后期准确重建的基础。考虑到切伦科夫的光谱特性以及扩散近似方程和三阶简化球谐波近似的适用范围，本文结合多光谱CLT技术，构建混合传输模型即高散射区域采用扩散近似方程，低散射区域采用三阶简化球谐波近似模型。数字鼠仿真和真实仿体实验也验证了该方法在保证重建

5、精度的情况下，可以显著提高重建速度，具有良好的性能。（3）针对单视图CLT逆问题重建病态性严重，提出了一种新型单视图增强型切伦科夫发光断层成像重建方法。该方法仅使用一个角度的测量数据，采用结合可行区域迭代收缩策略的稀疏贝叶斯学习重建算法（SparseBayesianLearning,SBL）求解逆问题。设计了非匀质圆柱仿真和物理仿体实验，以验证该方法的准确性和稳定性。实验结果表明，该方法可以提高光源目标重建的精度和速度，具有良好的稳定性，有效缓解逆问题的不适定性。关键词：切伦科夫发光断层成像，放射荧光材料，混合传输模型，稀疏贝叶

6、斯学习算法IABSTRACTABSTRACTCerenkovLuminescenceTomography(CLT)candetecttheCerenkovLuminescenceproducedbythedecayofradionuclidesusingopticalimaginginstruments,reflectingthethree-dimensionalspatialinformationofradionuclideprobesinvivo,andhasalargenumberofClinicallyapplicabl

7、eradionuclideprobeshavereceivedextensiveattentionfromscholarsinthefieldofopticalmolecularimaging.However,Cerenkovimaginghasthedisadvantagesofweakfluorescencesignal,poortissuepenetration,andseriouserroneousreverseproblems,whichseverelylimitstheapplicationanddevelopmen

8、tofthistechnology.Inthisthesis,wefocusonthecomplextransmissionofCerenkovluminescenceinbiologicaltissuesandthesparsenessoffluorescen