文档介绍：中图分类号:TP391 论文编号:1028703 13-S282
学科分类号:083100
硕士学位论文
活体小动物体内三维生物发光
断层成像的研究
研究生姓名杨伟
学科、专业生物医学工程
研究方向医学图像处理
指导教师陈春晓副教授
南京航空航天大学
研究生院自动化学院
二О一二年十二月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Automation Engineering
Three-dimensional Bioluminescence
Tomography of in Vivo Animal
A Thesis in
Biomedical Engineering
by
Yang Wei
Advised by
Associate Professor Chen Chunxiao
Submitted in Partial Fulfillment
of the Requirements
for the Degree of
Master of Engineering
December, 2012
承诺书
本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进
行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致
谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
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等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)
作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
生物发光断层成像(Bioluminescence Tomography, BLT)是分子影像学的一个重要分支,可以
从细胞和分子水平对生物体内肿瘤的生长和转移,特定基因的表达等诸多生物学过程进行分析
和检测,具有灵敏度高、无创伤、操作简单、成本低等优点,可以广泛应用于肿瘤检测、基因
治疗及药物研发等领域。
生物发光断层成像包含两个方面的问题:前向问题和逆向问题。其中,前向问题是逆向问
题的基础。前向问题是指已知生物体组织器官的解剖结构、各组织器官的光学参数、光源的空
间位置和强度信息对生物体表面的光强分布进行求解。逆向问题是在已知生物体表面的光强分
布、生物组织器官的解剖结构和光学参数的前提下对体内光源的空间位置和强度进行求解。目
前,前向问题解决方法有Monte Carlo法、有限差分法、格林函数法等。由于光子在生物体内传
输的复杂性和逆向问题的病态性,逆向重建算法仍存在不稳定、定位精度低等问题。此外,在
生物发光断层成像研究中,小鼠模型是常用的动物模型,puterized
Tomography)或MRI(ic Resonance Imaging)图像获取小鼠的解剖结构来求解光学方程
可以降低逆向问题的病态性,但由于小鼠CT和MRI图像各组织器官较难分割,增加了建立光学
模型的难度。针对上述问题,本文主要工作如下:
(1) 将光子的辐射传输方程转变为扩散方程,利用有限元法对生物发光断层成像前向问题
进行求解,简化了光子传输的求解模型。本文分别利用仿体点光源和球光源进行数值仿真,并
用COMSOL Multiphysics软件和MMCM(Mesh-based Monte Carlo Method)工具包验证了算法的
准确性。
(2) 在前向问题求解的基础上,本文利用划定的光源初始可行区域,采用Tikhonov正则化
算法使可行区域逐步收缩,并用L曲线选择正则化参数的策略,减弱了逆向问题的病态性。实
验结果表明该方法可以有效地提高重建光源位置和强度的精度。
(3) 利用有限元方法研究了小鼠组织分类问题。通过制定模型评价标准,对数字鼠进行不
同组织的分类及合并所建立的光学模型进行比较,提出了最优的小鼠组织分类方法,为建立基
于小鼠解剖结构的光学模型提供了依据。
关键词:生物发光断层成像,前向问题,逆向问题,有限元,组织分类
i
活体小动物体