全无网格激发荧光断层成像方法研究

Fluorescence molecular tomography is an emerging optical imaging and FMT play important role in early diagnosis of tumor, mechanism of tumor and medicine development. In FMT, the complexity of meshing dividing and solving based on traditional finite element mesh result in low speed and low accuracy of reconstruction. The low reconstruction speed and accuracy are still a challenging problem. Therefore, we propose the a new all meshless FMT imaging method. First, the more accurate photon transfer model based on meshless method is built to improve imaging accuracy. Then, meshless reconstruction based on level set is proposed to improve the speed and accuracy further. Last, the more accurate reconstruction is adjusted according to imaging-reconstruction coupling model. All meshless method use the adaptive points and meshless shape function to represent image accurately without finite element mesh. The meshless method can break through the limitation of low calculation speed and accuracy for finite element mesh. The overall accuracy and speed of reconstruction are improved to promote FMT application and development for live small animal imaging.

激发荧光分子断层成像(Fluorescence Molecular Tomography，FMT)是新兴的光学分子影像技术，在活体小动物肿瘤早期诊断、肿瘤机理以及药物研发等多方面发挥着重要的作用。由于传统的有限元网格剖分求解过程复杂，导致FMT成像定位精度低和成像速度慢，因而成为FMT成像亟待解决的挑战性问题。本项目提出全无网格FMT新的成像方法，首先建立无网格高精度光传输模型，提高成像模型精度；其次提出基于水平集的无网格重建算法，提高重建算法的速度和精度；最后利用成像-重建精确耦合模型对重建结果进行自适应优化，进一步提高FMT成像精度。全无网格FMT成像方法利用自适应的无网格点阵和无网格形函数来精确表征目标区域，无需复杂的网格剖分，能够突破有限元网格计算速度慢和定位精度低的瓶颈，全面提高FMT成像速度和定位精度，从而推动FMT活体小动物成像的应用和发展。

本项目针对激发荧光断层成像(FMT)对活体小动物肿瘤定位精度低、重建速度慢的挑战性问题，提出基于全无网格技术的FMT系列新成像方法。通过研究无网格高精度光传输模型求解以及系列重建方法，有效提高FMT成像肿瘤定位精度和成像速度，从理论上解决有限元FMT成像方法的瓶颈，并研发了一体化的无网格FMT成像计算平台。..本项目研究主要包括无网格FMT前向问题求解及系列逆向问题求解方法的设计实现，设计完成系列小动物肝癌荷瘤鼠模型，完成所有在体实验数据采集和分析，充分验证了全无网格FMT成像方法在肿瘤检测、药代动力学等预临床实验中的有效性。根据实验对算法进行改进和优化，建立了全无网格FMT成像计算平台。..本项目研究成果实现活体小动物肿瘤亚毫米级定位精度(300-900微米)的FMT成像，速度较传统有限元方法提高50%以上，有效推动FMT活体小动物肿瘤成像的应用与发展。相关研究成果在国际SCI期刊上发表论文10篇，国际会议论文4篇，申请国家发明专利1项，培养博士研究生2名，硕士生5名，培育了一支高水平的FMT分子影像理论与技术研究团队，超额完成预期目标。