弱散射在体光学投影断层成像重建方法研究

Optical projection tomography (OPT) is a new high-resolution three-dimensional imaging technology. Traditional OPT techniques only consider the absorption effects of biological tissue to photons without considering the effect of scattering,therefore it can only reconstruct the absorption coefficients but not scattering coefficients. In order to solve the weakly scattering problem in in-vivo OPT imaging, this project will construct OPT imaging model combined with OPT imaging characteristics and transmission characteristics of weakly scattering of photons. Based on this model, we will research on the reconstitution methods both for absorption and scattering coefficients in the transmission OPT imaging. We will achieve quantitative reconstruction of the fluorescent dye concentration by using the normalized Born ratio method for attenuation correction and using the Monte Carlo simulation technique to estimate the scattering component. The graphics processor unit (GPU) based on acceleration technology will be used to improve the speed of reconstruction. The validate of the algorithm effectiveness will be tested through simulation, phantom experiments and biological experiments. This work will help to expand the application scope of OPT technology, to improve its image quality and to promote its application in the field of life sciences.

光学投影断层成像(Optical projection tomography,OPT)是一种新型的高分辨三维成像技术。传统OPT技术只考虑生物组织对光子的吸收未考虑散射影响，也只能重建吸收系数不能重建散射系数。本项目针对在体OPT成像中面临的弱散射问题，结合OPT成像特点和光子弱散射传输特性，构建在体OPT成像模型；以该模型为基础，研究透射式OPT成像中同时重建吸收和散射系数的有效方案，提高透射式OPT的成像质量,丰富成像信息；采用基于归一化Born比的方法进行荧光衰减校正，利用Monte Carlo仿真技术对散射分量进行估计并去除，从而实现发射式OPT成像中荧光染料浓度的精确定量重建；采用基于图形处理器(GPU)加速技术并结合算法优化方法提高重建速度；通过仿真实验、仿体实验和在体生物实验验证算法有效性。本研究工作将有助扩展OPT技术的应用范围和成像质量的提高，促进其在生命科学领域的应用。

光学投影断层成像(Optical projection tomography,OPT)是一种新型的高分辨三维成像技术。本项目针对弱散射条件下的在体OPT成像问题，结合OPT成像特点和光子弱散射传输特性，研究在体OPT成像的有效方法。项目执行过程中，构建了在体OPT成像系统，并从不同光源-镜头的组合、系统分辨率、景深等方面对系统的性能进行了测试，实验结果表明本系统具有较好的成像效果，为开展相关成像方法研究及生物实验提供了保障。通过实验分析了被测样品中散射物质、吸收物质对OPT重建结果的定量影响，以此为基础研究了弱散射条件下在体OPT 成像的数学模型，开展了发射式和透射式OPT成像算法研究。为了进一步提高OPT成像质量，将图像超分辨技术应用于OPT成像中，有效提升了OPT成像效果。针对传统在体OPT成像中需要使用匹配液，样品很难长期存活的问题，提出了一种适合于OPT活体成像的无需匹配液的新型样品固定扫描方案。该方案存在只能扫描有限角度的缺陷，为了解决该问题，研究了OPT有限角度成像的有效方法。利用重建图像的先验信息，通过将代数迭代算法与总体变分最小化有机结合，实现了OPT有限角度成像。为了提高投影计算精度，设计了一种基于像素顶点驱动的投影模型，实验结果表明该方法优于当前流行的距离驱动算法。针对该迭代重建算法比较耗时的问题，采用GPU加速技术对该算法进行加速，从而有效提高了成像算法的速度。项目执行过程中开展了一系列的仿真实验，果蝇、秀丽隐杆线虫、拟南芥角果、植物烟草根等真实实验，验证了方法的有效性。本研究工作将有助扩展OPT技术的应用范围和成像质量的提高，促进其在生命科学领域的应用。