生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。

为了提高光学分子影像与计算机断层扫描(CT)影像的耦合图像质量,基于自由曲面光学技术建立了光学分子影像与CT影像肿瘤病灶组织的自由曲面光学通道,实现了双模态影像融合显示。采用肿瘤病灶组织的微进、多空间、多焦点自由曲面光学曲面镜头与成像面的设计方法,建立双模态影像融合镜头与成像面的微分方程,解出病灶组织自由曲面的光学曲面光焦度变化曲线。采用反求工程中的自由曲面光学重构技术,对病灶组织自由曲面的光学通道曲面进行离散和重建,提高了光学分子影像与CT影像双模态融合的图像质量。采用自由曲面光学通道技术融合显示光学分子影像与CT影像双模态影像的方法合理可行,提高了融合影像信号的清晰度与信噪比。

为了缓解单视图X射线发光断层成像中出现的不适定性问题, 提出了一种结合区域迭代收缩策略的快速贝叶斯匹配追踪方法。该方法将贝叶斯模型和贪婪算法相结合, 可以从较少的观测值中高效快速地恢复稀疏信号。为了进一步提高重建精度, 将快速贝叶斯追踪与区域迭代收缩策略结合, 简化了自适应有限元方法在网格划分和系统矩阵构建方面的复杂性, 在缩减因子迭代缩小可行区域的同时, 缓解了X射线发光断层成像逆向题求解中的病态性。为评估该方法的有效性, 设计了仿真实验与真实物理仿体实验。仿真结果表明, 本文方法在加快重建速度的同时, 显著提高了纳米发光目标的定位精度和发光产额的定量结果, 它们分别为0.73 mm和0.79 μg。真实物理仿体实验进一步验证了该方法在实际单视图X射线发光断层成像中的可行性。

X射线发光断层成像(XLCT)是一种可同时获得解剖结构和功能信息的新型分子影像技术, 在早期肿瘤检测与放疗方面具有重要应用潜力, 但由于测量信息少, 成像模型复杂等原因, 其断层重建一直是挑战性难题。本文采用非单调Barzilai-Borwein梯度(NBBG)算法来求解重建问题目标函数。每次迭代中, 谱投影梯度方法近似为L1范数约束的最小二乘问题。Barzilai-Borwein梯度法获得相应的更新方向, 提高算法的收敛速度。采用非单调性线性搜索策略构建最优步长, 保证全局收敛性。通过将Barzilai-Borwein梯度法和非单调性搜索结合, 在保证全局收敛的同时, 克服了选取精确步长带来较大计算量的缺点。数值仿真实验和物理实验得到的基于NBBG算法的单光原重建位置误差分别为0.68和0.94 mm, 与分裂增广拉格朗日收缩算法(SALSA)相比, 本文方法在重建精度、鲁棒性和重建效率等方面都获得了较优的结果。

研究了X射线发光断层成像(XLCT)的激发性能, 对笔束XLCT和锥束XLCT等两种主要的成像系统在不同激发方式下的扫描时间、重建精度、分辨率及重建时间等性能指标进行了对比研究。设计的对比实验中, 笔束XLCT系统的扫描时间为436 s, 锥束XLCT系统的扫描时间仅为10 s。目标实验中, 笔束XLCT系统的重建时间为82.57 s, 重建误差为0.47 mm; 锥束XLCT系统的重建时间为172.63 s, 重建误差为1.59 mm。在边距分别为1 mm和0.5 mm的两组双目标实验中, 笔束XLCT系统均能准确分辨, 重建误差均在0.8 mm以内, 而锥束XLCT系统对边距为1 mm的双目标重建误差均达到了1.7 mm左右; 当目标边距缩小到0.5 mm时, 其已无法进行全域分辨。实验结果表明: 相比于锥束XLCT, 笔束XLCT利用自身的“激发先验”优势具有较短的重建时间、较高的定位能力和分辨率, 但是其系统扫描时间要明显大于锥束XLCT。本文的工作为选择合适的XLCT成像系统提供了参考。

光声成像技术近年来已成为一种极具前景的前列腺癌成像技术。由于光声成像范围与光能量的吸收分布直接相关，为了优化经尿道光辐照的前列腺光声成像系统的光源参数，必须了解前列腺组织的光吸收分布。根据前列腺组织的形态特征构建了一个嵌有球状肿瘤的三维前列腺光学模型，利用光学分子影像仿真平台(MOSE) 比较研究了柱状和球状两种弥散光源经尿道辐照时组织内光吸收分布特性。考查了激光能量和肿瘤处光学吸收系数对肿瘤光吸收的影响。模拟结果表明经尿道照明有利于前列腺组织内部光吸收，特别是深处位置。另外，相比于球状弥散光源，柱状弥散光源侧向光吸收分布较均匀，适合于三维扫描光声成像和信源分析。研究结果表明增大输入的激光能量或者肿瘤光学吸收系数可以明显提高肿瘤处光能量吸收，这与组织光学中的有关理论一致。有关结论有助于前列腺光声成像系统的光源优化设计和成像深度的改善。