光学CT图象重建的数值模拟研究─Kosenbrock坐标轮换法

时间分辨光学CT技术因其对生物组织体的无损性,在生物成象领域引起了广泛的兴趣和研究,已提出许多方案,意在克服由于生物组织体中的多光散射效应所造成的成象障碍.本文简述了基于扩散方程近似的光学CT正向问题有限元解法,提出采用直接搜索优化算法-Rosenbrock坐标轮换法求解时间分辨光学CT中的图象重建问题,给出了基于积分光强和光子平均飞行时间及其加权组合的二维图象重建问题的数值模拟结果,证实了该方法的可行性.     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性，如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等，在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义，而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化，精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题．本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型，阐述了时域、频域测量的等效性，从无限空间几何结构出发，逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示，在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法．     

基于多通道时间分辨光学层析成像系统的差分图像重建

报道了基于32通道时间分辨光学层析成像系统的差分图像重建结果,实验采用两个光参数与生物组织体大致相同的圆柱型模拟体,分别用于模拟新生儿头部和成人手臂,重建结果表明;采用差分测量的方法很好地重建出异质体的位置．尺寸及吸收系数相对于背景的变化;模拟和实验重建验证了所发展的二维,半三维重建算法的可行性;使用平均飞行时间作为数据类型,32个探测通道测量,比用强度作为数据类型或16通道测量更为准确地分出了两个相距20mm的异质体。结果表明目前的系统可以定性地重建出异质体的位置,尺寸,吸收系数的变化,展示该光学层析成像技术将在监测诸如血液含氧量变化,组织体涉氧新陈代谢等生理过程中具有良好应用前景,也对该种成像方法存在的问题及进一步改进的措施进行了讨论。     

最佳摄动量法在光学计算机层析图像重建逆问题中的应用

阐述了时间分辨光学计算机层析（ＣＴ）图像重建塑问题的最佳摄动量法求解原理,人出了基于微扰变分原理的正向算子雅可比（Ｊａｃｏｂｉ）矩阵计算公式,数值模拟实验证明了该方法在实际应用中的可行性。     

光学CT二维正向问题有限元法数值模拟的研究

简述了光学ＣＴ正模型的有限元解理论，给出了二维圆形组织体光学ＣＴ正问题的有限元法解的数值模拟结果，该结果对于生物组织体内光子传输行为以及光ＣＴ逆问题的理论和实验研究具有重要的指导意义。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性,如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等,在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义,而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化,精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题.本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型,阐述了时域、频域测量的等效性,从无限空间几何结构出发,逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示,在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法.     

结合迭代收缩可行域的单视图多光谱生物发光断层成像

生物发光断层成像(BLT)是在已知生物组织的光学参数和生物体体表的光强分布的条件下,重建荧光光源在生物体内的分布。由于近红外光在生物组织中传输过程复杂,并且测量信息有限,BLT的光源重建问题充满挑战。为了在较少的测量下获得稳定的重建,提出了基于单视图测量的多光谱BLT重建方法,为了克服逆问题的不适定性,算法设计中结合迭代收缩可行区域策略及光源稀疏性特征。为系统评估所提出方法的光源定位能力和邻近光源的分辨能力,在匀质仿体上针对3~9mm范围内3种尺寸的光源,设计了4种深度上的单光源实验和3种间距下的双光源实验。仿真实验表明,所提出方法基于单视图测量数据,在各种光源设置下,均可以稳定准确地重建单光源目标和辨识双光源目标。     

惯性约束聚变靶三维成象数值研究

利用ＣＴ技术，采用乘代数重建法（ＭＡＲＴ），编制出三维图象重建程序（ＣＴ３Ｄ，通过五个方位对“星光Ⅱ”装置的ＩＣＦ靶进行Ｘ光针孔成象，对三维重问题进行数值研究，以便重建出靶等离了体的三维图象。     

求解光学CT图象重建问题的广义脉冲谱技术研究

间接法是目前实现医学诊断用近红外光三维成象(光CT)的最有潜力的手段之一.该方法基于以下假设,即给定分别对应于不同点激励源作用下成象组织体表面各点的传输光测量.在组织体内存在着与上述检测量相对应的、唯一的光学参数三维分布.由此,图象重建变成了特定光子传输模型的逆问题.本文提出采用广义脉冲谱技术(Generalized Pulse Spectrum Technique,GPST)进行光学CT图象重建逆问题的求解.给出了GPST在扩散方程光子传输模型逆问题求解中的具体实现,数值实验结果表明,通过选择合适的复频率点,采用GPST算法的图象重建结果优于其它现有算法,且响应时间合理.最后,本文还初步讨论了吸收和散射系数重建中复频率点选择的一些基本原则。     

基于多区域椭圆参数化描述的形状扩散光学层析成像方法研究

获取生物组织体的光学结构是扩散光学成像模式研究(如扩散光学层析技术和荧光分子成像技术)的核心内容.当假设组织器官中具有均匀光学参数时,光学结构的获取方法可归为基于形状的扩散光学层析成像(DOT)重建技术,该技术致力于同时重建组织器官的边界和内部光学参数.实现了二维的边界元正向模型,并与有限元正向模型的结果进行比较.反演问题中使用了截断奇异值(truncated-SVD)优化算法,并在40 dB噪声水平下用内部具有3个异质体的目标模型进行验证.数值结果表明,提出的图像重建算法具有良好的收敛性能,并能从噪声数据中准确恢复相应区域的形状参数和光学参数.     

离散坐标法在计算生物组织内光场空间角分布中的应用

从辐射传输理论出发,研究了准直光照下层状生物组织内漫射光场的角分布.在辐射传输方程的基础上,采用离散坐标法得到了描述层状生物组织内漫射光传输问题的微分方程组形式,并用特征值-特征矢量方法对其进行了求解,给出了通解形式.结合边界条件对两类典型生物组织内漫射光场角分布进行了数值计算-各向同性组织和前向散射组织,给出了组织内不同深度处漫射光场空间角分布曲线.通过对计算结果比较分析,得到了生物组织内漫射光场空间角分布随深度的变化规律,及边界效应和光学参量对组织内漫射光场空间角分布的影响.     

视细胞浓度分布对散射光偏振性的影响

人眼视网膜是一种具有高散射特性的生物组织。基于米氏散射理论研究光在视网膜组织中的传输过程对生物组织散射成像具有重要意义。根据解剖学上视网膜结构与细胞分布的特点,引入分子动力学领域的静态结构因子修正辐射传递理论,并采用离散坐标法求解视细胞对散射光偏振性的影响。结果表明散射光偏振性取决于视细胞尺寸与浓度分布等因素。在不同的极角和光程位置,散射光束的偏振性呈现波动性变化,视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的散射特性,散射光束的偏振特性变化随散射角的增大而增大。     

生物组织单光程光谱技术的理论研究

高灵敏度光谱检测技术在临床诊疗和组织光学参数测量中具有极其重要的意义。文章提出了一种差分调制激光光谱技术,将经过生物组织后的散射光与参考光的光程差转换为光谱信号的频率特征,通过相敏检测技术将不同频率的信号进行分离,从而实现生物组织散射光的光程分离。文章分析了差分调制激光光谱的机理及信号的谱特征,并基于文献中的生物组织散射光的光程分布,从理论上讨论了差拍信号的谱特征,即光源调制速率一定时,光谱信号中的主频成分位置只与散射光和参考光的光程差有关;生物组织对光信号的衰减系数会影响光谱信号中频率成分的能量强度分布。分析结果表明,差分调制激光光谱能对生物组织的光谱信号进行光程分离,从而实现生物组织的单光程光谱检测。     

Light propagation for time-domain fluorescence diffuse optical tomography by convolution using lifetime function

Time-domain light propagation in biological tissue is studied by solving the forward problem for fluorescence diffuse optical tomography using a convolution of the zero-lifetime emission light and the exponential function for a finite lifetime. We firstly formulate the fundamental equations in a time-domain assuming that the fluorescence lifetime is equal to zero, and then the solution including the lifetime is obtained by convolving the emission light and the lifetime function. The model is a two-dimensional (2-D) 10 mm-radius circle with the optical properties simulating biological tissue for the near infrared light, and contains some inclusions with fluorophores. Temporal and spatial profiles of excitation and emission light are calculated and discussed for several models with different inclusions. The results are physically reasonable and will be used for the inverse problem of fluorescence diffuse optical tomography.     

生物组织光学特性参数的无创检测理论与技术

无创定量确定生物组织的光学特性在医学诊断和治疗领域中有着很重要的意义和广泛的应用前景。作为生物组织光学特性参数无创检测技术的理论基础 ,首先简要介绍了描述散射介质中光传播及分布的漫散射理论及蒙特卡罗模拟算法 ;然后分别介绍了用漫散射理论和蒙特卡罗模拟算法无创定量确定生物组织光学特性参数的具体方法 ;最后总结了到目前为止无创定量确定生物组织光学特性参数的研究成果 ,并对今后的工作作了展望     

Recent advances in wavefront shaping techniques for biomedical applications

Due to the highly inhomogeneous distributions of refractive indexes, light propagation in complex media such as biological tissue experiences multiple light scattering events. The suppression and control of multiple light scattering events are investigated because they offer the possibility of optical focusing and imaging through biological tissues, and they may open new avenues for diagnosis and treatment of several human diseases. In order to provide insight into how new optical techniques can address the issues of multiple light scattering in biomedical applications, the recent progress in optical wavefront-shaping techniques is summarized.     

生物组织的可见光与近红外光散射模型

对生物组织光学模型尤其是光散射特性进行了研究, 发现可以利用等效粒子数密度的粒度分布更精确地了解生物组织的光散射性质。在夫琅和费衍射近似下, 散射系数和散射相函数可以由等效粒子数密度的粒度分布得到。基于粒子粒度光散射测量技术, 所得结果可给出一种新的可行的测量生物组织光学性质参数的方法。     

Depth distributions of light action spectra for skin chromophores

Light action spectra over wavelengths of 300–1000 nm are calculated for components of the human cutaneous covering: melanin, basal (bloodless) tissue, and blood oxy- and deoxyhemoglobin. The transformation of the spectra with depth in biological tissue results from two factors. The first is the wavelength dependence of the absorption coefficient corresponding to a particular skin chromophore and the second is the spectral selectivity of the radiation flux in biological tissue. This factor is related to the optical properties of all chromophores. A significant change is found to take place in the spectral distribution of absorbed radiant power with increasing depth. The action spectrum of light for the molecular oxygen contained in all components of biological tissue is also studied in the 625–645 nm range. The spectra are found to change with both the volume fraction of blood vessels and the degree of oxygenation of the blood. These results are useful for analyzing processes associated with optical absorption that are possible mechanisms for the interaction of light with biological tissues: photodissociation of oxyhemoglobin and the light-oxygen effect.     

利用近红外光激发的光声血管造影成像

利用近红外光结合对应波长的光吸收增强对照剂来实现在体小鼠脑皮层血管的光声成像.近红外光在生物组织上有较深的穿透能力;而作为光吸收增强剂的外源染料吲哚菁绿注射到血液系统后则增加了血管对光的选择性吸收,从而增强了血管光声信号的强度.实验在不破坏脑头皮和头盖骨的前提下,通过静脉注射吲哚菁绿,获得小鼠脑皮层血管的光声造影成像.光声重建的血管网络与小鼠脑部解剖照片相当符合.实验结果证明近红外光结合光吸收增强剂的光声血管造影技术对于开展光声脑功能成像,光声分子成像提供了潜在的可行性. 关键词： 光声成像 光吸收增强剂 血管造影 光声信号