光学断层成像系统与组织热凝固监控的关键技术研究

论文摘要

近红外光学断层成像技术是一种具有较高临床应用价值的无损成像技术,该技术可以通过获取组织断层光学参数的空间分布进行某些疾病的诊断,目前其成像技术、疾病诊断机理等都在不断完善过程中,其中高分辨率图像快速重建技术与肿瘤的在位识别与诊断是研究热点之一,也是目前难度较大的课题。本文研究的主要目的是建立一种较快的已知组织内部局部形态信息的光学参数实时成像重建算法,获得比较可靠的图像重建数学模型,然后在肿瘤热疗实时在位监控上进行应用尝试,为将来临床医学应用打下基础。论文在完成近红外光学成像系统设计的基础上,系统地进行了光学参数与生物组织热凝固过程相关规律的研究,并将研究结果结合近红外光学断层成像技术应用到生物组织局部热凝固治疗实时在位监控中,获得了一些重要结论。本文主要工作及创新性成果如下:1.实现了基于散射传播理论（Diffusion theory）的生物组织近红外光学成像正向问题的求解方法。主要工作有:推导了二维稳态扩散方程,提出了适合本课题研究模型的边界条件,采用Femlab软件仿真,给出了非均匀光学介质的光子能量分布,完成了正向问题求解。2.提出了不需要计算Jacobian矩阵的多参数优化算法完成近红外光学断层成像系统逆向问题的求解思路,给出了完整的优化算法数学模型。在优化算法上提出了N进制分部编码的遗传算法。实现了近红外光学断层局部参数重建,大大加快了重建速度（和目前的传统方法相比）,为实时在位局部光学参数检测的实现提供了可能。3.设计了一套基于连续光强激励的8通道光学断层成像系统。能够实现本文的局部光学参数图像重建,通过大量的模型实验对系统可行性进行了验证。4.实现了通过约化散射系数对生物组织局部热凝固治疗过程实时监测的设想,该设想巧妙地实现了体内温度-热凝固过程-光学参数的关联,为体内温度和热凝固程度的无损测试打下了基础,有可能解决长期困扰临床医学的体内温度和热凝固程度的无损测量技术的难题,这是本文的一个重要创新。5.初步达到了利用近红外光学断层成像系统对生物组织热凝固过程进行无损监测的目的。系统通过监控组织局部热凝固过程的约化散射系数来对组织热凝固过程进行评估。同时研究过程中发现生物组织边界处的光强与监控区域的约化散射系数存在密切相关性,获得了初步结论,这部分研究还有待深入。目前近红外光学断层成像技术是一个难度很大的系统课题,许多问题需要进行深入研究。本文选择了局部光学参数成像快速算法及其在局部热凝固治疗中的应用为出发点,实现了课题设想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 近红外光学断层成像技术研究背景和现状
• 1.1.1 近红外光谱技术
• 1.1.2 近红外光学断层成像技术基本原理
• 1.1.3 近红外光学断层成像常用技术
• 1.1.4 近红外光学断层成像常用算法
• 1.1.4.1 基于 X-CT 的反投影算法
• 1.1.4.2 基于扰动理论的优化重建算法
• 1.1.5 近红外光学断层成像的研究热点
• 1.1.5.1 与其他成像方法相结合
• 1.1.5.2 影像增强剂的研究和使用
• 1.1.5.3 三维近红外光学断层成像的研究
• 1.1.6 近红外光学断层成像技术的临床应用
• 1.1.6.1 新生儿大脑发育过程供养状况监测
• 1.1.6.2 脑功能成像
• 1.1.6.3 光学乳腺成像术
• 1.1.6.4 其他临床应用
• 1.1.7 近红外断层成像的技术难点
• 1.2 生物组织热凝固过程监测方法现状
• 1.2.1 肿瘤的局部热凝固治疗
• 1.2.2 组织局部热凝固治疗中监控的传统方法
• 1.2.3 光子学监控方法
• 1.3 近红外光学断层成像的临床应用意义
• 1.4 论文主要工作与创新点
• 1.4.1 论文研究方向
• 1.4.2 论文的研究内容
• 1.4.3 论文的创新点
• 1.5 本章小结
• 第二章 近红外光学断层成像正向问题的有限元求解
• 2.1 以变分原理为基础的有限元法
• 2.1.1 有限元法概述
• 2.1.2 变分有限元法的基本原理
• 2.1.3 有限元法的基本步骤
• 2.1.3.1 连续场的离散化
• 2.1.3.2 选择场变量模型
• 2.1.3.3 确定单元特性
• 2.1.3.4 方程组公式的建立
• 2.1.3.5 求解方程组
• 2.2 近红外光在生物组织中的传播理论
• 2.2.1 生物组织的光学参数
• 2.2.2 典型生物组织的光学参数
• 2.2.3 生物组织中的光子传播模型
• 2.3 扩散方程的有限元求解
• 2.3.1 求解稳态扩散方程的泛函推导与证明
• 2.3.2 三角形单元特征式的推导
• 2.3.3 方程组的合并
• 2.3.4 边界条件的加入
• 2.3.5 方程组的求解
• 2.4 稳态扩散方程的有限元法软件仿真
• 2.4.1 Femlab 软件仿真过程
• 2.4.2 稳态扩散方程的仿真结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 分部编码遗传算法求解近红外光学断层成像逆向问题
• 3.1 近红外光学断层成像逆向问题的定义
• 3.1.1 近红外光学断层成像的重建原理
• 3.1.2 逆向问题的定义和求解思路
• 3.2 近红外光学断层成像逆向问题的优化求解
• 3.3 遗传算法的基本理论
• 3.4 分部编码遗传算法的理论
• 3.4.1 分部编码遗传算法的提出
• 3.4.2 N 进制分部编码方法
• 3.4.3 N 进制分部编码算子性能分析
• 3.4.3.1 N 进制分部编码交叉算子、选择算子的定义
• 3.4.3.2 N 进制分部编码交叉操作的性能分析
• 3.4.3.3 N 进制分部编码变异操作的性能分析
• 3.4.4 分部编码遗传算法的数据仿真
• 3.4.4.1 数据仿真函数性能分析
• 3.4.4.2 分部编码遗传算法优化性能分析
• 3.5 近红外光学断层成像优化问题适应度函数设计
• 3.5.1 适应度函数概述
• 3.5.2 适应度函数选择
• 3.5.3 适应度函数仿真
• 3.6 近红外光学断层成像理论仿真
• 3.6.1 单区域模型的建立与仿真
• 3.6.2 多区域模型的建立与仿真
• 3.6.3 感兴趣区域模型的建立与仿真
• 3.7 基于N 进制分部编码的遗传算法的重建算法特点
• 3.7.1 传统的近红外光学断层成像算法
• 3.7.2 传统与本文算法时间复杂度分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 近红外光学断层成像硬件系统构成和ROI 模拟胶实验
• 4.1 近红外光学断层成像系统原理
• 4.1.1 近红外光学断层成像硬件介绍
• 4.1.1.1 光源
• 4.1.1.2 CCD 光纤光谱仪
• 4.1.1.3 光纤
• 4.1.2 近红外光学断层成像系统数据处理过程介绍
• 4.2 模拟胶模型的制备
• 4.3 仪器测量数据与理论仿真数据的匹配
• 4.3.1 两次标准化的数据匹配方法
• 4.3.2 假设吸收系数不变对重建算法的误差分析
• 4.4 基于近红外光学断层成像系统的 Phantom 模型图像重建
• 4.4.1 均匀Phantom 模型
• 4.4.2 特异组织在模型中央-生物组织光学参数发生改变
• 4.4.3 特异组织在模型中央-特异组织光学参数发生改变
• 4.4.4 非均匀模型——特异组织不在模型中央
• 4.4.5 Phantom 模型图像重建讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 生物组织光学参数与生物组织局部热凝固关系的研究
• 5.1 生物组织局部热凝固监控的重要意义
• 5.2 生物组织光学参数的测量方法
• 5.2.1 光学参数与组织热凝固关系
• 5.2.2 光学参数的测量方法
• 5.3 组织局部热凝固过程光学参数变化规律实时在位研究
• 5.3.1 实验步骤
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.4 大鼠脑组织热毁损实验
• 5.4.1 实验过程
• 5.4.2 实验结果与讨论
• 5.5 讨论
• 5.5.1 实验结论
• 5.5.2 存在问题
• 5.6 本章小结
• 第六章 生物组织热凝固过程的近红外光学ROI 断层成像监控
• 6.1 热凝固过程近红外光学ROI 断层成像监控原理
• 6.2 实验模型的建立
• 6.3 实验过程
• 6.3.1 均匀组织模型热凝固过程中边界光强与光学参数变化的分析
• 6.3.2 非均匀组织模型实验与结果
• 6.3.3 图像重建结果
• 6.3.4 讨论
• 6.3.4.1 约化散射系数曲线的临床意义
• 6.3.4.2 重建图像的临床意义
• 6.3.4.3 不同背景情况下的重建讨论
• 6.3.4.4 重建误差分析
• 6.3.4.5 时间分辨率分析
• 6.3.4.6 小结
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文研究工作总结
• 7.2 论文研究工作展望
• 7.2.1 光子传输方程的三维模型建立与求解
• 7.2.2 近红外光学成像系统的快速算法研究
• 7.2.3 温度场精确分布的研究
• 7.2.4 动物（人体）在位实验的设计
• 7.2.5 肿瘤冷疗中的监测实现
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文