《生物發光斷層成像的光源重建算法研究》是依託西安電子科技大學，由屈曉超擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：生物發光斷層成像的光源重建算法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：屈曉超
- 依託單位：西安電子科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物發光斷層成像（Bioluminescence Tomography，BLT）是當前光學分子影像領域的研究熱點，但其重建理論和算法中還有一些關鍵問題亟待解決。本項目針對非接觸式測量下BLT重建問題展開深入研究，反演得到生物發光光源在目標體內的空間位置和能量分布信息，以滿足生命科學研究中對光源三維定位的需求。本項目研究2D探測面到3D目標體表的位置和能量映射關係，建立兩種透鏡成像理論下的2D-3D映射算法；以提高光源重建精度和速度為目標，利用自適應hp-FEM（選擇最佳格線尺度h和基函式階數p的有限元方法）和最佳化方法建立複雜目標體內光源重建算法；利用真實實驗數據驗證算法的可行性並加以完善，最終形成一套精確快速的BLT重建算法，配備到成像系統中。本項目的研究成果能夠為深入開展在體光學分子影像其它理論和算法研究奠定基礎，具有重要的指導意義。
結題摘要
生物發光斷層成像（Bioluminescence Tomography，BLT）是當前光學分子影像領域的研究熱點，本項目針對非接觸式測量下生物發光斷層成像重建問題的兩個重要部分：自由空間中2D探測面到3D體表的位置和能量映射關係，被測目標體內生物發光光源空間位置和能量分布的重建方法進行了深入探討。針對2D探測面和3D體表的位置和能量映射關係，建立了基於混合輻射度理論光傳輸解析模型，並進一步建立了基於光闌效應分析的通用自由空間光傳輸模型，實現了二維探測面到三維體表的能量精確映射。在生物發光斷層成像的光傳輸正向問題中，由於求解複雜目標體問題需要用數值方法求解，在有限元經典方法的基礎上，進一步提出了基於自適應hp型有限元方法（hp-FEM）和多級自適應有限元方法。針對輻射傳輸方程計算方程數過多容易導致計算崩潰的問題，我們使用大規模並行計算機，圖形處理器GPU集群對基於Monte Carlo方法和離散坐標SN方法的光傳輸方程進行了並行加速研究，在保證求解準確度的情況下，極大提高了求解效率。在複雜生物體內部光源重建問題中，我們將系統方程轉化為最佳化問題，進而提出了一系列最佳化算法來求解，主要有多相水平集方法、截斷的完全最小二乘方法。考慮到生物發光光源相對於求解域的稀疏分布特性，我們將基於l2範數的正則化方法轉化為基於l1範數的稀疏正則化方法，提出了兩種基於稀疏正則化的光學三維重建方法：基於不完全變數的截斷共軛梯度法和初始對偶內點。同時，本項目也進行了一系列的生物套用實驗研究，建立了小動物腫瘤模型，進行了腫瘤發生髮展、藥物治療等實驗研究，充分考慮模型近似、實驗環境、測量誤差等對重建結果的影響並進而修正重建方法，驗證了算法和系統的有效性和穩定性。本項目的研究成果能夠為深入開展在體光學分子影像其它理論和算法研究奠定基礎，具有重要的指導意義。 本項目研究成果獲得教育部高等學校科學研究優秀成果獎科學技術進步獎二等獎，共發表論文13篇，其中SCI檢索13篇。獲得授權專利2項，受理專利1項。邀請國外學者來訪2人次，參加國際分子影像大會和SPIE國際光學會議2人次。
