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  • 鏡像優(yōu)化FDOT系統(tǒng)成像的計算機(jī)仿真論文

    時間:2020-07-26 10:07:18 計算機(jī)畢業(yè)論文 我要投稿

    鏡像優(yōu)化FDOT系統(tǒng)成像的計算機(jī)仿真論文

      摘要:傳統(tǒng)的單角度FDOT系統(tǒng)由于受到探測設(shè)備限制,重建出來的圖像分辨率不高;而現(xiàn)有的多角度FDOT系統(tǒng)普遍存在特異性高、難推廣、造價高等問題。根據(jù)以上問題提出了一種平面鏡優(yōu)化的系統(tǒng)改造方法,在原有的單角度FDOT系統(tǒng)基礎(chǔ)上,添加平面鏡增加采集數(shù)據(jù)量的方法開發(fā)適用于臨床腫瘤診斷研究的鏡像FDOT系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后的鏡像FDOT系統(tǒng)熒光目標(biāo)塊重建熒光斷層圖像完整,能夠很好地反映熒光目標(biāo)塊的分布,有望將該系統(tǒng)進(jìn)一步應(yīng)用于小鼠腫瘤研究實(shí)驗(yàn)。

    鏡像優(yōu)化FDOT系統(tǒng)成像的計算機(jī)仿真論文

      關(guān)鍵詞:熒光層析成像;系統(tǒng)優(yōu)化;成像過程仿真;仿真數(shù)據(jù)重建

      1概述

      熒光擴(kuò)散層析成像是光學(xué)層析掃描與熒光顯影劑結(jié)合發(fā)展出的新興三維醫(yī)學(xué)成像技術(shù),可通過非電離輻射和相對低價的光學(xué)設(shè)備重建熒光顯影劑在生物體中的三維圖像[1]。為了縮短重建時間,文獻(xiàn)[2]中提出利用圖像壓縮技術(shù)來減少數(shù)據(jù)集的大。粸榱藢(shí)現(xiàn)熒光信息的多角度采集,文獻(xiàn)[3]中提出利用旋轉(zhuǎn)位移臺進(jìn)行熒光數(shù)據(jù)采集,多角度采集的熒光數(shù)據(jù)集大大增加,但重建過程計算量隨之增加,導(dǎo)致結(jié)果可能帶有一定的誤差。目前的單角度FDOT系統(tǒng)雖然成本低廉,但是采集到的數(shù)據(jù)信息少,造成成像分辨率低針對上述問題,提出了一種基于常規(guī)單角度FDOT系統(tǒng)的鏡像優(yōu)化改造方法。并通過安裝Toast++工具箱進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

      2系統(tǒng)鏡像優(yōu)化方法

      鏡像FDOT系統(tǒng)整體包含:近紅外激光源、雙向位移臺、EMCCD相機(jī)、雙平面鏡裝置、濾光片。該FDOT系統(tǒng)的分辨率設(shè)定為毫米級,滿足了熒光目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)要求。為了完成多角度成像,鏡像FDOT系統(tǒng)保留了常規(guī)單角度FDOT系統(tǒng)成像采集的框架結(jié)構(gòu),在實(shí)驗(yàn)物體兩側(cè)對稱放置兩面反光鏡片,通過鏡面反射來收集從物體兩側(cè)發(fā)出的熒光信號,平面鏡與水平面所成夾角為40°,反射信號包括在頂部的低噪聲16位冷卻電荷耦合器件(EMCCD)照相機(jī)的采集視野內(nèi),EMCCD相機(jī)可同時記錄來自物體上部和反射自兩側(cè)的熒光信號,這樣的構(gòu)造就等同于三個相同光學(xué)特性的EM-CCD相機(jī)(物體頂部真實(shí)的EMCCD相機(jī),物體左側(cè)和右側(cè)虛擬的EMCCD相機(jī))同時在三個位置來記錄物體體內(nèi)發(fā)出的.熒光信號。與多角度FDOT系統(tǒng)相比,優(yōu)化后的鏡面多角度系統(tǒng)大幅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而由于保留原單角度系統(tǒng)結(jié)構(gòu),因此仍然可適用于常規(guī)單角度FDOT圖像采集方案和成像算法。

      3使用toast++工具箱仿真

      為了測試系統(tǒng)的可行性以及檢驗(yàn)隨之改進(jìn)的VSP方法與新鏡像系統(tǒng)的適用性和穩(wěn)定性,本文在Toast++工具箱下完成了系統(tǒng)仿真過程,Toast++工具箱是在Ubantu9.7操作系統(tǒng)2009版本的matlab中安裝完成,Toast++成像軟件是英國倫敦大學(xué)學(xué)院計算機(jī)系SimonArridge教授團(tuán)隊開發(fā),Toast++是用于高度散射介質(zhì)中的光傳輸?shù)哪M的程序的集合,以及來自邊界處的時間分辨透射測量的吸收和散射系數(shù)的空間分布的重建。在仿真實(shí)驗(yàn)中,采用三維仿體模型模擬生物組織體,對熒光目標(biāo)進(jìn)行斷層重建。仿體設(shè)計成半徑為10mm、高為40mm的圓柱體,仿體中心位置為(10.0,10.0,20.0)添加熒光目標(biāo)塊作為重建目標(biāo),熒光目標(biāo)是一個半徑2.5mm,高10mm的圓柱體,熒光目標(biāo)塊中心位置為(10.0,10.0,25.0),在距離仿體表面5cm處的地方設(shè)置一個波長為780nm近紅外光激光源。

      4仿真圖像數(shù)據(jù)重建

     。1)通過模擬激光照射三維仿體模型熒光塊區(qū)域激發(fā)產(chǎn)生熒光,使用模擬EMCCD相機(jī)采集熒光信息mi,然后計算出VSP圖像m軗i,計算形式如下:M軗T=TMT(1)其中,T為變換矩陣,M=[m1...mj],M軗=[m軗1...m軗j],mi表示激光源沿空間網(wǎng)格移動采集獲得的位置i處的熒光圖像,m軗i表示通過公式由VSP方法計算而來的VSP熒光圖像。(2)為了減少圖像處理時間,本文在DaubechiesD4的基礎(chǔ)上,將采集到的熒光圖像數(shù)據(jù)壓縮為128個相關(guān)分量,用于加速重建和限制存儲器需求,通過小波變換將虛擬熒光圖像轉(zhuǎn)換為壓縮圖像.其中,探測模式dk根據(jù)DaubechiesD4基準(zhǔn)選擇,k表示能同時保持的最大絕對值分量,m軗k根據(jù)給定的熒光分布f根據(jù)權(quán)重矩陣核w(s,dk)獲得,計算形式如下:其中,Ω表示三維仿體模型。(3)計算權(quán)重矩陣核[11]。其中,和是Green算子,u表示激光照射區(qū)域表面,vk表示探測鄰近區(qū)域表面。(4)第四步是重建過程逆問題求解。由于FDOT中的逆問題具有不適定性,所以需要進(jìn)行正則化處理確保在存在噪聲情況下求出解的穩(wěn)定性。所以,我們采用Tikhonov正則化方法求解逆問題:其中I為視圖數(shù),α為確保求解穩(wěn)定性的正則化參數(shù),f*為重建熒光分布。

      5結(jié)果分析

      5.1在重建精度上的比較

      本文進(jìn)行了單角度FDOT系統(tǒng)以及優(yōu)化后的鏡像FDOT系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)。在常規(guī)單角度FDOT系統(tǒng)下,僅通過一個相機(jī)進(jìn)行平移采集,得到數(shù)據(jù)重建的熒光塊熒光濃度圖像部分產(chǎn)生了缺失、錯位以及熒光濃度分布不均勻等現(xiàn)象,而進(jìn)行過平面鏡鏡像多角度優(yōu)化后的鏡像FDOT系統(tǒng)重建出來熒光目標(biāo)塊的熒光濃度圖像完整,顯示出熒光壽命和產(chǎn)率的不同,很好地反映三維仿體模型中熒光目標(biāo)塊的大小形狀和熒光分布,同時改進(jìn)后的鏡像FDOT系統(tǒng)重建結(jié)果在重建位置與熒光產(chǎn)額上相比單角度系統(tǒng)而言更接近真實(shí)的熒光目標(biāo)。

      5.2在重建分辨率上的比較

      影響重建結(jié)果的主要參數(shù)是正則化參數(shù),本文中使用熒光分布f*的對比噪聲比(RCN)設(shè)置正則化參數(shù)。RCN表示重建中呈現(xiàn)出的感興趣區(qū)域的品質(zhì)因數(shù).其中,μroi和μback表示重建分布中感興趣區(qū)域和背景的均值,σroi和σback表示重建分布中感興趣區(qū)域和背景的標(biāo)準(zhǔn)差,權(quán)重wroi=Vroi/Vtot和wback=Vback/Vtot是體積比。這里的roi是指由熒光區(qū)域占據(jù)的體積,back是指體積的其余部分。除了RCN以外,實(shí)驗(yàn)分析的指標(biāo)還有對比分辨率C和重建誤差εr,通過平均值表示感興趣區(qū)域和背景之間的差異能力,對比度分辨率越高越好,重建誤差越小越好。從重建結(jié)果的對比信噪比、對比分辨率和重建誤差可以看出,常規(guī)單角度FDOT系統(tǒng)的重建結(jié)果很難具體地反映出三維熒光仿體中熒光目標(biāo)塊的大小和熒光分布,具有很高的分辨率,而鏡像FDOT系統(tǒng)則與之相反,在品質(zhì)因數(shù)、對比分辨率和重建誤差精度上甚至接近多角度FDOT系統(tǒng)。

      參考文獻(xiàn):

      [1]張麗敏.時域熒光擴(kuò)散光層析的基本理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].天津大學(xué),2009.

      [2]J.Ripoll,HybridFourier-realspacemethodfordiffuseopticaltomography[J].Opt.Lett.2010,35(5):688-690.

      [3]趙會娟,王倩,周曉晴,等.小鼠熒光層析成像系統(tǒng)及數(shù)據(jù)提取擴(kuò)展方法[J].光子學(xué)報,2014,43(10):1-7.

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