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鏡像優(yōu)化FDOT系統成像的計算機仿真論文
摘要：傳統的單角度FDOT系統由于受到探測設備限制，重建出來(lái)的圖像分辨率不高；而現有的多角度FDOT系統普遍存在特異性高、難推廣、造價(jià)高等問(wèn)題。根據以上問(wèn)題提出了一種平面鏡優(yōu)化的系統改造方法，在原有的單角度FDOT系統基礎上，添加平面鏡增加采集數據量的方法開(kāi)發(fā)適用于臨床腫瘤診斷研究的鏡像FDOT系統。仿真結果表明，優(yōu)化后的鏡像FDOT系統熒光目標塊重建熒光斷層圖像完整，能夠很好地反映熒光目標塊的分布，有望將該系統進(jìn)一步應用于小鼠腫瘤研究實(shí)驗。
關(guān)鍵詞：熒光層析成像；系統優(yōu)化；成像過(guò)程仿真；仿真數據重建
1概述
熒光擴散層析成像是光學(xué)層析掃描與熒光顯影劑結合發(fā)展出的新興三維醫學(xué)成像技術(shù)，可通過(guò)非電離輻射和相對低價(jià)的光學(xué)設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(shí)間，文獻[2]中提出利用圖像壓縮技術(shù)來(lái)減少數據集的大��；為了實(shí)現熒光信息的多角度采集，文獻[3]中提出利用旋轉位移臺進(jìn)行熒光數據采集，多角度采集的熒光數據集大大增加，但重建過(guò)程計算量隨之增加，導致結果可能帶有一定的誤差。目前的單角度FDOT系統雖然成本低廉，但是采集到的數據信息少，造成成像分辨率低針對上述問(wèn)題，提出了一種基于常規單角度FDOT系統的鏡像優(yōu)化改造方法。并通過(guò)安裝Toast++工具箱進(jìn)行系統仿真。
2系統鏡像優(yōu)化方法
鏡像FDOT系統整體包含：近紅外激光源、雙向位移臺、EMCCD相機、雙平面鏡裝置、濾光片。該FDOT系統的分辨率設定為毫米級，滿(mǎn)足了熒光目標成像實(shí)驗要求。為了完成多角度成像，鏡像FDOT系統保留了常規單角度FDOT系統成像采集的框架結構，在實(shí)驗物體兩側對稱(chēng)放置兩面反光鏡片，通過(guò)鏡面反射來(lái)收集從物體兩側發(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）照相機的采集視野內，EMCCD相機可同時(shí)記錄來(lái)自物體上部和反射自?xún)蓚鹊臒晒庑盘�，這樣的構造就等同于三個(gè)相同光學(xué)特性的EM－CCD相機（物體頂部真實(shí)的EMCCD相機，物體左側和右側虛擬的EMCCD相機）同時(shí)在三個(gè)位置來(lái)記錄物體體內發(fā)出的熒光信號。與多角度FDOT系統相比，優(yōu)化后的鏡面多角度系統大幅簡(jiǎn)化了系統結構，而由于保留原單角度系統結構，因此仍然可適用于常規單角度FDOT圖像采集方案和成像算法。
3使用toast++工具箱仿真
為了測試系統的可行性以及檢驗隨之改進(jìn)的VSP方法與新鏡像系統的適用性和穩定性，本文在Toast++工具箱下完成了系統仿真過(guò)程，Toast++工具箱是在Ubantu9.7操作系統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)院計算機系SimonArridge教授團隊開(kāi)發(fā)，Toast++是用于高度散射介質(zhì)中的光傳輸的模擬的程序的集合，以及來(lái)自邊界處的時(shí)間分辨透射測量的吸收和散射系數的空間分布的重建。在仿真實(shí)驗中，采用三維仿體模型模擬生物組織體，對熒光目標進(jìn)行斷層重建。仿體設計成半徑為10mm、高為40mm的圓柱體，仿體中心位置為（10.0，10.0，20.0）添加熒光目標塊作為重建目標，熒光目標是一個(gè)半徑2.5mm，高10mm的圓柱體，熒光目標塊中心位置為（10.0，10.0，25.0），在距離仿體表面5cm處的地方設置一個(gè)波長(cháng)為780nm近紅外光激光源。
4仿真圖像數據重建
�。�1）通過(guò)模擬激光照射三維仿體模型熒光塊區域激發(fā)產(chǎn)生熒光，使用模擬EMCCD相機采集熒光信息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(dòng)采集獲得的位置i處的熒光圖像，m軗i表示通過(guò)公式由VSP方法計算而來(lái)的VSP熒光圖像。（2）為了減少圖像處理時(shí)間，本文在DaubechiesD4的基礎上，將采集到的熒光圖像數據壓縮為128個(gè)相關(guān)分量，用于加速重建和限制存儲器需求，通過(guò)小波變換將虛擬熒光圖像轉換為壓縮圖像.其中，探測模式dk根據DaubechiesD4基準選擇，k表示能同時(shí)保持的最大絕對值分量，m軗k根據給定的熒光分布f根據權重矩陣核w（s，dk）獲得，計算形式如下：其中，Ω表示三維仿體模型。（3）計算權重矩陣核[11]。其中，和是Green算子，u表示激光照射區域表面，vk表示探測鄰近區域表面。（4）第四步是重建過(guò)程逆問(wèn)題求解。由于FDOT中的逆問(wèn)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定性。所以，我們采用Tikhonov正則化方法求解逆問(wèn)題：其中I為視圖數，α為確保求解穩定性的正則化參數，f*為重建熒光分布。
5結果分析
5.1在重建精度上的比較
本文進(jìn)行了單角度FDOT系統以及優(yōu)化后的鏡像FDOT系統的仿真實(shí)驗。在常規單角度FDOT系統下，僅通過(guò)一個(gè)相機進(jìn)行平移采集，得到數據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象，而進(jìn)行過(guò)平面鏡鏡像多角度優(yōu)化后的鏡像FDOT系統重建出來(lái)熒光目標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塊的大小形狀和熒光分布，同時(shí)改進(jìn)后的鏡像FDOT系統重建結果在重建位置與熒光產(chǎn)額上相比單角度系統而言更接近真實(shí)的熒光目標。
5.2在重建分辨率上的比較
影響重建結果的主要參數是正則化參數，本文中使用熒光分布f*的對比噪聲比（RCN）設置正則化參數。RCN表示重建中呈現出的感興趣區域的品質(zhì)因數.其中，μroi和μback表示重建分布中感興趣區域和背景的均值，σroi和σback表示重建分布中感興趣區域和背景的標準差，權重wroi=Vroi/Vtot和wback=Vback/Vtot是體積比。這里的roi是指由熒光區域占據的體積，back是指體積的其余部分。除了RCN以外，實(shí)驗分析的指標還有對比分辨率C和重建誤差εr，通過(guò)平均值表示感興趣區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。從重建結果的對比信噪比、對比分辨率和重建誤差可以看出，常規單角度FDOT系統的重建結果很難具體地反映出三維熒光仿體中熒光目標塊的大小和熒光分布，具有很高的分辨率，而鏡像FDOT系統則與之相反，在品質(zhì)因數、對比分辨率和重建誤差精度上甚至接近多角度FDOT系統。
參考文獻：
[1]張麗敏.時(shí)域熒光擴散光層析的基本理論與實(shí)驗研究[D].天津大學(xué)，2009.
[2]J.Ripoll,HybridFourier-realspacemethodfordiffuseopticaltomography[J].Opt.Lett.2010,35(5):688-690.
[3]趙會(huì )娟，王倩，周曉晴，等.小鼠熒光層析成像系統及數據提取擴展方法[J].光子學(xué)報，2014，43（10）:1-7.
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