鏡像優(yōu)化FDOT系統(tǒng)成像過程的計(jì)算機(jī)仿真

符吉祥+何益宏

摘 要：傳統(tǒng)的單角度FDOT系統(tǒng)由于受到探測(cè)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(jià)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)。

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

中圖分類號(hào)：R445.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0021-02

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(duì)低價(jià)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(shí)間，文獻(xiàn)[2]中提出利用圖像壓縮技術(shù)來減少數(shù)據(jù)集的大小；為了實(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(tái)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(jì)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(duì)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(tái)、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(jí)，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(duì)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(hào)，平面鏡與水平面所成夾角為40°，反射信號(hào)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(shí)記錄來自物體上部和反射自兩側(cè)的熒光信號(hào)，這樣的構(gòu)造就等同于三個(gè)相同光學(xué)特性的EMCCD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(shí)在三個(gè)位置來記錄物體體內(nèi)發(fā)出的熒光信號(hào)。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(jiǎn)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(cè)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(jì)算機(jī)系Simon Arridge教授團(tuán)隊(duì)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(shí)間分辨透射測(cè)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(duì)熒光目標(biāo)進(jìn)行斷層重建。仿體設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)波長(zhǎng)為780nm近紅外光激光源。

4 仿真圖像數(shù)據(jù)重建

（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)。仿真數(shù)據(jù)重建結(jié)果如圖1所示：

從圖1的熒光塊斷層圖像對(duì)比可以看出，在常規(guī)單角度FDOT系統(tǒng)下，僅通過一個(gè)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(cuò)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(shí)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(duì)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)，計(jì)算公式如下：

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(duì)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(duì)比度分辨率越高越好，重建誤差越小越好。對(duì)比分辨率和重建誤差的定義如下：

如表1所示，從重建結(jié)果的對(duì)比信噪比、對(duì)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(duì)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(shí)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， Hybrid Fourier-real space method for diffuse optical tomography[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(tǒng)及數(shù)據(jù)提取擴(kuò)展方法[J].光子學(xué)報(bào)，2014，43（10）：1-7.endprint