鏡像優(yōu)化FDOT系統(tǒng)成像的計算機仿真
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摘要：傳統(tǒng)的單角度FDOT系統(tǒng)由于受到探測設備限制，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(tǒng)進一步應用于小鼠腫瘤研究實驗。
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
熒光擴散層析成像是光學層析掃描與熒光顯影劑結(jié)合發(fā)展出的新興三維醫(yī)學成像技術(shù)，可通過非電離輻射和相對低價的光學設備重建熒光顯影劑在生物體中的三維圖像[1]。為了縮短重建時間，文獻[2]中提出利用圖像壓縮技術(shù)來減少數(shù)據(jù)集的大?。粸榱藢崿F(xiàn)熒光信息的多角度采集，文獻[3]中提出利用旋轉(zhuǎn)位移臺進行熒光數(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、雙平面鏡裝置、濾光片。該FDOT系統(tǒng)的分辨率設定為毫米級，滿足了熒光目標成像實驗要求。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)，在實驗物體兩側(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）照相機的采集視野內(nèi)，EMCCD相機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特性的EM－CCD相機（物體頂部真實的EMCCD相機，物體左側(cè)和右側(cè)虛擬的EMCCD相機）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)的可行性以及檢驗隨之改進的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學院計算機系SimonArridge教授團隊開發(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。在仿真實驗中，采用三維仿體模型模擬生物組織體，對熒光目標進行斷層重建。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)的仿真實驗。在常規(guī)單角度FDOT系統(tǒng)下，僅通過一個相機進行平移采集，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，同時改進后的鏡像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)而言更接近真實的熒光目標。
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)域和背景的標準差，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，實驗分析的指標還有對比分辨率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：
[1]張麗敏.時域熒光擴散光層析的基本理論與實驗研究[D].天津大學，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)提取擴展方法[J].光子學報，2014，43（10）:1-7.
作者:符吉祥 何益宏 單位:五邑大學信息工程學院