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微型计算机断层成像及其与自发荧光断层成像多模态融合的研究
其他题名Research on Micro-Computed Tomography and its Multimodality Integration with Bioluminescence Tomography
朱守平
学位类型工学博士
导师田捷
2010-05-29
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业模式识别与智能系统
关键词分子影像 Micro-ct Ct重建 自发荧光断层成像 多模态融合 Molecular Imaging Micro-ct Ct reconstruCtion Bioluminescence Tomography Multimodality Integration
摘要分子影像是一门新兴的前沿综合交叉学科,它可以在细胞分子水平上实现生物体生理、病理变化的实时、无创、动态、特异性在体成像,为研究疾病发生发展和药物在体定量评估提供了定性、定量信息。成像方法的不断进步则是分子影像发展的重要推动力量,单一成像模态只能得到生物体的部分信息,融合多种成像模态,形成优势互补,则可以获得更全面更准确的信息。多模态融合已经成为影像技术发展的一个重要趋势。 小动物微型计算机断层成像(micro-Computed tomography, micro-CT)成像在分子影像的发展中扮演了重要的角色。它具有非常高的空间分辨率,能够提供小动物的解剖结构图像,成本相对低廉,使用也很方便,可以进行定量骨密度测量、骨肿瘤监测、肺肿瘤 监测、血管提取等领域的研究,还可以与其他成像模态融合(如核素成像、光学成像等)实现多模态成像。光学分子影像具有灵敏度高、高特异性、无放射性、费用低廉等诸多优点,自发荧光断层成像(Bioluminescence tomography, BLT)是光学分子影像的一个重要 模态,它通过准确定位生物体内自发荧光光源位置来定量地检测生物体的细胞分子水平变化。自发荧光断层成像是一个非适定问题,并需要引入足够多的先验信息才能保证解的唯一性。Micro-CT提供的三维解剖结构即是一种重要的先验信息,多模态融合是获取先验知识的一种有效手段。在本文工作开展之前,micro-CT与BLT的融合都是基于图像配准进行的,还没有micro-CT与BLT系统级融合的研究报道。本文致力于micro-CT成像及其与BLT融合的研究,主要包括以下三部分内容: 1. Micro-CT成像系统的研究。设计并实现了一套用于小动物成像的高分辨率micro-CT成像系统;通过对投影数据进行预处理操作,有效降低了重建伪影;针对CT系统的几何偏差问题,提出了采用重建图像的反馈信息进行几何校正的新方法;对探测器输出的稳定性和线性度、系统高对比度空间分辨率、图像的均匀性和噪声水平、以及低对比度分辨率等进行了测试,并利用该系统开展了micro-CT肿瘤血管成像、骨骼检测及药效评估的生物实验研究。 2. 基于图像总体变分(Total variation TV)极小化的稀疏投影数据CT重建算法的研究。提出使用联合代数重建技术(Simultaneous algebraic reconstruction technique, SART)与TV最小化结合的CT重建方法(SART+TV),实验结果表明该方法优于代数重建技术(Algebraic reconstruction techniques, ART)与TV极小化结合的方 法(ART+TV);结合距离驱动模型和多级访问方案(Multilevel scheme, MLS)投影次序的特点,提出一种利用几何对称性加速迭代重建的方法,实验结果表明该方法可以有效地提高重建速度。 3. Micro-CT与BLT多模态融合方面的研究。针对micro-CT和荧光数据的融合问题,采用针孔透射模型研究了micro-CT与荧光数据空间位置配准问题,提出了一种荧光能量映射的简便方法,实现了荧光能量在CT提取的小鼠表面与CCD输出之间的定量映射,为BLT重建提供不可或缺的准备条件;设计并实现了无缝集成的micro-CT/BLT双模态的成像系统,并开展了相关的实验研究,对上述模态融合算法和系 统性能进...
其他摘要Molecular imaging is a newly emerging and rapidly developing biomedical imaging field. It can acquire real-time, non-invasive, dynamic and specific in vivo imaging of physiological and pathological change in living organisms, at cellular and molecular levels, and provide qualitative and quantitative information for the study of disease development and quantitative assessment of drugs in vivo. Dramatic advances in imaging technology have been an important driving force in the development of molecular imaging. Each imaging modality has its merits in one aspect. Fusion of imaging modalities that integrate the strengths of two modalities will provide more comprehensive and accurate information. There is no doubt that multimodality is an obvious trend in molecular imaging. Micro-CT system for small animal imaging has played a critical role in the evolution of molecular imaging. It can obtain high resolution anatomic information with relatively low cost and convenient operation. It has been used to the study of quantitative bone mineral density, bone tumor monitoring, lung cancer monitoring, vascular extraction, and can be combined with other modalities, such as nuclear imaging and optical imaging. Optical imaging has the advantage of high sensitivity, high specificity, non-radioactive and low-cost. Bioluminescence tomography (BLT) is one of the important optical imaging modalities. It can detect the molecular and cellular change of living subject by precise bioluminescent source localization. BLT reconstruction is an ill-posed problem, which needs to introduce enough prior information to ensure the uniqueness of solution. 3D anatomical structure provided by micro-CT is one type of important prior information and multimodality fusion is an effective means for acquiring prior information. Before our work, the fusion of micro-CT and BLT is based on image registration, and there is no report on micro-CT and BLT system-level integration. This thesis focuses on micro-CT imaging and its integration with BLT. It mainly includes the following three parts: 1. Research on micro-CT imaging system. A prototype cone-beam micro-CT system for small animal imaging has been developed. Reconstruction artifacts have been effectively reduced by projection data preprocessing. In order to solve geometric offset of the CT system, we propose a method which utilizes the feedback information of the reconstructed image to perform geometry calibration. The detector output stability ...
馆藏号XWLW1515
其他标识符200718014628086
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6255
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
朱守平. 微型计算机断层成像及其与自发荧光断层成像多模态融合的研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2010.
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