鏡像優化FDOT系統成像過程的計算機仿真

符吉祥+何益宏

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、造價高等問題。根據以上問題提出了一種平面鏡優化的系統改造方法，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發適用于臨床腫瘤診斷研究的鏡像FDOT系統。仿真結果表明，優化后的鏡像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，有望將該系統進一步應用于小鼠腫瘤研究實驗。

關鍵詞：熒光層析成像；系統優化；成像過程仿真；仿真數據重建

中圖分類號：R445.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0021-02

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合發展出的新興三維醫學成像技術，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來減少數據集的大小；為了實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題，提出了一種基于常規單角度FDOT系統的鏡像優化改造方法。并通過安裝Toast++工具箱進行系統仿真。

2 系統鏡像優化方法

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系統保留了常規單角度FDOT系統成像采集的框架結構，在實驗物體兩側對稱放置兩面反光鏡片，通過鏡面反射來收集從物體兩側發出的熒光信號，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相機可同時記錄來自物體上部和反射自兩側的熒光信號，這樣的構造就等同于三個相同光學特性的EMCCD相機（物體頂部真實的EMCCD相機，物體左側和右側虛擬的EMCCD相機）同時在三個位置來記錄物體體內發出的熒光信號。與多角度 FDOT系統相比，優化后的鏡面多角度系統大幅簡化了系統結構，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學院計算機系Simon Arridge教授團隊開發，Toast++是用于高度散射介質中的光傳輸的模擬的程序的集合，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 仿真圖像數據重建

（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

本文進行了單角度FDOT系統以及優化后的鏡像FDOT系統的仿真實驗。仿真數據重建結果如圖1所示：

從圖1的熒光塊斷層圖像對比可以看出，在常規單角度FDOT系統下，僅通過一個相機進行平移采集，得到數據重建的熒光塊熒光濃度圖像部分產生了缺失、錯位以及熒光濃度分布不均勻等現象，而進行過平面鏡鏡像多角度優化后的鏡像FDOT系統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系統重建結果在重建位置與熒光產額上相比單角度系統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因數，計算公式如下：

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。對比分辨率和重建誤差的定義如下：

如表1所示，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， Hybrid Fourier-real space method for diffuse optical tomography[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及數據提取擴展方法[J].光子學報，2014，43（10）：1-7.endprint