基于扩散近似理论的时域荧光层析成像方法研究

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1、硕士学位论文基于扩散近似理论的时域荧光层析成像方法研究TIME-DOMAINFLUORESCENCETOMOGRAPHYRESEARCHBASEDONTHEDIFFUSIONAPPROXIMATIONTHEORY贾腾哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TK124学校代码：10213国际图书分类号：621.1.016.7密级：公开工学硕士学位论文基于扩散近似理论的时域荧光层析成像方法研究硕士研究生：贾腾导师：阮立明教授申请学位：工学硕士学科：工程热物理所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK124U.D.C

2、:621.1.016.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTIME-DOMAINFLUORESCENCETOMOGRAPHYRESEARCHBASEDONTHEDIFFUSIONAPPROXIMATIONTHEORYCandidate：JiaTengSupervisor：Prof.RuanLimingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringThermophysicsSchoolofEnergyscienceandAffiliation：Engin

3、eeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要半个多世纪以前，世界上第一台激光器诞生之后，关于激光的探索和研究取得了迅猛发展。激光技术被广泛地应用于信息通讯、测量、材料加工、生物医学、军事和科学技术等诸多领域。利用近红外光辐照介质探测介质内部信息的光学成像技术得到了快速发展，尤其是荧光扩散光学成像技术因其高对比度和强选择性等优点备受关注。荧光扩散光成像技术主要有稳态和瞬态（包括时域和频域）两种测量模式。相较于基于稳态和频域测量模式的荧光扩散光成像技术，时域

4、荧光扩散光成像技术可以探测更多的介质内部信息，在数据完整性、灵活性及系统稳定性等方面都具有独特的优势，已经成为目前研究的热点方向。本课题的主要内容为基于耦合扩散方程的时域荧光扩散光学成像方法研究，具体包含如下的内容：1.建立了荧光扩散光成像技术的正向传输模型，解释并模拟了入射激光和受激荧光在介质内的传输过程，利用有限元法求解耦合扩散方程组，得到介质边缘指定位置的出射荧光信号。对正问题模型进行了正确性、网格无关性和时间独立性验证，细致地分析了入射激光脉冲宽度、背景介质光学参数、介质内含荧光体大小和位置、荧光体光学参数等因素对于介质边缘出射荧光信号的影响。2.基于时域耦合扩散方程组模拟了二维

5、矩形非均匀介质在含有不同荧光体时的出射荧光信号，并利用共轭梯度法反演了含不同数目异质体时介质内部的荧光参数。为改善重建图像质量，在反演时引入最大后验概率估计方法。另外，分析了对比度和测量误差对于反演结果的影响。3.基于时域耦合扩散方程组对二维圆形非均匀介质出射荧光信号进行模拟，并利用共轭梯度法对含不同数目异质体的介质进行了单荧光参数和双荧光参数重建。为改善重建图像质量，在反演时引入最大后验概率估计方法。另外，分析了对比度和测量误差对于介质内含一个荧光异质体时荧光产率和荧光寿命同时反演的影响。关键词：扩散近似方程；有限元法；时域测量；荧光信号；荧光参数重建-I-AbstractAbstra

6、ctThebirthoftheworld'sfirstlaserdevicehasbeenoverhalfacentury.Inthepasthalfcentury,Lasertechnologyhasrapidlydevelopedandbeenwidelyusedinmanyareas,suchascommunication,measurementtechnology,biologicalmedicine,industrialmaterialprocessing,nationaldefensemilitary,scienceandtechnologyandmanyotherfield

7、s.Opticalimagingtechnologyusingnear-infraredlighttodetectinternalinformationofmediahasrapidlydeveloped.Fluorescencediffuseopticalimaginghighbecauseofit’scontrastratioandstrongselectivity.Themeasurementmodeoffluorescent