镜像优化FDOT系统成像的计算机仿真

摘要：传统的单角度FDOT系统由于受到探测设备限制，重建出来的图像分辨率不高；而现有的多角度FDOT系统普遍存在特异性高、难推广、造价高等问题。根据以上问题提出了一种平面镜优化的系统改造方法，在原有的单角度FDOT系统基础上，添加平面镜增加采集数据量的方法开发适用于临床肿瘤诊断研究的镜像FDOT系统。仿真结果表明，优化后的镜像FDOT系统荧光目标块重建荧光断层图像完整，能够很好地反映荧光目标块的分布，有望将该系统进一步应用于小鼠肿瘤研究实验。

关键词：荧光层析成像；系统优化；成像过程仿真；仿真数据重建

1概述

荧光扩散层析成像是光学层析扫描与荧光显影剂结合发展出的新兴三维医学成像技术，可通过非电离辐射和相对低价的光学设备重建荧光显影剂在生物体中的三维图像[1]。为了缩短重建时间，文献[2]中提出利用图像压缩技术来减少数据集的大小；为了实现荧光信息的多角度采集，文献[3]中提出利用旋转位移台进行荧光数据采集，多角度采集的荧光数据集大大增加，但重建过程计算量随之增加，导致结果可能带有一定的误差。目前的单角度FDOT系统虽然成本低廉，但是采集到的数据信息少，造成成像分辨率低针对上述问题，提出了一种基于常规单角度FDOT系统的镜像优化改造方法。并通过安装Toast++工具箱进行系统仿真。

2系统镜像优化方法

镜像FDOT系统整体包含：近红外激光源、双向位移台、EMCCD相机、双平面镜装置、滤光片。该FDOT系统的分辨率设定为毫米级，满足了荧光目标成像实验要求。为了完成多角度成像，镜像FDOT系统保留了常规单角度FDOT系统成像采集的框架结构，在实验物体两侧对称放置两面反光镜片，通过镜面反射来收集从物体两侧发出的荧光信号，平面镜与水平面所成夹角为40°，反射信号包括在顶部的低噪声16位冷却电荷耦合器件（EMCCD）照相机的采集视野内，EMCCD相机可同时记录来自物体上部和反射自两侧的荧光信号，这样的构造就等同于三个相同光学特性的EM－CCD相机（物体顶部真实的EMCCD相机，物体左侧和右侧虚拟的EMCCD相机）同时在三个位置来记录物体体内发出的荧光信号。与多角度FDOT系统相比，优化后的镜面多角度系统大幅简化了系统结构，而由于保留原单角度系统结构，因此仍然可适用于常规单角度FDOT图像采集方案和成像算法。

3使用toast++工具箱仿真

为了测试系统的可行性以及检验随之改进的VSP方法与新镜像系统的适用性和稳定性，本文在Toast++工具箱下完成了系统仿真过程，Toast++工具箱是在Ubantu9.7操作系统2009版本的matlab中安装完成，Toast++成像软件是英国伦敦大学学院计算机系SimonArridge教授团队开发，Toast++是用于高度散射介质中的光传输的模拟的程序的集合，以及来自边界处的时间分辨透射测量的吸收和散射系数的空间分布的重建。在仿真实验中，采用三维仿体模型模拟生物组织体，对荧光目标进行断层重建。仿体设计成半径为10mm、高为40mm的圆柱体，仿体中心位置为（10.0，10.0，20.0）添加荧光目标块作为重建目标，荧光目标是一个半径2.5mm，高10mm的圆柱体，荧光目标块中心位置为（10.0，10.0，25.0），在距离仿体表面5cm处的地方设置一个波长为780nm近红外光激光源。

4仿真图像数据重建

（1）通过模拟激光照射三维仿体模型荧光块区域激发产生荧光，使用模拟EMCCD相机采集荧光信息mi，然后计算出VSP图像m軗i，计算形式如下：M軗T=TMT（1）其中，T为变换矩阵，M=[m1...mj]，M軗=[m軗1...m軗j]，mi表示激光源沿空间网格移动采集获得的位置i处的荧光图像，m軗i表示通过公式由VSP方法计算而来的VSP荧光图像。（2）为了减少图像处理时间，本文在DaubechiesD4的基础上，将采集到的荧光图像数据压缩为128个相关分量，用于加速重建和限制存储器需求，通过小波变换将虚拟荧光图像转换为压缩图像.其中，探测模式dk根据DaubechiesD4基准选择，k表示能同时保持的最大绝对值分量，m軗k根据给定的荧光分布f根据权重矩阵核w（s，dk）获得，计算形式如下：其中，Ω表示三维仿体模型。（3）计算权重矩阵核[11]。其中，和是Green算子，u表示激光照射区域表面，vk表示探测邻近区域表面。（4）第四步是重建过程逆问题求解。由于FDOT中的逆问题具有不适定性，所以需要进行正则化处理确保在存在噪声情况下求出解的稳定性。所以，我们采用Tikhonov正则化方法求解逆问题：其中I为视图数，α为确保求解稳定性的正则化参数，f*为重建荧光分布。

5结果分析

5.1在重建精度上的比较

本文进行了单角度FDOT系统以及优化后的镜像FDOT系统的仿真实验。在常规单角度FDOT系统下，仅通过一个相机进行平移采集，得到数据重建的荧光块荧光浓度图像部分产生了缺失、错位以及荧光浓度分布不均匀等现象，而进行过平面镜镜像多角度优化后的镜像FDOT系统重建出来荧光目标块的荧光浓度图像完整，显示出荧光寿命和产率的不同，很好地反映三维仿体模型中荧光目标块的大小形状和荧光分布，同时改进后的镜像FDOT系统重建结果在重建位置与荧光产额上相比单角度系统而言更接近真实的荧光目标。

5.2在重建分辨率上的比较

影响重建结果的主要参数是正则化参数，本文中使用荧光分布f*的对比噪声比（RCN）设置正则化参数。RCN表示重建中呈现出的感兴趣区域的品质因数.其中，μroi和μback表示重建分布中感兴趣区域和背景的均值，σroi和σback表示重建分布中感兴趣区域和背景的标准差，权重wroi=Vroi/Vtot和wback=Vback/Vtot是体积比。这里的roi是指由荧光区域占据的体积，back是指体积的其余部分。除了RCN以外，实验分析的指标还有对比分辨率C和重建误差εr，通过平均值表示感兴趣区域和背景之间的差异能力，对比度分辨率越高越好，重建误差越小越好。从重建结果的对比信噪比、对比分辨率和重建误差可以看出，常规单角度FDOT系统的重建结果很难具体地反映出三维荧光仿体中荧光目标块的大小和荧光分布，具有很高的分辨率，而镜像FDOT系统则与之相反，在品质因数、对比分辨率和重建误差精度上甚至接近多角度FDOT系统。

参考文献：

[1]张丽敏.时域荧光扩散光层析的基本理论与实验研究[D].天津大学，2009.

[2]J.Ripoll,HybridFourier-realspacemethodfordiffuseopticaltomography[J].Opt.Lett.2010,35(5):688-690.

[3]赵会娟，王倩，周晓晴，等.小鼠荧光层析成像系统及数据提取扩展方法[J].光子学报，2014，43（10）:1-7.

作者:符吉祥 何益宏 单位:五邑大学信息工程学院