基于并行計算策略的DOT-DFT圖像重建先進方法.pdf

1、光學成像技術（如擴散光學層析（DOT）與擴散熒光層析（DFT）），因其在靈敏度、特異性及安全性上具有的綜合優(yōu)勢，已發(fā)展為傳統(tǒng)醫(yī)學影像方法在獲取功能和分子水平生物信息上的有效補充手段。然而，目前的DOT/DFT技術在處理復雜結構組織的準確光子輸運模型、大尺寸組織體的光學參數精細重建和全時間分辨數據的有效應用等問題上存在較大缺陷。本文致力于尋求上述問題基于并行計算策略的先進解決方法，提高DOT/DFT圖像重建的質量。
　　首先發(fā)展了一

2、套任意復雜組織體中基于GPU加速的光子輸運MC模型，以準確描述生物體中的高吸收、低散射和空腔等復雜光學特性。在此正向模型基礎上，提出對應的穩(wěn)態(tài)DOT和時域DFT圖像重建方法。模擬與實驗結果表明，此方法可比擴散方程獲得更準確的組織體生理和病理信息。
　　搭建了一套穩(wěn)態(tài)DFT-DOT聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)：系統(tǒng)采用基于光開關切換的串-并混合門控光子計數檢測模式，可有效實現(xiàn)測量時間、靈敏度和系統(tǒng)性價比之間的平衡。在面向乳腺組織的應用上，采用了

3、高對比度DFT“導航”血氧DOT的圖像重建策略，并以高速MC模型為正向計算，有效改善了單獨血氧DOT重建的不適定性。
　　基于并行全區(qū)域分解策略和CPU-GPU聯(lián)合加速的Schwarz迭代框架，解決了大尺寸和三維組織DOT圖像重建過程中，正逆向算子不斷線性迭代帶來計算時間和存儲量上的負擔。模擬和實驗結果驗證了本模型在改善重建質量、計算時間和存儲空間方面的有效性。
　　為充分發(fā)揮時域DFT重建的優(yōu)勢，提出一種利用全時間分辨模式

4、下輻射率的傅里葉序列近似和CPU-GPU聯(lián)合加速多頻域擴散方程的策略求取時域DFT的近似解法。模擬和實驗結果表明，所提出的方法可獲得較好的重建圖像，計算資源也遠小于有限差分法。
　　論文通過Monte-Carlo光子輸運建模、CPU多核并行和GPU多線程并行等先進方法，提高了DOT和DFT技術對生物組織體的重建效果。通過MC模擬器、自行搭建的穩(wěn)態(tài)光子計數型DOT/DFT實驗系統(tǒng)及實驗室已搭建的時間相關單光子計數系統(tǒng)的模擬和實驗結果