（计算机软件与理论专业论文）近红外脑功能成像算法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的进步，多学科交叉和融合已成为现代科学发展和进步 的突出特色和重要途径。医学影像技术作为医学研究和临床医学的重要手 段，综合了计算机科学、生物医学、物理学等许多新技术的应用，成为近 二十年医学技术中发展最快的领域之一。借助医学影像技术实现的无创诊 断，开创了数字医疗的新时代，促进了医学诊疗的信息化、智能化。通过 计算机图形图像处理技术辅助医学诊断与治疗，极大程度的提高了诊疗的 质量与安全，已成为医学研究和临床医学的一个发展方向。 近二十年医学成像技术的发展非常迅速，创新的医学成像技术、提高 医学图像的空间时间分辨率以及图像处理方法的改进一直是医学影像学 研究的热点。每一种新的计算技术、计算工具、计算方法的出现都带来了 医学影像方法与技术的革新，对医学研究和临床医学的发展具有重要的推 动作用。近红外光学成像技术以其无创性、高时间分辨率、操作简单、价 格适中等特点在医学研究中的应用越来越广泛。 大脑是人体的神经中枢，支配和指挥着人体的一切生理活动，对人的 大脑结构与功能关系的研究一直是现代科学最深奥的课题之一。由于脑结 构的复杂性和脑的高级功能的复杂表现，获得高时间分辨率和高空间分辨 率的脑功能成像成为医学影像研究的难题。由于脑组织在近红外光谱范围 内相对透明，近红外光对血液中的相对氧浓度敏感，通过测量计算组织吸 收系数的变化，能够得到重建图像。而且近红外脑成像技术能够将大脑活 动与特定的任务或者感受过程联系起来，实现实时监测和对神经元活动、 能量代谢的同时监测，是一种实现脑功能成像的理想方法，在临床医学上 有着广泛的应用。 本文首先介绍了计算机图形图像处理技术在现代医学研究和临床医 学上的成功应用以及发展趋势；对现有的常用脑功能成像技术作了较全面 地分析，比较了各种成像技术的特点和不足，重点讨论了近几年光学成像 技术中的研究热点一近红外脑功能成像的生物学、物理学原理，图像重建 算法的设计以及实现过程中成像深度分辨率较差、图像质量不高等问题的 解决方案，将在均匀介质的半无限模型下的仿真试验实现了真实的人体实 验，得到人体头部的精确模型。实验结果验证了该算法的正确性和有效性。 山东大学硕士学位论文 最后，文章对近红成像技术在乳腺肿瘤早期检查中的应用以及脑功能 成像软件设计方面和仪器设备的设计中进一步需要解决的问题作了讨论 和展望。 关键词：计算机断层成像；脑功能成像；算法；图像重建 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t o d a y ss c i e n c eh a st h e p r o m i n e n tp r o p e r t yo fm u l t i d i s c i p l i n a r yi n t e r c r o s s i n ga n df u s i o n t h er e s e a r c h c o n t e n to fm e d i c a li m a g i n gi n c l u d e sc o m p u t e rs c i e n c e ，m e d i c a lb i o t e c h n o l o g y ， a n dp h y s i c a lc h e m i s t r y ，e ta 1 i t i so n eo ft h ef a s t e s td e v e l o p i n gd o m a i n si n m e d i c a lt e c h n o l o g ys i n c e19 8 0 s b yu s i n go ft h e s ei m a g i n gm e t h o d s ，w e e n t e r e dan e wd i g i t a lm e d i c a le r a s i n c et h ea s s i s t a n c eo f c o m p u t e r t e c h n o l o g yi nd i a g n o s i sa n de x a m i n a t i o n ，t h ew a yo ft r a d i t i o n a ld i a g n o s i n g h a sb e e nc h a n g e da n dt h ed i a g n o s t i ca c c u r a c ya n de f f e c t i v e n e s sh a sb e e na l s o i m p r o v e dg r e a t l y m e d i c a li m a g et e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l yi nr e c e n t2 0y e a r s f i n d i n g n e wi m a g i n gt e c h n iq u ea n di m p r o v i n gt h er e s o l u t i o n o ft h ei m a g e sh a v e a l w a y sb e e nah o tt o p i ca n da p p l i c a t i o ni nm e d i c a li m a g i n g e v e r yn e w c o m p u t i n gt e c h n i q u ea n dn e wc o m p u t i n gm e t h o dh a sh a dag r e a ta n dp r o f o u n d e f f e c to nm e d i c a lr e s e a r c ha n dm e d i c i n e d e v e l o p m e n t n e a r i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ( n i r s ) h a sb e e nw i d e l yu s e d ，b e c a u s ei t i sn o n i n v a s i v e ，h a s b e t t e rt e m p o r a lr e s o l u t i o na n dl o w e ri n s t r u m e n t a lc o s t ，c o m p a r i n gt oo t h e r i m a g i n gm e t h o d s b r a i ni st h en e v e rc e n t e ro fh u m a nb e i n ga n dc o n t r o l sa l lt h ea c t i v i t yo f t h eb o d y p e o p l ea r ep u z z l e db yt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nb r a i ns t r u c t u r ea n d f u n c t i o n s i n c et h ec o m p l e x i t yo ft h eb r a i ns t r u c t u r ea n db r a i nf u n c t i o n ，i ti s v e r yd i f f i c u l t y t of i n da ni m a g i n gm e t h o do fb r a i nf u n c t i o nw i t hb e t t e r t e m p o r a l r e s o l u t i o na n d d e p t h r e s o l u t i o n b r a i na c t i v a t i o n s u s u a l l y a c c o m p a n i e dw i t hc h a n g e si nc o n c e n t r a t i o n so fh e m o g l o b i n s ，w h i c ha r em a j o r a b s o r b e ro fn e a r - i n f r a r e dl i g h ti nb r a i nt i s s u e s ，s on e a r i n f r a r e dl i g h tc a nb e u s e dt od e t e c tb r a i na c t i v a t i o n s n i r sc a nb eu s e df o rl o n gt i m em o n i t o r i n g w i t hs i m p l ea n dc o s t e f f e c t i v ei n s t r u m e n t i ti sa ni d e a lm e t h o do fb r a i n i m a g i n ga n dh a sab i ga p p l i c a t i o np r o s p e c t t h e p a p e ri n t r o d u c e st h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o na n dp r o g r e s so fc o m p u t e r i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hh a sb e e nu s e di nm e d i c a lr e s e a r c h w e d i s c u s st h ep r i n c i p l eo fe x i s t e n th u m a nb r a i ni m a g i n gt e c h n o l o g ys u c ha sc z 山东大学硕士学位论文 f m r i ，p e ta n ds oo n w i t ht h ec o m p a r i s o nw ec a nl e a r nm o r ea b o u ti m a g i n g s t u d yo fh u m a nb r a i nf u n c t i o n t h e n ，w ed i s c u s sw h a ti sk n o w na b o u tt h e p h y s i c a la n dp h y s i o l o g i c a lb a s i so fn i r si nd e t a i l s p e c i a la t t e n t i o ni sp a i dt o t h ei m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m a ni m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e da n d r e a l i z e daf i n g e r t a p p i n ge x p e r i m e n t ，w h i c hc a ne n l a r g et h ei m a g i n gr e g i o n a n di m p r o v et h ed e p t hr e s o l u t i o n t h e n ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e n ，w h i c h i l l u s t r a t e st h ec o r r e c t n e s sa n de f f i c i e n c yo ft h i sa l g o r i t h m a n o t h e ri m p o r t a n tf i e l dn i r sc a nb eu s e di ni sb r e a s ti m a g i n g i nb r e a s t i m a g i n g ，n i r sc a nd e t e c ts m a l l e ra n de a r l i e rt u m o r t h i sw i l lb e n e f i ti t s c l i n i c a la p p l i c a t i o n l a s t ，t h ew o r ki nf u t u r ea n dp r o s p e c to ft h et e c h n o l o g y a r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：c o m p u t e dt o m o g r a p h y ；i m a g i n go fh u m a nb r a i nf u n c t i o n ； a l g o r i t h m ；i m a g er e c o n s t r u c t i o n 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盏整 日期：趟笙绸! q 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 淘夔 导师签名：日期：杰 翌 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，随着计算机及其相关技术的迅速发展以及数字成像技术的日 益成熟，医学影像成为医生诊断和治疗疾病的重要辅助手段。医学影像技 术的临床应用，帮助我们可以采用非侵入式的方法了解和显示人体或动物 体的内部结构，为医生诊断病因提供了重要信息，提高了医疗质量与安全。 近二十年，医学影像已成为医学技术中发展最快的领域之一，为现代医学 诊断、治疗、手术等方面提供了最重要、最强有力的工具。 显微镜的发明提高了人类认识微观世界的能力，揭开了生物微细构造 的神秘面纱，使得我们可以通过病理切片观察到细胞组织的病变，是医学 图像的最初形式。然而这种侵入式的方法和肉眼观察远不能满足现代医学 对疾病的诊断和治疗的需要。1 8 9 5 年，德国科学家伦琴发现x 射线，促 使了医学图像发展的第二次飞跃。x 射线断层成像( x r a yc o m p u t e d t o m o g r a p h y ，简称c t ) ，主要是运用扫描并采集投影的物理技术，通过测 定x 射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理， 求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵后，再转为图像 上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术。1 9 0 1 年，x 射线成功应用于医学诊断，开创了非侵入式诊断的历史新纪元，大 大提高了医疗诊断的可靠性，使治疗更准确彻底，增强了医疗安全感。 随着科学技术的进步，图像处理在现代医学中的应用越来越广泛，目 前的医学影像学已经由过去单一的x 射线成像技术发展成为与计算机、电 子学和医学生物工程技术等相结合的综合诊断体系。在图像的处理手段上 也不再局限于过去的肉眼观察，而是可以进行照相、拍摄，可以动态的跟 踪记录和研究，加入图像后处理的内容，例如图像增强技术、图像配准技 术、图像引导手术和医学虚拟环境等。利用计算机对医学图像进行后处理 提高成像质量，是医学图像实际应用中不可缺少的一项工作。因此，计算 机图像处理技术作为医学成像技术的发展基础，在软件设计硬件功能等方 面对医学图像处理技术的发展和进步起着至关重要的作用。 山东大学硕士学位论文 1 2 计算机断层成像技术 i x 射线成像是基于待成像物体各组成部分组织的密度不同，因而对x 射线的衰减不同，从而形成透射x 射线强度差异，导致在乳胶片上成像的 【1 】，但由于人体器官结构的复杂性、形态的多样性，组织的交互重叠往往 导致二维资料形式很难准确、完整的描述生物体病灶，医务人员的诊断结 果很大程度上需要依赖于临床经验。为了得到复杂生物体的三维模型，断 层成像技术应运而生，通过x 射线在不同角度扫描生物体，在射线穿过的 另一端利用探测器接收原始数据，然后再经过计算机图形图像处理技术由 二维断层成像得到生物体的三维模型，这种断层成像术离不开计算机，所 以称作计算机断层扫描技术( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) 。1 9 6 8 年 h o u n s f i e l d 作出了一项划时代的发明，设计出计算机辅助大脑扫描器 ( c o m p u t e r a s s i s t e db r a i ns c a n n e r ) ，可以产生清晰的图像，奠定了断层成 像技术( t o m o g r a p h y ) 的基础。1 9 7 4 年，适用于全身的c t 装置进一步扩 大了c t 的检查范围，使这种非创性检查诊断技术在临床医学领域的应用 提高到前所未有的境界。 随着医学影像技术的不断发展，断层扫描技术不再局限于x 射线，其 他使用光、声波、正电子、电磁频谱等作为能量源成像的技术也都涵盖其 中。其中，磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r ) 是利用收集 磁共振现象所产生的信号而重建图像的成像技术，也称自旋体层成像、核磁 共振c t 。与c t 相比m r j 可以使c t 显示不出来的病变显影，具有无放 射线损害，无骨性伪影，能多方面、多参数成像，具有高度的软组织分辨 能力，不需使用对比剂即可显示血管结构等独特的优点。c t 、m r i 的出 现不但完善了人体形态学的成像，而且从人体形态学进步到组织学与分子 细胞学的成像，诊断水平发生了明显的质的飞跃。 影像技术除了上面介绍的c t 、m r i ，还有单光子发射计算机断层成 像术( s i n g l e p h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 和正电子发射 断层成像术( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ，p e t ) ，它们是两种核医学c t 技术，基本原理是：通过注射放射性同位素制剂，同位素放出的正电子与 体内的负电子发生湮灭而释放出y 射线，由围绕病人的y 相机探头从各个 观测角获取病人的发射投影，数字化后输入计算机，求出各个断层的图像。 e c t 与透射型计算机断层成像技术不同，它利用示踪剂对生物体的某种生 理或生化过程进行定量测量，可以反映器官的代谢情况，为疾病的早期诊 2 山东大学硕士学位论文 断具有非常重要的意义。 l 近年来，近红外光谱技术逐渐应用于生物医学领域，利用光学方法实 现断层成像成为研究的热点。利用近红外光在组织中多重散射的特性，并 满足扩散方程式( d i f f u s i o ne q u a t i o n ) 的成像方法，我们称为扩散光学 断层成像【2 】。此方法以其完全无创、高时间分辨率的特点在生物体组织分 析、脑功能成像、乳腺肿瘤检测等方面的应用发展十分迅速。 1 3 本文研究内容 目前，国际上对断层成像技术的研究十分活跃，本文在大脑功能成像 问题的研究上采用了近年来受到众多科学家青睐的扩散光学断层成像技 术( d i f f u s eo p t i c a lt o m o g r a g h ，d o t ) 。 本文对扩散光学成像技术的原理作了分析，并对近红外脑功能成像的 计算理论与方法作了探讨，对提出的算法设计给出了实际的实验设计和实 验结果，并对实现过程中成像深度分辨率较差、图像质量不高等问题给出 了解决方案。最后，对该算法在乳腺肿瘤检测研究中的应用以及脑功能成 像软件设计方面和仪器设备的设计中进一步需要解决的问题作了讨论和 展望。 1 4 本文的组织结构 本文的结构如下： 第一章绪论，介绍了计算机断层成像技术的发展和研究现状。 第二章首先介绍了计算机技术在临床医学方面的应用，重点分析了 图形图像技术的医学应用。 第三章扩散光学断层成像技术的发展，以及目前脑功能成像技术的 研究现状。 第四章近红外脑功能成像算法的设计。前向模型以及正则化图像重 建算法。 第五章近红外成像应用于脑功能成像中的实际实验。 第六章结束语，对本文的主要工作做总结并对进一步的研究工作做 了展望。 3 山东大学硕士学位论文 l 第2 章计算机与医学图像处理 计算机和网络技术的进步推进了医学领域的信息化、智能化发展。在 断层成像技术近百年的发展中，每一种新的计算技术、计算工具、计算方 法的出现都带来了断层成像方法与技术的革新，对医学研究和临床医学的 前进具有重要的推动作用。计算机图形图像技术是对影像数据进行处理和 分析，得到事物数字化图像的过程，这些技术的临床应用，开创了数字医 疗的新时代。作为成像技术的发展基础，计算机和图形图像处理技术带动 了现代医学诊断技术的变革，在本章中，我们将具体讨论计算机图像处理 技术在临床医学和医学研究中的应用。 2 1 计算机技术在临床医学中的应用 经过近百年的发展医学影像科学已经充分成熟，超越了过去“技术推 动的范畴进入“生物和临床推动期，特别是与计算机和信息网络技 术结合后，不仅成功地解决了很多医学难题，为临床医学提供了丰富的影 像资料，而且作为重要的医疗辅助手段，计算机图形图像技术与临床相结 合开辟了许多新的科研课题。 2 1 1 计算机辅助诊断 1 9 6 6 年l e d l e y 首次提出计算机辅助诊断( c o m p u t e r a i d e dd i a g n o s i s ， c a d ) ，形成了计量医学。c a d 在医学影像诊断中的应用流程为：临床及 影像学资料一电脑逻辑思维一做出诊断【4 1 ，过去多采用概率统计法的专家 系统，随着人工智能技术的发展图像挖掘、决策树、人工神经元网络、支 持向量机引入到专家系统的设计中，成为目前主要的辅助诊断方法。c a d 作为医学影像诊断学发展的方向之一，具有精确定量计算、可重复性好， 不会疲劳等优点，在肺结节性病变、乳腺癌等疾病的早期诊断方面都有成 功的应用【4 】，这不仅有利用于病灶的早期发现，也大大提高了诊断的准确 率，减少误诊漏诊，使医疗诊断变得更为精确、科学。 4 山东大学硕士学位论文 2 1 2 计算机辅助外科手术 计算机辅助外科手术( c o m p u t e r a i d e ds u r g e r y ，c a s ) 技术，是利用 现代数字影像技术如c t 、m 、p e t 等，获得病体的一组二维断层图像， 通过计算机软件的分析处理，进行术前设计、诊断及手术治疗的过程。图 像技术对原始图像进行滤波、对比度调整、噪声消除、边缘加强等处理， 可以提高图像的质量：三维重建技术进一步提供了病体的空间位置、大小、 几何形状，以及病灶及其周围组织的三维空间关系，使医师的诊断和操作 更加准确，增强了手术的精确度、准确度和安全性。 2 1 3 虚拟内窥镜技术 该技术是虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 技术在医学领域的一种应 用。虚拟内窥镜( v i r t u a le n d o s c o p e ，v e ) 是利用c t 或超声的二维断层 结构图像，通过三维重建技术，构建出虚拟的人体器官组织图形，得到与 内窥镜相似的图像效果。这种完全无接触式的检查不仅消除了病人插入内 窥镜探头的痛苦，而且使医疗检查不再局限于探头可达到的器官，对于心 脏、大脑、血管管腔也可通过断层图像实现三维重建，在辅助诊断、手术 导航、医学教研等领域有着巨大的应用前景。 2 1 4 数字人研究 数字人研究是基于人体的真实切片图像数据，通过计算机技术，建立 人体组成和功能的数学模型，将人体结构数字化，可视化。数字化虚拟人 体模型的建立，不仅有助提高医疗的诊断水平，在手术规划与模拟、解剖 学研究、医学教育等方面也有着广泛的应用前景。 2 1 5 p a c $ 系统 图像存档与通信系统( p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，p a c s ) 利用计算机与各种影像设备相连，采用基于d i c o m ( d i g i t l i m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ) 协议的图像获取及无损的图 像压缩算法实现各种影像资料的存储、管理、传送以及显示。能够有效的 解决医疗机构海量增长的影像资料传统硬拷贝的存储问题，实现影像资料 5 山东大学硕十学位论文 的综合诊断。p a c s 技术为无胶片的电子化医学图像管理提供了解决方案， 是数字化医院的重要组成部分，可以提高影像诊断的效率，降低诊断成本， 是实现远程医学影像会诊的基础。 2 2 医学图像分类研究 医学研究和临床诊断所需要的影像资料多种多样，既有静态的组织结 构成像，也包括动态图像和功能成像。按照成像的手段不同可以将图像分 为，光学图像、深度信息图像、温度场图像以及影像图像【5 】。利用不同的 成像技术获得的医学影像能够揭示病人的不同特征，从医学应用的角度可 以分为结构影像技术和功能影像技术两大类。前者主要用于获取人体组织 器官的解剖结构图像，为医生诊断病变提供最直观的病理信息，x c t ， m 就属于此类影像技术。另一种功能影像，是通过特殊图像信息来反映 生理过程的变化，如组织的新陈代谢，细胞活动等，p e t ，红外成像，微 波成像都属于这种，有些病变尤其是早期，在器官的外形结构上仍变现为 正常时，采用基于s p e c t 及p e t 的功能成像能够及时地诊断病变。 医学图像的研究目的是以直观的形式给医生提供辅助诊断和治疗的 有用信息，如何提高图像的质量，从图像中提取更多的有用病理信息是医 学图像处理技术的重点。但是，由于医学图像的成像对象是人体的组织器 官，是个性化差异很大的对象，无论是人体个体的差异还是组织器官在病 变过程中变化，都是我们无法预知的，这导致了医学图像无法像普通图像 处理那样给出统一的操作模型。而且，由于成像设备、获取条件、医生的 经验和能力等因素的存在，使得对医学图像进行定量评估非常困难。因此， 普通的图像处理技术是不能直接应用在医学图像处理和分析上的。 2 3 医学图像处理技术 图形图像在表达特定领域的信息时具有文字不可替代的优势，通过上 一节的分析我们发现计算机图形图像技术在临床医学上的应用与普通的 图形图像技术应用有着很多区别，最大程度上不失真的、客观的提取有用 病理信息的应用目的决定了以下主要的医学图像处理技术： 1 、图像分割技术 在医学图像处理中，图像分割技术是病变区域提取、特定组织测量、 实现三维图像重建的关键技术皿6 3 。图像分割是将图像分割成有意义的子 6 山东大学硕士学位论文 区域，快速准确的定位出“感兴趣区域 ，从处理对象的角度可以分为面 向整体区域的整体分割和面向边缘的部分分割。在实际应用中有基于统计 学模型、基于神经网络、基于随机场理论、区域生长、边缘检测等适用于 医学图像分割的具体方法。 2 、医学图像配准 在医学图像处理处理的过程中，常需要将多种成像模式进行数据整j 合，获取全面的诊疗信息，第一部要做得的就是将多幅图像在空间域中达 到几何位置的完全对应，称为图像配准阳】。图像配准是图像融合必需的预 处理技术，三维多模医学图像的配准，非刚体配准都是近年研究的热点。 3 、医学图像融合 不同影像设备提供的图像可以反映不同的信息，结构影像主要用于获 取组织器官的解剖图，而功能图像提供脏器的功能代谢情况，对多种模态 的图像进行融合处理，可以把有价值的生理信息与精确的解剖结构结合在 一起，获取全面的诊疗信息。图像的融合技术分为图像融合的基础和融合 图像的显示。 、 4 、三维图像重建 利用计算机技术将二维数字断层成像序列形成的三维体数据进行处 理，形成人体组织的三维形态，称为三维医学图像的可视化【7 1 。三维图像 可视化技术分为面会制和体绘制两种，典型算法包括：射线投射法、足迹 法，剪切曲变法等。 2 4m a tla b 与医学图像处理 m a t l a b 软件由美国m a t h w o r k s 公司于1 9 8 4 年推出，是一套功能十分 强大的数值计算和可视化软件，其应用范围涵盖了科学计算、算法开发、 系统建模和仿真，数字图像处理等领域。m a t l a b 针对不同领域的应用，提 供了3 0 多个具有专门功能的工具箱，主要包括信号处理、系统控制、神 经网络、图像处理、小波分析和系统仿真等方面的应用。借助工具研究人 员可直观方面的进行数值分析、计算，快速高效地进行算法的设计和验证。 在本文的实验中，m a t l a b 作为主要的工具软件，体现了以下优势： 1 、m a t l a b 的图像工具箱功能十分强大，不仅支持丰富的图像文件格 式( 如b m p 、h d f 、j p e g 、p c x 、t i f f 、j p g 、g i f 、p n g 等) ，而且提供了大 量的图像运算、图像分析、图像变换函数，是医学图像处理实现三维重建 7 山东大学硕士学位论文 的主要工具。在本文实验结果的处理中使用m a t l a b 实现图像的重建。 2 、m a t l a b 的数值运算、分析功能十分完善，其运算结果可直接在 m a t l a b 环境下以二维、三维甚至四维的图形表示。 3 、m a t l a b 是一种以矩阵为基本单元的可视化程序设计语言阳1 ，语法 结构简单，开放性好，但执行效率较低，m a t l a b 7 0 以后推出m c r ( m a t l a b c o m p o n e n tr u n t i m e ) m a t l a b 组件运行时库，是一套独立、标准的动态链 接库包1 ，可以帮助实现m a t l a b 与v i s u a l c + + 的混合编程，高效率完成包 含复杂算法的w i n d o w s 应用程序，显著提高医学图像处理软件的开发效率。 4 、m a t l a b 允许用户自己开发算法，并将其封装起来，或者同已有的 c 或者c + + 代码结合在一起，进而编译生成c o m 组件或者j a v a 接口，将 m a t l a b 开发的算法同其他的开发工具结合起来。 在“技术推动 原则的支配下，医学影像技术研究的重点在于获取新 的成像手段、改善影像设备的性能，提高诊疗效率。既能提高医学质量又 能降低诊疗成本的新技术在临床医学上具有巨大的应用价值。随着数字技 术、计算机技术在医学影像方面的应用，借助图像处理和分析手段来改善 影像医学的诊断水平，成为目前世界上一些研究机构新的研究课题。 2 5 本章小结 本章介绍了计算机图形图像处理技术在现代医学研究和临床医学上 的成功应用以及发展趋势；重点分析了图形图像技术在医学影像处理中的 应用。 8 山东大学硕士学位论文 第3 章近红外光脑成像技术研究现状 自二十世纪7 0 年代，医学影像技术的进步及其在临床应用上的贡献 是巨大的，开创了无创诊断的新纪元。发展新的技术与方法，提高生物医 学成像的灵敏度，空间分辨率及时间分辨率一直是现代医学影像技术的发 展趋势。近十几年来，国际上对扩散光学断层成像( d i f f u s e do p t i c a l t o m o g r a p h y ，d o t ) 技术的研究十分活跃，尤其在脑功能成像和乳腺肿瘤 检测方面得到了广泛应用。 3 1 扩散光学断层成像 近红外光( 7 8 0 n m 2 5 2 6 n m ) 是人们认识最早的非可见光区域，由于它 能够穿透数厘米深的组织，成为一项新的无创伤检测技术。扩散光学断层 成像( d o t ) 技术出现于2 0 世纪9 0 年代，是源于对光和组织间相互作用 和光子在高散射媒介中迁移规律的研究，对组织光学参数( 主要是吸收系 数和散射系数) 进行成像【1 0 】。d o t 技术综合了光谱分析、数理统计、现 代计算机技术多个学科的研究，在生物医学领域得到了广泛应用。 作为一种研究脑功能活动的新方法，与其他成像技术相比，近红外光 断层成像技术具有以下特点： 1 、安全性更高，与p e t 相比，d o t 技术不涉及放射性，使受试者可 进行重复的扫描无任何健康风险【1 1 】。 2 、时间分辨率高，可达到毫秒级【1 2 】，功能磁共振成像( f m r i ) 大约 为1 秒1 1 3 】。 3 、探测系统简单，设备成本低，而且便于移动携带。 4 、受光源限制，分辨率不如咖和x c t 。 3 2 近红外成像技术 生物组织对光子的作用主要是散射和吸收n 们，吸收主要由血红蛋白、 水和细胞色素引起，相比血红蛋白，水和细胞色素的吸收可以忽略不计。 脑组织在近红外光谱范围内相对透明i t s ，脑组织中血红蛋白细胞的氧化状 态会直接影响对近红外的吸收率。在组织的结构、成份和光源距离不变的 9 山东大学硕士学位论文 情况下，血液对近红外光的吸收是恒定的，当因为某种原因导致组织对近 红外光的吸收和散射特性改变时，通过探测光子的衰减量可以推知组织中 血红蛋白含量的变化。如图3 - 1 所示，血液中的氧合血红蛋白和脱氧血红 蛋白对不同波长光的吸收系数有明显差异n 钔。1 9 7 7 年，j o b s i s 首次发现 脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白分别在7 3 5 n m 和8 5 0 n m 具有两个不同的吸收 峰，因此选用这两个区间的波长的光同时检测，来得到血氧浓度的变化， 此方法被许多研究机构推广并在小动物和婴儿脑部成像中得以应用。 图3 - 1 氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和水的近红外吸收谱 目前，近红外光断层成像技术主要有三种n 引：时间分辨技术、连续光 技术和频域调制技术。由于近红外光谱是非线性、非稳定的信号，不可避 免会受到噪声和外界因素的干扰，不适宜采用传统的时频分析方法，本文 在脑功能成像实验中采用的是第二种连续光技术，连续光对组织结构和成 分相对于基线值的变化敏感。此类光源系统采用白光光源或激光器光源， 通过测量入射光经组织扩散后，透射或后向散射的光强变化，建立组织光 学特性参数与散射信息的关系，重建脑功能活动的图像。 3 3 脑功能成像技术研究现状 大脑作为人体的一个重要器官，是中枢神经系统的最高级部分，它支 配和控制着人类的一切生命活动，同时也是肿瘤、炎症、多发性硬化症的 多发人体部位，一旦产生病变会严重危害人体健康。脑功能一直是科学家 们不懈探索的一个重要领域，它综合了生理学、生物学、心理学、医学、 l o 山东大学硕士学位论文 化学、物理学、信息科学、计算科学等许多学科领域的研究。对这一科学 问题的研究，不仅有助于研究脑的解剖与功能的连接，还将为认识神经和 精神疾病提供新的途径。 当大脑活动时，大脑皮层上的神经元会做出相应的反映，已有研究证 明，在神经元活动、葡萄糖有氧代谢活动和血液动力学方面存在着紧密地 联系n 钉，是光学成像的生理基础。大脑是全身耗氧量最大的器官，一秒钟 发生1 0 万种生化反应，约占人体总耗氧量的1 4 ，每种细微活动的发生都 伴随着氧代谢过程。当局部脑组织活动增加时，需要消耗的能量主要由葡 萄糖的有氧代谢来提供，而葡萄糖代谢所需的氧来自血液的血红蛋白 ( h e m o g l o b i n ，h b ) n 引。氧与血红蛋白的结合与解离是可逆反应： h b r + 0 2 h b r 0 2 ，h b r 代表脱氧血红蛋白( d e o x y h e m 0 9 1 0 b i n ) ，h b r 0 2 代表 氧合血红蛋白( o x y h e m 0 9 1 0 b i n ) 。研究发现们，大脑皮层在刺激呈现2 s 内，由于消耗氧合血红蛋白携带的氧，会导致脱氧血红蛋白浓度增加，之 后由于血流量增加大于氧消耗，呈现氧合血红蛋白浓度的增加和脱氧血红 蛋白浓度的下降。上一节已经讨论，在近红外区域氧合血红蛋白和脱氧血 红蛋白具有不同的吸收光谱，由透过某一区域的光强变化可以推知氧合血 红蛋白和脱氧血红蛋白的变化，实现对大脑功能活动的监测。 光学功能成像的基础在于，进入脑组织的光子与脑组织发生的主要作 用是吸收和散射n ，出射光中携带着与吸收和散射有关的组织生化信息， 吸收源于组织内的血红蛋白，散射主要与细胞核有关。1 9 9 3 年，v i l l r i n g e r 等人首先将近红外光谱技术( n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r s ) 应用 于人脑功能的检测，随后单通道的n i r s 技术广泛应用于婴儿的大脑成像 和乳腺肿瘤的早期诊断。 虽然目前有多种针对脑功能的成像技术，核磁共振功能成像技术 ( f m r i ) 、正电子发射断层扫描技术( p e t ) 、脑电图( e l e c t r oe n c e p h a l o g r a p h y ，e e g ) 和脑磁图( m a g n e t o e n c e p h a l o g r a p h yg r a p h y ，m e g ) 技术等， 与它们相比近红外光学成像有其独特的优势n “1 引。表3 - 1 给出了目前处于 研究和应用阶段的几种主要成像技术的参数比较n “1 8 3 。f m r i 和p e t 技术 也是基于大脑局部血氧代谢的成像方法实现三维空间成像，具有较高的空 间分辨率，约卜3 m m ，但是p e t 的成像时间较长，至少几十秒，而且成像 时受放射性同位素的影响；m r i 成像的物理学基础是核磁共振成像，源自 神经元活动、细胞能量代谢、血液动力学之间的关系，是脑部疾病诊断的 理想手段，但是f m r i 设备非常昂贵价格都在千万以上，数十倍高于n i r s 。 山东大学硕士学位论文 脑电图和脑磁图是通过测量神经活动的电磁信号，对脑功能动态响应的研 究，时间分辨率为毫秒级，但空间分辨率不够仅为厘米级。综上，近红外 成像无论在时空分辨率，实时动态，测量参数种类全面( 血氧饱和度、 细胞色素氧化酶的变化) ，价格适中( 约百万) 方面都有一定的优势，正 在成为脑功能成像研究的重要手段之一。 表3 1 几种主要脑成像技术的参数比较 功能磁共正电子发射脑电图近红外光学 振成像断层扫描技( e e g ) 和脑成像( n i r s ) ( f m r i )术( p e t ) 磁图( m e g ) 时间分辨率毫秒秒毫秒毫秒 空间分辨率 1 0 一1 0 0 m m1 - 3 m m c m1 2 m m 探测深度无限制无限制 c m 1 0 c m 主要临床应表型、生理分子代谢颅内神经元肿瘤分子事 用成像和细活动，实时件的快速成 胞跟踪的 监护像 最好的全 方位成像 系统 3 4 本章小结 本章对扩散光学断层成像中的近红外断层成像作了简单介绍，并对近 红外脑功能成像的原理作了概括；就目前存在和使用的几种脑功能成像技 术的特点作了比较和分析。 山东大学硕士学位论文 第4 章近红外脑功能成像算法 上一章主要讨论了近红外成像的生理基础和光学原理，在这一章中将 详细描述和论证近红外脑功能成像的算法理论。 4 1 光学成像前向问题 光学图像重建算法的关键是建立测量数据与生物组织光学特性的关 系，解决光子在生物组织中的传输模型和传输规律的问题是首先要做的工 作。光子传输问题属于典型的输运问题【1 9 1 ，满足输运方程，但由于近红外 光子在脑组织是低吸收、高散射的，在强散射的环境输运方程近似可得标 准的扩散方程【2 0 2 1 1 。 v 。【训吼叫一力+ 魄力= 掣( 4 - ，) 其中，d ( r ) 是与位置有关的光子扩散系数，以为吸收系数，以为散射 系数。中( ，t ) 是r 处t 时刻的光子流密度，y 是介质中的光速，s ( ，t ) 是一 个各向同性的点光源。 d ( 厂) = 瓦丽v 扩散方程是一个偏微分方程，完全描述了光子在组织中分布的情况， 但是在几何形状复杂的媒介中很难求得其解析解，只能用数值解法求解。 数值解法求解主要有两种：随机统计方法( 如m o n t ec a r l o 方法) 和确定 性方法( 如有限元法) 。 假设在半无限模型下，得到公式( 4 - 1 ) 的解析解： 一l n ( ( ，f ) ) = a 口( ，t ) d + s ( r ，f ) ( 4 - 3 ) 公式( 4 3 ) 中，s ( r ，f ) 表示由于散射作用消耗的光子能量，散射发生 1 3 在介质的边界，主要与细胞核有关，与时间变化的关系很小，可以近似为 s ( ，) 。鸬( ，t ) d 表示组织对光子的吸收导致的光子能量变化。假设在时刻t l 和时刻t 2 分别观察到的光子密度为( ， ) 和o ( ，乞) ： 一l p ( ( ，) ) = k t 口( 厂，t 1 ) d + s ( r ) ( 4 4 ) 一h ( 巾( ，t z ) ) = 心( 厂，t z ) d + s ( 厂) ( 4 - 5 ) 上面两式相减得到： 一乞”一( _ 峨磊) ) ) = 鸬以乞矽一心 矽 ( 4 6 ) 分别定义： a o d c 毗沪c 也c 啪一h ( 渊 ( 4 7 ) 觞p ) - - - - a o ( r ，乞) 一u o ( r ， ) ( 4 8 ) = 以( 厂) d ( 4 9 )