荧光分子断层成像(FluorescenceMolecularTomography,FMT)作为一种光学的分子影像技术可通过荧光标记探针进行活体三维成像,从而反映与细胞、分子相关的时空分布信息。FMT在药物研发、疾病的早期诊断、指导精准治疗等方面体现出巨大潜力并具有低成本、无电离辐射、成像速度快等优点。然而,由于近红外光在生物组织中高散射和非线性传输的特性,导致由表面测量数据重建组织内部的荧光探针强度和形态分布是一个具有高度病态性的问题(ill-posedness)。针对以上问题,论文从荧光分布的结构先验信息和稀疏先验信息出发,在重建方法方面展开研究,论文主要研究内容包含以下几点:1、基于拉普拉斯流形正则和_1L稀疏正则混合模型的FMT重建方法FMT成像的目标主要为荧光蛋白或者荧光探针,对于特异性探针,其荧光分布在空间上是局部相关的。针对荧光光源空间分布的先验知识,论文引入拉普拉斯流形正则项以更好地描述特异性探针在生物组织中的连续光滑特性;根据荧光分布具有稀疏性,论文引入了稀疏正则项对荧光分布进行约束;论文建立了基于拉普拉斯流形正则和稀疏正则的联合模型并提出了求解该模型的梯度投影算法。通过数字鼠仿真实验,证明了该重建方法提高了荧光光源分布的定位精度、能量聚集性以及对荧光光源的分辨能力,同时对于噪声、激发光源的干扰具有一定的鲁棒性。论文在植入荧光棒的裸鼠活体实验上进一步验证了该重建方法的这些性能。2、基于混合截断拉普拉斯流形正则和L_(1/2)稀疏正则混合模型的FMT重建方法在工作1的基础上近一步提高荧光光源分布的定位准确性、突出形态学特性。论文在结构先验方面,使用硬截断方法来修正表示局部相关性的拉普拉斯核函数,同时使用解剖结构权重加权荧光光源的解空间,构造了混合截断拉普拉斯截断流形正则项。在稀疏先验方面,论文使用L_(1/2)范数加强了稀疏性。同时,为了简单快速的求解这个非凸模型,论文引入了半阈值迭代算法求解该模型。仿真实验表明,论文提出的重建方法可以在FMT重建问题上具有更高的重建精度,初步实现了形态学重建,同时具有一定的形态分辨能力。论文通过脑胶质瘤裸鼠活体实验,验证了该方法在FMT重建问题中的性能。3、基于半阈值匹配算法的稀疏重建加速算法论文研究基于工作2中的L_(1/2)范数FMT重建问题,在求解这个非凸问题的时候,会遇到算法的实现难度和使用难度难以均衡的问题。论文引入了半阈值迭代算法来解决该问题,同时为了加速求解过程我们引入了匹配追踪的思想,大大地减少了算法收敛所需要的迭代次数,从而更加快速、准确的得到重建结果。论文通过仿真实验证明了所提出的半阈值匹配算法相较于半阈值算法能够收敛的更快、对参数更鲁棒以及具有更强的重建荧光产额。在植入荧光棒的裸鼠活体实验上,验证了半阈值算法的以上特性。综上所述,论文主要研究如何通过引入荧光光源的结构先验知识与解剖结构先验知识结合稀疏先验知识,设计具有更高重建精度、具有形态学分布、荧光分布分辨率更高、对参数更鲁棒以及速度更快的重建方法。通过构建基于拉普拉斯流形正则和_1L稀疏正则混合模型的FMT重建方法来实现高精度、高信噪比、高分辨率的重建效果;通过构建基于混合截断拉普拉斯流形正则和L_(1/2)稀疏正则混合模型的FMT重建方法,来实现形态学重建;通过基于半阈值匹配算法的稀疏重建加速算法,来实现高速的逆问题求解过程。