Advances in Skin, Wound and Tissue Repair

fa طراحی واجرای الگوریتم فوروارد تصاویر سیستم برش‌نگاری فلورسنت مولکولی با استفاده ازروش اجزای محدود Development of Forward Algorithms by using Finite Element Method with Fluorescent Molecular Tomography in Homogenouse Medium عمومى General پژوهشي Research مقدمه: تصویر ‌ برداری نوری مولکولی روش غیر تهاجمی است که در تشخیص بیماری‌ها در سطوح سلولی و ارزیابی عملکرد مولکولی در ارگان‌های زنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ‌بین روش‌های مختلف تصویربرداری مولکولی برش‌نگاری فلورسنت مولکولی (FMT) به ‌ عنوان یک روش غیر‌تهاجمی و دقیق با استفاده از پرتوهای غیر‌یونیزان معرفی شده است. این نوع تصویربرداری شامل یک دوربین سی‌سی‌دی به ‌ عنوان آشکارساز و یک منبع نوری می‌باشد که در دو جهت مخالف بدن حیوان کوچک قرار گرفته‌اند. در این تکنیک سلول مورد نظر با استفاده مادۀ فلورسنت نشان ‌ دار و توسط پرتوی لیزر تحریک می‌شود. برای دسترسی به اطلاعات مربوط به عمق و تراکم مادۀ فلورسنت نیازمند به الگوریتم‌های مناسب جهت بازسازی تصویر می‌باشد. منظور از بازسازی در تصویربرداری FMT تعیین شدت توزیع فلورسنت در عمق معین بافت مورد نظر است. مرحلۀ بازسازی شامل دو مرحلۀ Forward و Inverse می ‌ باشد. در مرحلۀ Forward با دانستن مکان چشمه می ‌ توان شدت فلورسنت رسیده به سطح بافت را تخمین زد و مرحلۀ Inverse شامل تخمین توزیع مکانی مادۀ فلورسنت با استفاده از شدت اندازه‌گیری ‌شده در سطح بافت می‌باشد. هدف این مقاله توسعۀ یک الگوریتم فوروارد سریع با استفاده از روش اجزای محدود برای سیستم تصویر ‌ برداری برش ‌ نگاری فلورسنت مولکولی است. روش بررسی: الگوریتم فوروارد براساس تقریب دیفیوژن با استفاده از روش اجزای محدود برای یک محیط همگن در محیط متلب نوشته شد. برای تعیین عملکرد صحیح الگوریتم، به ‌ عنوان ورودی در مرحلۀ بازسازی نرم ‌ افزار NIRFAST قرارگرفت و با نتایج به‌دست‌آمده با این نرم‌افزار نیز مورد مقایسه قرار گرفت. یافته‌ها: نتایج نشان دادند که الگویتم نوشته ‌شده با داده‌های به‌دست ‌آمده از نرم ‌ افزار NIRFAST مطابقت دارند و ضریب همبستگی بیش از 92/0 است. با توجه به مقادیر P.value اختلاف معنی ‌ داری میان نتایج الگوریتم پیشنهادی و نرم افزار مرجع مشاهده نشد. بحث و نتیجه ‌ گیری: یک الگوریتم تقریبی برای حل معادلۀ‌ دیفیوژن دو ‌ بُعدی بر ‌ اساس روش اجزای محدود برای اجرای الگوریتم فوروارد FMT نوشته شد. این الگوریتم شامل ساخت فانتوم، ساخت مش، تعیین نقاط گره ‌ ای، تعیین مکان منبع و آشکارسازها، جای ‌ گذاری منبع فلورسنت، حل معادلۀ دیفیوژن با استفاده از تقریب گالرکین و محاسبۀ شدت رسیده به سطح بود. با ‌ توجه به نتایج به‌دست ‌ آمده از الگوریتم پیشنهادی و مقایسه با نتایج نرم ‌ افزار NIRFAST می‌توان نتیجه گرفت که این الگوریتم از سرعت و دقت بالایی برخوردار است. این الگوریتم برای برنامۀ بازسازی در روش FMT می ‌ تواند مورد استفاده قرار گیرد. Background: Optical imaging is established as one of the modalities applied to molecular imaging studies. Molecular imaging can be used to visualization of molecular events in the cellular or sub cellular level. Among the different methods of optical imaging Fluorescent Molecular Tomography (FMT) is a non-invasive method for imaging the biological tissue at cellular level. The image reconstruction of FMT system has two main steps, Forward problem and invers problem. Forward problem simulate the light source distribution on surface of objects and the goal of Invers problem is the recovery of optical properties using measurement intensity at the surface of abject The goal of this study was developed of a fast algorithm for forward problem based on finite element method for 2-D geometry. Material and Methods: Image reconstruction of optical tomography like FMT system include two steps which is described as forward and invers problem. The aim of present study was determination the fast algorithm for forward problem that is used in image reconstruction of FMT system. For this purpose diffusion equation was solved by using finite element method which is the fast, accurate and flexible technique. The air-tissue boundary was presented by Robin boundary condition. In order to generate simulated data, a 2-D circular mesh with linear triangular elements was used. The algorithm based on FEM to solve the diffusion approximation was developed and written in the MATLAB programming to measure the intensity on the nodal boundary pointes and evaluated by the open access software package that developed at the Darthmouth for NIR imaging Results: The intensity of nodal boundary pointes was measured at each  for tomography imaging. The FEM algorithm of diffusion approximation which was developed at this study was compared with NIRFAST. These results show the good agreement between the FEMDA code with NIRFAST. Although the error was low but the most of error is located near the source term. The results showed the significant correlational coefficients (R >0.95) which demonstrated the high accuracy of the algorithm. Discussion and Conclusion: The FEDA algorithm shown that FEDA yields similar results to NIRFAST for the 2-D geometry. The results showed the significant correlation coefficients (R >0.95), which demonstrated the high accuracy of the algorithm. The algorithm which is designed and developed in this study is more fast, flexible and accurate than analytical method that has good agreement to NIRFAST results. The computation time was lower than analytical theory and useful for heterogonous medium with complex geometry. مسئلۀ فوروارد, روش اجزای محدود, تصویربرداری نوری, تقریب دیفیوژن Fluorescent Molecular Tomography, Finite Element Method, Diffusion approximation 23 32 http://icml.ir/browse.php?a_code=A-10-6-138&slc_lang=fa&sid=1 سیما صالح 1050031947532846004899 1050031947532846004899 No گروه فیزیک پزشکی و مهندسی پزشکی ،دانشکدۀ پزشکی ،دانشگاه علوم پزشکی تهران صدیقه مرجانه حجازی mhejazi@sina.tums.ac.ir 1050031947532846004900 1050031947532846004900 Yes دانشکدۀ پزشکی ،دانشگاه علوم پزشکی تهران امیر‌همایون جعفری 1050031947532846004901 1050031947532846004901 No دانشکدۀ پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی تهران هانیۀ محمدرضا 1050031947532846004902 1050031947532846004902 No مرکز تحقیقات تصویربرداری سلولی و مولکولی، پژوهشکدۀ فناوری های نوین، بیمارستان امام خمینی(ره) تکتم جهانفر 1050031947532846004903 1050031947532846004903 No گروه فیزیک پزشکی و مهندسی پزشکی ،دانشکدۀ پزشکی ،دانشگاه علوم پزشکی تهران