一种激发荧光断层成像重建方法技术

本发明专利技术公开了一种激发荧光断层成像重建方法，包括以下步骤：S1：基于光传输模型和有限元理论，将成像对象的光学特性参数和解剖结构信息作为先验信息，建立表面的测量数据与成像对象内部荧光目标分布的系统方程；S2:对S1建立的系统方程进行预处理，使得预处理后的系统方程中的稀疏矩阵各列相互正交；S3：融合光源空间分布的稀疏特性，从S1中系统方程中选取若干列，构建新的系数矩阵和新的系统方程；S4:将S3中新的系统方程转化为有约束条件的极小化问题，采用联合代数迭代方法对新的系统方程进行求解，从而获得成像对象内部的荧光目标的三维分布与浓度。本发明专利技术的有益效果：融合了荧光目标空间分布的稀疏特性，增加了先验信息，可提高重建精度；对系统方程进行预处理，系统方程的系数矩阵各列相互正交，可加快算法收敛，提高重建速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激发荧光成像领域，具体涉及一种激发荧光断层成像重建方法。
技术介绍
激发荧光断层成像是近年来一种新出现的光学分子影像技术，它利用荧光探针标记包括成像对象(一般为小鼠、裸鼠等生物活体)，在外部激发光源的照射下，荧光探针吸收外部激发光，产生发射光。在成像对象体外，利用高灵敏度的光学检测仪器，如CCD相机，探测透射到成像对象体外的光子。结合光子传输模型，利用数学方法，激发荧光断层成像对成像对象体内的荧光目标进行重建，从而获得荧光探针的位置和浓度信息，在基因病理学、肿瘤诊断学、细胞和分子生物学等学科领域具有广泛的应用前景。激发荧光断层成像重建属于逆向问题，具有严重的病态性，其本质原因在于生物组织的高散射、地吸收特性，光子在成像对象内部不沿直线传输，而是经过大量的无规则可循的散射过程。同时，由于光学检测仪器探测到的是传输到成像对象边界点的荧光信号，数量有限，而重建区域内部点的数量巨大。由少量测量数据来求解大量未知数，这是一个不适定问题，具有严重的病态性，其解不唯一并且易受测量误差和噪声的影响。如何精确重建成像对象体内的荧光目标，是荧光分子断层成像研究的核心问题。联合代数迭代技术由于运算简单，在断层成像重建中广泛应用。现有基于联合代数迭代技术的激发荧光断层成像重建没有考虑荧光目标空间分布的稀疏特性，同时没有对系统方程进行预处理，重建精度和重建速度有待提高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是对基于联合代数迭代技术的激发荧光断层成像重建方法进行改进，提供一种精确度高、运算速度快的激发荧光断层成像重建方法。本专利技术的技术解决方案是：一种激发荧光断层成像重建方法，其中：包括以下步骤：S1：基于光传输模型和有限元理论，将成像对象的光学特性参数和解剖结构信息作为先验信息，建立成像对象的表面测量数据与内部荧光目标分布的系统方程；S2：对S1建立的系统方程进行预处理，使得预处理后的系统方程的系数矩阵各列相互正交；S3：融合荧光目标空间分布的稀疏特性，从S2中的系统方程中选取若干列，构建新的系数矩阵和新的系统方程；S4：加入荧光目标空间分布非负的约束条件，采用联合代数迭代技术对S3中新的系统方程进行求解，从而获得成像对象内部的荧光目标的三维分布。更为具体的包括以下步骤：包括以下步骤：(1)获取测量数据；(1a)激发光源对固定在电控旋转台上的成像对象进行多角度的透射式断层扫描；(1b)使用光学检测仪器获得测量数据；(2)获得成像对象的解剖结构信息以及光学特性参数；(3)基于光传输模型和有限元理论，将成像对象的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，建立表面的测量数据与成像对象内部荧光目标分布的系统方程y＝Ax；(4)对建立的y＝Ax进行如下预处理：(4a)对ATA进行特征值分解，得到QΛQT＝ATA，其中T表示转置运算；(4b)计算权值矩阵W＝Λ-1QTAT,将权值矩阵分别乘以系统方程的左侧和右侧，得到z＝Bx，式中，z＝Wy＝Λ-1QTATy，B＝QT；(5)从上述矩阵B中挑选k列元素，记为系数矩阵C，C由以下步骤得到：(5a)初始化，余量r0＝z，系数矩阵C0为空矩阵，迭代次数t＝1；(5b)计算向量α＝|BTrt-1|，取α的最大元素对应的下标，记为mt，取矩阵B的第mt列，记为bmt，bmt与Ct-1合并，构造系数矩阵Ct，具体为(5c)计算并将st中的小于0的元素设为0；(5d)计算新的余量rt＝z-Ctst，迭代次数加1，得到t＝t+1；(5e)重覆步骤5b-5d直到迭代次数满足t＝k；(6)以步骤(5)得到的sk作为荧光目标分布初始值，即x0＝sk，利用联合代数迭代方法求解荧光目标分布，迭代更新公式为：xn＝xn-1+UCTV(z-Cxn-1)xn=12(xn+abs(xn))]]>(7)步骤(6)的迭代停止准则为|xn-xn-1|/xn≤10-6。本专利技术的有益效果：融合了荧光目标空间分布的稀疏特性，增加了先验信息，可提高重建精度；对系统方程进行预处理，系统方程各列相互正交，可加快算法收敛，提高重建速度。附图说明图1为本专利技术方法流程图。图2为实验所用仿体模型。图3为联合代数迭代方法得到的重建结果。图4为本专利技术方法得到的重建结果。具体实施方式实施例：参阅图1至图4；步骤1，建立系统方程根据有限元理论，建立系统方程，该系统方程为激发荧光断层成像对象体表的荧光测量数据与成像对象内部荧光目标分布的线性关系：y＝Ax  (1)式中，y是已知的荧光测量数据向量，A是已知的系统矩阵，x是要求解的荧光目标分布向量，且x和y的元素均非负；步骤2，求解系统方程(1)对建立的系统方程y＝Ax进行如下预处理：(1a)对ATA进行特征值分解，得到QΛQT＝ATA，其中T表示转置运算，Q为特征向量构成的矩阵，Λ为特征值构成的对角矩阵；(1b)计算权值矩阵W＝Λ-1QTAT，将权值矩阵分别乘以系统方程的左侧和右侧，得到z＝Bx，式中，z＝Wy＝Λ-1QTATy，B＝QT；(2)从上述矩阵B中挑选k列元素，记为系数矩阵C，k取值由荧光目标空间分布的稀疏度决定，C根据以下步骤得到：(2a)初始化，余量r0＝z，系数矩阵C0为空矩阵，迭代次数t＝1；(2b)计算向量α＝|BTrt-1|，取α的最大元素对应的下标，记为mt，取矩阵B的第mt列，记为与Ct-1合并，构造系数矩阵Ct，具体为(2c)计算并将st中的小于0的元素设为0；(2d)计算新的余量rt＝z-Ctst，迭代次数加1，得到t＝t+1；(2e)重复步骤2b-2d直到迭代次数满足t＝k；(3)利用步骤(1)和步骤(2)分布得到的z和C，构建新的系统方程并进行求解，得到成像对象体内的荧光目标分布，新的系统方程为z＝Cx，荧光目标重建可表示为如下最小化问题：min||z-Cx|| s.t.x≥0  (2)以步骤(2)得到的sk作为荧光目标分布初始值x0＝sk，采用联合代数迭代方法求解上述最小化问题，迭代更新公式为：xn=xn-1+UCkTV(z-Cxn-1)---(3)]]>xn=12(xn+abs(xn))---(4)]]>式(3)中，U为对角矩阵，其第i行、第i列元素为系数矩阵C的第i列元素之和的倒数，即V为对角矩阵，其第i行、第i列元素为系数矩阵C的第i行元素之和的倒数，即式(4)中，ab本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：基于光传输模型和有限元理论，将成像对象的光学特性参数和解剖结构信息作为先验信息，建立成像对象的表面测量数据与内部荧光目标分布的系统方程；S2：对S1建立的系统方程进行预处理，使得预处理后的系统方程的系数矩阵各列相互正交；S3：融合荧光目标空间分布的稀疏特性，从S2中的系数矩阵中选取若干列，构建新的系数矩阵和新的系统方程；S4：加入荧光目标空间分布非负的约束条件，采用联合代数迭代技术对S3中新的系统方程进行求解，从而获得成像对象内部的荧光目标的三维分布。

【技术特征摘要】
1.一种激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：基于光传输模型和有限元理论，将成像对象的光学特性参数和解剖结
构信息作为先验信息，建立成像对象的表面测量数据与内部荧光目标分布的系
统方程；
S2：对S1建立的系统方程进行预处理，使得预处理后的系统方程的系数矩
阵各列相互正交；
S3：融合荧光目标空间分布的稀疏特性，从S2中的系数矩阵中选取若干列，
构建新的系数矩阵和新的系统方程；
S4：加入荧光目标空间分布非负的约束条件，采用联合代数迭代技术对S3
中新的系统方程进行求解，从而获得成像对象内部的荧光目标的三维分布。
2.根据权利要求1所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)获取测量数据；
(1a)激发光源对固定在电控旋转台上的成像对象进行多角度的透射式断
层扫描；
(1b)使用光学检测仪器获得测量数据；
(2)获得成像对象的解剖结构信息以及光学特性参数；
(3)基于光传输模型和有限元理论，将成像对象的解剖结构信息和光学特
性参数作为先验信息，建立表面的测量数据与成像对象内部荧光目标分布的系
统方程y＝Ax；
(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈多芳，梁继民，李瑶，邱光辉，陈雪利，田捷，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61