一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异值分解技术，对采集到的荧光图像序列进行时域压缩；利用匹配滤波技术，对时域压缩后的荧光图像序列进行空域压缩；构建空时压缩后的小动物动态荧光分子断层成像模型；利用最小二乘方法求解空时压缩后的重建逆问题，图像重建，最后进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物体内荧光光源分布序列。本发明专利技术通过时域压缩减少了需要求解的方程个数，通过空域压缩减少了需要求解的未知数个数，能提高重建精度和重建速度，在小动物动态荧光分子断层成像重建中具有重要的应用价值。

A small animal dynamic fluorescence molecular tomography method based on space time compression

The invention discloses a small animal dynamic fluorescence molecular tomography method based on space-time compression, the small animal dynamic fluorescence molecular tomography method of space-time compression using the singular value decomposition technique based on the fluorescence image sequences collected by time domain compression; matched filtering technique of fluorescence image sequence compressed domain the construction of spatial compression; space-time dynamic small animal fluorescence molecular tomography model after compression; image reconstruction by the method of least squares problem, reconstruction of compressed inverse space-time space-time compression solution finally gets all the acquisition time small animal in vivo fluorescence light distribution sequence. The present invention through time-domain compression reduces the number of equations to be solved, by reducing the number of unknowns spatial compression needs to solve, can improve the accuracy and speed of reconstruction, which has important application value in small animal dynamic fluorescence molecular tomography reconstruction.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于荧光分子成像
，尤其涉及一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法。
技术介绍
目前，小动物荧光分子断层成像利用特定波长的外部光如激光等激发小动物体内的荧光光源，采用荧光采集装置拍摄小动物体表的荧光信号，结合光传输模型，利用数学方法，重建小动物体内的荧光光源分布并进行分析，能够对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究，广泛应用于功能基因组合蛋白组学、基因病理学、肿瘤诊断学、细胞和分子生物学等学科领域。小动物动态荧光分子断层成像由小动物荧光分子断层成像发展而来，在多个时间点多次采集小动物体表的荧光信号，定义为荧光图像序列，再结合光传输模型，利用数学方法对荧光图像序列进行重建，获取每个时间点的小动物体内荧光光源分布，在疾病连续监测、药效在体动态等领域有广泛的应用前景。现有公开的小动物动态荧光分子断层成像技术中，对荧光图像序列中的每一幅荧光图像依次进行断层重建，没有考虑图像序列之间的时间相关性，重建运算量大；同时，在对每一幅荧光图像进行重建时，采用基于l2或lp(0＜p≤1)范数的正则化约束方法，在整个成像区域进行重建。。综上所述，由于在整个成像区域内对荧光图像序列中的每一幅荧光图像进行重建，需要求解的方程个数多，重建运算量大，同时，需要求解的方程中未知数大于已知数，没有唯一解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，旨在解决上述重建运算量大和方程没有唯一解的问题。本专利技术是这样实现的，一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异值分解技术，对采集到的荧光图像序列进行时域压缩；利用匹配滤波技术，对时域压缩后的荧光图像序列进行空域压缩；构建空时压缩后的小动物动态荧光分子断层成像模型；利用最小二乘方法求解空时压缩后的重建逆问题，图像重建，最后进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物体内荧光光源分布序列。进一步，利用滤波反投影算法得到小动物的三维计算机断层图像。进一步，获取小动物体表荧光图像序列的方法包括：打开光学-CT双模态成像系统中的激光器和EMCCD相机，采集第一个时间点小动物体表的荧光信号，每隔90度采集一次，小动物旋转一周可采集到4幅荧光图像，4幅荧光图像构成一个向量，记为y1，间隔3分钟后，采集下一个时间点的小动物体表荧光信号，连续采集K个时间点的小动物体表荧光图像，分别记为y1,y2,...,yK,每个荧光图像大小为M行1列。进一步，利用有限元方法，构建描述K个时间点小动物体表荧荧光信号与体内荧光光源线性关系的系统方程：yk＝Axk,k＝1,2,...,K；式中，A为根据小动物结构信息和体内各器官的光学参数得到的系数矩阵，大小为M行N列，xk为第k个时间点小动物体内的未知荧光光源分布，大小为N行1列；联立式yk＝Axk,k＝1,2,...,K的K个系统方程重新组成一个新的系统方程，记为：Y＝AX；式中，Y＝[y1,y2,...,yK]为K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵,大小为M行K列，X＝[x1,x2,...,xK]为待求解的K个时间点小动物体内的未知荧光光源分布序列矩阵，大小为N行K列。进一步，所述时域压缩具体包括：步骤一，对K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵Y进行奇异值分解，记为Y＝UΣV；步骤二，保留Σ中的Q个大奇异值，其余设为0，得到新的奇异值矩阵，记为保留V中与大奇异值对应的向量，去掉其余向量，得到新的右奇异向量矩阵，记为计算大小为M行Q列，Q个奇异值之和为所有奇异值之和的95％。进一步，所述空域压缩包括：第一步，对系数矩阵A的每一列进行归一化，构建匹配滤波器权值矩阵，记为W，W表示为其中，an为系数矩阵A的第n列，||an||2为an的2范数；第二步，计算再计算的每一行的均值，所有行的均值构成向量b，令α＝0.7，找到b中满足b≥αmax(b)的元素下标集合，记为[i1,i2,...,iL]，选取A中下标为[i1,i2,...,iL]的列，记为大小为M行L列；第三步，构建空时压缩后的重建逆问题，表示为其中，为时域压缩后的测量数据，为空域压缩后的系数矩阵，为待求解的空时压缩后的小动物体内荧光光源动态分布，大小为L行Q列；进一步，所述空时解压缩包括：引入大小为N行Q列的矩阵S，令S的第il行等于的第l行用公式表示为其余行均为0，计算得到小动物体内荧光光源分布序列。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法的功能基因组合蛋白组学成像系统。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法的基因病理学成像系统。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法的细胞和分子生物学成像系统。本专利技术提供的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，通过空时压缩技术减少需要求解的方程个数以及需要求解的未知数个数。具体来说，所述方法利用奇异值分解技术实现测量图像序列的时域压缩，将需要求解的方程由K个减少到Q个，利用匹配滤波技术实现荧光光源分布的空域压缩，将需要求解的未知数由N个减少到L个。由于方程个数减少，求解方程时间减少，提高了小动物动态荧光分子断层成像速度。由于未知数个数减少，在同样的测量数据下，求解得到的未知数更加接近真实解，提高了小动物动态荧光分子断层成像精度。本专利技术基于空时压缩和最小二乘方法的动态激发分子断层成像技术，对小动物体内的荧光光源动态分布进行重建，可用于动态监测小动物体内的肿瘤、探针与药物分布情况。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法包括以下步骤：S101：获取小动物结构信息和体表荧光图像序列；S102：建立描述体表荧光图像序列与体内光源动态分布关系的系统方程；S103：对建立的系统方程进行空时压缩；S104：求解空时压缩后的系统方程；S105：图像重建，空时解压得到小动物体内荧光光源动态三维分布。下面结合具体实施例对本专利技术的应用原理作进一步的描述。(1)麻醉与固定小动物对体内有荧光光源的小动物进行麻醉，并将小动物的四肢、头部和尾部都固定在样品支架上；(2)获取小动物结构信息将样品支架固定在光学-CT双模态成像系统的旋转台上，打开X射线源，采集小动物的计算机断层成像投影数据，每隔1度采集一次，小动物旋转一周采集360次投影数据，关闭X射线源，利用滤波反投影算法得到小动物的三维计算机断层图像；(3)获取小动物体表荧光图像序列打开光学-CT双模态成像系统中的激光器和EMCCD相机，采集第一个时间点小动物体表的荧光信号，每隔90度采集一次，小动物旋转一周可采集到4幅荧光图像，4幅荧光图像构成一个向量，记为y1，间隔3分钟后，采集下一个时间点的小动物体表荧光信号，连续采集K个时间点的小动物体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，其特征在于，所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异值分解技术，对采集到的荧光图像序列进行时域压缩；利用匹配滤波技术，对时域压缩后的荧光图像序列进行空域压缩；构建基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像模型；利用最小二乘方法求解空时压缩后的重建逆问题，图像重建，并进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物体内荧光光源分布序列。

【技术特征摘要】
1.一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，其特征在于，所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异值分解技术，对采集到的荧光图像序列进行时域压缩；利用匹配滤波技术，对时域压缩后的荧光图像序列进行空域压缩；构建基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像模型；利用最小二乘方法求解空时压缩后的重建逆问题，图像重建，并进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物体内荧光光源分布序列。2.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，其特征在于，利用滤波反投影算法得到小动物的三维计算机断层图像。3.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，其特征在于，获取小动物体表荧光图像序列的方法包括：打开光学-CT双模态成像系统中的激光器和EMCCD相机，采集第一个时间点小动物体表的荧光信号，每隔90度采集一次，小动物旋转一周可采集到4幅荧光图像，4幅荧光图像构成一个向量，记为y1，间隔3分钟后，采集下一个时间点的小动物体表荧光信号，连续采集K个时间点的小动物体表荧光图像，分别记为y1,y2,...,yK,每个荧光图像大小为M行1列。4.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法，其特征在于，利用有限元方法，构建描述K个时间点小动物体表荧荧光信号与体内荧光光源线性关系的系统方程：yk＝Axk,k＝1,2,...,K；式中，A为根据小动物结构信息和体内各器官的光学参数得到的系数矩阵，大小为M行N列，xk为第k个时间点小动物体内的未知荧光光源分布，大小为N行1列；联立式yk＝Axk,k＝1,2,...,K的K个系统方程重新组成一个新的系统方程，记为：Y＝AX；式中，Y＝[y1,y2,...,yK]为K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵,大小为M行K列，X＝[x1,x2,...,xK]为待求解的K个时间点小动物体内的未知荧光光源分布序列矩阵，大...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈多芳，朱守平，梁继民，胡海虹，
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