本发明专利技术公开了一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，包括步骤：步骤一：通过计算机断层成像和结构磁共振功能成像，确定重建生物体几何结构与热生理参数；步骤二：利用已确定的热生理参数构建先验知识矩阵；步骤三：利用构建后的矩阵，测量获得边界温度作为初始输入；步骤四：构建边界温度与体内热源关系，并依据其进行热源分布求解；步骤五：求解完成后，获得集成体内温度与热源分布的热断层成像。本发明专利技术利用热生理参数构建先验知识矩阵，并将测量获得边界温度作为初始输入。通过构建边界温度与体内热源关系，并依据其进行热源分布求解，获得集成体内温度与热源分布的热断层成像。获得集成体内温度与热源分布的热断层成像。获得集成体内温度与热源分布的热断层成像。
【技术实现步骤摘要】
一种用于三维热断层成像的有限元重建方法
[0001]本专利技术涉及一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，属于数字医学影像工程
技术介绍
[0002]作为人体最基本的生理参量，体内温度的实时测量在患者监护、手术麻醉管理、人体生物钟学等领域发挥着重要的作用。然而，常规有创体内温度检测方法无法实现体内三维温度的测量，且操作不当易引起感染，给患者带来痛苦；无创检测技术则受重构方法限制，只能提供体内平均温度的基本信息，无法获得准确的三维温度分布信息。因此，发展评估人体热生理病理状态的三维温度场重建或者热断层成像技术便显得尤为重要。
[0003]人体体表温度场是体内温度场经热传导、辐射以及对流形成的。结合体表温度或热流等信息，对生物传热模型进行反问题求解，可实现体内三维温度场重构。然而，作为典型的反问题求解过程，生物体内三维温度场反重建(热断层成像)常常表现出极强的病态特性。同时，生物体内生理结构的复杂性进一步增加生物传热反问题求解的难度。至今尚未有可直接临床应用的热断层成像技术问世，相关研究仍处于理论与技术的初步阶段。
技术实现思路
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种用于三维热断层成像的有限元重建方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的：
[0006]一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：通过计算机断层成像和结构磁共振功能成像，确定重建生物体几何结构与热生理参数；
[0008]步骤二：利用已确定的热生理参数构建先验知识矩阵；
[0009]步骤三：利用构建后的矩阵，测量获得边界温度作为初始输入；
[0010]步骤四：构建边界温度与体内热源关系，并依据其进行热源分布求解；
[0011]步骤五：求解完成后，获得集成体内温度与热源分布的热断层成像。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，生物体几何结构由计算机断层成像和结构磁共振功能成像重建获得，步骤一的具体过程包括：
[0013]将Pennes生物传热方程整理成式(1)：
[0014][0015]其中，Ω1和Ω2为组织体内组成单元，Γ1为组织体与周围环境边界，Γ2为Ω1和Ω2边界；u＝T
‑
T
a
，T与T
a
分别为组织温度与毛细血管网温度；k为组织热导率；α＝ρ
b
ω
b
c
b
，ρ
b
，
resonance imaging，MRI)联合，一方面借助CT与MRI获取重建生物组织几何结构与热生理参数，另一方面计算所得热断层成像与CT、MRI融合形成在体多模态影像诊断系统。
附图说明
[0035]图1为本专利技术热断层成像重建算法流程图。
[0036]图2为三维温度场反重构结果示意图。图2(a)为三维温度场反重构结果；图2(b)为对应(a)yOz截面二维温度分布；图2(c)为重构结果与正问题求解结果偏差分布；图2(d)为对应(c)yOz截面二维偏差分布。
[0037]图3为人体头部组织体内三维温度场重构结果示意图。图3(a)为头部组织三维温度场反重构结果；图3(b)为对应yOz截面温度场反重构结果；图3(c)为重构结果与重构目标之间的偏差分布；图3(d)为计算残差曲线。
具体实施方式
[0038]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0039]本专利技术提供的一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，包括以下步骤：
[0040](1)重建算法过程
[0041]S1：将Pennes生物传热方程整理成式(1)：
[0042][0043]其中，Ω1和Ω2为组织体内组成单元，Γ1为组织体与周围环境边界，Γ2为Ω1和Ω2边界。u＝T
‑
T
a
，T与T
a
分别为组织温度与毛细血管网温度；k为组织热导率；α＝ρ
b
ω
b
c
b
，ρ
b
，ω
b
与c
b
分别为血液密度、灌注率及比热；β＝h
f
为组织与周围环境之间的对流换热系数；θ＝T
a
‑
T
w
，T
w
为环境温度；Q
m
为组织代谢产热；S为组织热源分布。
[0044]S2：利用有限元方法，将u、F与S分别表示为求解空间中拉格朗日基函数与变化系数乘积求和：φ
j
为基函数；U
j
、F
j
与S
j
分别为节点j处的温度、热流与热源。
[0045]S3：利用上述表达，式(1)的弱解形式可表达为：
[0046][0047]将式(2)进一步整理为分块矩阵乘积形式：
[0048][0049]其中，下标I与b分别表示内部节点与边界点。
[0050]S4：通过构建边界测量温度U
o
、计算温度U
c
与热源分布S的分析函数关系JΔχ＝U
o
‑
U
c
，Δχ为假定热源与真实热源S差。通过式(3)可对矩阵J进行求解：
[0051][0052]S5：在上述J矩阵求解基础上，利用正则化方法对Δχ求解问题进行优化：Δχ＝[J
T
J+tr(J
T
J)λI]‑1·
J
T
(U
o
‑
U
c
)，I为单位矩阵，tr(
·
)为矩阵迹运算，λ为正则化参数。
[0053]S6：对上述求解过程进行迭代，当||U
o
–
U
c
||2逼近残差阈值停止计算。
[0054]通过上述理论过程，可总结热断层成像的程序实现流程如下：
[0055](I)输入刚度矩阵A与式(3)右边项矩阵B，C；
[0056](II)设定计算残差阈值Tol，并初始化边界温度；
[0057](III)进行三维温度场反问题迭代重构计算：
[0058][0059](2)球形几何体仿真计算验证
[0060]采用球形几何体模拟典型生物组织体，采用Iso2Mesh网格生成技术进行球体结构的四面体网格生成。网格尺寸为2mm，球体四面体网格节点数11758，面元数6,160，体元数6本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通过计算机断层成像和结构磁共振功能成像，确定重建生物体几何结构与热生理参数；步骤二：利用已确定的热生理参数构建先验知识矩阵；步骤三：利用构建后的矩阵，测量获得边界温度作为初始输入；步骤四：构建边界温度与体内热源关系，并依据其进行热源分布求解；步骤五：求解完成后，获得集成体内温度与热源分布的热断层成像。2.根据权利要求1所述的一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，其特征在于，生物体几何结构由计算机断层成像和结构磁共振功能成像重建获得，步骤一的具体过程包括：将Pennes生物传热方程整理成式(1)：其中，Ω1和Ω2为组织体内组成单元，Γ1为组织体与周围环境边界，Γ2为Ω1和Ω2边界；u＝T
‑
T
a
，T与T
a
分别为组织温度与毛细血管网温度；k为组织热导率；α＝ρ
b
ω
b
c
b
，ρ
b
，ω
b
与c
b
分别为血液密度、灌注率及比热；β＝h
f
为组织与周围环境之间的对流换热系数；θ＝T
a
‑
T
w
，T
w
为环境温度；Q
m
为组织代谢产热；S为组织热源分布。3.根据权利要求2所述的一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，其特征在于，所述组织热导率k通过扩散张量成像进行重建。4.根据权利要求2所述的一种用于三维热断层成像的有限元重建方法，其特征在于，所述灌注率ω
b
通过血...
【专利技术属性】
技术研发人员：金超，冯钰莹，杨健，李贤军，黄欣，王怡名，
申请(专利权)人：西安交通大学医学院第一附属医院，
类型：发明
国别省市：
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