本发明专利技术属于荧光分子断层成像领域，具体涉及了一种基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，旨在解决现有技术数据融合与配准复杂，荧光分子断层成像准确性和精度低的问题。本发明专利技术包括：基于网格化的SIS完成结构数据和荧光数据的融合配准；计算前向模型得到系统矩阵；结合最小二乘和弹性网络正则化构建目标函数；利用松弛的交替方向乘子法优化；针对不适定性和光源的非负稀疏先验对变量迭代方式等价转换和修正，获得荧光分子断层成像结果。本发明专利技术实现了先验信息获取的自动化和标准化，避免繁琐的人工操作，避免重建结果的过稀疏和过平滑，能实现近距离的小荧光源的高分辨率重建，同时具有很好的形态和位置精度。同时具有很好的形态和位置精度。同时具有很好的形态和位置精度。
【技术实现步骤摘要】
基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法
[0001]本专利技术属于荧光分子断层成像领域，具体涉及了一种基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法。
技术介绍
[0002]荧光分子断层成像（FMT，Fluorescence Molecular Tomography）弥补了二维荧光分子成像无法提供深度信息的缺陷，基于表面测量的荧光光斑和光子传播模型反演得到探针在体内的三维分布信息，进而可视化探针在体内的靶向分布，反映肿瘤的位置和形态信息。FMT重建包括前向模型的求解和逆向问题的优化。前向问题通常利用耦合的扩散近似方程描述光子的激发和发射过程，罗宾边界条件描述成像物体与空气之间的折射系数偏差，利用有限元法（FEM，Finite Element Method）对成像物体不同区域进行精确划分，离散求解，得到稀疏且正定的系数矩阵。前向问题最终建立表面荧光光斑与体内三维荧光分布的线性关系。逆向问题基于优化算法求解线性方程组逼近最优解，获取探针在体内的三维分布。
[0003]传统的FMT成像中，需要人工分割XCT结构数据提取感兴趣区域（ROI，Region Of Interest），再利用有限元网格对3D结构图像离散化，之后将成像物体表面采集的二维荧光映射在网格化的成像物体表面。上述流程繁琐，且需要大量的人工操作。其次，CCD相机采集的平面图像往非平坦的成像物体表面映射时存在位置误差，导致重建的位置不准确，以及当前FMT重建缺乏标准化和自动化的重建流程等限制了FMT在临床实际中的应用。
[0004]此外，体表测得的荧光信号的维数与方程的个数相同，整个成像空间的节点数与方程组的变量个数一致，由于表面测得荧光信号的维数有限，因此线性方程组不适定，难以求得精确解。近红外荧光在组织内传播的高散射性导致逆向过程呈高病态性，导致复杂形态荧光源的重建位置和形态学精度难题提升。近距离的微小肿瘤发射的荧光发生严重重叠，重建中容易损失一侧荧光源的位置和形态信息，造成重建结果的中心偏离设置的双光源中心，以及体积较小或荧光强度较弱肿瘤的荧光湮灭。
技术实现思路
[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术数据融合与配准复杂，荧光分子断层成像准确性和精度低的问题，本专利技术提供了一种基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，该方法包括：步骤S10，获取肿瘤所在器官作为ROI，构建可容纳所述ROI的长方体或正方体作为SIS（SIS，Standardized Imaging Space，标准成像空间），并通过有限元四面体网格进行SIS离散化；步骤S20，基于设定阈值进行数据预处理，并将预处理的数据通过坐标映射至离散化的SIS；所述数据预处理包括ROI（ROI，Region Of Interest，感兴趣区域）对应的CT数据分割和荧光数据去噪；
步骤S30，基于映射后的SIS进行前向模型计算，获得ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系；步骤S40，基于所述ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系，结合最小二乘项和弹性网络正则化项构建目标函数；步骤S50，利用松弛交替方向乘子法对目标函数变量的迭代方式进行约束和修正，求解所述目标函数获得荧光分子断层成像结果。
[0006]在一些优选的实施例中，步骤S30包括：步骤S31，基于映射后的SIS，通过耦合扩散近似方程描述荧光光子在成像物体组织内的传播过程，通过罗宾边界条件描述物体表面与空气的折射系数偏差；步骤S32，基于所述荧光光子在器官组织内的传播过程和所述折射系数偏差，通过有限元离散求解前向模型，获得ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系。
[0007]在一些优选的实施例中，所述荧光光子在成像物体组织内的传播过程，其表示为：其表示为：其中，为荧光光子激发过程的扩散系数，为荧光光子发射过程的扩散系数，为荧光激发过程的光学吸收系数，为荧光激发过程的光学散射系数，为荧光光子激发过程的光密度，为荧光光子发射过程的光密度，表示点状激发荧光光源，为光源位置，为狄拉克函数，为点状激发荧光光源的强度，为成像空间，为荧光光源在器官组织内的三维空间分布。
[0008]在一些优选的实施例中，所述物体表面与空气的折射系数偏差，其表示为：其表示为：其中，表示成像物体的边缘，为边缘上的单位外法向量，表示成像物体边界与空气的光学折射系数偏差，为荧光光子发射过程的光学吸收系数，为荧光光子发射过程的光学散射系数，为各向异性系数。
[0009]在一些优选的实施例中，所述ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系，其表示为：
其中，为ROI的表面荧光信号，为内部三维荧光分布，为系统矩阵，系统矩阵中每一个元素，代表ROI的第个表面网格节点的荧光强度值，代表ROI的第个空间网格节点的荧光强度值，代表ROI的第个空间网格节点的权重值，代表ROI的表面网格节点的个数，代表ROI的空间网格节点的个数，代表矩阵转置。
[0010]在一些优选的实施例中，步骤S40中基于所述ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系，结合最小二乘项和弹性网络正则化项构建目标函数，其方法为：其中，表示目标函数，代表的L1范数，代表的L2范数，和为弹性网络正则化的参数。
[0011]在一些优选的实施例中，步骤S50包括：步骤S51，设定荧光强度变量，利用松弛交替方向乘子法将所述目标函数等价转换为待求解等价目标函数；步骤S52，基于所述待求解等价目标函数中的各变量参数，结合拉格朗日函数和二次罚函数项构建增广拉格朗日函数；步骤S53，令所述增广拉格朗日函数对变量求偏导，获得变量的更新方程，通过等价转换和矩阵LU分解求逆进行所述变量的更新方程的等价转换，并设定松弛变量，构建变量的迭代方程；步骤S54，令所述增广拉格朗日函数对变量求偏导，获得变量的更新方程，并基于荧光强度变量的非负先验约束，进行所述变量的更新方程中软阈值算子的修正，获得变量的迭代方程；步骤S55，令所述增广拉格朗日函数对变量求偏导，获得变量的迭代方程，基于所述变量的迭代方程、所述变量的迭代方程和所述变量的迭代方程，迭代进行所述待求解等价目标函数的参数约束调整，获得所述待求解等价目标函数的最优解，作为荧
光分子断层成像结果。
[0012]在一些优选的实施例中，所述待求解等价目标函数，其表示为：其中，，，，。
[0013]在一些优选的实施例中，所述增广拉格朗日函数，其表示为：其中，为二次罚函数项的系数，代表矩阵转置。
[0014]在一些优选的实施例中，所述变量的迭代方程、所述变量的迭代方程和所述变量的迭代方程，其表示为：其表示为：其中，为变量的迭代方程，为变量的迭代方程，为变量的迭代方程，为待求解等价目标函数迭代约束求解的当前迭代次数，为变量的第个分量，，为符号函数。
[0015]本专利技术的有益效果：（1）本专利技术基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，基于标准成像空间完成结构和荧光数据的处理流程，通过引入基于标记点的图像配准和阈值分割等操作，初步实现先验信息获取的自动化和本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，其特征在于，该方法包括：步骤S10，获取肿瘤所在器官作为ROI，构建可容纳所述ROI的长方体或正方体作为SIS，并通过有限元四面体网格进行SIS离散化；步骤S20，基于设定阈值进行数据预处理，并将预处理的数据通过坐标映射至离散化的SIS；所述数据预处理包括ROI对应的CT数据分割和荧光数据去噪；步骤S30，基于映射后的SIS进行前向模型计算，获得ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系；步骤S40，基于所述ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系，结合最小二乘项和弹性网络正则化项构建目标函数；步骤S50，利用松弛交替方向乘子法对目标函数变量的迭代方式进行约束和修正，求解所述目标函数获得荧光分子断层成像结果。2.根据权利要求1所述的基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，其特征在于，步骤S30包括：步骤S31，基于映射后的SIS，通过耦合扩散近似方程描述荧光光子在成像物体组织内的传播过程，通过罗宾边界条件描述物体表面与空气的折射系数偏差；步骤S32，基于所述荧光光子在器官组织内的传播过程和所述折射系数偏差，通过有限元离散求解前向模型，获得ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系。3.根据权利要求2所述的基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，所述荧光光子在成像物体组织内的传播过程，其表示为：其表示为：其中，为荧光光子激发过程的扩散系数，为荧光光子发射过程的扩散系数，为荧光激发过程的光学吸收系数，为荧光激发过程的光学散射系数，为荧光光子激发过程的光密度，为荧光光子发射过程的光密度，表示点状激发荧光光源，为光源位置，为狄拉克函数，为点状激发荧光光源的强度，为成像空间，为荧光光源在器官组织内的三维空间分布。4.根据权利要求3所述的基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，所述物体表面与空气的折射系数偏差，其表示为：
其中，表示成像物体的边缘，为边缘上的单位外法向量，表示成像物体边界与空气的光学折射系数偏差，为荧光光子发射过程的光学吸收系数，为荧光光子发射过程的光学散射系数，为各向异性系数。5.根据权利要求4所述的基于标准成像空间的高分辨率荧光分子断层成像方法，所述ROI的表面荧光信号与内部三维荧光分布的线性关系，其表示为：其中，为ROI的表面荧光...
【专利技术属性】
技术研发人员：安羽，严达祥，李光辉，杜洋，李佳倩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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