基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法技术

基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法属于光学分子影像成像领域。该方法基于扩散方程模型，并考虑了小动物体的非均匀特性，同时也考虑自发荧光光源的光谱及实际应用的特点。为达到此目的，本发明专利技术提出的基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法的实现步骤主要包括：１）数据获取；２）有限元离散化处理；３）优化可行光源区域选择；４）光源的重建。本发明专利技术克服了自发荧光断层成像重建方法重建光源不准确，重建速度比较慢，不利于实时处理以及在多光谱数据采集时可能存在误差的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到光学分子影像成像模态-自发荧光断层成像(BLT)技术，尤其涉及到一种基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法。
技术介绍
在过去的几年里，分子影像由于能在体揭示分子和细胞的信息而受到了越来越多的关注。因此它已成为一种疾病诊断、药物疗效评价等的重要工具。作为一种小动物分子影像成像模态，光学成像技术特别是自发荧光断层成像因为其高性能、低价格和无创伤等特性已经得到了迅速发展和广泛的应用。自发荧光断层成像是最近刚发展起来的，是一种用来在活体小动物体内重建自发荧光光源分布的光学成像技术。当荧光素与荧光素酶在有氧气和三磷酸腺苷(ATP)的条件下，就会发出荧光。而因为荧光素酶含有萤火虫素酶(firefly)，磕头虫素酶(click beetle)，所以发出的荧光有不同的光谱，波长一般在400nm-750nm。发出的荧光穿透生物体而到达生物体表面，然后用高灵敏度的液氮制冷电荷耦合器件(CCD)获得。CCD获得的动物表面的数据形成了BLT重建的基础。为采集整个生物体的表面数据，通常将生物体每隔90度旋转一次，用CCD探测器来获取生物体的前后左右四个视图。当光源在生物体的位置比较深时，采集一个视图的数据需要的时间大约是5-10分钟。而当采集时间超过一个小时之后荧光强度就会衰减，所以在多谱的情况下，如果在每个单谱段都采集四个视图的数据，那么采集时间远远超过1个小时，可能就会使得采集的数据不够准确。另外，在实际情况下存在类似像X射线(x-ray)，计算机断层成像(CT)一样的物理限制，采集数据时就受到角度限制，因此采集到的数据仅是动物体表面的一部分。多谱采集也会使得系统矩阵的维数增加，导致计算量过大。如何降低测量时间和减小系统矩阵的维数是目前的一个难点。另一方面，在进行光源重建时，因为BLT自身具有的不适定特点导致重建结果不准确。BLT的目标是能在体实时连续的观测。因此，发展快速的重建方法就成为亟待解决的问题。目前的重建方法常用的是有限元方法。理论上有限元网-->格越细，得到的结果越好，但重建的时间就越长。此外，BLT是病态问题，如何降低病态性仍需要进一步的探索。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了自发荧光断层成像重建方法重建光源不准确，重建速度比较慢，不利于实时处理以及在多光谱数据采集时可能存在误差的缺陷，提出了一种基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法，该方法基于扩散方程模型，并考虑了小动物体的非均匀特性，同时也考虑自发荧光光源的光谱及实际应用的特点。为达到此目的，本专利技术提出的基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法的实现步骤主要包括：1)数据获取；2)有限元离散化处理；3)优化可行光源区域选择；4)光源的重建。1)数据获取是指利用CCD探测器在被测物体表面对逃出的光子进行探测，获得边界处的光流密度；有限元离散化处理，是指利用有限元方法将扩散方程离散为矩阵方程，并把重建区域网格剖分为{T1，...，Tk，...本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：　１）数据获取：　在多光谱下，用滤波片将荧光波长λ离散为ｍ个波段τ↓［１］，…，τ↓［ｍ］，其中τ↓［ｌ］＝［λ↓［ｌ－１］，λ↓［ｌ］），ｌ＝１，２，…，ｍ－１，τ↓［ｌ］＝［λ↓［ｍ－１］，λ↓［ｍ］］；利用ＣＣＤ探测器在被测物体的表面＊Ω对逃出的光子进行探测，获得每个波段τ↓［ｌ］的光流密度Ｑ（ｘ，τ↓［ｌ］），其中ＣＣＤ探测到的表面为γ，ｘ表示在被测物体中的位置；根据下面公式计算被测物体表面的光子流密度Φ↑［ｍｅａｓ］（ｘ，τ↓［ｌ］）：　Ｑ（ｘ，τ↓［ｌ］）＝－Ｄ（ｘ，τ↓［ｌ］）（ｖ（ｘ）.▽Φ↑［ｍｅａｓ］（ｘ，τ↓［ｌ］））＝Φ↑［ｍｅａｓ］（ｘ，τ↓［ｌ］）／２Ａ（ｘ；ｎ，ｎ′）（ｘ∈γ）　Ｄ（ｘ，τ↓［ｌ］）＝１／（３（μ↓［ａ］（ｘ，τ↓［ｌ］）＋（１－ｇ）μ↓［ｓ］（ｘ，τ↓［ｌ］）））是生物组织的扩散系数，其中μ↓［ａ］（ｘ，τ↓［ｌ］）是生物组织的吸收系数，μ↓［ｓ］（ｘ，τ↓［ｌ］）是生物组织散射系数，ｇ是生物组织各向异性参数；ｖ（ｘ）是被测物体边界＊Ω的单位法向量；Ａ（ｘ；ｎ，ｎ′）≈（１＋Ｒ（ｘ））／（１－Ｒ（ｘ）），当外界媒质是空气时，Ｒ（ｘ）近似为Ｒ（ｘ）≈－１．４３９９ｎ↑［－２］＋０．７０９９ｎ↑［－１］＋０．６６８１＋０．０６３６ｎ，其中ｎ为空气的折射率；　２）有限元离散化处理：　光子在生物组织中传输的数学模型用下面的扩散方程表示：　－▽.（Ｄ（ｘ，τ↓［ｌ］）▽Φ（ｘ，τ↓［ｌ］））＋μ↓［ａ］（ｘ，τ↓［ｌ］）Φ（ｘ，τ↓［ｌ］）＝Ｓ（ｘ，τ↓［ｌ］）（ｘ∈Ω）　Φ（ｘ，τ↓［ｌ］）＋２Ａ（ｘ；ｎ，ｎ′）Ｄ（ｘ，τ↓［ｌ］）（ｖ（ｘ）.▽Φ（ｘ，τ↓［ｌ］））＝０（ｘ∈＊Ω）　其中Ω是被测物体；＊Ω是被测物体的表面；Φ（ｘ，τ↓［ｌ］）是光子流密度；Ｓ（ｘ，τ↓［ｌ］）是光源密度；根据有限元理论，得到下面的弱解形式：　∫↓［Ω］（Ｄ（ｘ，τ↓［ｌ］）（▽Φ（ｘ，τ↓［ｌ］））.（▽Ψ（ｘ，τ↓［ｌ］））＋μ↓［ａ］（ｘ，τ↓［ｌ］）Φ（ｘ，τ↓［ｌ］）Ψ（ｘ，τ↓［ｌ］））ｄｘ　＋∫↓［＊Ω］１／２Ａ↓［ｎ］（ｘ）Φ（ｘ，τ↓［ｌ］）Ψ（ｘ，τ↓［ｌ］）ｄｘ＝∫↓［Ω］Ｓ（ｘ，τ↓［ｌ］）Ψ（ｘ，τ↓［ｌ］）ｄｘ　（＊Ψ（ｘ，τ↓［ｌ］）∈Ｈ↑［１］（Ω））　Ｈ↑［１］（Ω）是Ｓｏｂｅｌｅｖ空间...

【技术特征摘要】
1.一种基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)数据获取：在多光谱下，用滤波片将荧光波长λ离散为m个波段τ1，...，τm，其中τl＝[λl-1，λl)，l＝1，2，...，m-1，τl＝[λm-1，λm]；利用CCD探测器在被测物体的表面对逃出的光子进行探测，获得每个波段τl的光流密度Q(x，τl)，其中CCD探测到的表面为γ，x表示在被测物体中的位置；根据下面公式计算被测物体表面的光子流密度Φmeas(x，τl)：Q(x,τl)=-D(x,τl)(v(x)·▿Φmeas(x,τl))=Φmeas(x,τl)2A(x;n,n′)(x∈γ)]]>D(x，τl)＝1/(3(μa(x，τl)+(1-g)μs(x，τl)))是生物组织的扩散系数，其中μa(x，τl)是生物组织的吸收系数，μs(x，τl)是生物组织散射系数，g是生物组织各向异性参数；v(x)是被测物体边界的单位法向量；A(x；n，n′)≈(1+R(x))/(1-R(x))，当外界媒质是空气时，R(x)近似为R(x)≈-1.4399n-2+0.7099n-1+0.6681+0.0636n，其中n为空气的折射率；2)有限元离散化处理：光子在生物组织中传输的数学模型用下面的扩散方程表示：-▿·(D(x,τl)▿&...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾克斌，冯金超，田捷，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]