专利名称：基于生物组织特异性的光学三维成像方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，更进一步涉及光学分子成像技术领域中的基于生物组织特异性的光学三维成像方法。该方法可应用于基因表达、肿瘤检测、药物研发与疗效评价等小动物实验和预临床实验中获取靶向目标的位置和强度信息。
背景技术：
作为一种新兴的光学成像技术，光学三维成像是通过融合生物体体表测量的多角度光学信号、生物体的解剖结构和组织光学参数信息，基于精确的生物组织中的光传输模型重建活体生物体体内靶向目标的位置和强度分布信息，其中，生物组织中光传输过程的精确描述和靶向目标的准确快速重建是光学三维成像方法实现的基础。在光学三维成像技术中，激发荧光断层成像、扩散光学层析断层成像和自发荧光断层成像是三种主要的成像模态。基于自发荧光断层成像模态，北京工业大学在其专利申请文件“基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法”(申请号200810116818.4，申请日2008. 7. 18，授权号 ZL200810116818.4，授权日2010.6.2)中提出了一种基于单幅视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法。该专利技术基于扩散近似方程，考虑生物体的非勻质特性和自发荧光光源的光谱特点，利用在单个角度测量的多个谱段荧光数据，重建生物体体内靶向目标的位置和强度分布信息。但是，由于扩散近似方程只适用于描述高散射特性组织中的光传输过程， 对于低散射特性和空腔组织，它的求解精度很低。因此，该专利技术对于具有多种散射特性组织的生物体求解精度差，很难准确地获得生物体体内靶向目标的位置和强度分布信息。为了解决基于扩散近似方程的光学三维成像方法的局限性，研究人员还提出了基于辐射传输方程的高阶近似方程的光学三维成像方法，参见Alexander D. Klose, "The inverse source problem based on the radiative transfer equation in optical molecular imaging，” Journal of Computational Physics 202，323-345 (2005) ；Yujie Lu，“Spectrally resolved bioluminescence tomography with the third-order simplified spherical harmonics approximation，，，Physics in Medicine and Biology 54，6477-6493 (2009) ；Wengxiang Cong，"Bioluminescence tomography based on the phase approximation model，，，Journal of Optics Society of America A 27， 174-179(2010)。该类方法可以对同时存在高散射特性和低散射特性组织的生物体进行准确成像。但是，由于辐射传输方程的高阶近似方程求解难度非常大，对于具有不规则解剖结构的复杂生物体，这些方法的计算复杂度将远远超过实际应用的承受能力。此外，这些方法也不能对存在空腔组织的情况进行准确的三维成像，如动物体的胃、膀胱等。为了对存在空腔组织的情况进行准确的三维成像，研究人员又提出了一种基于混合光传输方程的光学三维成像方法，参见Hamid Dehghani, "Optical tomography in the presence of void regions,，，Journal of Optics Society of America A 17, 1659-1670(2000)。该方法基于扩散近似方程和朗伯源特性方程，可以对同时存在高散射特性和空腔组织的生物体进行准确成像，但是由于扩散近似方程的局限性，这种方法对于具有多种散射特性组织的生物体仍然不能进行准确的成像。此外，中国科学院自动化研究所在其专利申请文件“激发荧光断层成像的快速稀疏重建方法和设备”(公开号CN102034266A,申请号201010573795. 7，申请日2010. 11. 30) 中提出了一种基于稀疏正则化策略的快速激发荧光断层成像重建方法。该方法考虑了靶向目标的稀疏分布特性，建立了基于I1范数的稀疏正则化目标函数，能够很好地改善光学三维成像的准确性和分辨率。但是该方法仅采用了单一的优化策略对目标函数进行求解，无法实现不同问题规模下，成像准确度和成像速度的最优平衡。此外，该方法还没有考虑测量数据相对于生物体区域的稀疏特性。综上所述，对于具有不规则解剖结构和多种散射特性组织的复杂生物体，已有技术中的基于单一近似方程或混合光传输方程的光学三维成像方法和基于单一优化策略的光学三维成像方法，都无法实现对生物体体内靶向目标的准确、快速、高分辨的重建。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有光学三维成像技术存在的不足，提出一种基于生物组织特异性的光学三维成像方法，以实现对具有不规则解剖结构和多种散射特性组织的复杂生物体体内靶向目标的准确、快速、高分辨率重建。实现本发明方法的主要思路是根据生物体在解剖结构和组织光学特性参数方面的特征差异，利用外推边界和折射率不匹配边界条件，建立生物组织特异性光传输混合数学模型。在该模型基础上，利用多级自适应有限元方法，结合生物体体内靶向目标的稀疏分布特性和测量数据相对于生物体区域的稀疏特性，建立完全稀疏正则化目标函数。采用基于任务导向的混合优化方法求解目标函数，实现生物体体内靶向目标的准确、快速、高分辨率重建。根据上述主要思路，本发明方法的具体实现包括如下步骤⑴采集数据利用多模态分子影像系统，依次采集用于光学三维成像的多角度荧光数据、用于光学特性参数重建的多角度激光数据和用于获取生物体解剖结构的计算机断层成像投影数据。(2)预处理2a)利用多模态分子影像系统中的预处理软件对采集的多角度激光数据和荧光数据进行去除背景噪声、提取感兴趣区域、补偿坏点预处理；2b)利用多模态分子影像系统中的预处理软件对计算机断层成像投影数据进行补偿坏点坏线、亮场校正、几何校正预处理。(3)获取解剖结构利用3DMED软件对预处理后的计算机断层成像投影数据进行三维重建，获得生物体三维体数据；利用3DMED软件中的人机交互式分割方法对获得的生物体三维体数据进行器官分割，获取生物体解剖结构。(4)获取表面光学数据对步骤C3)获取的生物体解剖结构和步骤( 获取的荧光和激光数据，应用非接触式光学断层成像方法中的生物体表面三维能量重建技术获取生物体表面的三维荧光和激光数据分布。(5)重建光学特性参数对步骤( 获取的生物体解剖结构和步骤(4)获取的生物体表面三维激光数据分布，应用基于区域的扩散光学层析成像方法重建生物体各个组织的光学特性参数。(6)建立光传输模型6a)根据生物体在解剖结构和组织光学特性参数方面的差异，将生物组织划分为高散射特性组织、低散射特性组织、空腔组织三大类；6b)根据扩散近似方程、简化球谐波近似方程、朗伯源特性方程的适用范围，采用相应的方程描述不同特性生物组织中的光传输过程；6c)构造外推边界和折射率不匹配边界条件耦合不同特性生物组织的光传输方程，建立统一的、描述光在整个生物体中传输过程的混合数学模型。(7)建立系统方程7a)如果是在第一级离散网格上建立系统方程，利用Amira软件对生物体的高散射特性和低散射特性组织进行初始离散；否则，利用编写的程序对上一级离散网格进行手动调整；7b)在第k级离散网格上，利用多级自适应有限元方法对步骤6c)建立的混合数学模型进行离散化，组装每个离散点上的子系统方程建立总的系统方程AkSk = Φ,其中，Ak是第k级离散网格上的系统矩阵，依赖于生物体内三类特性生物组织的分布和生物组织的光学特性参数；Sk是第k级离散网格上的靶向目标能量密度分布；C^k是第k级离散网格边界节点上的光通量密度。(8)建立目标函数根据第k级离散网格边界节点上的光通量密度计算值和测量值之间的误差，结合靶向目标的稀疏分布约束，建立下列目标函数
权利要求
1.基于生物组织特异性的光学三维成像方法，包括(1)采集数据利用多模态分子影像系统，依次采集用于光学三维成像的多角度荧光数据、用于光学特性参数重建的多角度激光数据和用于获取生物体解剖结构的计算机断层成像投影数据；(2)预处理2a)利用多模态分子影像系统中的预处理软件对采集的多角度激光数据和荧光数据进行去除背景噪声、提取感兴趣区域、补偿坏点预处理；2b)利用多模态分子影像系统中的预处理软件对计算机断层成像投影数据进行补偿坏点坏线、亮场校正、几何校正预处理；(3)获取解剖结构利用3DMED软件对预处理后的计算机断层成像投影数据进行三维重建，获得生物体三维体数据；利用3DMED软件中的人机交互式分割方法对获得的生物体三维体数据进行器官分割，获取生物体解剖结构；(4)获取表面光学数据对步骤C3)获取的生物体解剖结构和步骤( 获取的荧光和激光数据，应用非接触式光学断层成像方法中的生物体表面三维能量重建技术获取生物体表面的三维荧光和激光数据分布；(5)重建光学特性参数对步骤C3)获取的生物体解剖结构和步骤(4)获取的生物体表面三维激光数据分布， 应用基于区域的扩散光学层析成像方法重建生物体各个组织的光学特性参数；(6)建立光传输模型6a)根据生物体在解剖结构和组织光学特性参数方面的差异，将生物组织划分为高散射特性组织、低散射特性组织、空腔组织三大类；6b)根据扩散近似方程、简化球谐波近似方程、朗伯源特性方程的适用范围，采用相应的方程描述不同特性生物组织中的光传输过程；6c)构造外推边界和折射率不匹配边界条件耦合不同特性生物组织的光传输方程，建立统一的、描述光在整个生物体中传输过程的混合数学模型；(7)建立系统方程7a)如果是在第一级离散网格上建立系统方程，利用Amira软件对生物体的高散射特性和低散射特性组织进行初始离散；否则，利用编写的程序对上一级离散网格进行手动调整；7b)在第k级离散网格上，利用多级自适应有限元方法对步骤6c)建立的混合数学模型进行离散化，组装每个离散点上的子系统方程建立总的系统方程AkSk = Φ,其中，Ak是第k级离散网格上的系统矩阵，依赖于生物体内三类特性生物组织的分布和生物组织的光学特性参数；Sk是第k级离散网格上的靶向目标能量密度分布；Ok是第k级离散网格边界节点上的光通量密度；(8)建立目标函数根据第k级离散网格边界节点上的光通量密度计算值和测量值之间的误差，结合靶向目标的稀疏分布约束，建立下列目标函数min Q(Sk) =-ΦΓ|11I其中， (Sk)是第k级离散网格上的目标函数； ^Sf是第k级离散网格上的靶向目标能量密度的下限； 是第k级离散网格上的靶向目标能量密度的上限； ΦΓ是第k级离散网格边界节点上的光通量密度的测量值； IIFlI1定义为求解矩阵F的I1范数； λ k是第k级离散网格上的正则化因子；(9)求解目标函数9a)采用基于任务导向的混合优化方法求解建立的目标函数，根据第k级离散网格上形成的系统矩阵的大小选择合适的优化方法，获得第k级离散网格上的靶向目标能量密度分布；9b)利用靶向目标能量密度分布计算第k级离散网格边界节点上的光通量密度； 9c)判断第k级离散网格边界节点上的光通量密度的测量值和计算值之差，如果小于给定阈值，则目标函数求解过程结束，获得光学三维成像的靶向目标重建结果，转向步骤 (10)；否则，转向步骤9d)；9d)根据步骤9a)获得的靶向目标能量密度分布和步骤9b)获得的边界节点上的光通量密度计算值，调整第k+Ι级离散网格，转向步骤(7)；(10)显示结果。
2.根据权利要求1所述的基于生物组织特异性的光学三维成像方法，其特征在于所述步骤(1)中数据采集的实现是利用多模态分子影像系统等间隔采集不少于四个角度的荧光数据、不少于四个角度的激光数据、不少于360个角度的计算机断层成像投影数据。
3.根据权利要求1所述的基于生物组织特异性的光学三维成像方法，其特征在于所述步骤(1)中的荧光数据、激光数据和计算机断层成像投影数据的初始采集角度相同。
4.根据权利要求1所述的基于生物组织特异性的光学三维成像方法，其特征在于所述步骤6b)中光传输过程是采用扩散近似方程描述光在高散射特性生物组织中的传输过程，采用简化球谐波近似方程描述光在低散射特性生物组织中的传输过程，以及采用朗伯源特性方程描述光在空腔组织中的传输过程。
5.根据权利要求1所述的基于生物组织特异性的光学三维成像方法，其特征在于所述步骤9a)中根据系统矩阵的大小选择合适的优化方法是通过采用如下规则实现的对于小系统矩阵，采用求解速度较快的奇异值分解法进行求解；对于大系统矩阵，采用基于预处理系统矩阵的混合迭代法进行求解。
全文摘要
本发明公开了一种基于生物组织特异性的光学三维成像方法，解决了现有技术中无法实现对具有不规则解剖结构和多种散射特性组织的复杂生物体进行准确快速的光学三维成像的问题。该方法基于生物组织特异性光传输混合数学模型和完全稀疏正则化方法建立目标函数，采用基于任务导向的混合优化方法进行求解，以实现体内靶向目标的光学三维成像。具体实现步骤包括采集数据、预处理、获取解剖结构、获取表面光学数据、重建光学特性参数、建立光传输模型、建立系统方程、建立目标函数、求解目标函数和显示结果。本发明具有能够实现复杂生物体中光源的准确、快速、高分辨重建的优点，可以用于在体光学三维成像领域。
文档编号G06T17/00GK102393969SQ201110148500
公开日2012年3月28日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者屈晓超, 朱守平, 梁继民, 田捷, 赵恒 , 陈多芳, 陈雪利 申请人:西安电子科技大学