一种基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于数学仿真和生物医学工程领域，涉及一种基于体素的微扰荧光蒙特卡 罗模拟方法。
【背景技术】
[0002] 大多数生物组织均为高散射的三维浑浊介质，建立一个高精度和高效率的计算方 法对于荧光断层成像的定量精度有着重要的意义。蒙特卡罗是一种基于随机抽样过程的离 散统计理论方法。相比较于其它方法，蒙特卡罗方法可模拟任意几何形状，边界条件和光学 参数下的光子输运过程。由于其广泛的适用性，它作为一个模拟光子输运实际物理过程的 最直接，最有效和最可信的方法。因而，它成为了评价其它特定应用方法的金标准。
[0003] A.J.Welch最早描述了荧光在生物组织中激发和传播的规律，并提出了标准荧光 蒙特卡罗法[1]。在半无限大的层状浑浊介质中，该方法的仿真结果已经被证明是精确的 [2]。Liebert提出了运用于层状浑浊介质的微扰荧光蒙特卡罗方法[3]。在荧光断层成像 重建中，荧光团吸收系数改变时，往往需要进行一次完整的标准荧光蒙特卡罗仿真来得到 结果，计算量往往相当大；且通过CT和MRI等成像手段提供的生物组织结构信息均是基于 体素的。A.J.Welch提出的方法会给计算机造成较大的运算负担，而Liebert提出的方法只 能适用于层状模型，以上方法均无法完全满足荧光断层成像重建的需求。因此发明一种利 用一次计算保存的光子路径信息来直接计算探测器上荧光权重的基于体素的蒙特卡罗模 拟方法，可以大大节约时间，并满足此需求。
[0004] [l]ffelchAJ,GardnerC,Richards-KortumR,etal.Propagationof fluorescentlight[J]?Lasersinsurgeryandmedicine，1997,21(2) :166-178.
[0005] [2]VishwanathK,PogueB,MycekMA.Quantitativefluorescencelifetime spectroscopyinturbidmediacomparisonoftheoretical，experimentaland computationalmethods[J].PhysicsinMedicineandBiology，2002,47(18) :3387.
[0006] [3]LiebertA，WabnitzH，ZolekN，etal.MonteCarloalgorithmfor efficientsimulationoftime-resolvedfluorescenceinlayeredturbidmedia[J]. Opticsexpress，2008,16 (17) :13188-13202.
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于提供了一种在荧光团吸收系数微小变化时，快速计算探测上荧光 权重的蒙特卡罗模拟方法。该方法通过一次计算保存的光子路径信息，二次计算直接利用 保存的光子路径信息计算荧光，大大节省了模拟光子在生物组织中传输的时间。
[0008] 一种基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
[0009] (1)确定目标生物组织，对目标生物组织进行三维剖分，构建一个三维体素模型， 建立一个三维数字矩阵，三维数字矩阵中每个元素与三维体素模型中体素一一对应，每个 元素的数值标识一种生物组织，设置生物组织的光学特性参数：吸收系数、散射系数、荧光 团吸收系数、折射率和各向异性因子；
[0010] (2)将入射光源表征为设定数目光子的集合，确定光源的初始位置和方向及探测 器的位置，投放激发光光子，追踪激发光光子在生物组织中传输，计算激发光光子转化为荧 光光子比例，沿着激发光路径计算探测器上所接收到的荧光光子权重，保存光子的路径信 息；
[0011] (3)当生物组织内的荧光团吸收系数变化时，利用保存的光子路径信息，计算探测 器上所接收到的荧光光子权重。
[0012] 步骤（2)中激发光光子转化为荧光光子过程中，假定荧光是各向异性散射，荧光 散射方向与激发光散射方向一致。
[0013] 假定步骤（2)中激发光光子和荧光光子在生物组织中随机行走的路径相同。
[0014] 假定步骤（2)中激发光在荧光区域连续激发出荧光。
[0015] 步骤（2)具体按以下步骤进行：
[0016] (2. 1)追踪激发光光子在生物组织中的传输，沿着激发光路径，利用公式计算激发 光光子权重w(rs，r);
【主权项】
1. 一种基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 确定目标生物组织，对目标生物组织进行三维剖分，构建一个三维体素模型，建立 一个三维数字矩阵，三维数字矩阵中每个元素与三维体素模型中体素一一对应，每个元素 的数值标识一种生物组织，设置生物组织的光学特性参数：吸收系数、散射系数、荧光团吸 收系数、折射率和各向异性因子； (2) 将入射光源表征为设定数目光子的集合，确定光源的初始位置和方向及探测器的 位置，投放激发光光子，追踪激发光光子在生物组织中传输，计算激发光光子转化为荧光光 子比例，沿着激发光路径计算探测器上所接收到的荧光光子权重，保存光子的路径信息； (3) 当生物组织内的荧光团吸收系数变化时，利用保存的光子路径信息，计算探测器上 所接收到的荧光光子权重。
2. 根据权利要求1所述的基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：步骤 (2)中激发光光子转化为荧光光子过程中，假定荧光是各向异性散射，荧光散射方向与激发 光散射方向一致。
3. 根据权利要求1所述的基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：假定 步骤（2)中激发光光子和荧光光子在生物组织中随机行走的路径相同。
4. 根据权利要求1所述的基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：假定 步骤（2)中激发光在荧光区域连续激发出荧光。
5. 根据权利要求1所述的基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：步骤 (2)具体按以下步骤进行： (2. 1)追踪激发光光子在生物组织中的传输，沿着激发光路径，利用公式计算激发光光 子权重w (rs, r);
式中：rs为光源位置、r为荧光激发位置； /C为激发光的吸收系数、Uaf为荧光团吸收系数； rjU = 1,……Pi)为激发光光子从匕到r的第j-Ι次和第j次散射事件间的路径长 度； Wtl为激发光光子的初始权重、1为在q微区所经历的路径长度； (2. 2)如果激发光子在生物组织中的荧光区域被吸收并激发产生荧光，依据荧光团系 数和量子效率来计算激发光转化为荧光的概率P (r); p(r) = n (1-exp (-UafKr))) 式中：rI为量子效率； (2.3)沿着激发光路径，利用公式计算荧光光子权重w(r，rd);
式中：rdS探测器位置； /Ci为荧光的吸收系数； rjU = Pi+l,.......qj为荧光光子从r到rd的第j-1次和第j次散射事件间的路径 长度； Wtl'为荧光光子的初始权重、1为在h微区所经历的路径长度； (2. 4)追踪所有的荧光光子，直到荧光光子逸出组织或死亡，计算探测器上的荧光光子 权重，保存从源到探测器光子的路径信息。源位置在^处，激发位置在r处，探测器在r 所接收到所有的荧光光子权重和W(rs，rd，r)为：
在非荧光区域UafOj)为O ;
6.根据权利要求1所述的基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，其特征在于：步骤 (3)具体按以下步骤进行： (3. 1)确定生物组织内荧光团吸收系数变化的体素的索引值，并提取该体素内荧光光 子所走的路径长度； (3. 2)利用保存的荧光光子路径信息，代入下式直接计算探测器上的荧光光子权重，
【专利摘要】本发明涉及一种基于体素的微扰荧光蒙特卡罗模拟方法，将入射光源表征为设定数目光子的集合，确定光源的初始位置和方向及探测器的位置；投放激发光光子，追踪激发光光子在生物组织中传输，计算激发光光子转化为荧光光子比例，沿着激发光路径计算探测器上所接收到的荧光光子权重,保存光子的路径信息；当荧光团吸收系数微小变化时，利用保存的光子路径信息，来直接计算探测器上荧光光子权重，大大节约了模拟光子在生物组织中传输时间。本发明方法计算效率高，能够大大提高荧光断层成像重建的计算效率。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104679946
【申请号】CN201510051698
【发明人】骆清铭, 邓勇, 罗召洋, 江旭
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月30日