一种激发荧光断层成像重建方法与流程

本发明涉及光学分子影像，具体涉及一种激发荧光断层成像重建方法。

背景技术：

1、荧光分子断层成像(fluorescence molecular tomography，fmt)是近年来一种新兴光学分子影像技术，其利用荧光探针对待成像物体(一般为小鼠、裸鼠等生物体)进行标记，在外部激发光源的照射下，荧光探针发出特定波长的荧光信号。在待成像物体外部，利用高灵敏度的荧光ccd相机，探测透射至待成像物体外部的光子，结合光传输模型，利用数学方法对待成像物体内部的荧光探针进行重建，从而获得荧光探针的位置和浓度信息。荧光分子断层成像在基因病理学、肿瘤诊断学、细胞和分子生物学等学科领域具有广泛的应用前景。

2、荧光分子断层成像的逆问题具有严重病态性，根本原因在于光的强散射特性，使得光子在生物体内部不再沿直线传播，而是经过大量无规则的散射过程。同时，采集的荧光分布信息局限于待成像物体表面，而且采样点数量有限，使得逆问题属于典型的欠定方程求解问题，进一步增加了逆问题求解的不适定性。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种激发荧光断层成像重建方法，能够有效克服现有技术所存在的不能对激发荧光断层成像进行准确重建的缺陷。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种激发荧光断层成像重建方法，包括以下步骤：

6、s1、通过激发光源激发荧光探针，并采集待成像物体表面的荧光分布信息；

7、s2、获取待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数；

8、s3、对待成像物体进行离散，获得有限元网格；

9、s4、基于光传输模型和有限元理论，将待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，构建待成像物体表面的荧光分布信息荧光分布信息与待成像物体内部的荧光探针之间的线性关系；

10、s5、将线性关系转化为l1范数极小化问题，采用自适应快速迭代收缩阈值算法进行求解，得到第一荧光探针重建结果；

11、s6、将线性关系转化为l1/2范数极小化问题，采用半阈值迭代算法进行求解，得到第二荧光探针重建结果；

12、s7、结合第一荧光探针重建结果和第二荧光探针重建结果，得到最终荧光探针重建结果，并进行显示。

13、优选地，s1中通过激发光源激发荧光探针，并采集待成像物体表面的荧光分布信息，包括：

14、利用激发光源照射待成像物体，待成像物体内部的荧光探针受到激发后发出特定波长的荧光信号，通过光学仪器采集待成像物体表面的荧光分布信息；

15、其中，待成像物体位于转台上，以实现激发光源对待成像物体的多点激发及光学仪器对待成像物体表面的荧光分布信息的多角度采集。

16、优选地，s2中获取待成像物体的解剖结构信息，包括：

17、对计算机断层成像投影数据进行三维重建，并用3dmed软件进行处理获得待成像物体的三维体数据；

18、采用3dmed软件中的人机交互式半自动化分割方法对三维体数据进行组织分割，获得待成像物体的解剖结构信息。

19、优选地，s2中获取待成像物体的光学特性参数，包括：

20、利用待成像物体的解剖结构信息，以及应用基于生物组织特异性的光学三维重建方法的基于区域的扩散光学层析成像算法，获得待成像物体内部各组织的光学特性参数。

21、优选地，s4中基于光传输模型和有限元理论，将待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，构建待成像物体表面的荧光分布信息荧光分布信息与待成像物体内部的荧光探针之间的线性关系，包括：

22、采用扩散近似方程来描述光子在待成像物体内的传播过程；

23、基于有限元理论，并融合待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数，将扩散近似方程离散，构建待成像物体表面的荧光分布信息荧光分布信息与待成像物体内部的荧光探针之间的线性关系：

24、φ＝ax

25、其中，φ为待成像物体表面的光通量密度，x为待成像物体内部的荧光探针的三维分布与浓度，a为系统矩阵。

26、优选地，s5中将线性关系转化为l1范数极小化问题，包括：

27、采用下式表示l1范数极小化问题：

28、

29、其中，λ1为正则化参数。

30、优选地，s5中采用自适应快速迭代收缩阈值算法进行求解，得到第一荧光探针重建结果，包括：

31、对利普希茨常数、扩增因子、缩减因子和初始迭代点进行初始化，采用自适应快速迭代收缩阈值算法进行迭代求解，直至满足迭代条件，输出第一荧光探针重建结果x1。

32、优选地，s6中将线性关系转化为l1/2范数极小化问题，包括：

33、采用下式表示l1/2范数极小化问题：

34、

35、其中，λ2为正则化参数。

36、优选地，s6中采用半阈值迭代算法进行求解，得到第二荧光探针重建结果，包括：

37、引入半阈值算子，采用半阈值迭代算法进行迭代求解，直至满足迭代条件，输出第二荧光探针重建结果x2。

38、优选地，s7中结合第一荧光探针重建结果和第二荧光探针重建结果，得到最终荧光探针重建结果，并进行显示，包括：

39、结合第一荧光探针重建结果x1和第二荧光探针重建结果x2，得到最终荧光探针重建结果x’；

40、将最终荧光探针重建结果x’与待成像物体的解剖结构信息进行融合，通过tecplot软件进行显示。

41、(三)有益效果

42、与现有技术相比，本发明所提供的一种激发荧光断层成像重建方法，通过激发光源激发荧光探针，并采集待成像物体表面的荧光分布信息，获取待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数，对待成像物体进行离散，获得有限元网格，基于光传输模型和有限元理论，将待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，构建待成像物体表面的荧光分布信息荧光分布信息与待成像物体内部的荧光探针之间的线性关系，通过将线性关系转化为不同的范数极小化问题，并采用适应性算法进行求解，能够得到相应的荧光探针重建结果，结合不同数学模型下得到的荧光探针重建结果，能够实现对激发荧光断层成像的准确重建。

技术特征：

1.一种激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s1中通过激发光源激发荧光探针，并采集待成像物体表面的荧光分布信息，包括：

3.根据权利要求2所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s2中获取待成像物体的解剖结构信息，包括：

4.根据权利要求3所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s2中获取待成像物体的光学特性参数，包括：

5.根据权利要求4所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s4中基于光传输模型和有限元理论，将待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，构建待成像物体表面的荧光分布信息荧光分布信息与待成像物体内部的荧光探针之间的线性关系，包括：

6.根据权利要求5所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s5中将线性关系转化为l1范数极小化问题，包括：

7.根据权利要求6所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s5中采用自适应快速迭代收缩阈值算法进行求解，得到第一荧光探针重建结果，包括：

8.根据权利要求5所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s6中将线性关系转化为l1/2范数极小化问题，包括：

9.根据权利要求8所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s6中采用半阈值迭代算法进行求解，得到第二荧光探针重建结果，包括：

10.根据权利要求1所述的激发荧光断层成像重建方法，其特征在于：s7中结合第一荧光探针重建结果和第二荧光探针重建结果，得到最终荧光探针重建结果，并进行显示，包括：

技术总结
本发明涉及光学分子影像，具体涉及一种激发荧光断层成像重建方法，通过激发光源激发荧光探针，并采集待成像物体表面的荧光分布信息；获取待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数；对待成像物体进行离散，获得有限元网格；基于光传输模型和有限元理论，将待成像物体的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，构建待成像物体表面的荧光分布信息荧光分布信息与待成像物体内部的荧光探针之间的线性关系；将线性关系转化为L1范数极小化问题，采用自适应快速迭代收缩阈值算法进行求解，得到第一荧光探针重建结果；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的不能对激发荧光断层成像进行准确重建的缺陷。

技术研发人员：窦少彬,左兆陆
受保护的技术使用者：苏州阿尔忒计算技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15