基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法

基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法，所述方法包括以下步骤：获取目标对象多个角度的二维白光图像和二维荧光图像及二维白光标记点分布；重建目标对象的三维表面结构；网格剖分得到匀质体模型；对标志物的三维坐标配准得到旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差；将二维荧光图像荧光信号映射到匀质体模型中，得到荧光表面光强信息；建立光子在目标对象内部的扩散传输模型；建立优化目标函数并求解得到目标对象内部的最优光强分布，进而得到生物自发荧光的发光光源分布，即生物自发荧光成像结果。本发明能有效地应用于目标体全身生理代谢的研究，重建效率高且适用于成像系统性能较低或者实验环境较差的情况。
【专利说明】
基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法
技术领域
[0001] 本发明属于医学分子影像领域，涉及计算机视觉与自发荧光断层成像方法，尤其 是一种融合了多角度光学图像进行光学投影的3D表面重建与基于分裂布雷格曼的自发荧 光断层成像技术。
【背景技术】
[0002] 光学成像技术是近年来新兴的一种分子影像技术，具有高灵敏度，辐射非电离，操 作简便等优点，逐渐成为小动物在体成像相关研究中的一类重要模态，是一种可以在细胞 分子水平上实现生物组织内部生物物理过程进行无创实时动态连续成像的一种技术。其通 过获取到的目标体表面出射光强分布，探测到在目标体内部的光源分布，则能够对目标体 进行定量化研究，为荧光光源提供三维的定位信息。
[0003] 目前主要的小动物自发荧光成像普遍采用的方法是结合BLI模态和CT模态。通过 BLI模态获得肿瘤病灶的荧光分布，通过CT模态获得三维空间解剖结构信息，再根据CT得到 的几何结构信息获取空间非匀质模型，进而进行光源重建。但由于CT在采集过程中会产生 辐射，因而传统三维空间解剖信息获取过程会对拍摄对象、拍摄人员以及环境造成一定的 危害，由此，使用纯光学的三维重建来获取拍摄对象的三维结构信息显得尤为重要。
[0004] 基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法有别于传统CT重建获取三维空间解 剖信息的方法，其使用二次校正多角度光学投影表面重建获取成像对象的三维匀质空间信 息。在提供三维匀质空间信息的同时，该光学投影表面重建方法也受到了本荧光成像方法 中单个标记物分别在多个角度下配准得到的三维位置信息的二次校正，从而消减了光学投 影表面重建对象不在旋转中心，以及旋转中心与光心外法向量间存在距离偏差的不良影 响。
[0005] 此外，由于单纯使用光学投影表面重建得到的三维匀质空间信息缺乏解剖信息， 将光学投影表面重建替换传统的CT成像会对重建结果造成不良影响。因此，本发明方法选 取分裂布雷格曼重建方法来进行自发荧光成像。分裂布雷格曼重建方法是一种非常有效的 数值计算方法，且近年来被广泛应用于各类图像去噪，压缩感知等领域。本发明方法以分裂 布雷格曼作为自发荧光重建方法，以保证即使在三维光学投影表面重建获取的匀质空间信 息下，也能得到良好的光源强度和光源位置的重建结果。此外，将代理模型结合到分裂布雷 格曼中，能够加速布雷格曼算法的运算速度。通过将多角度光学投影表面重建和分裂布雷 格曼的有效结合，本发明方法能够达到良好的纯光学自发荧光成像方法。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是提供一种结合了基于二次校正的多角度光学投影表面重建和分 裂布雷格曼重建算法的纯光学的生物自发光三维成像方法。该方法使用自制的多角度光学 投影表面重建系统，利用高性能探测器多角度拍摄成像对象表面信息，重建形成成像对象 的三维空间匀质结构，并使用分裂布雷格曼重建方法提高成像对象体内光源的光强分布重 建。
[0007] 为了实现上述目的，本发明基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法包括以下 步骤：
[0008] 步骤1:获取目标对象多个角度的二维白光图像和二维荧光图像，并基于得到的二 维白光图像获取白光环境下目标对象周围人为设置的标记物在二维白光图像中的二维像 素坐标，即二维白光标记点分布；
[0009] 步骤2:基于所述步骤1得到的二维白光标记点分布将所述目标对象多个角度的二 维白光图像重建成目标对象的三维表面结构；
[0010] 步骤3:对所述步骤2得到的目标对象的三维表面结构进行网格剖分，得到目标对 象的匀质体模型；
[0011]步骤4:使用基于小孔成像的线性映射方法，将二维白光图中人为设置的标志物在 二维白光图中的二维像素坐标与所述步骤3得到的匀质体模型中相应标记物的三维坐标进 行配准，得到旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差；
[0012]步骤5:如果所述旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差大于某一预定阈值，则 对所述二维白光图像进行相应的平移补偿，再返回步骤2，否则，进入步骤6;
[0013]步骤6:将所述二维荧光图像上的荧光信号，同样按照小孔成像的原理，映射到所 述匀质体模型中，得到荧光表面光强信息；
[0014]步骤7:建立光子在目标对象内部的扩散传输模型；
[0015]步骤8:基于所述荧光表面光强信息，将所述扩散传输模型转换为线性矩阵方程； [0016]步骤9:建立重建优化目标函数；
[0017]步骤10:求解所述重建优化目标函数，得到目标对象内部的最优光强分布，进而得 到生物自发荧光的发光光源分布，即生物自发荧光成像结果。
[0018] 可选地，所述步骤2中，利用视觉外壳进行目标对象三维表面结构的重建。
[0019] 可选地，所述步骤4中，使用基于小孔成像的线性映射方法，将标志物在二维白光 图中的二维像素坐标与匀质体模型中相应标记物的三维坐标进行配准。
[0020] 可选地，所述步骤4进一步包括以下步骤：
[0021] 步骤41，计算承载目标对象的旋转台的旋转中心与相机之间的距离D;
[0022]步骤42,根据旋转中心与相机之间的距离D，以及成像结果中同一个标记点在旋转 180度前后的坐标变化的中心线的中点〇，计算得到相机光心在以旋转台旋转轴线的中点为 坐标原点的三维直角坐标系中的对应位置〇;
[0023]步骤43,根据位置0得到旋转台的旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差。
[0024] 可选地，所述步骤6进一步包括以下步骤：
[0025]步骤61，已知相机光心位置，通过小孔成像原理，将匀质体模型表面点映射到二维 荧光图像中，并剔除表面点中的背面点；
[0026] 步骤62,将表面点映射所在位置的荧光强度赋值给该表面点，得到荧光表面光强 信息。
[0027] 可选地，所述线性矩阵方程表示为：
[0028] = Φ，
[0029] 其中，A是描述模型性质的系统矩阵，S表示待求解的目标对象内部的光强分布，Φ 表不焚光表面光强信息在勾质体模型表面上的分布。
[0030]可选地，所述重建优化目标函数为：
[0032] 其中，μ为正则化参数，I |S| h表示h范数。
[0033] 可选地，所述步骤10进一步包括以下步骤：
[0034] 步骤101，利用布雷格曼迭代算法构建所述重建优化目标函数在布雷格曼距离基 础上的L1正则项变化形式；
[0035]步骤102,利用分裂布雷格曼迭代算法消除布雷格曼迭代过程中存在的正则项非 凸问题，得到与所述重建优化目标函数的求解式等价的两个子问题；
[0036] 步骤103,对于所述两个子问题进行求解，得到目标对象内部的光强分布S;
[0037] 步骤104,根据目标对象内部的光强分布S计算
判断R<〇.l是否为 假，若是则执行k = k+l，并跳至所述步骤103,进入下一次迭代;若为真，则重建停止。
[0038] 可选地，所述两个子问题表示为：
[0041] 其中，Sk+1表示第k次迭代后的S，dk+1表示迭代k次后的分裂变量，M(S)x|X5'-^，λ 表示分裂布雷格曼算法参数，j(s)表示正则项，Y 表示迭代产生的残量。
[0042] 可选地，所述步骤103中利用分裂布雷格曼迭代算第一个子问题，并将分裂布雷格 曼迭代算法与sorrogate代理模型方法结合，降低分裂布雷格曼迭代算第一个子问题的计 算复杂度。
[0043]本发明的有益效果是:使用多角度光学投影表面重建获得的成像对象三维空间表 面结构，可以有效避免CT过程的辐射危害，并且使用荧光成像配准系统中的标志物来二次 校正光学投影表面重建，能够提高二次教正光学投影结果。此外，由于光学投影表面重建获 得的匀质模型并不利于生物自发荧光成像的光源强度以及光源位置的重建，故本发明方法 通过将分裂布雷格曼重建算法与多角度光学投影表面重建联合运用，能够有效地提供纯光 学的有效的生物自发荧光成像。
【附图说明】
[0044] 图1为根据本发明一实施例的基于纯光学系统的生物自发光快速三维成像方法的 流程图。
[0045] 图2为基于多角度光学投影表面重接方法的白光采集过程，其中图2(a)为多角度 采集小鼠表面白光图片的过程及所使用的设备，图2(b)为旋转0度时小鼠表面荧光配准的 过程，图2 (c)为旋转48度时小鼠表面荧光配准过程。
[0046] 图3为荧光成像系统设备上的标记物展示。
[0047] 图4为在小鼠匀质体表面配准荧光信息的结果图。
[0048] 图5为在小鼠匀质体下分裂布雷格曼重建算法得到的小鼠体内光源重建结果。
[0049] 图6为圆盘上的标记物的分布设计图。
【具体实施方式】
[0050] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0051] 本发明是一种结合了基于二次校正的多角度光学投影表面重建和分裂布雷格曼 重建算法的纯光学生物自发光三维成像方法。基于二次校正多角度光学投影表面重建是一 种借助多角度二维图像的拍摄结果进行物体表面三维结构重建，为荧光配准提供空间信息 的方法，并且利用荧光配准信息在各个角度下同一个标志物的位置偏差推算相机光心偏 差，进而修正相机光心与拍摄对象旋转中心间的距离偏差，将荧光成像系统和多角度光学 投影表面重建进行互补融合，并建立了一种基于纯光学系统的生物自发光快速三维成像方 法。其中，纯光学系统是指没有使用计算机断层扫描(Computer Tomography)或者核磁造影 成像(Magnetic Resonance Imaging)，而是使用光学三维表面重建方法来得到生物自发光 重建对象的三维结构信息的系统。
[0052] 自发荧光断层成像，通过对小动物打入转基因肿瘤细胞，使得小动物在病灶处产 生荧光蛋白酶，进而通过静脉注射荧光底物，使肿瘤细胞在蛋白酶催化作用下发射出近红 外光。发射光在生物体中传递，不断受到组织器官的吸收和散射，最终有一部分光子来到动 物体表面，被高灵敏度相机捕捉。将相机捕捉的表面荧光信息与动物的三维空间结构融合， 并使用合理的重建算法，自发荧光成像将获得动物体内的光源强度分布。
[0053]图1为根据本发明一实施例的基于纯光学系统的生物自发光快速三维成像方法的 流程图，在本实施例中，利用高性能CCD相机在目标体周围360°方向上，均匀地获取N幅白光 图像及相同位置的荧光图像，用于进行目标体表面轮廓的重建，并且通过捕捉目标体在自 发荧光断层成像中出射的表面光强分布，融合表面轮廓结构信息，采用分裂布雷格曼迭代 算法重建得到目标体的光源分布。如图1所示，所述方法包括以下步骤：
[0054]步骤1:获取目标对象多个角度的二维白光图像和二维荧光图像，并基于得到的二 维白光图像获取白光环境下目标对象周围人为设置的标记物在二维白光图像中的二维像 素坐标，即二维白光标记点分布；
[0055] 其中，所述标记物分为两种，一种是在固定目标对象的物体上设置的标记物，诸如 圆洞(见图3)，另一种是在固定目标对象的物体下方放置的圆盘上设置的圆洞(见图2(a)和 图6)。
[0056] 其中，优选使用高灵敏相机来获得目标对象多个角度的二维白光图像和二维荧光 图像。
[0057] 需要注意的是，所述人为设置的标记物是人为地在目标对象的物体上安置的固体 标志物，其外形需要清楚可见，如图3所示，当然也可以采用其他外形清晰的标志物，本发明 对其不作具体限定。
[0058]步骤2:基于所述步骤1得到的二维白光标记点分布将所述目标对象多个角度的二 维白光图像重建成目标对象的三维表面结构；
[0059]在本发明一实施例中，采用"Visual Hull视觉外壳"进行目标对象三维表面结构 的重建，其中，"Visual Hull视觉外壳"是一种基于多视点拍摄的二维图像进行物体表面轮 廓三维重建的成熟技术。本发明所使用的"Visual Hull视觉外壳"方法为matlab下现有的 工具包。
[0060]步骤3:对所述步骤2得到的目标对象的三维表面结构进行网格剖分，得到目标对 象的匀质体模型；
[0061]步骤4:使用基于小孔成像的线性映射方法，将二维白光图中人为设置的标志物在 二维白光图中的二维像素坐标与所述步骤3得到的匀质体模型中相应标记物的三维坐标进 行配准，得到旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差；
[0062] 所述步骤4进一步包括以下步骤：
[0063]步骤41，计算承载目标对象的旋转台的旋转中心与相机之间的距离D;
[0064] 记标记物所在圆盘(见图6)的直径已知为R，由圆盘在成像平面得到的椭圆图像的 长径为r，得到承载目标对象的旋转台的旋转中心与相机之间的距离D为：
[0065] D=(RXd)/r
[0066] 其中，d为相机成像平面到相机光心的距离。
[0067]步骤42,根据旋转中心与相机之间的距离D，以及成像结果中同一个标记点在旋转 180度前后的坐标变化的中心线的中点〇,计算得到相机光心在以旋转台（见图2)旋转轴线 的中点为坐标原点的三维直角坐标系（轴线为Z轴）中的对应位置0,其中，记光心法向量向 外为系统中Z轴正方向：
[0068] 0=[0XD/d -D]
[0069] 步骤43,根据位置0得到旋转台的旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差| |0 2 〇
[0070] 步骤5:如果所述旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差大于某一预定阈值，比 如1mm，则使用图像处理方法对所述二维白光图像进行相应的平移补偿，再返回步骤2,否 贝1J，进入步骤6;
[0071] 步骤6:将所述二维荧光图像上的荧光信号，同样按照小孔成像的原理，映射到所 述匀质体模型中，得到荧光表面光强信息；
[0072] 所述步骤6进一步包括以下步骤：
[0073]步骤61，已知相机光心位置，通过小孔成像原理，将匀质体模型表面点映射到二维 荧光图像中，并剔除表面点中的背面点，即被物体自身遮挡住的点，映射公式如下
[0074] i = -IXd/D
[0075] 其中，I为三维空间中表面点位置，i为该表面点在二维荧光图像上的映射位置。
[0076] 步骤62,将表面点映射所在位置的荧光强度赋值给该表面点，得到荧光表面光强 信息。
[0077] 步骤7 :建立光子在目标对象内部的扩散传输模型；
[0078] 在本发明一实施例中，采用波尔兹曼传输方程的一阶球谐近似得到的扩散方程来 建立光子在目标对象内部的扩散传输模型。
[0079]步骤8:基于所述荧光表面光强信息，将所述扩散传输模型转换为线性矩阵方程； [0080]在本发明一实施例中，利用有限元方法将所述扩散传输模型转换为线性矩阵方 程= Φ，其中，A是描述模型性质的系统矩阵，S表示待求解的目标对象内部的光强分布， Φ表示步骤6中获得的荧光表面光强信息在匀质体模型表面上的分布。
[0081]步骤9:建立重建优化目标函数；
[0082]该函数利用L1正则项进行稀疏重建，具体地，该函数在荧光光源，即肿瘤源分布相 较目标对象身体而言稀疏的先验知识下进行光源分布的三维重建，从而提高重建精度。 [0083]在本发明一实施例中，利用正则理论建立如下式所示的重建优化目标函数：
[0085]其中，μ为正则化参数，| |S| 表示h范数。
[0086]步骤10:求解所述重建优化目标函数，得到目标对象内部的最优光强分布，该分布 结果代表匀质体模型中各个点的光强值，进而得到生物自发荧光的发光光源分布，即生物 自发荧光成像结果(见图4)。
[0087] 所述步骤10进一步包括以下步骤：
[0088]步骤101，利用布雷格曼迭代算法构建所述重建优化目标函数在布雷格曼距离基 础上的L1正则项变化形式；
[0089]所述布雷格曼迭代算法从次梯度的角度，使用布雷格曼距离代替原本所述重建优 化目标函数中的正则项J(S)，在本方法中为步骤9优化目标函数中的S(该正则项为凸函 数），进而提高迭代收敛速率。
[0090]其中，对于函数J上的11，？两点，布雷格曼距离定义为：
[0091 ] /.)! {//, r) - - (P" u -
[0092]其中，P是函数J在v点的次梯度，<P，u-V>为内积算子。
[0093]步骤102,利用分裂布雷格曼迭代算法消除布雷格曼迭代过程中存在的正则项非 凸问题，得到与所述重建优化目标函数的求解式等价的两个子问题；
[0094] 该步骤中，当函数J是步骤9中的L1正则项问题时，引入分裂思想，即设立一个分裂 变量d，其理论上等于正则项J(u)，用来解决布雷格曼迭代过程中存在的正则项非凸问题， 得到分裂布雷格曼迭代算法，提高收敛速度。
[0095]采用分裂布雷格曼迭代框架，并经过公式整理，所述重建优化目标函数的求解式 等价于求解下面两个子问题：
[0098] 其中，Sk+1表示第k次迭代后的S，dk+1表示迭代k次后的分裂变量，Μ(外x||AS-<||，入 表示分裂布雷格曼算法参数，J(S)表示正则项，表示迭代产生的残量，由 次梯度P整理得到。
[0099] 步骤103,对于所述两个子问题进行求解，得到目标对象内部的光强分布S;
[0100] 该步骤中，针对步骤102得到的两个子问题中的第一个子问题，本实施例使用分裂 布雷格曼迭代算法，分别对S和d进行迭代更新，其中对S的更新涉及到基于对
的 最优化求解问题，故通过"surrogate代理模型"方法，将该项进行解耦，得到S中每个元素独 自的计算表达式，其中，μ是正则化参数，λ是分裂布雷格曼算法参数，h代表迭代残量b的第 i个元素，叫代表矩阵A的一个元素，ai为矩阵A的第i行，m为矩阵A的行向量：
[0103]其中，"surrogate model代理模型"是指一种计算量小，但其结果与高精度模型的 计算结果相似的分析模型。使用代理模型替代原有的高精度分析模型，能够有效的减少计 算过程的计算量，进而提高计算效率。
[0104] 步骤104,根据目标对象内部的光强分布S计算
，判断R<〇.l是否为 假，若是则执行k = k+l，并跳至所述步骤103,进入下一次迭代;若为真，则重建停止。
[0105] 本发明将多角度光学投影表面重建与多角度荧光配准系统相结合，用多角度光学 投影表面重建为荧光配准系统提供物体表面空间结构，而荧光配准系统的配准偏差又能反 应实际多角度光学投影表面重建中的标定偏差。此外，使用多角度光学投影表面重建的方 法，可以避开传统CT产生辐射的问题，进而得到代替断层扫描的三维物体表面结构，获取匀 质体模型，然后使用分裂布雷格曼重建算法，并结合代理模型解耦布雷格曼算法的迭代过 程，使三维自发荧光重建结果，即使在匀质体模型下，也能快速地得到较为准确的光源分布 信息，从而使整个系统成为了一个良好的光学三维自发荧光成像系统。
[0106] 本发明所搭建的光学系统平台的空间标记点与"Visual Hull"多角度光学投影表 面重建方法进行组合，形成一种改良型的二次校准"Visual Hull"多角度投影重建系统。使 用单个空间标记点在多个角度下分别配准之后的位置偏差进行估算，进而补偿多角度光学 投影表面重建时，被重建物体的旋转轴心与相机镜头光心处之间的距离偏差，从而为 "Visual Hull"表面重建进行二次校准。
[0107] 本发明使用基于多角度的光学投影表面重建过程获得对象模型的空间匀质模型 和表面光斑分布。
[0108] 本发明将基于L1范数的分裂布雷格曼重建算法用于自发荧光光源重建，克服基于 多角度的光学投影表面重建获得的空间匀质模型下重建精准下降问题。
[0109] 本发明将代理模型替换传统的分裂布雷格曼算法的L2求解环节，得到改良的分裂 布雷格曼算法。
[0110] 本发明将分裂布雷格曼重建算法和基于多角度的光学投影表面重建结合，使重建 系统能够在纯光学的体系下依旧保持良好的重建结果。
[0111] 综上，本发明使用纯光学进行三维表面重建和自发荧光断层成像，尤其是使用经 过成像系统二次校正的纯光学三维表面重建代替传统的计算机断层扫描，并与以分裂布雷 格曼重建算法为核心的自发荧光光源定位方法进行有效地结合。这种技术所使用的二次校 正方法能够避免一般的多角度光学投影表面重建在实际拍摄时由于拍摄对象与旋转中心 之间的偏差，旋转中心与光心之间的偏差产生的不良影响。而该光学投影表面重建得到的 三维物体表面结构能够代替传统的CT，进而避免CT辐射在成像中带来的危害。此外，本发明 方法巧妙地结合了分裂布雷格曼重建算法，使其在光学投影得到的匀质模型中也能得到良 好的目标体内部光源强度与位置结果。本发明技术方案的要点在于，利用成像系统上标志 物对多角度光学投影表面重建进行二次校正，而光学投影表面重接结果又进而为成像系统 提供三维表面结构。在这种架构下，本发明方法使多角度光学图像进行光学投影的3D表面 重建与多角度荧光进行互补融合。之后再使用扩散方程建立光子传输模型，采用分裂布雷 格曼重建算法对自发荧光内部光源，进行精确重建。本发明技术能有效地应用于目标体全 身生理代谢的研究，重建效率高且适用于成像系统性能较低或者实验环境较差的情况。
[0112] 请参阅图2为基于多角度光学投影表面重建环节多角度白光图像拍摄过程，图2 (a)为多角度采集小鼠表面白光图片的过程及所使用的设备，图2(b)为旋转0度时小鼠表面 荧光配准的过程，图2(c)为旋转48度时小鼠表面荧光配准过程。通过对小鼠进行旋转，进而 拍摄多张小鼠白光图像，进而使用Visual Hall进行老鼠三维表面结构重建。图4给出了将 拍摄的荧光图像配准在小鼠匀质体模型上的结果。
[0113] 请参阅图3为荧光光学成像系统设备上的标识物。图中白十字标注的为其中一个 标志物。通过这些标志物，将白光图与匀质体模型进行配准，将得到在当前角度下该标志物 的三维空间位置。然后综合考量同一个标志物在不同角度下重建得到的三维空间位置，进 而计算旋转中心与光心的偏差。
[0114] 请参阅图5为结合了基于多角度光学投影表面重建和分裂布雷格曼重建算法的三 维重建结果，左边一列是CT中，光源（人工内置的光源，仿微小肿瘤）的位置，右边一列是重 建得到的肿瘤，重建对象为缝入了荧光棒的老鼠模型。可以看出，本发明所构建的三维自发 荧光成像方法可以很好的获得成像对象的光源分布结果。
[0115] 请参阅图6为圆盘上的标记物的分布设计图。该圆盘上标记了32个标记孔，且每个 方向的的标记孔队列由小孔和大孔由圆心到边缘以不同排列顺序组成，从而在二维白光图 中确认各个标记孔队列位置，进而确认转盘方向。
[0116] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于纯光学系统的生物自发光Ξ维成像方法，其特征在于，所述方法包括W下 步骤： 步骤1:获取目标对象多个角度的二维白光图像和二维巧光图像，并基于得到的二维白 光图像获取白光环境下目标对象周围人为设置的标记物在二维白光图像中的二维像素坐 标，即二维白光标记点分布； 步骤2:基于所述步骤1得到的二维白光标记点分布将所述目标对象多个角度的二维白 光图像重建成目标对象的Ξ维表面结构； 步骤3:对所述步骤2得到的目标对象的Ξ维表面结构进行网格剖分，得到目标对象的 匀质体模型； 步骤4:使用基于小孔成像的线性映射方法，将二维白光图中人为设置的标志物在二维 白光图中的二维像素坐标与所述步骤3得到的匀质体模型中相应标记物的Ξ维坐标进行配 准，得到旋转中轴线与光屯、外法向量间的距离偏差； 步骤5:如果所述旋转中轴线与光屯、外法向量间的距离偏差大于某一预定阔值，则对所 述二维白光图像进行相应的平移补偿，再返回步骤2，否则，进入步骤6; 步骤6:将所述二维巧光图像上的巧光信号，同样按照小孔成像的原理，映射到所述匀 质体模型中，得到巧光表面光强信息； 步骤7:建立光子在目标对象内部的扩散传输模型； 步骤8:基于所述巧光表面光强信息，将所述扩散传输模型转换为线性矩阵方程； 步骤9:建立重建优化目标函数； 步骤10:求解所述重建优化目标函数，得到目标对象内部的最优光强分布，进而得到生 物自发巧光的发光光源分布，即生物自发巧光成像结果。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，利用视觉外壳进行目标对象 Ξ维表面结构的重建。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，使用基于小孔成像的线性映 射方法，将标志物在二维白光图中的二维像素坐标与匀质体模型中相应标记物的Ξ维坐标 进行配准。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括W下步骤： 步骤41，计算承载目标对象的旋转台的旋转中屯、与相机之间的距离D; 步骤42,根据旋转中屯、与相机之间的距离D，W及成像结果中同一个标记点在旋转180 度前后的坐标变化的中屯、线的中点0,计算得到相机光屯、在W旋转台旋转轴线的中点为坐 标原点的Ξ维直角坐标系中的对应位置0; 步骤43,根据位置0得到旋转台的旋转中轴线与光屯、外法向量间的距离偏差。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6进一步包括W下步骤： 步骤61，已知相机光屯、位置，通过小孔成像原理，将匀质体模型表面点映射到二维巧光 图像中，并剔除表面点中的背面点； 步骤62,将表面点映射所在位置的巧光强度赋值给该表面点，得到巧光表面光强信息。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性矩阵方程表示为： 乂S -受， 其中，A是描述模型性质的系统矩阵，S表示待求解的目标对象内部的光强分布，Φ表示 巧光表面光强信息在匀质体模型表面上的分布。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述重建优化目标函数为：其中，μ为正则化参数，I |s| |i表示h范数。8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤10进一步包括W下步骤： 步骤101，利用布雷格曼迭代算法构建所述重建优化目标函数在布雷格曼距离基础上 的L1正则项变化形式； 步骤102,利用分裂布雷格曼迭代算法消除布雷格曼迭代过程中存在的正则项非凸问 题，得到与所述重建优化目标函数的求解式等价的两个子问题； 步骤103，对于所述两个子问题进行求解，得到目标对象内部的光强分布S; 步骤104,根据目标对象内部的光强分布S计算，判断R<〇.l是否为假，若 是则执行k=k+l，并跳至所述步骤103,进入下一次迭代;若为真，则重建停止。9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述两个子问题表示为：其中，Sk+i表示第k次迭代后的S，dk+i表示迭代k次后的分裂变量、表 示分裂布雷格曼算法参数，J(S)表示正则项：t示迭代产生的残量。10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤103中利用分裂布雷格曼迭代算 第一个子问题，并将分裂布雷格曼迭代算法与sorrogate代理模型方法结合，降低分裂布雷 格曼迭代算第一个子问题的计算复杂度。
【文档编号】A61B5/00GK106097437SQ201610417527
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610417527.3, CN 106097437 A, CN 106097437A, CN 201610417527, CN-A-106097437, CN106097437 A, CN106097437A, CN201610417527, CN201610417527.3
【发明人】田捷, 王坤, 高源 , 张爽, 刘红波
【申请人】中国科学院自动化研究所