[發(fā)明專利]一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510051698.4
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104679946B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 駱清銘;鄧勇;羅召洋;江旭
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢開元知識產(chǎn)權代理有限公司42104
• 代理人: 唐正玉

1.一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)確定目標生物組織，對目標生物組織進行三維剖分，構建一個三維體素模型，建立一個三維數(shù)字矩陣，三維數(shù)字矩陣中每個元素與三維體素模型中體素一一對應，每個元素的數(shù)值標識一種生物組織，設置生物組織的光學特性參數(shù)：吸收系數(shù)、散射系數(shù)、熒光團吸收系數(shù)、折射率和各向異性因子；

(2)將入射光源表征為設定數(shù)目光子的集合，確定光源的初始位置和方向及探測器的位置，投放激發(fā)光光子，追蹤激發(fā)光光子在生物組織中傳輸，計算激發(fā)光光子轉化為熒光光子比例，沿著激發(fā)光路徑計算探測器上所接收到的熒光光子權重,保存激發(fā)光子的路徑信息；所述激發(fā)光光子轉化為熒光光子過程中，假定熒光是各向異性散射，熒光散射方向與激發(fā)光散射方向一致；假定所述激發(fā)光光子和熒光光子在生物組織中隨機行走的路徑相同；假定激發(fā)光在熒光區(qū)域連續(xù)激發(fā)出熒光；

步驟(2)具體按以下步驟進行：

(2.1)追蹤激發(fā)光光子在生物組織中的傳輸，沿著激發(fā)光路徑，利用公式計算激發(fā)光光子權重w(r_s,r)；

w(rs,r)=w0exp(-Σj=1pi(μaex(rj)+μaf(rj))l(rj))]]>

式中：r_s為光源位置、r為熒光激發(fā)位置；

為激發(fā)光的吸收系數(shù)、μ_af為熒光團吸收系數(shù)；

r_j(j＝1,……p_i)為激發(fā)光光子從r_s到r的第j-1次和第j次散射事件間的路徑長度；

w₀為激發(fā)光光子的初始權重、l(r_j)為在r_j微區(qū)所經(jīng)歷的路徑長度；

(2.2)如果激發(fā)光子在生物組織中的熒光區(qū)域被吸收并激發(fā)產(chǎn)生熒光，依據(jù)熒光團系數(shù)和量子效率來計算激發(fā)光轉化為熒光的概率p(r)；

p(r)＝η(1-exp(-μ_afl(r)))

式中：η為量子效率；

(2.3)沿著激發(fā)光路徑，利用公式計算熒光光子權重w(r,r_d)；

w(r,rd)=w0′exp(-Σj=pi+1qi(μaem(rj)+μaf(rj))l(rj))]]>

式中：r_d為探測器位置；

為熒光的吸收系數(shù)；

r_j(j＝p_i+1,.......q_i)為熒光光子從r到r_d的第j-1次和第j次散射事件間的路徑長度；

w₀'為熒光光子的初始權重、l(r_j)為在r_j微區(qū)所經(jīng)歷的路徑長度；

(2.4)追蹤所有的熒光光子，直到熒光光子逸出組織或死亡，計算探測器上的熒光光子權重，保存從源到探測器激發(fā)光子的路徑信息；源位置在r_s處，激發(fā)位置在r處，探測器在r_d處所接收到所有的熒光光子權重和W(r_s,r_d,r)為：

W(rs,rd,r)=Σi=1nexp(-Σj=1pi(μaex(rj)+μaf(rj))li(rj))×(1-exp(-μaf(r)li(r))×]]>

exp(-Σj=pi+1qi(μaem(rj)+μaf(rj))li(rj))η]]> 1

在非熒光區(qū)域μ_af(r_j)為0；

(3)當生物組織內的熒光團吸收系數(shù)變化時，利用保存的激發(fā)光子路徑信息，計算探測器上所接收到的熒光光子權重。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于：步驟(3)具體按以下步驟進行：

(3.1)確定生物組織內熒光團吸收系數(shù)變化的體素的索引值，并提取該體素內熒光光子所走的路徑長度；

(3.2)利用保存的激發(fā)光子路徑信息，代入下式直接計算探測器上的熒光光子權重，

W(rs,rd,r)=Σi=1nexp(-Σj=1pi(μaex(rj)+μaf(rj))li(rj))×(1-exp(-μaf(r)li(r))×exp(-Σj=pi+1qi(μaem(rj)+μaf(rj))li(rj))η.]]> 2