[發明專利]一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法

有效

• 申請號: 201510051698.4
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104679946B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（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: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 唐正玉

技術領域

本發明屬于數學仿真和生物醫學工程領域，涉及一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法。

背景技術

大多數生物組織均為高散射的三維渾濁介質，建立一個高精度和高效率的計算方法對于熒光斷層成像的定量精度有著重要的意義。蒙特卡羅是一種基于隨機抽樣過程的離散統計理論方法。相比較于其它方法，蒙特卡羅方法可模擬任意幾何形狀，邊界條件和光學參數下的光子輸運過程。由于其廣泛的適用性，它作為一個模擬光子輸運實際物理過程的最直接，最有效和最可信的方法。因而，它成為了評價其它特定應用方法的金標準。

A.J.Welch最早描述了熒光在生物組織中激發和傳播的規律，并提出了標準熒光蒙特卡羅法[1]。在半無限大的層狀渾濁介質中，該方法的仿真結果已經被證明是精確的[2]。Liebert提出了運用于層狀渾濁介質的微擾熒光蒙特卡羅方法[3]。在熒光斷層成像重建中，熒光團吸收系數改變時，往往需要進行一次完整的標準熒光蒙特卡羅仿真來得到結果，計算量往往相當大；且通過CT和MRI等成像手段提供的生物組織結構信息均是基于體素的。A.J.Welch提出的方法會給計算機造成較大的運算負擔，而Liebert提出的方法只能適用于層狀模型，以上方法均無法完全滿足熒光斷層成像重建的需求。因此發明一種利用一次計算保存的光子路徑信息來直接計算探測器上熒光權重的基于體素的蒙特卡羅模擬方法，可以大大節約時間，并滿足此需求。

[1]Welch AJ,Gardner C,Richards-Kortum R,et al.Propagation of fluorescent light[J].Lasers in surgery and medicine,1997,21(2):166-178.

[2]Vishwanath K,Pogue B,Mycek M A.Quantitative fluorescence lifetime spectroscopy in turbid media:comparison of theoretical,experimental and computational methods[J].Physics in Medicine and Biology,2002,47(18):3387.

[3]Liebert A,Wabnitz H,Zolek N,et al.Monte Carlo algorithm for efficient simulation of time-resolved fluorescence in layered turbid media[J].Optics express,2008,16(17):13188-13202.

發明內容

本發明目的在于提供了一種在熒光團吸收系數微小變化時，快速計算探測上熒光權重的蒙特卡羅模擬方法。該方法通過一次計算保存的光子路徑信息，二次計算直接利用保存的光子路徑信息計算熒光，大大節省了模擬光子在生物組織中傳輸的時間。

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，建立一個三維數字矩陣，三維數字矩陣中每個元素與三維體素模型中體素一一對應，每個元素的數值標識一種生物組織，設置生物組織的光學特性參數：吸收系數、散射系數、熒光團吸收系數、折射率和各向異性因子；

(2)將入射光源表征為設定數目光子的集合，確定光源的初始位置和方向及探測器的位置，投放激發光光子，追蹤激發光光子在生物組織中傳輸，計算激發光光子轉化為熒光光子比例，沿著激發光路徑計算探測器上所接收到的熒光光子權重,保存激發光子的路徑信息；

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

步驟(2)中激發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光散射方向一致。

假定步驟(2)中激發光光子和熒光光子在生物組織中隨機行走的路徑相同。

假定步驟(2)中激發光在熒光區域連續激發出熒光。

步驟(2)具體按以下步驟進行：

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

式中：r_s為光源位置、r為熒光激發位置；

為激發光的吸收系數、μ_af為熒光團吸收系數；