[發明專利]一種基于半閾值追蹤算法的熒光分子斷層成像重建方法

在審

• 申請號: 201710448650.6
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107220961A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 賀小偉;何雪磊;易黃建;陳雁蓉;王曉東;侯榆青;宋小磊
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: G06T5/50
• 分類號: G06T5/50;G06T15/00;G06F17/50;A61B5/00
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司61227
• 代理人: 黃偉洪,何畏

技術領域

本發明屬于分子影像技術領域，尤其涉及一種基于半閾值追蹤算法的熒光分子斷層成像重建方法。

背景技術

熒光分子斷層成像(簡稱FMT)是近年發展起來的一種具有在體研究前景的新型成像模態。它利用外部近紅外光光源激發熒光探針(熒光團、熒光染料等)，使熒光探針發射光子，利用熒光采集裝置(一般為CCD相機)收集熒光信號，結合光傳輸模型的數學建模，可以獲得重建目標內熒光探針的位置和濃度，實現對活體狀態下的生物過程進行細胞和分子水平的定性和定量研究。目前被廣泛用于疾病早期診斷、療效監測、新藥研發等領域。熒光分子斷層成像的數學模型屬于逆問題，具有嚴重病態性。根本原因在于光的強散射特性，使得光子在生物體內部的傳輸不再沿直線傳播，而是經過大量無規則的散射過程。同時，實驗采集的熒光數據局限于成像目標表面，而且采樣點數量有限，使得逆問題是典型的欠定方程求解問題，進一步增加了求解問題的不適定性。多點激發和有限角度投影能夠增加測量數據，一定程度上緩解問題的不適定性。但由此也帶來了新的問題，測量數據中的冗余數據增多，計算時耗增加。為了精確定位目標位置，必須從大量的冗余數據中重建出少量有效解；于是，選擇數學模型，如何用更合適的算法求解模型，得到更精確的解是熒光分子斷層成像研究的核心問題。

綜上所述，現有技術存在的問題是：目前采集熒光的測量數據中的冗余數據增多，計算時耗增加。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種基于半閾值追蹤算法的熒光分子斷層成像重建方法。

本發明是這樣實現的，一種基于半閾值追蹤算法的熒光分子斷層成像重建方法，所述基于半閾值追蹤算法的熒光分子斷層成像重建方法采用多點激發，有限角度測量，構建非凸問題稀疏正則模型，建立表面的測量數據與熒光目標分布的線性關系，將線性關系轉化為1/2范數極小化問題求解，獲得重建目標內部的熒光目標的三維分布與濃度；通過閾值迭代和匹配追蹤算法對模型求解；

所述1/2范數極小化問題表示為：

其中，λ是正則化參數，A是系統矩陣，X是要求解的熒光目標三維分布與濃度，光通量密度Φ_m。

進一步，所述基于半閾值追蹤算法的熒光分子斷層成像重建方法包括以下步驟：

步驟一，獲取熒光測量數據；

步驟二，獲得重建對象的解剖結構信息以及光學特性參數；

步驟三，利用Amira軟件對成像目標進行離散獲得網格結構相關信息；

步驟四，基于光傳輸模型和有限元理論，將重建目標的解剖結構信息和光學特性參數作為先驗信息，建立表面有限角度的熒光數據與重建目標內部熒光目標分布的線性關系；

步驟五，將線性關系轉化為1/2范數極小化問題：

λ是正則化參數；

步驟六，對模型，采用半閾值迭代技術求解，引入半閾值算子如下：

于是，半閾值迭代技術用表示為如下形式：

其中，B(X)＝X+A^T(Φ-AX)；

步驟七，為了減少步驟六中的迭代次數，引入追蹤方法，令B(X)≈X，于是每次迭代有如下過程：

步驟八，通過步驟七中的迭代過程，得到第n步的重建結果Xⁿ。當||Φ-AXⁿ||/||Φ||≤1e-05或者||Xⁿ-X^n-1||≤1e-08時，停止迭代；

步驟九，利用Amira軟件對成像目標進行離散獲得網格尺寸較細的網格；

步驟十，顯示結果，將重建結果和成像目標的解剖結構進行圖像融合，用Tecplot軟件進行顯示。

進一步，所述步驟一具體包括：

1)激發光源對固定在電控旋轉臺上的重建目標進行有限角度的透射式斷層成像；透射式斷層成像，將激光器與光學檢測儀器放置在成像目標的兩側，激光照射重建目標激發熒光目標發出熒光，熒光穿透成像目標被激光器對面的光學檢測儀器檢測到；有限角度透射式斷層掃描，用電腦控制電控旋轉臺等間隔旋轉一大于90°；

2)使用光學檢測儀器獲得測量數據，獲得光通量密度Φ_m。

進一步，所述步驟二具體包括：

a)重建對象的解剖結構信息