[發明專利]一種熒光分子斷層成像可行域優化方法

有效

• 申請號: 201910014241.4
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109820479B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 宋小磊;焦璞;易黃建;梁嘉翔;趙鳳軍;曹欣;賀小偉;侯榆青
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: 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

本發明屬于光學分子成像技術領域，公開了一種熒光分子斷層成像可行域優化方法；使用有限元計算軟件對仿體進行四面體網格劃分，建立表面測量值與內部熒光目標分布的線性關系；利用不完全變量截斷共軛梯度法、共軛梯度最小二乘法求解系統方程，得到兩組重建結果；根據三支決策理論劃分出兩組重建結果的正域，合并構成目標可行區，作為下一級重建的區域；再次使用不完全變量截斷共軛梯度法、共軛梯度最小二乘法進行重建，得到改進后的最終結果。本發明采用兩種不同的重建算法進行重建；提取出兩組結果中的正域；在此區域內完成最終重建。本發明能夠獲取到準確的目標范圍區域，有效緩解了問題的病態性，上述兩種重建方法的圖像質量均得到明顯提升。

技術領域

本發明屬于光學分子成像技術領域，尤其涉及一種熒光分子斷層成像可行域優化方法。

背景技術

目前，業內常用的現有技術是這樣的：作為光學分子成像技術的重要分支，熒光分子斷層重建(FMT)借助特定波長的激發光照射被熒光標記物的生物體，然后基于全角度非接觸式成像系統，應用高性能CCD采集生物體表面的光強分布，結合合適的數學模型反演出熒光標記物在生物體內的三維分布和熒光濃度，該技術能夠在分子水平上實現對生物體生理過程和病理變化的在體動態監測。熒光分子斷層重建的成像靈敏度高，成本低以及熒光探針標記技術發展較為成熟，從而使其在腫瘤早期檢測、藥物研制和治療評估等方面具有很大優勢。熒光分子斷層重建主要涉及兩大問題：正向問題和逆向問題。由于光在生物組織中傳播時具有高散射、低吸收的特點，因此正向問題的主要任務為建立數學模型來描述光在生物組織中的傳輸過程，通常使用輻射傳輸方程(RTE)來描述這一過程。但是在實際使用中，輻射傳輸方程的求解十分復雜，在大多數情況下無法求解出解析解，因此一般使用漫射方程來近似逼近輻射傳輸方程，然后使用有限元這一數值方法求解漫射方程，獲得每個節點的能量分布值。逆向問題則是指基于正向問題建立的光傳輸模型，選擇一定的重建算法，求解出熒光標記物在生物體內的位置和濃度分布信息。由于在逆問題求解過程中，未知數量遠遠大于方程數量，因此逆問題具有嚴重的不適定性。目前主要圍繞降低逆問題病態性，更加精確有效的定位熒光目標的位置及分布。但是基于傳統方法，無法一次性精確定位到熒光目標的準確位置，為了提高圖像質量，減少計算過程中的數據量，通常可以借助可行域，基于經典重建算法，可以達到改進重建方法的目的。采用傳統重建算法得到的結果中，雖然能夠逼近熒光目標，但通常無法給出熒光標記物的精確分布，這使得重建結果在后續研究中的參考意義大打折扣，降低了熒光分子斷層重建技術的應用價值。通常在使用目標可行區提高重建質量時需要參考初次重建結果，因此初次重建結果的精確度決定著可行域的選取范圍，如果未能準確提供熒光目標存在的范圍，將造成下一級重建結果失準，繼而無法得到更加準確的目標定位。

綜上所述，現有技術存在的問題是：采用傳統重建算法得到的結果無法給出熒光標記物的精確分布，使得重建結果在后續研究中的參考意義大打折扣，降低了熒光分子斷層重建技術的應用價值；在小動物全身成像、人體乳腺器官成像的臨床及預臨床研究中無法提供有效的重建結果。

解決上述技術問題的難度和意義：借助三支決策理論的思想可以將重建區域劃分為三部分：正域、負域及邊界域，設置初始閾值，根據各節點的能量值，篩選出處于正域中的節點構成可行域，作為下一次重建的區域。在這個過程中，去掉熒光能量值較小的節點，保留能量值較大的節點進行二次重建，有效地去除了噪聲數據，能夠進一步提升可行域的準確度。最后使用上述兩種方法進行二次重建時，本發明能夠有效提升兩種方法的重建精度。在本發明中，如何合理地設置閾值參數使決策風險損失最小一直是三支決策理論的挑戰性難題，選擇正域能夠盡可能地保證重建范圍不會存在較大偏差，接近目標所在區域。在使用其指導下一級重建時，能夠提供準確的目標范圍依據，有利于提高重建質量。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種熒光分子斷層成像可行域優化方法。

本發明是這樣實現的，一種熒光分子斷層成像可行域優化方法，所述熒光分子斷層成像可行域優化方法包括：