[發(fā)明專利]一種基于網(wǎng)格重組的混合光傳輸建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010742538.5
• 申請(qǐng)日: 2020-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN112037297B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭紅波;劉艷秋;賀小偉;侯榆青;宋小磊;易黃建;趙鳳軍;任玉丹;趙恒娜;趙竟雯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T11/00
• 分類號(hào): G06T11/00;G06T17/10;G06T17/20
• 代理公司: 西安恒泰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 李婷;趙中霞

本發(fā)明公開了一種基于網(wǎng)格重組的混合光傳輸建模方法，根據(jù)生物組織的光學(xué)特性，將各組織劃分為高散射組織區(qū)域和低散射組織區(qū)域；根據(jù)各組織所屬區(qū)域?qū)?dòng)物模型離散得到的由空間位置排序的節(jié)點(diǎn)和四面體重新排序，得到兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)格；基于光傳輸理論和界面耦合，把兩個(gè)網(wǎng)格合成一個(gè)重組網(wǎng)格，建立混合光傳輸模型。光傳輸模型用于前向仿真，能夠由光源信息和生物組織結(jié)構(gòu)信息獲得生物表面光分布，用于逆向仿真，能夠由生物表面光分布和組織結(jié)構(gòu)信息重建光源。本發(fā)明能夠在精度和效率之間取得更好的平衡，適用于常見光學(xué)分子成像模態(tài)，包括生物發(fā)光斷層成像、激發(fā)熒光斷層成像，契倫科夫光學(xué)成像等，在醫(yī)學(xué)分子影像、重建方法等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于分子影像領(lǐng)域，涉及一種基于網(wǎng)格重組的混合光傳輸建模方法，適用于常見的光學(xué)分子成像模態(tài)中的光傳輸建模，包括生物發(fā)光斷層成像、激發(fā)熒光斷層成像，契倫科夫光學(xué)成像、X射線發(fā)光斷層成像等。

背景技術(shù)

光學(xué)分子影像是一個(gè)快速發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，將光學(xué)過程與一定的分子性質(zhì)相結(jié)合，利用特異性探針的光學(xué)性質(zhì)，反映活體狀態(tài)下分子水平變化，用于組織病理變化的早期檢測(cè)。該成像方式具有無輻射、反饋快、靈敏度高、時(shí)空分辨率高、特異性高等優(yōu)點(diǎn)，常被用于小動(dòng)物研究中的分子、細(xì)胞和基因表達(dá)成像，促進(jìn)藥物開發(fā)、疾病研究和治療干預(yù)。

常見的光學(xué)分子成像模態(tài)，根據(jù)成像過程是否需要外部能量激發(fā)，分為直接光學(xué)分子成像和間接光學(xué)分子成像。直接光學(xué)分子成像是無需外部能量激發(fā)的成像技術(shù)，主要通過探測(cè)特異性分子探針或放射性核素釋放的光子實(shí)現(xiàn)成像，包括生物發(fā)光斷層成像和契倫科夫光學(xué)成像。間接光學(xué)分子成像是需要外部能量激發(fā)的成像技術(shù)，如用激光作為外部能量源的熒光分子斷層成像，用X射線作為激發(fā)源的X射線發(fā)光斷層成像。

對(duì)于各模態(tài)光學(xué)分子斷層成像中，光傳輸模型用于描述光在生物組織中的傳輸過程，其準(zhǔn)確性和運(yùn)算效率對(duì)光源的快速精確重建起著決定性作用。輻射傳輸方程(RTE)雖已經(jīng)被較為廣泛地用作描述可見光和近紅外光子在生物組織中傳播的標(biāo)準(zhǔn)模型。然而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于復(fù)雜的生物組織，RTE的實(shí)現(xiàn)是極其復(fù)雜的，且需要大量的計(jì)算時(shí)間。一些RTE近似模型先后被提出，用于模擬光在非均勻介質(zhì)中的傳輸，如擴(kuò)散方程(DE)、簡(jiǎn)化球諧近似方程(SP_N)、離散序數(shù)方程(S_N)、球諧方程(P_N)和相位近似(PA)。然而，DE計(jì)算量小、求解速度快，但只適用于高散射特性的生物組織。高階近似S_N、P_N和PA，可以精確地模擬光在生物組織內(nèi)的傳輸，但較低的計(jì)算效率限制了它們?cè)趶?fù)雜非均勻性介質(zhì)中的應(yīng)用。SP_N在所有RTE高階近似模型中，計(jì)算量相對(duì)較小，更適用于描述光在低散射特性介質(zhì)中的傳輸過程。已有的基于擴(kuò)散方程-簡(jiǎn)化球諧近似構(gòu)建的混合光傳輸模型，求解過程較為復(fù)雜，計(jì)算量大。光傳輸模型計(jì)算精度和效率的缺陷，制約了光學(xué)分子斷層成像中光源的快速精確重建。因此，目前需要一種新的光傳輸模型來實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度和效率之間的平衡。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種基于網(wǎng)格重組的混合光傳輸建模方法，解決現(xiàn)有光傳輸模型模擬光在非均勻介質(zhì)中的傳輸時(shí)，計(jì)算精度和效率之間難以達(dá)到有效平衡的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

一種基于網(wǎng)格重組的混合光傳輸建模方法，該方法根據(jù)動(dòng)物組織的光學(xué)特性，將動(dòng)物各組織劃分為高散射組織區(qū)域和低散射組織區(qū)域；根據(jù)各組織所屬區(qū)域?qū)?dòng)物模型離散得到由空間位置排序的節(jié)點(diǎn)和四面體重新排序，得到兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)格；在這兩個(gè)網(wǎng)格上，基于光傳輸理論，高散射組織區(qū)域采用擴(kuò)散方程DE近似建模，低散射組織區(qū)域采用三階簡(jiǎn)化球諧SP₃近似建模，兩個(gè)區(qū)域有相應(yīng)的相關(guān)系統(tǒng)矩陣；通過耦合這兩個(gè)系統(tǒng)矩陣，把兩個(gè)網(wǎng)格合成一個(gè)重組網(wǎng)格，建立混合光傳輸模型。

本發(fā)明還包括如下技術(shù)特征：

具體的，包括以下步驟：