[發明專利]一種結合空間正則化與半盲光譜解混的光學功能成像方法

有效

• 申請號: 202110205426.0
• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN113066142B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 王藝涵;許夢璐;朱守平;昝克華;賀禮
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00;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

本發明屬于生物醫學多光譜光學功能成像技術領域，公開了一種結合空間正則化與半盲光譜解混的光學功能成像方法，輸入多波長光學吸收系數圖譜subgt;μa/subgt;；初始化目標生物組織內各生色團的光譜特征及其濃度分布；構建優化的目標函數形式，引入已匹配的先驗光譜，加入各生色團濃度空間分布的稀疏正則化項；利用提出的迭代求解框架對目標函數進行求逆，迭代更新生物組織中外源造影劑的未知的在體光譜特征與各生色團的濃度分布圖像；判斷是否達到迭代停止條件；否則停止迭代，同時輸出外源性造影劑的在體光譜以及各生色團的濃度分布圖像。本發明可規避傳統梯度下降迭代過程中對搜索方向步長的選擇，且保證迭代過程的收斂性與解析結果的非負性。

技術領域

本發明屬于生物醫學多光譜光學功能成像技術領域，尤其涉及一種結合空間正則化與半盲光譜解混的光學功能成像方法。

背景技術

目前，癌癥(惡性腫瘤)嚴重威脅人類健康，其發展往往伴隨著組織理化性質的改變，包括組織結構、組織成分及血氧含量等。該病理變化可以引起組織光學性質的變化，因此光學功能成像技術能夠以非侵入方式對生理學參數分布進行可視化，進而發現組織早期病變，達到降低死亡率、改善預后、提高生活質量的目的。其中，多光譜生物醫學光學功能成像技術通過重建出一系列反映組織體生理學特性的光學吸收分布圖譜，利用多光譜解混算法，可以定量地對生物組織內各生色團的濃度分布(即與病理生理直接相關的功能參數)進行獲取，從而實現對疾病形成發展的分子機理的分析，亦可為疾病的早期診斷及其治療提供有效的無創檢測和監控手段。故多光譜生物醫學光學功能成像技術在生物醫學研究領域具有重要作用。

利用生物醫學多光譜光學功能成像技術(如多光譜擴散光學層析成像技術，多光譜光聲層析成像技術)解析生物組織內各生色團的濃度分布，即為光譜解混問題。在某一測量波長下，基于重建圖像中某一像素表示的光學吸收系數是組織體內各生色團在當前測量波長下摩爾消光系數與各生色團對應濃度含量值加權和的線性條件，利用多光譜解混算法可提取出該組織區域的血氧信息及外源性造影劑濃度信息，即定性或定量地反映出組織體內部的生理和病理信息，進而反映出生物體的代謝、血流等生理過程。其中，求解多光譜組分解混問題典型的方法為光譜擬合算法，即在最小二乘準則框架下使用已知的光譜特征信息逐像素處理獲得的多光譜光學吸收分布圖像，通過解決最小二乘問題對組織血管系統的血氧和外源性造影劑濃度分布進行成像。但是，血紅蛋白、脂質、黑色素和水作為組織中主要的內源性生色團，其吸收光譜是已知的；而一些外源性造影劑，例如吲哚菁綠(Indocyanine?green，ICG)，作為美國食品藥品監督管理局(Food?and?DrugAdministration，FDA)唯一批準可用于人體的熒光染料，長期被廣泛應用于各項人體生理狀態檢測中，其吸收光譜與溶劑介質的性質和染料濃度有關；與血漿蛋白的結合會導致吸收光譜中的主峰向較長的波長處移動約25nm；此外，由于隨著濃度的增加而形成聚集體的原因，ICG溶液在血漿中濃度高于15mg/l時不符合朗伯-比爾定律，當濃度較高時，其光譜輪廓會出現兩個吸收峰，分別出現在λ＝730nm與λ＝805nm處；稀釋為5mg/l時，在λ＝805nm處的摩爾消光系數顯著增加，而λ＝730nm處的最大值變為肩狀。上述問題使得無法準確獲取外源性造影劑的在體光譜特征，故光譜擬合算法解混性能受到限制。另外，傳統用于優化求解最小二乘問題的梯度下降法在迭代更新過程中對于搜索步長的選擇往往需要依賴經驗方法，無法確保解析結果的收斂性及非負性。