[发明专利]一种基于自适应有限元的多光谱重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及到光学分子影像成像模态-自发荧光断层成像(BLT)技术，特别涉及到一种基于自适应有限元的多光谱重建方法。

背景技术

作为一种分子影像成像模态，自发荧光成像技术已经得到了迅速发展和广泛的应用。可是由于当前技术只能得到二维的平面图像，使当前研究人员不能三维的观测所感兴趣目标的变化，而这需要自发荧光断层成像(BLT)系统的发展来实现，由于自发荧光断层成像本身所具有的不适定特点，使确定自发光光源的位置重建在一般情况下没有唯一解，只有融入丰富的先验信息，才能够唯一定量的确定光源的信息。另外当在重建算法中融入先验信息时，如何合理利用这些信息也是需要进一步考虑的问题。

随着自发荧光断层成像的发展，当前有多种先验信息被用于光源的重建，其中包括重建区域的表面光强分布、重建区域的内部解剖结构、光学特性参数分布以及自发光光源的光谱特性和物理意义等等，它们有效的约束了光源重建。大体上可以把目前利用先验信息的重建算法分为两大类，一类是基于先验可行光源区域的方法，另一类是基于多光谱的重建方法。通过表面光强分布与区域内部解剖结构的结合，可以先验的对光源存在的区域进行大致推断，从而较好的确定一个小于整体区域的可行光源区域作为初始区域，来解决光源重建非唯一性问题。自发荧光光源的宽光谱特性也已经得到了很好的挖掘，由于不同材料对不同谱段的光有不同的吸收和散射特性，通过对不同谱段的探测，可以有利于光源的准确定位。值得一提的是目前有文献阐述如果只是考虑多光谱先验信息，而把非匀质重建目标考虑为匀质的重建目标，当进行光源重建时，特别是对于深度光源的重建是不充分的。

由于自发荧光断层成像是把整体的目标作为重建区域，这样势必增加了重建计算的负担，也不能很好的约束重建中的可行解。另外由于多光谱测量的使用以及非接触式探测方式的发展，都对当前重建算法的速度提出了严峻的挑战。在光学分子成像领域，虽然能够大大提高重建速度的解析方式已经得到发展，但是对于具有复杂内部结构的区域，这些方法还是不太合适。数值方法作为一种比较灵活的重建方法，已经被广泛的发展和应用，一些加速的方法也被进一步研究，如多网格方法，但是它需要对整体区域进行统一的网格细分，这对于自发荧光断层成像的重建产生巨大的计算负担，而且也是不必要的。

目前广泛采用的自发荧光断层成像重建算法是有限元方法，同时自发荧光断层成像重建的质量与边界测量数据的信噪比和重建目标区域的离散程度有很大的关系。所以在一定程度上，重建目标区域网格剖分得越细，自发荧光断层成像重建质量就越高。然而，如果网格剖分得过细，就会加重自发荧光断层成像问题的数值不稳定性和计算代价。相比一般的有限元方法，本发明所涉及的基于自适应有限元的多光谱重建方法利用多光谱测量数据、重建目标区域的解剖结构以及光学特性参数的先验信息来处理自发荧光断层成像问题的非唯一性和病态性；结合自适应有限元理论与后验可行光源区域选择策略，对自发荧光光源进行重建，不仅避免了由于增加多谱数据而带来的维数灾难问题，而且降低了自发荧光断层成像问题的病态性，提高了自发荧光断层成像重建质量。

发明内容

现有重建技术中，为解决自发荧光断层成像的不适定性存在利用多谱数据而带来的维数灾难问题以及自发荧光断层成像重建的速度和质量不高问题，为了解决的这些问题，本发明的核心思想是提出一种全新的基于自适应有限元多尺度多光谱重建方法。

本发明通过多种先验信息的融入，确保了光源重建的唯一性，自适应有限元方法的引入，在获得局部网格细分的基础上，也带来了后验可行光源区域选择的策略，这些不仅降低了重建的不适定性，而且改善了重建结果。

为了实现所述的目的，本发明基于自适应有限元多光谱重建方法的技术方案包括：基于自发荧光光源的多谱信息、重建目标区域的解剖结构以及光学特性参数的先验信息，结合自适应有限元理论，用后验可行光源区域选择的策略，进行基于自适应有限元的多光谱重建。

根据本发明的实施例，具体步骤包括以下：

步骤S1：在重建目标区域的第l-1(l＞1)层剖分网格上，利用有限元理论把单谱段扩散方程离散为线性方程；

步骤S2：基于后验可行光源区域的选择，在单谱段上建立未知光源变量与边界测量数据之间的线性关系，并利用自发光光源光谱性质，把单谱段组合成含有多个谱段的统一方程；

步骤S3：利用正则理论确立优化的目标函数，然后利用谱投影梯度基的大尺度优化算法对目标函数进行优化，以获得l-1层上的重建结果；