[发明专利]一种用于自发荧光成像的空间加权的有限元重建方法

说明书

技术领域

本发明属于分子影像领域，涉及自发荧光断层成像算法，尤其是一种应用于自发荧光断层成像的空间加权单元的有限元重建方法。

背景技术

现阶段，自发荧光断层成像逐渐成为一种用于在细胞和分子水平上研究感兴趣区域的重要技术。BLT通过感兴趣区域边界检测到的光子测量值来重建近红外波段的荧光光源的分布和强度信息。在感兴趣区域中，生物自发光光源是由荧光探针聚集在感兴趣区域(例如：肿瘤、生理过程发生区域)并发射荧光而形成的。这种机理目前通常被使用在免疫细胞的跟踪和大量基因调控的实时研究中。在BLT中，荧光素酶被用来实时在体地检测感兴趣区域内已经标记的细胞。荧光素被注入到感兴趣区域内后，在组织内表达这些荧光转基因的细胞发射光子，该光子的传输同时受到组织的散射和吸收等。由于感兴趣区域本身并不发射光子，同时也不需要外部光源的激发，因此BLT的信噪比(SNR)比较高。

光在感兴趣区域组织中的传输可以用辐射传输方程radiative transferequation(RTE)来精确地描述。由于RTE本身是个非常复杂的积分-微分方程，因此在实际应用中，计算量非常大。由于光子在感兴趣区域组织中传输的平均自由程远远小于感兴趣区域组织的大小，因此在传输过程中，主要的现象为散射而不是传输；又由于感兴趣区域组织是一个高散射低吸收的浑浊媒介，扩散方程能够为成像模型提供一个相对比较准确的描述。

根据扩散近似的理论，唯一性定理表明在一般情况下，BLT问题的解是不唯一的，人们可以得到很多满足边界条件的解。事实上，由于BLT是一个高度病态的反问题，因此是否能够获得准确的生物组织光学特性参数来为BLT准确重建提供必要的先验信息这一点非常重要。现阶段，世界上大多数的BLT研究组是通过文献来获得主要解剖组织的光学特性参数，而在实际中由于个体的差异性因而并不准确。另一方面，三维BLT光源反问题由于内部未知光源的个数远远大于在生物组织边界所能捕获的信息数量，要想准确重建光源强度信息是非常困难的。

发明内容

为了解决上述的两个问题并提高光源重建的稳定性和精度，本发明的目的是提供一种应用于自发荧光断层成像的空间加权单元的有限元重建方法。本发明使用扩散光学层析成像技术来获得小动物主要生物组织光学特性参数。本发明使用DOT技术对感兴趣区域组织的吸收和散射系数进行了比较准确的重建。还将整个感兴趣区域划分成两个部分：光源可行区和光源不可行区来减少BLT重建的维数并减轻其病态性。为了准确重建BLT光源强度，本发明提出了基于空间加权单元的有限元方法来提升重建光源分布和强度的准确性。从而将重建问题转化为一个最小二乘问题。然后使用一种线性约束优化问题的容忍算法来迭代求解这类最小二乘问题。

本发明提供了一种用于自发荧光成像的空间加权的有限元重建方法，所述方法包括

重建感兴趣区域的光学参数；

使用MC方法模拟前向问题；

将MC仿真结果与重建网格进行空间距离最小化的匹配；

将整个网络分为光源可行区和不可行区；

使用空间加权单元的有限元方法将扩散方程离散化；

建立内部未知光源S^pr和边界处通亮强度Ф^bound之间的线性关系；

将BLT重建问题转化为一个有简单边界约束的优化问题；

使用线性约束的容忍算法迭代求解所述优化问题，从而求得重建的光源信息。

进一步，所述光学参数采用扩散光学层析成像(DOT)来重建。

进一步，所述感兴趣区域光学参数包括吸收和散射系数空间分布。

进一步，所述内部未知光源S^pr和边界处通亮强度Ф^bound之间的线性关系为：

M^modΦ^bound＝F^modS^pr

其中，M^mod为M矩阵按Ф^bound所在行删除，按S^pr所在列删除，剩余的部分，F^mod为F矩阵按S^pr所在行删除，按Ф^bound所在列删除，剩余的部分。进一步，所述BLT重建之前采用扩散光学层析成像技术来重建光学参数作为先验信息，从而得到主要的感兴趣区域的相对精确的吸收和散射系数空间分布。

进一步，所述前向问题为光在生物组织中的传输过程。