[发明专利]基于有限体积法的扩散光学断层成像正向问题处理方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学成像技术应用和生物医学工程领域，涉及一种基于有限体积法的扩散光学断层成像正向问题处理方法。

背景技术

传统成像手段已经取得了极大的进展，比如CT、核磁共振等。但是伴随着不错的成像效果所带来的风险就是核辐射对人体带来的伤害，也是发展为癌症的诱发因素。光学分子成像手段相对于这些成像方式来说，具有非入侵(non-invasive)、无辐射伤害、灵敏度更高的特点。并且光学分子成像具有更宽的可选荧光探针谱，通过探针结合组织中特定分子靶标可以实现在体动态成像，被认为是未来分子成像技术的突破点。

而以扩散理论为基础的扩散光学断层成像技术(DOT)，它利用穿过组织的漫射光信息可以重建出组织体在某一个断层面甚至三维空间的光学或生理参数分布。这种技术不仅成本低，而且具有较深的成像深度，在乳腺肿瘤的诊断检测等众多领域有重要的地位.

然而现在扩散光断层成像面临的一个重大的瓶颈就是在空间分辨率和时间分辨率上的不足。虽然采用辐射传输方程可以提高精确度，但是，鉴于组织体的复杂性，通常情况下无法得到解析解，正是由于这个原因，数值法，比如有限元、有限差分法等才被广泛地应用于方程的求解，有限体积法也是这众多方法中的一种。

发明内容

本发明的内容在于提供了一种基于有限体积法的扩散光学断层成像正向问题处理方法，该方法可用于二维及三维的扩散光学断层成像正向过程的处理。

本发明提供了基于有限体积法的扩散光学断层成像正向问题处理方法，其步骤如下：

基于有限体积法的扩散光学断层成像正向问题处理方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 创建组织体模型：使用吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子四个参数描述该生物组织不同区域内的光学特性；

(2) 按照精度需求的不同将待求解的生物组织区域按照现有的原始剖分和对偶剖分技术进行剖分，从而将原来连续的生物组织区域转化为离散的三角单元和控制体单元；

(3) 在三角单元和控制体单元的节点处定义试探函数空间Φ_h作为该节点处光子密度的近似值，使用现有的稳态扩散方程作为光子在组织内的传输模型，采用现有的双线性方法，将稳态扩散方程在每一个控制体单元上进行积分；结合边界条件，利用 Green 公式 ，其中Φ表示该节点处的光子密度值，表示控制体单元，表示控制体单元的边界，表示对边界单位外法向的偏导数, 将对控制体单元面积的积分转化成对每个控制体单元上的边界积分的求和；对每一个控制体单元进行相同的稳态扩散方程积分处理，从而得到每一个控制体单元上的稳态扩散方程；

(4)将步骤(3)中得到的所有的控制体单元的稳态扩散方程进行组合，形成总区域上的控制体单元方程，得到与稳态扩散方程相对应的线性方程组；求解该线性方程组即得到生物组织体边界处各个节点处的光子密度值。

步骤(1)中建立组织体模型包括生物组织的背景区域和位于其中的异质体的具体位置、大小及各区域光学特征参数分布情况。

步骤(2)中对待求解生物组织区域进行原始剖分和对偶剖分，形成三角单元和控制体单元，具体步骤为：通过对待求解生物组织区域进行原始的三角剖分和重心对偶剖分，将整个生物组织区域离散为控制体单元的集合；将吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子对应离散到每一个控制体单元的节点上。

步骤(3)中将稳态扩散方程在每一个控制体单元上进行积分，具体步骤为：以试探函数空间Φ_h的取值作为各节点处光子密度的近似值；采用双线性方法，首先定义检验函数空间v_h为分片常数空间，定义如下：