[发明专利]一种生物发光断层成像重建方法

权利要求书

1.一种生物发光断层成像重建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)数据采集与预处理，其中，在已产生荧光光子的生物体采集多角度BLT荧光和白光数据，以及生物体的360度CT投影数据，并进行数据格式转换、除去噪声点、荧光和白光数据叠加、几何校正数据预处理；

(2)生物体组织结构信息获取，其中，设置感兴趣区域，利用Micro-CT软件进行数据重建，重建后的CT数据进行器官分割、融合形成完整的生物体数据，对分割后的数据进行生物体表面数据的提取和内部体数据的剖分，并保存两组数据；

(3)生物体表荧光数据获取，其中，对步骤(1)获取的预处理后光学数据与步骤(2)获取的生物体解剖结构，应用自由空间光传输理论，将CCD相机获取的二维光学数据映射到生物体表面，获取生物体表面的三维荧光数据分布；

(4)前向光传输模型构建，其中，利用三阶简化球谐近似模型描述生物组织内的光传输过程，推导出三阶简化球谐近似方程及其边界条件的边界测量方程，通过生物发光断层成像获取生物体的解剖结构、各生物组织的光学参数等先验信息，基于hp自适应有限元方法建立内部未知光源和表面已知测量值之间的线性关系，得到如下系统矩阵方程：

J^+，m＝GS；

其中J^+，m为生物体表面上光通量密度的测量值，G为系统矩阵，S为生物体内的光流密度分布；

(5)稀疏正则化目标函数建立，其中，由于生物发光断层成像中生物体内光源分布具有稀疏性，基于压缩感知理论，将上述线性矩阵方程表示为如下基于0范数的稀疏正则化形式：

min||GS-J^+，m||²+λ||S||₀

其中λ为正则化参数；其次，基于稀疏近似，构建BLT逆问题目标函数为如下的/_1/2正则化方程：

min||GS-J^+，m||²+λ||S||_1/2；

(6)目标函数的优化求解，其中，采用加权内点法将/_1/2正则化目标函数转化为重赋权的/₁正则化极小化问题，然后内点法求解极小化问题获取生物体内荧光光源的三维定位定量信息；

(7)三维重建结果显示。

2.根据权利要求1所述的生物发光断层成像重建方法，其特征在于，所述步骤(1)中的荧光数据和CT投影数据的初始采集角度相同，且至少采集四个角度间隔为90度的荧光和白光数据，其中，CT数据采集为间隔0.75度，480个投影数据。

3.根据权利要求1所述的生物发光断层成像重建方法，其特征在于，所述步骤(3)中的生物体表荧光数据获取，需要进行荧光图片和白光图片叠加，以及基于CT数据的标记点进行荧光数据和CT坐标系的对应。

4.根据权利要求1所述的生物发光断层成像重建方法，其特征在于，所述目标函数的优化求解为：

(1)参数初始化，令t＝0，最大迭代次数为K，初始化S⁰＝(1，...，1)^T；

(2)目标函数转化，基于内点法求解：

St+1=min0<S<Ssup||GS-J+,m||2+λ|S|/(|St|+c),]]>

将其转化为：

St+1=min0<S<Ssup||GS-J+,m||2+λΣi=1nui-1wΣi=1n[log(ui+si)+log(ui-si)];]]>

(3)内部参数设置，设置目标对偶距ζ＞0，w＝1/λ，S＝(1，...，1)^T；

(4)预处理共轭梯度法求解牛顿系统方程HΔSΔu=-g,]]>其中H为目标函数的Hessian矩阵；

(5)采用回溯线搜索方法计算步长a；

(6)更新迭代解(S，u)＝(S，u)+a(ΔS，Δu)；

(7)计算对偶可行点υ和对偶距ζ；

(8)如果ζ/G(υ)＜1e-6则退出；否则更新w；

(9)得到S^t+1，并令t＝t+1；

(10)当t＜K时，转到步骤2；当t＝K时，输出目标解S^t。