[发明专利]一种解耦合荧光蒙特卡罗模型的建立方法

说明书

技术领域

本发明涉及数学仿真和生物医学工程领域，具体涉及一种解耦合荧光蒙特卡罗模型的建立方法。

背景技术

荧光成像技术和荧光光谱测量在生物医学领域中占据重要地位，其广泛应用于癌症诊断，药物研发以及基因表达可视化的研究。随着荧光探针技术长足的发展，荧光成像技术开始应用于小动物模型内部特异生物大分子活动规律的在体跟踪和测量。在外部激发光源的作用下，生物组织内部荧光团吸收一定波长的光而发出荧光，所探测到的荧光光谱可以反映分子的功能信息。近年来，荧光分子断层成像技术得到了广泛的关注。

为了提高荧光分子断层成像的计算效率，许多研究小组均聚焦于荧光蒙特卡罗法加速。Liebert提出了运用于层状浑浊介质中，高效的时间分辨荧光蒙特卡罗方法[1]。在这种方法中，通过保存大量光子路径信息，建立了透射光子权重与组织光学参数的解析关系。Jin Chen提出了一种基于计算时间门控荧光雅克比矩阵的高效荧光蒙特卡罗方法[2]。从激发源到探测器的背景权重矩阵可由光子路径和荧光吸收系数计算得出。Anand T.N.Kumar提出了一种基于保存光子路径信息的吸收微扰蒙特卡罗方法，适用于时间分辨多参数的荧光模型[3]。以上三种方法在荧光蒙特卡罗模拟过程中，均做了一些假定如荧光激发时的各向同性散射由各向异性散射代替激发光和荧光在组织中随机行走的路径相同。为了荧光分子断层成像更好地定量，建立一个高精度和高效率的计算模型去描述光子在生物组织中的传输是非常关键的。以上三种方法在模拟过程中做了较多假定，方法的适用情况因此受到了一定限制，故无法完全满足荧光分子断层成像重建的需求。因此发明一种通过荧光激发和荧光传播过程中的核函数变换，解耦合出荧光激发和传播过程的光学参数与路径概率密度函数的关联，使抽样的荧光光子路径与激发光光子路径一致，同时使荧光光子的权重函数与荧光激发和传播过程的光学参数相关联；从而沿着激发光光子路径，根据荧光权重函数直接计算荧光光子的权重的荧光蒙特卡罗模型，可适用于任意浑浊介质任意荧光分布的情况，并满足此需求。

[1]Liebert A，Wabnitz H，Obrig H，et al.Non-invasive detection of fluorescence from exogenous chromophores in the adult human brain[J].Neuroimage，2006，31(2)：600-608.

[2]Chen J，Venugopal V，Intes X.Monte Carlo based method for fluorescence tomographic imaging with lifetime multiplexing using time gates[J].Biomedical optics express，2011，2(4)：871-886.

[3]Kumar A T N.Direct Monte Carlo computation of time-resolved fluorescence in heterogeneous turbid media[J].Optics letters，2012，37(22)：4783-4785.

发明内容

本发明目的在于通过荧光激发和荧光传播过程中的核函数变换，解耦合出荧光激发和传播过程的光学参数与路径概率密度函数的关联，使抽的荧光光子路径与激发光光子路径一致，同时使荧光光子的权重函数与荧光激发和传播过程的光学参数相关联；从而沿着激发光光子路径，根据荧光权重函数直接计算荧光光子的权重。本发明建立的模型计算精度高、且可适用于任意浑浊介质任意荧光分布的情况。

一种解耦合荧光蒙特卡罗模型的建立方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：构建粒子输运方程描述稳态下光子在生物组织中的传输过程；

步骤2：构建输运方程等价的发射密度积分方程描述激发光光子在生物组织中传输的过程和激发光光子被吸收并激发出荧光光子，荧光光子在生物组织中继续传输的过程；

步骤3：将积分方程的诺伊曼级数解中荧光激发过程和荧光传播过程中的核函数均用激发光传播过程的核函数表示，从而解耦合出荧光激发和传播过程的光学参数与路径概率密度函数的关联；

步骤4：投放激发光光子，追踪光子在生物组织中的传输，利用激发光散射系数抽样，沿着激发光路径，计算探测器上的荧光强度。

步骤1中稳态下光子在生物组织中的传输过程描述为：