[发明专利]单视图切伦科夫发光断层成像重建方法

说明书

本发明属于光学分子影像技术领域，公开了一种单视图切伦科夫发光断层成像重建方法，包括：利用光学相机探测被测物体的表面光学信息；获取生物体组织结构信息和光学特性参数；将光学相机获取的二维光学数据映射到生物体表面，得到生物体表面的三维荧光数据分布；将重建对象的解剖结构信息和光学特性参数作为先验信息，建立表面的测量数据与内部未知光源的线性关系；对网格全域通过稀疏贝叶斯学习算法重建，实现目标内部放射性核素探针的三维分布；将重建结果和成像对象的解剖结构进行图像融合并显示。本发明有效提高了切伦科夫断层成像的重建结果，在光学断层三维重建算法等领域有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于光学分子影像技术领域，尤其涉及一种单视图切伦科夫发光断层成像重建方法。

背景技术

切伦科夫效应是指当一个高速的带电粒子在导电介质中运动时当其速度超过光在该介质中的相位速度时，发出光谱连续的近红外光和可见光的现象。此现象由前苏联物理学家切伦科夫于1934年发现，并在1958年获得诺贝尔物理学奖。2009年，Roberson等人首次利用光学成像设备(optical instrument，OI)采集到放射性核素探针18F-脱氧葡萄糖(18F-FDG)发出的切伦科夫辐射，将其命名为切伦科夫发光成像(Cerenkov LuminescenceImaging,CLI)。近年来，随着高灵敏度CCD相机的发展，且拥有大量临床可用的放射性核素探针，使得切伦科夫发光成像在小动物成像方面得到了广泛的应用。由于CLI只能提供二维平面信息，不能反映目标的空间位置和定量信息，切伦科夫发光断层成像(CerenkovLuminescence Tomography，CLT)，进行了匀质小鼠模型体内18F-FDG三维重建。然而，切伦科夫荧光是放射性核素在核衰变时的二次产物，强度值非常弱，而且大部分能量分布在短波段，当核素目标位于较深的生物组织中时，切伦科夫荧光信号衰减率高、探测灵敏度低，传统CLI/CLT技术难以从生物体表探测到切伦科夫荧光，限制了CLI/CLT技术的临床转化应用。切伦科夫发光断层成像的数学模型属于逆问题，具有严重病态性。根本原因在于光的强散射特性，使得光子在生物体内部的传输不再沿直线传播，而是经过大量无规则的散射过程。现有技术为了提高CLT重建结果的精度，需要从多个角度进行信号采集处理，数据量大且耗时，成本过高。而且在实际情况中存在物理限制，采集数据时角度受限。多光谱采集使得系统矩阵维数增加，导致计算量过大。切伦科夫发光断层成像的数学模型属于逆问题，具有严重病态性。切伦科夫荧光是放射性核素在核衰变时的二次产物，强度值非常弱，而且大部分能量分布在短波段，光的强散射特性，使得光子在生物体内部的传输不再沿直线传播，而是经过大量无规则的散射过程。当核素目标位于较深的生物组织中时，切伦科夫荧光信号衰减率高、探测灵敏度低，限制了CLI/CLT技术的临床转化应用。为了提高CLT重建结果的精度，传统CLI/CLT技术需要从多个角度进行信号采集处理或者多光谱采集，增加数据量，一定程度上缓解逆问题的病态性，但是也会造成冗余数据增大且耗时，成本过高。而且在实际情况中存在物理限制，采集角度受限。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术为了提高CLT重建结果的精度存在数据量大且耗时，成本过高，采集数据时角度受限，导致计算量过大，选择更合适的重建算法来缓解逆问题的不适定性成为核心。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种单视图切伦科夫发光断层成像重建方法。

本发明是这样实现的，一种单视图切伦科夫发光断层成像重建方法，所述单视图切伦科夫发光断层成像重建方法采用三阶简化球谐近似模型代替扩散近似模型精确描述光在生物组织中的传输过程；采用稀疏贝叶斯学习算法重建，引入超参数，对权值赋予先验条件概率分布用以限制模型的复杂度，最大化超参数的边缘对数似然函数获得权值参数的最优估计，提高重建质量。

进一步，所述单视图切伦科夫发光断层成像重建方法包括以下步骤：

(1)生物体表光学数据获取：利用光学相机探测被测物体的表面光学信息；