[发明专利]一种基于控制蒙特卡罗方法的扩散光学成像方法及系统

说明书

本发明公开一种基于控制蒙特卡罗方法的扩散光学成像方法及系统。本发明根据光源与探测区域的位置关系及外推边界确定吸引区域，根据当前光子的空间位置向量、吸引点位置向量和光学特性参数确定吸引向量，根据吸引向量、吸引因子及光子散射方向确定光子散射方向的选择概率。最后根据选择概率与随机数的大小关系确定光子是否进行下次散射及是否更新光子权重。本发明通过吸引区域选择进行下一次散射的光子，并实时更新被选择光子的权重。在发射相同光子数的前提下，能够有效提高探测区域的光子数量及光分布的准确性，保证成像质量和成像效率。同时，还能解决目标生物组织的散射系数不同或光源与探测区域的距离不同引起的光分布精度不稳定的问题。

技术领域

本发明涉及光学成像领域，特别是涉及一种基于控制蒙特卡罗方法的扩散光学成像方法及系统。

背景技术

蒙特卡罗(Monte Carlo，简称MC)模型普适性高，在生物组织光学领域得到了广泛的应用。在MC模型中，通过对辐射传输方程(radiative transport equation，RTE)的积分形式进行求解，建立了相对应的联合概率抽样函数，从而模拟扩散光子在组织中的传输。目前，用于层状组织模拟的MC模型和用于复杂解剖结构的基于体素的MC模型都能够精确模拟光子在组织中的传播。MC模型继承了RTE方程的准确性，又适用于各种复杂边界及复杂异质组织。因此，MC模型是提高扩散光子成像技术，如扩散光学成像(diffuse opticaltomography，简称DOT)和荧光扩散光学成像(fluorescence diffuse opticaltomography，简称fDOT)的精度和定量性能的最佳选择。但是，MC模型需要统计大量的光子才能得到准确的结果，应用于DOT成像的效率极低。蒙特卡罗模型的统计准确性主要取决于到达探测器的光子数。上到达探测区域的光子数越多，模拟结果的精确性也就越高。但是，当探测区域距光源距离较远，或者探测区域范围较小时，到达探测区域的光子数就会减少，严重影响最终的图像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于控制蒙特卡罗方法的扩散光学成像方法及系统，能够有效提高到达探测区域的光子数量及光分布的准确性，不仅能够保证成像质量和成像效率，而且能够解决目标生物组织的散射系数不同或光源与探测区域的距离不同引起的光分布精度不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于控制蒙特卡罗方法的扩散光学成像方法，所述扩散光学成像方法包括：

根据成像分辨率将目标生物组织的空间结构分割成一个三维体素模型；

建立三维数字矩阵，所述三维数字矩阵的元素数量与所述三维体素模型的三维体素的数量相同，且所述三维数字矩阵中每个元素的数值表征一个所述三维体素的组织类型；

获取光源与探测区域的位置关系、各所述组织类型对应的光学特性参数、吸引因子及光子散射方向，其中，所述光源与所述探测区域位于所述三维数字矩阵的两侧；

根据所述位置关系及扩散方程的外推边界确定吸引区域；

根据当前光子的空间位置向量、吸引点的位置向量和所述光学特性参数确定吸引向量，所述吸引点位于所述吸引区域；

根据成像效率和光分布误差确定散射选择次数；

根据所述吸引向量、所述吸引因子及所述光子散射方向确定所述光子散射方向的选择概率；

采用随机函数生成与所述光子散射方向对应的随机数R，0≤R≤1；

判断所述选择概率是否大于所述随机数，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述选择概率大于所述随机数时，所述当前光子移动设定步长后进行下一次散射，并更新所述当前光子的权重；