[发明专利]一种基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法及系统在审

专利信息
申请号: 201910986976.3 申请日: 2019-10-17
公开(公告)号: CN110680284A 公开(公告)日: 2020-01-14
发明(设计)人: 杨福刚;杜慧;王玉玲;弓雪;陈洋;张艳丽;郑毅 申请(专利权)人: 山东工商学院
主分类号: A61B5/00 分类号: A61B5/00;G06T17/00;G06N3/08
代理公司: 37221 济南圣达知识产权代理有限公司 代理人: 黄海丽
地址: 264026 山东*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 三维重建 生物组织表面 强度测量数据 训练数据集 仿真数据 介观尺度 生物标签 荧光光子 荧光分子成像 计算机仿真 光子通量 模型参数 内部生物 生物组织 网络模型 重建结果 鲁棒性 分辨率 光子 荧光 仿体 内嵌 标签 重建
【权利要求书】:

1.一种基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法,其特征在于,包括:

获取生物组织表面荧光光子通量,得到生物组织表面荧光光子强度测量数据集;

基于计算机仿真生成的内嵌荧光生物标签的仿体,得到光子强度仿真数据集;

将生物组织表面荧光光子强度测量数据集与仿真数据集混合,并随机选择其中一部分作为训练数据集;

基于训练数据集进行3D-Unet网络模型的训练,得到模型参数;

对介观尺度的生物组织内部生物标签进行三维重建。

2.如权利要求1所述的基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法,其特征在于,得到荧光光子强度仿真数据集包括:

采用与介观荧光分子层析成像系统一致的参数,通过计算机仿真生成内嵌生物标签的仿体;

通过荧光分子层析成像中光子传播描述方程,得到仿体荧光光子强度仿真数据;

调整仿体中内嵌生物标签的深度位置,进行多次仿真。

3.如权利要求1所述的基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法,其特征在于,将生物组织表面荧光测量数据集与仿真数据集混合包括:

通过多次仿真生成多个荧光光子强度仿真数据,每次生成的数据均是一个m×n矩阵数据;

对每次生成的数据分别添加三种不同的高斯噪声,从而在三种信噪比噪声下均可扩增得到多组m×n矩阵数据;

分别从三种信噪比噪声下的多个仿真数据集中随机抽取一个,再分别从抽取出来的三个仿真数据集中随机抽取25%,同时随机抽取测量数据集的25%,将从三个仿真数据和测量数据中随机抽取的数据组合成一个m×n矩阵数据;将上述随机抽取和组合过程重复多次,得到多个重新组合的m×n矩阵数据;

将多个重新组合的m×n的矩阵数据转换成三维数据并保存。

4.如权利要求1所述的基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法,其特征在于,所述3D-Unet网络模型包括:十四个残差模块、三个最大池化单元、三个转置卷积单元和一个输出单元。

5.如权利要求4所述的基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法,其特征在于,第一残差模块的输出端依次连接第二残差模块、第十三残差模块和第十四残差模块;第二残差模块的输出端还连接至第一最大池化单元;

第一最大池化单元的输出端依次连接第三残差模块、第四残差模块、第十一残差模块、第十二残差模块和第三转置卷积单元;第四残差模块的输出端还连接至第二最大池化单元;第三转置卷积单元的输出端连接至第十三残差模块;

第二最大池化单元的输出端依次连接第五残差模块、第六残差模块、第九残差模块、第十残差模块和第二转置卷积单元;第六残差模块的输出端还连接至第三最大池化单元;第二转置卷积单元的输出端连接至第十一残差模块;

第三最大池化单元的输出端依次连接第七残差模型、第八残差模型和第一转置卷积单元;第一转置卷积单元的输出端连接至第九残差模块;

其中,第一残差模块的输入端为3D-Unet网络模型的输入端,用于输入训练数据集;第十四残差模块的输出端连接输出单元。

6.如权利要求1所述的基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建方法,其特征在于,将生物组织表面荧光测量数据集与仿真数据集混合后,划分为训练数据集、验证数据集和测试数据集;

基于训练数据集进行3D-Unet网络模型的训练后,基于验证数据集进行验证;最后基于测试数据集优化3D-Unet网络模型。

7.一种基于3D-Unet的介观荧光分子成像三维重建系统,其特征在于,包括:

测量数据获取模块,获取生物组织表面荧光光子通量,得到生物组织表面荧光测量数据集;

仿真数据获取模块,基于计算机仿真生成的内嵌荧光生物标签的仿体,得到光子强度仿真数据集;

组合数据获取模块,将生物组织表面荧光测量数据集与仿真数据集混合,并选择其中一部分作为训练数据集;

网络模型训练模块,基于训练数据集进行3D-Unet网络模型的训练,得到模型参数;

三维重建模块,对介观尺度的生物组织内部生物标签进行三维重建。

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