[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
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 | ||
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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