[发明专利]基于MLEM的自适应FISTA初始图像的定量锥束X射线发光计算机断层扫描方法

说明书

本发明公开了基于MLEM的自适应FISTA初始图像的定量锥束X射线发光计算机断层扫描方法，锥束X射线发光计算机断层成像(CB‑XLCT)作为一种新型双模光学分子成像技术，在肿瘤诊断和治疗中有着巨大的应用前景。其需要描述PNPs浓度与重建亮度之间的定量关系，为了使定量评价可行，本方法有两个主要步骤：首先，自适应FISTA在迭代后自动调整正则化参数，快速得到稀疏解。其次，将稀疏解作为MLEM的初始迭代值，不仅减少了重建时间，而且提高了重建值的精度。通过数字模拟和仿体实验的结果表明，ADMLEM可以描述PNPs浓度与重建亮度之间的定量关系。

技术领域

本发明属于医用光学技术领域，具体涉及一种基于MLEM的自适应FISTA初始图像的定量锥束X射线发光计算机断层扫描方法。

背景技术

随着荧光粉纳米粒子(PNPs)的发展，X射线发光计算机断层扫描(XLCT)作为一种结合X射线和光学成像的分子成像方法逐渐受到研究者的关注。理论上，在X射线激发下，PNPs在深部成像组织发射近红外(NIR)发光光信号，可通过电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)摄像机测量。再结合投影数据和重建模型，可以得到PNPs在成像组织中的三维空间分布。与生物发光断层成像(BLT)和荧光分子断层成像(FMT)相比，XLCT能够消除组织自荧光，实现双模成像，并借助X射线穿透深、衰减小的特点，具有成像深度大的优势，在早期肿瘤检测、药物代谢监测等预临床研究中得到广泛关注。

锥束型XLCT(CB-XLCT)作为一种新型的双模成像方式，在研究生物结构信息和功能信息方面具有重要的优势。其具有扫描时间短和X剂量利用率高的优点，为今后的实时在体成像提供了可行性。这使得扫描时间较短的CB-XLCT在药物发现中也具有巨大的应用潜力。然而，由于数据不完整，缺乏足够的先验信息，XLCT很难解决重构PNPs的病态性问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种基于MLEM的自适应FISTA初始图像的定量锥束X射线发光计算机断层扫描方法，重建反演PNPs的定位和定量信，并考虑重建结果的稀疏性和统计噪声模型，从而来实现精确的重建。

实现本发明目的的技术解决方案为：

基于MLEM的自适应FISTA初始图像的定量锥束X射线发光计算机断层扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立CB-XLCT的成像模型，该模型分为三部分：

1)将锥束X射线源发射的X射线穿过含有纳米颗粒的生物组织的传输过程描述为：

其中，X₀为X射线源的初始强度，X(r)分别表示生物组织中位置r时的X射线强度，μ(τ)表示为CT技术获得的X射线衰减系数；

2)X射线激发生物体内的纳米颗粒目标，激发其产生可见光或近红外光，其表达式为：

S(r)＝εX(r)ρ(r) (2)，

其中，S(r)表示材料发出的光源，ρ(r)为在位置r处PNPs的浓度，ε是发光产额；

3)用扩散方程来模拟发射的光，即为：

其中，D(r)是扩算系数，其计算式为：μ_a(r)是吸收系数，μ_s(r)是减小的散射系数，g是各向异性参数，Φ(r)是光子通量，Ω是图像域；

并且由于光子在组织中处于稳定状态的传播符合Robin边界，即可得到：

其中，v(r)是边界处的向外单位法向量，ρ是在与边界两边的介质有关的边界处的失配因子；