[发明专利]一种基于交替迭代运算的荧光分子断层成像重建方法

说明书

技术领域

本发明属于分子影像领域，更进一步涉及一种基于交替迭代运算的荧光分子断层成像重建算法，可用于在体荧光分子断层成像的逆问题重建。

背景技术

荧光分子断层成像(以下简称FMT)是近年来一种新出现的光学分子影像技术，它利用某些分子（一般主要是多环芳香族碳氢化合物或杂环化合物等）如荧光团、荧光探针、荧光染料等标记重建目标，在外部激发光源的照射下，分子会吸收外部激发光，然后发射出光子，产生光的强度与标记目标的数量成正比。在重建目标区域外，利用高灵敏度的光学检测仪器，可以直接探测到透射出重建目标区域的光子，利用有效的荧光分子断层成像重建算法，就可以获得重建目标区域内部的荧光目标的位置和浓度。

荧光分子断层成像属于逆向问题，具有严重的病态性，其本质原因在于重建目标区域内光的强散射特性。光子在其内部的传输不再沿直线传播，而是经过大量的无规则可循的散射过程。同时，利用光学检测仪器在重建目标区域边界处检测的信号是边界点的值，数量有限，而求解区域内部点的数量非常巨大。由少量测量数据来求解大量未知数，这是一个不适定问题，具有严重的病态性，其解不唯一并且易受测量误差和噪声的影响。如何构建一种精确重建目标区域内的荧光目标，是荧光分子断层成像研究的核心问题。

发明内容

为了解决荧光分子断层成像存在的病态性和解不唯一性，本发明提出了一种基于交替迭代运算的荧光分子断层成像重建方法。为了减少问题的病态性，本发明采用多点激发和多角度测量，获得尽可能多的测量数据。结合光传输模型和有限元理论，将重建目标的光学特性参数和解剖结构信息作为先验信息，建立表面的测量数据与重建目标内部荧光目标分布的线性关系，将该线性关系转化为有约束条件的极小化问题，交替执行加权的代数重建技术与最速下降法来求解，从而获得重建目标内部的荧光目标的三维分布与浓度。

为实现上述目的，本发明的具体步骤如下：

一种基于交替迭代运算的荧光分子断层成像重建方法，其特征在于：基于光传输模型和有限元理论，将重建目标的光学特性参数和解剖结构信息作为先验信息，建立表面的测量数据与重建目标内部荧光目标分布的线性关系，将该线性关系转化为有约束条件的极小化问题，交替执行加权的代数重建技术与最速下降法来求解，从而获得重建目标内部的荧光目标的三维分布与浓度。

作为一种改进，步骤如下：

（1）获取测量数据

a、激发光源对固定在电控旋转台上的重建目标进行多角度的透射式断层扫描；

b、使用光学检测仪器获得测量数据，获得光通量密度Φ_m。

（2）获得重建目标的解剖结构信息以及光学特性参数。

（3）基于光传输模型和有限元理论，将重建目标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重建目标内部荧光目标分布的线性关系。

（4）将上述线性关系转化为有约束条件的极小化问题：

min||X||₂，s.t.|AX-Φ_m|≤ε，X≥0

ε是一个非负的误差系数，这是一个带有约束条件的2-范数极小化问题；

（5）对步骤（4）中带约束的极小化问题，采用加权的代数重建技术求解约束条件：|AX-Φ_m|≤ε，X≥0，而2-范数极小化问题则用最速下降法求解。加权的代数重建技术为如下形式：

X=X+βA→iΦm-A→iXA→iA→i]]>