[发明专利]生物发光断层成像复合正则化重建的自适应参数选择方法

说明书

生物发光断层成像复合正则化重建的自适应参数选择方法，属于医学图像处理领域。由于生物组织具有强散射，低吸收的特点，生物发光断层成像的重建问题在数学上是一个高度病态的问题，外界微小的测量扰动都会给重建结果带来很大的变化。为了降低BLT重建问题的病态性，在重建时可以使用正则化的求解方法将光源重建问题转变成一个非线性的最优化问题。为了能够取得更加理想的BLT重建效果，使用基于L1范数与TV范数的复合正则化方法对重建问题求解；本发明结合偏差原理，使用迭代的方式计算复合正则化参数。通过本方法，针对BLT的复合正则化重建方法可以自适应地计算得到合适的正则化参数。

技术领域

本发明属于医学图像处理领域，涉及一种针对基于L1范数与TV范数的复合正则化生物发光断层成像重建方法的自适应正则化参数选择方法。

背景技术

随着计算机技术的快速发展及人类在生命科学领域研究的不断深入，各种医学影像技术和医学成像设备也进入了快速发展的时期。从传统的计算机断层成像(ComputedTomography，CT)、超生成像(Ultrasound Imaging，USI)、核磁共振成像(MagneticResonance Imaging，MRI)、正电子成像(Positron Emission Tomography，PET)、单光子发射断层成像(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)发展到激发荧光断层成像(Fluorescent Molecular Tomography，FMT)和生物发光断层成像(Bioluminescence Tomography，BLT)等多种成像技术，这些成像技术的发展也极大地推动了生命科学的进步。

生物发光断层成像(以下简称BLT)作为一种重要的成像技术，近年来已经成为光学分子影像的一个重要分支。BLT凭借其高灵敏度、背景噪声低等特性，通过在生物体表获得荧光信号从而重建生物体内荧光源的分布以及观测细胞分子水平变化。BLT技术不需要外在光源的激发，而是通过一种生物化学发光反应在体内发光。体内产生的荧光在生物组织内部以某种规律传播并不断地与生物组织发生相互作用，并到达体表。最后，在生物组织体表利用高灵敏度的探测器获得的荧光图像就可以重建出荧光光源在小动物体内的分布情况，从而在本质上揭示在体分子的活动规律。

由于生物组织具有强散射、弱吸收的特点，荧光光子无法在生物组织中沿直线传输，而是经历了大量的散射过程，导致BLT逆问题在数学上是一个高度病态的问题，外界微小的测量扰动都会给重建结果带来很大的变化。因此，降低BLT的病态性，如何唯一、准确地重建荧光光源是BLT研究的重点及热点。

近年来，国内外研究学者为了提高BLT成像的准确性和可靠性做了各种尝试。为了降低BLT重建问题的病态性，在重建时可以使用正则化的求解方法将光源重建问题转变成一个非线性的最优化问题。正则化方法最早在上世纪60年代由苏联科学院院士Tikhonov提出，用来求解形如Fx＝y方程的不适定问题。正则化的核心思想是在求解问题过程中引入先验信息，从而得到对原问题有意义的解。正则化函数构造主要针对正则化项的形式进行研究，目前有L2范数、总变分(total variation，TV)范数和L_p范数的正则化项形式。基于稀疏特性的正则化方法(典型的的是L1正则化)由于融入了光源的稀疏先验信息，能够提高重建图像的质量。但是该方法会导致重建的光源过于稀疏，进而降低成像的质量。TV正则化方法由于突出了光源的边界信息从而改善了成像质量，但该方法会消除重建图像中一些小的特征信息和小的物体信息(如稀疏光源)。使用联合L1正则化和TV正则化的复合正则化方法，可以融合两种正则化方法的优点，从而突破单一正则化方法的局限性，进而提高成像的质量。