[发明专利]一种基于同步聚类的多光源荧光分子断层成像重建方法

说明书

本发明公开了一种基于同步聚类的多光源荧光分子断层成像重建方法，利用光学特性参数与解剖结构信息作为先验知识，提高了重建结果的准确性与重建图像的质量；本发明鲁棒地自动分割重建图像，无需先验知道光源数目，聚类速度快，减少了计算时间复杂度，可提供聚类中心；而且充分利用FMT的空间坐标信息和荧光产额信息。

技术领域

本发明属于分子影像领域，涉及一种基于同步聚类的多光源荧光分子断层成像重建方法，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(简称FMT)是一种新型的光学分子影像技术，它利用荧光探针、荧光染料等标记重建目标。在外部激发光的照射下，被标记的目标吸收能量，发生能级跃迁，然后释放能量发出荧光。利用高灵敏的光学仪器采集生物体表的荧光，结合数学模型，重建出目标的三维分布和荧光产额。FMT可以对活体进行细胞分子水平的定量研究，被广泛应用于疾病的早期诊断与医疗监测。

FMT重建是一个不适定问题，其解不唯一、并容易受测量噪声影响。光子在生物体内部的传播经过大量散射过程，而非直线传播，求解未知数数量远远大于方程数，进一步增加求解的不适定性。在研究的早期，L2范数正则化的方法，代数迭代算法被用来求解问题。由于受到压缩感知理论影响，一些基于L1范数的重建算法被提出，例如IVTCG重建算法，Homtopy算法等。最近，基于L_p(0＜p＜1)范数的重建方法，基于贪婪思想的重建算法以及基于TV范数的重建方法也相继被提出。这些算法在单光源FMT重建中有着不错的效果，但在多光源FMT重建中还有待提高。在FMT临床研究中，多个病变区域的锁定，中心定位，对于临床治疗有个更重要的意义。例如，肿瘤转移，多个肿瘤块的定位，都需要用到多目标FMT重建算法。多光源重建相比单光源重建，其重建难度更大，目前对于多目标的分辨，在FMT研究中并没有一个鲁棒、高效的重建方法。因此，多光源重建一直作为FMT研究的一个主要方面。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于同步聚类的多光源荧光分子断层成像重建方法，其解决了现有技术中目标重建过程鲁棒性较差，且时间复杂度较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于同步聚类的多光源荧光分子断层成像重建方法，包括以下步骤：

步骤一，成像目标内包含重建目标，获取成像目标体表荧光的光通量密度；

步骤二，对成像目标进行CT扫描，获得成像目标的计算机断层成像数据；对成像目标的计算机断层成像数据进行三维重建并分割，得到成像目标的解剖结构信息；利用光通量密度和成像目标的解剖结构信息获得成像目标的光学特性参数；

步骤三，对成像目标的计算机断层成像数据进行离散化处理，得到多个目标网格节点、多个四面体以及目标网格节点和四面体之间的对应关系；

步骤四，根据成像目标的光学特性参数，基于光传输模型和有限元理论，建立光通量密度与重建目标的三维分布的线性关系；

步骤五，将步骤四得到的线性关系转换为L1范数极小化问题，求解L1范数极小化问题，获得重建目标的三维分布；

步骤六，根据重建目标的三维分布和目标网格节点，确定重建目标所包含的目标网格节点；

步骤七，利用重建目标包含的目标网格节点对重建目标的三维分布进行同步聚类，得到多个类别；根据目标网格节点和四面体之间的对应关系，每个类别形成一个子重建目标。

具体地，所述步骤四中的光通量密度与重建目标的三维分布的线性关系，采用如下公式表示：

ΑX＝Φ

其中，A是系统权重矩阵，Φ光通量密度，X是重建目标的三维分布。