[发明专利]一种生物发光断层成像重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及到一种生物发光断层成像的方法，本发明基于三阶简化球谐波近似模型和稀疏正则化方法，可应用于疾病早期诊断、基因治疗和药物研发等领域。

背景技术

近年来，由于在灵敏性、安全性、操作性和成本等方面比X光成像、磁共振成像和核素成像方式具有优势，光学成像技术得到了快速的发展，在生物研究中被广泛应用，取得了显著的科研成果。其中，生物发光断层成像(Bioluminescence tomography，BLT)作为一种领先的光学成像技术，通过高灵敏度CCD相机采集光学信号，结合生物组织光传输理论和自由空间光传输理论，采用重建算法获取生物体内光源所在的三维空间位置信息或能量信息。BLT能够克服BLI平面成像的局限，提供生物发光光源精确的空间位置和能量信息，加上本身成像信噪比相对较高，得到了国内外学者和研究人员的广泛关注和研究，目前已开始应用于基因表达、肿瘤检测和药物研发等小动物实验和预临床实验。近几年，生物发光断层成像理论得到了迅速发展和广泛关注，前向光传输模型的求解是BLT逆向光源重建的基础，快速有效地重建方法是BLT目前研究的重点和核心。

目前在光学成像领域中，辐射传输方程(Radiative transport equation，RTE)被公认为一种较为准确的生物组织光传输模型，但作为一个复杂的积分-微分方程，RTE方程的求解时间代价比较大。为此，人们提出了RTE方程的一些高阶或低阶近似模型，这些近似模型以降低求解精度为代价，大大地减少了求解所需的计算量。中国科学院自动化研究所在其专利申请文件″一种用于自发荧光成像的空间加权的有限元重建方法″(申请号200810102314.7，申请日2008.03.20，)中提出了一种基于扩散方程的自发荧光断层成像重建方法。但是作为RTE方程的低阶近似，扩散近似模型适用于生物组织高散射低吸收的情况，无法精确描述光在高吸收介质中的传输。由于生物体中很多组织对光的吸收较强，对于吸收系数较高的生物组织误差非常大，这一缺点限制了扩散近似模型在全身成像中的应用。而且扩散近似要求光源和探测器之间的相隔光子10个自由程以上，这限制了扩散近似模型在小动物成像中的应用。

生物发光断层成像的逆向重建问题是根据生物体表面获得的测量数据采用合适的重建算法反演生物体内发光光源的位置及定量信息。但是由于BLT是早期成像，在细胞和分子水平下，光源信号较弱，而且受到生物组织散射吸收的影响，在体表被CCD相机接受的信号会有衰减和噪声，再加上生物发光断层成像的逆向重建问题是一个严重病态的不适定问题，这使得开发稳定高效的重建算法成为生物发光断层成像中的充满挑战性的问题。中国科学院自动化研究所在其专利申请文件″一种基于水平集检测目标体内光源分布的方法″(申请号200910091634.1，申请日2009.08.26)中提出了一种基于/₂范数正则化的自发荧光断层成像重建方法。但是传统的/₂范数正则化方法容易产生平滑解，重建光源能量分布过于平滑，重建结果分布范围较大，远远超出光源本身大小，而且同时在BLT逆问题重建中在真实光源附近产生多个伪光源。

现有专利或文献中的BLT重建方法大部分采用扩散近似方程和基于/₂范数的正则化方法，最新的文献中虽然有在前向模型中采用较为精确的RTE方程的高阶球谐波近似模型或者在重建方法中采用/₁正则化算法的，但是如何结合前向和逆向问题的特点，同时兼顾前向模型和逆向重建方法的准确性和效率依然是一个挑战性的问题。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明旨在于提供一种基于三阶简化球谐波近似模型和稀疏正则化的生物发光断层成像重建的方法，提高了前向模型的准确性和逆向重建的稀疏性，实现了生物发光断层成像的准确快速重建。

本发明的实现思路具体是：根据生物体的组织特异性，采用三阶简化球谐波近似模型代替扩散近似模型，保证前向模型构建的精度和效率；基于自由空间传输理论，建立探测器采集的光学数据和生物体三维表面数据的映射关系；基于hp自适应有限元方法建立内部未知光源和表面已知测量值之间的线性关系；基于/_1/2正则化的加权内点法，结合生物体内荧光光源的稀疏性，在逆向重建中同时进行定位和定量的三维重建，实现了生物发光断层成像的准确高效重建。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种生物发光断层成像重建方法，所述方法包括以下步骤：