專利名稱：生物自發(fā)光斷層成像中最佳光源可行性區(qū)快速選取方法
技術領域：
本發(fā)明涉及分子影像成像模態(tài)-自發(fā)熒光斷層成像(BLT)技術，特別涉及到一種最佳光源可行性區(qū)的自動選取方法。
背景技術：
生物發(fā)光斷層成像(Bioluminescence Tomography, BLT)是分子影像學的一個重要分支，可以從細胞和分子水平對生物體內腫瘤的生長和轉移，特定基因的表達等諸多生物學過程進行分析和檢測，具有靈敏度高、無創(chuàng)傷、操作簡單、成本低等優(yōu)點，可以廣泛應用于腫瘤檢測、基因治療及藥物開發(fā)等領域。BLT重建的目的在于通過檢測生物體表的光子密度來計算生物體內光源的正確分布，但是由于熒光光子在生物體內傳播中受到組織器官的吸收散射等作用，光子傳播方向復雜，同時CCD相機只能采集到生物體表的信息，不能完全反映生物體內所有點的光學信息。因此BLT重建是一個嚴重的病態(tài)問題，并且對噪聲非常敏感。為了得到穩(wěn)定并且準確的重建結果，通常需要足夠的先驗知識。因光源可行性區(qū)能夠限定體內光源的分布區(qū)域，減少生物組織內的未知量，提高重建光源的唯一性和準確性而常常當作一種重要的先驗信息。但由于缺乏對生物體內發(fā)光源的直觀了解，導致光源可行性區(qū)的選取有著很大的隨機性及不確定性，并且在傳統(tǒng)的光源可行性區(qū)選取方法中人為干涉太多，難以實現(xiàn)自動及最優(yōu)化選取。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服上述重建過程中光源可行性區(qū)選取的不足，提高可行性區(qū)選取的自動性，穩(wěn)定性及準確性，以進一步提高重建質量。本發(fā)明為解決上述技術問題，提出一種生物自發(fā)光斷層成像中最佳光源可行性區(qū)快速選取方法，根據一個有效的重建過程中其重建光源有趨近于真實光源的特性，經過一定次數的迭代，得到一個接近真實光源的重建中心點，并將其設為最佳光源可行性區(qū)中心點，進而確定最佳光源可行性區(qū)的大??；其中，最佳光源可行性區(qū)中心點的計算具體包括以下步驟:步驟1:在生物自發(fā)光斷層成像中任意選取一個光源可行性區(qū)R0,其中心點為點Po；步驟2:利用生物自發(fā)光斷層成像重建算法對于生物自發(fā)光斷層成像進行求解，得到一個重建光源，設該重建光源的中心為點P1 ;步驟3:計算重建光源的中心點P1與光源可行性區(qū)中心點Ptl的幾何距離d，若該幾何距離d小于設定閾值U，則以P1點為最佳光源可行性區(qū)中心，算法結束；若該幾何距離d大于或等于設定閾值U，則以P1點取代Ptl點重新設定光源可行性區(qū)Rtl,返回步驟2，逐步迭代；其中閾值U的取值根據重建算法的精度設定，取值范圍為0〈ii〈0.8mm ；步驟4:記錄迭代次數， 若步驟3中迭代次數達到設定最大次數，或重建光源的中心點與光源可行性區(qū)中心點之間的幾何距離d小于設定閾值U，則算法結束，并以最后一次重建中心點為最佳光源可行性區(qū)中心點；光源可行性區(qū)大小的確定包括以下步驟:步驟5:根據未知光源與生物體表面光強之間的相關性，對光子傳輸方程進行如下簡化，得到如下兩個方程:f(S)=Om(l)f (R) =Oc (2)其中f()表不任意一種能夠描述光子在生物組織內傳輸的方程，S為真實光源，R為光源可行性區(qū)，Oni為生物體表面測量光強值，為生物表面計算光強值，比較兩式得知，當光源可行性區(qū)R越接近于真實光源S時，與Om的相關度越高；步驟6:利用得到的光源可行性區(qū)中心點P1設立一個初始光源可行性區(qū)R1 ;步驟7:以可行性區(qū)R1為光源，利用生物自發(fā)光斷層成像前向公式計算生物表面光強值0%并與真實測量光強值比較，求其相關系數cor的值；
步驟8:對步驟7求得的相關系數cor的值進行判斷，若相關系數cor的值小于設定的閾值Y，且迭代次數小于最大迭代次數，則收縮光源可行性區(qū)大小，并轉到步驟7 ;若相關系數cor的值大于設定閾值Y，或者是迭代次數達到設定的最大次數，則停止迭代，并從記錄中的相關系數cor值中選取一個最大的值，同時以其對應的光源可行性區(qū)大小作為最佳可行性區(qū)大小，其中閾值Y的設定范圍是0〈 Y ( I。本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果:本發(fā)明利用有限元重建算法的特性，當光源可行性區(qū)大于真實光源體積時，重建中心點有趨近于真實光源的趨勢，進而確定一個與真實光源足夠接近的光源可行性區(qū)中心點。在確定中心后，利用未知光源與生物組織表面光強的測量值之間的線性關系，確定一個與真實光源最相關的可行性區(qū)作為目標可行性區(qū)。根據這個思路得到的光源可行性區(qū)會提供生物組織內真實光源的位置和體積大小信息，有助于提升重建質量。
圖1是本發(fā)明方法的流程圖。圖2是具體實施時所用的小鼠模型示意圖。圖3是光源可行性區(qū)中心點迭代圖。圖4是不同可行性區(qū)大小對重建中心點迭代的比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的的理解，而不對其起任何限定作用。根據光子在生物組織內傳輸方程的性質可知，當一個光源可行性區(qū)與真實光源越接近時，那么以這個可行性區(qū)為模擬光源計算的生物組織表面的光強值分布與真實測量光強值的分布越接近，即它們之間的相關性越高?？尚行詤^(qū)中心點確定情況下，經過對體積不同的光源可行性區(qū)的迭代與比較，得到一個與真實光源最接近的光源可行性區(qū)，并設為最佳光源可行性區(qū)。本發(fā)明的思路具體包括以下步驟:
(I)選取一種有效的并能夠描述生物自發(fā)光斷層成像前向問題的方程；(2)選取一種有一定重建精度的自發(fā)光斷層成像重建算法；(3)設定初始可行性區(qū)域，并記錄其中心點；(4)求解重建算法，得到相關可行性區(qū)域下的重建光源中心點，并以重建中心點為基礎重新設定可行性區(qū)域，依次迭代，得到一系列重建中心點；(5)對得到的重建中心點進行判斷，若相鄰兩次中心點之間的距離小于某個設定閾值或者迭代次數達到設定的最大次數，則停止迭代，并以最后一次得到的中心點為最佳光源可行性區(qū)域中心點；(6)根據第五步得到的最佳光源可行性區(qū)中心點，重新劃定一個相對較大光源可行性區(qū)域；(7)以光源可行性區(qū)域內的點為發(fā)光源，計算生物自發(fā)光斷層成像的前向方程，得到生物組織表面的光子強度，并計算與真實測量的表面光強值之間的相關度；(8)對得到的相關度值進行判斷，若相關度值小于設定閾值，且迭代次數沒有達到最大值，則按一定步長收縮光源可行性區(qū)域，并跳到第七步，若相關度值大于設定閾值，則停止迭代，并以當前的光源可行性區(qū)域為最佳可行性區(qū)域。若相關度值小于設定閾值，且迭代次數達到最大值，則停止迭代，并從記錄的相關度值中找出一個最大的值，并以其對應的光源可行性區(qū)大小為最佳光源可行性區(qū)大小。具體實施例:圖1是本發(fā)明的光源可行性區(qū)選取方法的總體流程，為了更好的理解本發(fā)明，在以下具體實施中，采用簡化 的擴散方程作為描述光子在生物組織內傳播的方程，同時采用有限元法作為生物自發(fā)光斷層成像重建算法，具體實現(xiàn)如下:步驟1:對于BLT逆向問題中，生物組織表面光子強度是已知的，而內部熒光光源是未知的，通過有限元方法可以對離散的擴散方程求解，得到熒光光源的分布信息，但通常情況下這個解不是唯一的，為了提高求解的精度與穩(wěn)定性，采用了 Tikhonov正則化方法對有限元法進行了優(yōu)化。步驟2:設定初始可行性區(qū)，其中心為Ptl，利用有限元算法求解此可行性區(qū)對應的重建光源中心，記為P:。步驟3:計算P1與Ptl的幾何距離d，若d滿足設定的要求，則停止計算，當前P1為所求最佳光源可行性區(qū)中心點；若不滿足要求且未達到最大迭代次數，則以P1代替Ptl劃定新的光源可行性區(qū)，并再次求得新的P1，逐步迭代，直到滿足設定閾值條件或者是達到最大迭代次數。步驟4:根據計算得到的最佳可行性區(qū)中心點P1，劃定一個初始體積為V (保證比真實光源大)的光源可行性區(qū)R1。步驟5:以光源可行性區(qū)R1為模擬光源，利用簡化的擴散方程MO^=FR1 (M和F為描述表面光子強度和真實光源之間關系的雙正定矩陣)求得R1所應的表面光子強度值0%并計算與真實測量的組織表面光強值Om的相關度。步驟6:對相關度值進行判斷，若相關度值滿足設定的條件閾值，則停止計算，并以當前的光源可行性區(qū)大小V作為最佳可行性區(qū)大小，若相關度值不滿足閾值條件且沒有達到最大迭代次數，則線性收縮光源可行性區(qū)大小，Vn=V-1ia，n為迭代次數，a為收縮步長，然后跳到第五步，逐步迭代。步驟7:若迭代次數達到最大限定次數，則停止計算，并從記錄的相關度值中，尋找出最大的一個，并以其對應的可行性區(qū)大小V_(COT)作為最佳可行性區(qū)大小。步驟8:得到最佳光源可行性區(qū)的中心點為P1，大小為V_(COT)，計算結束。運行結果:為了驗證本發(fā)明的可行性和實用性，我們利用三維數字鼠模型進行了光源可行性區(qū)選取的仿真實驗。實驗中的小鼠網格模型由Belma Dogdas等人建立如圖2，共包含7種組織器官:肌肉、骨骼、心臟、胃、肺、腎臟，18852個節(jié)點，103858個四面體。表I給出了各組織的光學參數。表1.數字鼠模型中不同組織的光學參數
權利要求
1.一種生物自發(fā)光斷層成像中最佳光源可行性區(qū)快速選取方法，其特征在于:根據一個有效的重建過程中其重建光源有趨近于真實光源的特性，經過一定次數的迭代，得到一個接近真實光源的重建中心點，并將其設為最佳光源可行性區(qū)中心點，進而確定最佳光源可行性區(qū)的大?。黄渲?， 最佳光源可行性區(qū)中心點的計算具體包括以下步驟: 步驟1:在生物自發(fā)光斷層成像中任意選取一個光源可行性區(qū)R0,其中心點為點P。；步驟2:利用生物自發(fā)光斷層成像重建算法對于生物自發(fā)光斷層成像進行求解，得到一個重建光源，設該重建光源的中心為點P1 ； 步驟3:計算重建光源的中心點P1與光源可行性區(qū)中心點Ptl的幾何距離d，若該幾何距離d小于設定閾值y，則以P1點為最佳光源可行性區(qū)中心，算法結束；若該幾何距離d大于或等于設定閾值U，則以P1點取代Ptl點重新設定光源可行性區(qū)R。，返回步驟2，逐步迭代；其中閾值U的取值根據重建算法的精度設定，取值范圍為0〈ii〈0.8mm; 步驟4:記錄迭代次數，若步驟3中迭代次數達到設定最大次數，或重建光源的中心點與光源可行性區(qū)中心點之間的幾何距離d小于設定閾值y，則算法結束，并以最后一次重建中心點為最佳光源可行性區(qū)中心點； 光源可行性區(qū)大小的確定包括以下步驟: 步驟5:根據未知光源與生物體表面光強之間的相關性，對光子傳輸方程進行如下簡化，得到如下兩個方程:f (S)=Om(I)f (R) =Oc (2) 其中f 0表不任意一種能夠描述光子在生物組織內傳輸的方程，S為真實光源，R為光源可行性區(qū)，Om為生物體表 面測量光強值，為生物表面計算光強值，比較兩式得知，當光源可行性區(qū)R越接近于真實光源S時，與Om的相關度越高； 步驟6:利用得到的光源可行性區(qū)中心點P1設立一個初始光源可行性區(qū)R1 ； 步驟7:以可行性區(qū)R1為光源，利用生物自發(fā)光斷層成像前向公式計算生物表面光強值0%并與真實測量光強值比較，求其相關系數cor的值； 步驟8:對步驟7求得的相關系數cor的值進行判斷，若相關系數cor的值小于設定的閾值Y，且迭代次數小于最大迭代次數，則收縮光源可行性區(qū)大小，并轉到步驟7 ;若相關系數cor的值大于設定閾值Y，或者是迭代次數達到設定的最大次數，則停止迭代，并從記錄中的相關系數cor值中選取一個最大的值，同時以其對應的光源可行性區(qū)大小作為最佳可行性區(qū)大小，其中閾值Y的設定范圍是0〈 Y ( I。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物自發(fā)光斷層成像中最佳光源可行性區(qū)快速選取方法。所述方法包括確定最佳光源可行性區(qū)中心點和確定最佳光源可行性區(qū)大小。利用重建光源有趨近于真實光源的特性，經過一定次數的迭代，確定一個與真實光源接近的點作為最佳光源可行性區(qū)中心點；根據生物自發(fā)光斷層成像中前向方程能夠模擬光子在生物組織內傳輸的特性，在光源可行性區(qū)中心點確定的情況下，以不同大小的光源可行性區(qū)為模擬光源，計算前向方程，并與真實測量的表面光強值進行相關性的比較，最終得到一個包含真實光源的最優(yōu)光源可行性區(qū)。有效降低生物自發(fā)光斷層成像中欠定性和病態(tài)性問題，提高成像質量。
文檔編號A61B5/00GK103110405SQ20131002811
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權日2013年1月24日
發(fā)明者陳春曉, 劉高, 楊偉 申請人:南京航空航天大學