一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)學(xué)仿真和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種基于體素的微擾熒光蒙特卡 羅模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大多數(shù)生物組織均為高散射的三維渾濁介質(zhì)，建立一個高精度和高效率的計算方 法對于熒光斷層成像的定量精度有著重要的意義。蒙特卡羅是一種基于隨機(jī)抽樣過程的離 散統(tǒng)計理論方法。相比較于其它方法，蒙特卡羅方法可模擬任意幾何形狀，邊界條件和光學(xué) 參數(shù)下的光子輸運(yùn)過程。由于其廣泛的適用性，它作為一個模擬光子輸運(yùn)實際物理過程的 最直接，最有效和最可信的方法。因而，它成為了評價其它特定應(yīng)用方法的金標(biāo)準(zhǔn)。
[0003] A.J.Welch最早描述了熒光在生物組織中激發(fā)和傳播的規(guī)律，并提出了標(biāo)準(zhǔn)熒光 蒙特卡羅法[1]。在半無限大的層狀渾濁介質(zhì)中，該方法的仿真結(jié)果已經(jīng)被證明是精確的 [2]。Liebert提出了運(yùn)用于層狀渾濁介質(zhì)的微擾熒光蒙特卡羅方法[3]。在熒光斷層成像 重建中，熒光團(tuán)吸收系數(shù)改變時，往往需要進(jìn)行一次完整的標(biāo)準(zhǔn)熒光蒙特卡羅仿真來得到 結(jié)果，計算量往往相當(dāng)大；且通過CT和MRI等成像手段提供的生物組織結(jié)構(gòu)信息均是基于 體素的。A.J.Welch提出的方法會給計算機(jī)造成較大的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，而Liebert提出的方法只 能適用于層狀模型，以上方法均無法完全滿足熒光斷層成像重建的需求。因此發(fā)明一種利 用一次計算保存的光子路徑信息來直接計算探測器上熒光權(quán)重的基于體素的蒙特卡羅模 擬方法，可以大大節(jié)約時間，并滿足此需求。
[0004] [l]ffelchAJ,GardnerC,Richards-KortumR,etal.Propagationof fluorescentlight[J]?Lasersinsurgeryandmedicine，1997,21(2) :166-178.
[0005] [2]VishwanathK,PogueB,MycekMA.Quantitativefluorescencelifetime spectroscopyinturbidmediacomparisonoftheoretical，experimentaland computationalmethods[J].PhysicsinMedicineandBiology，2002,47(18) :3387.
[0006] [3]LiebertA，WabnitzH，ZolekN，etal.MonteCarloalgorithmfor efficientsimulationoftime-resolvedfluorescenceinlayeredturbidmedia[J]. Opticsexpress，2008,16 (17) :13188-13202.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于提供了一種在熒光團(tuán)吸收系數(shù)微小變化時，快速計算探測上熒光 權(quán)重的蒙特卡羅模擬方法。該方法通過一次計算保存的光子路徑信息，二次計算直接利用 保存的光子路徑信息計算熒光，大大節(jié)省了模擬光子在生物組織中傳輸?shù)臅r間。
[0008] 一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于包括以下步驟：
[0009] (1)確定目標(biāo)生物組織，對目標(biāo)生物組織進(jìn)行三維剖分，構(gòu)建一個三維體素模型， 建立一個三維數(shù)字矩陣，三維數(shù)字矩陣中每個元素與三維體素模型中體素一一對應(yīng)，每個 元素的數(shù)值標(biāo)識一種生物組織，設(shè)置生物組織的光學(xué)特性參數(shù)：吸收系數(shù)、散射系數(shù)、熒光 團(tuán)吸收系數(shù)、折射率和各向異性因子；
[0010] (2)將入射光源表征為設(shè)定數(shù)目光子的集合，確定光源的初始位置和方向及探測 器的位置，投放激發(fā)光光子，追蹤激發(fā)光光子在生物組織中傳輸，計算激發(fā)光光子轉(zhuǎn)化為熒 光光子比例，沿著激發(fā)光路徑計算探測器上所接收到的熒光光子權(quán)重，保存光子的路徑信 息；
[0011] (3)當(dāng)生物組織內(nèi)的熒光團(tuán)吸收系數(shù)變化時，利用保存的光子路徑信息，計算探測 器上所接收到的熒光光子權(quán)重。
[0012] 步驟（2)中激發(fā)光光子轉(zhuǎn)化為熒光光子過程中，假定熒光是各向異性散射，熒光 散射方向與激發(fā)光散射方向一致。
[0013] 假定步驟（2)中激發(fā)光光子和熒光光子在生物組織中隨機(jī)行走的路徑相同。
[0014] 假定步驟（2)中激發(fā)光在熒光區(qū)域連續(xù)激發(fā)出熒光。
[0015] 步驟（2)具體按以下步驟進(jìn)行：
[0016] (2. 1)追蹤激發(fā)光光子在生物組織中的傳輸，沿著激發(fā)光路徑，利用公式計算激發(fā) 光光子權(quán)重w(rs，r);
【主權(quán)項】
1. 一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 確定目標(biāo)生物組織，對目標(biāo)生物組織進(jìn)行三維剖分，構(gòu)建一個三維體素模型，建立 一個三維數(shù)字矩陣，三維數(shù)字矩陣中每個元素與三維體素模型中體素一一對應(yīng)，每個元素 的數(shù)值標(biāo)識一種生物組織，設(shè)置生物組織的光學(xué)特性參數(shù)：吸收系數(shù)、散射系數(shù)、熒光團(tuán)吸 收系數(shù)、折射率和各向異性因子； (2) 將入射光源表征為設(shè)定數(shù)目光子的集合，確定光源的初始位置和方向及探測器的 位置，投放激發(fā)光光子，追蹤激發(fā)光光子在生物組織中傳輸，計算激發(fā)光光子轉(zhuǎn)化為熒光光 子比例，沿著激發(fā)光路徑計算探測器上所接收到的熒光光子權(quán)重，保存光子的路徑信息； (3) 當(dāng)生物組織內(nèi)的熒光團(tuán)吸收系數(shù)變化時，利用保存的光子路徑信息，計算探測器上 所接收到的熒光光子權(quán)重。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于：步驟 (2)中激發(fā)光光子轉(zhuǎn)化為熒光光子過程中，假定熒光是各向異性散射，熒光散射方向與激發(fā) 光散射方向一致。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于：假定 步驟（2)中激發(fā)光光子和熒光光子在生物組織中隨機(jī)行走的路徑相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于：假定 步驟（2)中激發(fā)光在熒光區(qū)域連續(xù)激發(fā)出熒光。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于：步驟 (2)具體按以下步驟進(jìn)行： (2. 1)追蹤激發(fā)光光子在生物組織中的傳輸，沿著激發(fā)光路徑，利用公式計算激發(fā)光光 子權(quán)重w (rs, r);
式中：rs為光源位置、r為熒光激發(fā)位置； /C為激發(fā)光的吸收系數(shù)、Uaf為熒光團(tuán)吸收系數(shù)； rjU = 1,……Pi)為激發(fā)光光子從匕到r的第j-Ι次和第j次散射事件間的路徑長 度； Wtl為激發(fā)光光子的初始權(quán)重、1為在q微區(qū)所經(jīng)歷的路徑長度； (2. 2)如果激發(fā)光子在生物組織中的熒光區(qū)域被吸收并激發(fā)產(chǎn)生熒光，依據(jù)熒光團(tuán)系 數(shù)和量子效率來計算激發(fā)光轉(zhuǎn)化為熒光的概率P (r); p(r) = n (1-exp (-UafKr))) 式中：rI為量子效率； (2.3)沿著激發(fā)光路徑，利用公式計算熒光光子權(quán)重w(r，rd);
式中：rdS探測器位置； /Ci為熒光的吸收系數(shù)； rjU = Pi+l,.......qj為熒光光子從r到rd的第j-1次和第j次散射事件間的路徑 長度； Wtl'為熒光光子的初始權(quán)重、1為在h微區(qū)所經(jīng)歷的路徑長度； (2. 4)追蹤所有的熒光光子，直到熒光光子逸出組織或死亡，計算探測器上的熒光光子 權(quán)重，保存從源到探測器光子的路徑信息。源位置在^處，激發(fā)位置在r處，探測器在r 所接收到所有的熒光光子權(quán)重和W(rs，rd，r)為：
在非熒光區(qū)域UafOj)為O ;
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，其特征在于：步驟 (3)具體按以下步驟進(jìn)行： (3. 1)確定生物組織內(nèi)熒光團(tuán)吸收系數(shù)變化的體素的索引值，并提取該體素內(nèi)熒光光 子所走的路徑長度； (3. 2)利用保存的熒光光子路徑信息，代入下式直接計算探測器上的熒光光子權(quán)重，
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于體素的微擾熒光蒙特卡羅模擬方法，將入射光源表征為設(shè)定數(shù)目光子的集合，確定光源的初始位置和方向及探測器的位置；投放激發(fā)光光子，追蹤激發(fā)光光子在生物組織中傳輸，計算激發(fā)光光子轉(zhuǎn)化為熒光光子比例，沿著激發(fā)光路徑計算探測器上所接收到的熒光光子權(quán)重,保存光子的路徑信息；當(dāng)熒光團(tuán)吸收系數(shù)微小變化時，利用保存的光子路徑信息，來直接計算探測器上熒光光子權(quán)重，大大節(jié)約了模擬光子在生物組織中傳輸時間。本發(fā)明方法計算效率高，能夠大大提高熒光斷層成像重建的計算效率。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104679946
【申請?zhí)枴緾N201510051698
【發(fā)明人】駱清銘, 鄧勇, 羅召洋, 江旭
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月30日