一種光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，利用級數(shù)展開理論分解傳輸光強(qiáng)，結(jié)合OPT成像模型，利用測量信號中的彈道傳播信號和散射信號的特性，采用統(tǒng)計(jì)迭代算法從散射分量中重建生物組織的散射系數(shù)，再利用衰減系數(shù)、散射系數(shù)與吸收系數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算獲得生物組織的吸收系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)生物組織吸收系數(shù)和散射系數(shù)空間分布的同時(shí)重建，應(yīng)用于弱散射介質(zhì)的投影斷層重建。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了生物組織吸收系數(shù)和散射系數(shù)的三維重建，既有效解決了OPT成像存在的散射問題，又提高了OPT成像質(zhì)量，同時(shí)更豐富了OPT技術(shù)提供的信息量。
【專利說明】
一種光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)投影斷層成像中的吸收和 散射系數(shù)重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)投影斷層成像(Optical projection tomography,OPT)是一種新型的高分辨 率三維分子影像成像技術(shù)，其成像原理和X射線計(jì)算機(jī)斷層成像的原理類似。OPT可獲得掃 描樣品結(jié)構(gòu)像，又能利用熒光染料或熒光蛋白進(jìn)行分子特異性標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)分子特性成像，并 且設(shè)備成本低，使用方便。
[0003] 0PT成像由于生物樣品未經(jīng)透明化處理，因此存在光子散射問題。常規(guī)的0PT成像 算法只考慮生物組織對光子的吸收特性，也只能重建光子的吸收系數(shù)不能重建光子的散射 系數(shù)。當(dāng)采用0PT技術(shù)進(jìn)行成像時(shí)，散射的影響不可忽略，并且會(huì)和光子的吸收特性混合在 一起，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的0PT成像空間分辨率的降低以及重建結(jié)果的不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于弱散射介質(zhì)的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和 散射系數(shù)重建方法，旨在解決常規(guī)的0PT成像算法只考慮生物組織對光子的吸收特性，無法 同時(shí)重建光子的吸收系數(shù)和光子散射系數(shù)的問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種應(yīng)用于弱散射介質(zhì)的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散 射系數(shù)重建方法利用級數(shù)展開理論分解傳輸光，將傳輸光分解為彈道傳輸分量、一次散射 傳輸分量和多次散射傳輸分量，結(jié)合本發(fā)明中弱散射介質(zhì)的應(yīng)用背景，將多次散射傳輸分 量忽略不計(jì);結(jié)合0PT成像模型，分別測量彈道傳輸分量和一次散射傳輸分量;采用重建算 法從彈道傳輸分量中重建樣品的衰減系數(shù)，從一次散射分量中重建樣品的散射系數(shù);再利 用衰減系數(shù)、散射系數(shù)與吸收系數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算獲得樣品的吸收系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)樣品吸 收系數(shù)和散射系數(shù)空間分布的同時(shí)重建。
[0006] 進(jìn)一步，所述光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法包括以下步驟：
[0007] 步驟一，光子弱散射生物組織傳輸建模；
[0008] 步驟二，光源和CCD相機(jī)相對放置時(shí)采集投影數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟三，重建生物組織衰減系數(shù)；
[0010] 步驟四，光源和CCD相機(jī)偏移一定角度放置時(shí)采集投影數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟五，重建生物組織散射系數(shù)；
[0012] 步驟六，計(jì)算樣品的吸收系數(shù)。
[0013] 進(jìn)一步，所述光子弱散射生物組織傳輸建模包括：
[0014] 表示上入射的光子到位置？且方向?yàn)?;時(shí)所傳播的距離，則：
[0015] L| r,v) = ^(!gi；; =cxp(-￡' ' uXsv'yis)-；
[0016] 其中zP. b為？處的輻射度，表示單位立體角內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)、通過垂直于單位方向 矢量;;的單位面積上的平均功率通量密度，量綱是W/(m2. Sr) ;K〇為引入的光子彈道傳播算 子，M F卜//a 0+A0表示生物組織在；:處的總的衰減系數(shù)，凡閃表示生物組織的吸收 系數(shù)，表示散射系數(shù)；
[0017] 再定義： pvify) f t /?
[0018] AX(r,v) =￡ cxp(-j -/^J^ p(\\\r)L(J: -t\\\r)diYdt ?
[0019] 其中K為引入的光子散射傳播算子，為歸一化的散射相位函數(shù)，表示光子從 方向$散射到〔方向的概率，滿足]'/)&1/)^2' = 1，(^/表示單位方向矢量1；，對應(yīng)的立體 角微元;定義m〇 = K()gin，:《" = ，貝lj有nn+i = Kmn(n彡0)，從而在f處的總的福射率為：
[0020] UK) = fjn,,=乞(K Y K hK 1:, =、! - K、_h, ' n-0. n--.{)
[0021] 其中mn表示經(jīng)n次散射到達(dá)；:的輻射度分量；當(dāng)光子在擴(kuò)散區(qū)域傳播時(shí)，K的譜半徑 P(K)值接近1，當(dāng)光子在弱散射區(qū)域傳播時(shí)，P(K)》1，在此種情況下，當(dāng)n-m時(shí)，快 速收斂；
[0022] 然后，在輸出邊界r+上描述探測器接收到的數(shù)據(jù)總量gQUt，即g ， 從而：
[0023] =K{)gm +^0gm +K2(l~KylK0gm\^ = A()gm + Algm+A2gin =Agm；
[0024] 其中A是描述光子傳輸?shù)木仃嚕珹o、Ai和A2分別描述彈道傳輸、一次散射傳輸和多次 散射傳輸部分，定義8〇 = 4呢^，81=4培^分別表不測量數(shù)值中的彈道傳輸分量和一次散射分 量，則知：
[0025] n," exp(-L，?",(、〒)辦"G「1 ;
[0026] g, -1(11 "exiX-^JLI,(.s-v^^exiX-^' '(sv)ds) /js(/v)jt /iy\\^)g..(KldLre；
[0027]入射光方向?yàn)閞，經(jīng)一次散射后其方向?yàn)?，則上式中關(guān)于的積分僅在一 特定角度上有值，取I '系數(shù)k的取值由相位函數(shù)確定，同 .4. 7T 時(shí)定義似丨⑴=exp(-//,(.vi7)A) 'C〇2(t) = cxp(-￡ 辦）分別表示光 子發(fā)生散射后和散射前的衰減量，則有：
[0028] g! = \ m^(j)- m2{t)^ids{tv)dt., r eT+〇 v 0
[0029]進(jìn)一步，所述獲取投影數(shù)據(jù)包括：
[0030] 首先，將光源和探測器相對放置，則光源以平行光對樣品進(jìn)行照射并且遠(yuǎn)心透鏡 耦合的CCD相機(jī)接收平行入射的光線；
[0031] 其次，照射源對固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的樣品進(jìn)行水平投影斷層掃描，照射源采用 激光器，并使用遠(yuǎn)心透鏡將光線擴(kuò)束為平行光照射樣品；
[0032] 最后，使用CCD相機(jī)作為探測器采集樣品的投影數(shù)據(jù)，采集的方法樣品每旋轉(zhuǎn)一個(gè) 角度采集一個(gè)投影數(shù)據(jù)，將每次采集的投影數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)中 ±
[0033] 進(jìn)一步，所述計(jì)算重建衰減系數(shù)包括：
[0034]在OPT成像中采用空間均勻分布的平行光對樣品gin進(jìn)行照射，通過CCD相機(jī)采集無 樣品遮擋的照射光測得入射光強(qiáng)度;對" 廠廣左右兩 邊同除以gin并取負(fù)對數(shù)，則：
[0036]采集到360度的測量數(shù)據(jù)Go后，采用精確高效的濾波反投影重建算法實(shí)現(xiàn)逆Radon 變換即計(jì)算出衰減系數(shù)，即yt = FBP(Go)。
[0037] 進(jìn)一步，所述偏移一定角度采集投影數(shù)據(jù)包括：
[0038] 將OPT系統(tǒng)的探測器件偏移一定角度0放置，照射源對固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的樣品 進(jìn)行水平投影斷層掃描，照射源采用激光器，并使用遠(yuǎn)心透鏡將光線擴(kuò)束為平行光照射樣 品；
[0039] 使用探測器采集樣品的投影數(shù)據(jù)，樣品每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度采集一個(gè)投影數(shù)據(jù)，將每 次采集的投影數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)中。
[0040] 進(jìn)一步，所述重建散射系數(shù)由公式良=| ( ' ％ (/) n(/) _(W)t//,g^ 含了OPT成像中散射的影響，當(dāng)從某一確定的角度采集數(shù)據(jù)81時(shí)，交和i?的散射夾角確定，系 數(shù)k為一個(gè)確定的常數(shù);兩邊同除以kgin，則有：
[0042] 由上式可知G , (0為散射系數(shù)延f方向的加權(quán)Radon變換，所加權(quán)值《 i(t)和《 2 (t)均是與衰減系數(shù)有關(guān)的函數(shù)，將<^(0離散化并以矩陣的形式表示如下：
[0043] ffys = Gi；
[0044]其中W表示離散化后的權(quán)值矩陣，yjPGi分別表示散射系數(shù)矢量和不同角度測量得 到的歸一化測量矢量，利用帶罰函數(shù)的加權(quán)最小二乘準(zhǔn)則建立如下的目標(biāo)函數(shù)：
[0046]其中表達(dá)式的第一項(xiàng)是似然函數(shù)的近似表達(dá)形式，第二項(xiàng)R(ys)為正則項(xiàng)，通常根 據(jù)圖像的先驗(yàn)信息構(gòu)造而成，0為正則化因子，矩陣C為協(xié)方差矩陣。以m表示CCD探測器檢 測到的散射光子數(shù)，對應(yīng)的協(xié)方差矩陣表不為： % 0 00 0、 0 ?2 0 0 0
[0047] €=0 0.?，.- 0 0 -- ?
[0048] 利用最優(yōu)化方法對0(ys)的目標(biāo)函數(shù)求解，即可求出散射系數(shù)：
[0049] ys = argminC> (ys) 〇
[0050] 進(jìn)一步，所述計(jì)算吸收系數(shù)利用步驟三和步驟五的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算樣品的吸收系 數(shù)，利用關(guān)系式y(tǒng)t=y a+ys計(jì)算樣品的吸收系數(shù)ya。
[0051] 本發(fā)明在透射式OPT成像方面，提出了同時(shí)重建吸收系數(shù)和散射系數(shù)的有效方法。 針對OPT成像存在弱散射的問題，結(jié)合OPT成像數(shù)據(jù)采集的自身特點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型， 并通過額外測量一組與入射光保持一定傾斜角度的數(shù)據(jù)的方法，對彈道傳輸分量和一次散 射傳輸分量進(jìn)行分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樣品吸收系數(shù)和散射系數(shù)的三維重建，從而既可以有效解 決OPT成像存在的散射問題;提高了-OPT成像質(zhì)量，同時(shí)更豐富了OPT技術(shù)提供的信息量，使 得0PT技術(shù)可以從吸收系數(shù)和散射系數(shù)兩個(gè)角度描述生物的組織結(jié)構(gòu)特性。
【附圖說明】
[0052] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法流程 圖。
[0053]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的實(shí)施例的流程圖。
[0054] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的光學(xué)投影斷層成像系統(tǒng)示意圖。
[0055] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的光線照射及射出樣品的示意圖。
[0056] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的光源和CCD相機(jī)相對放置時(shí)信號采集示意圖。
[0057] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的光源和CCD相機(jī)偏移一定角度放置時(shí)信號采集示意圖。
[0058] 圖7是本發(fā)明實(shí)施中衰減系數(shù)與散射系數(shù)及吸收系數(shù)之間的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0060] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
[0061] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法包 括以下步驟：
[0062] S101:光子弱散射生物組織傳輸建模；
[0063] S102:光源和C⑶相機(jī)相對放置時(shí)采集投影數(shù)據(jù)；
[0064] S103:重建生物組織衰減系數(shù)；
[0065] S104:光源和(XD相機(jī)偏移一定角度放置時(shí)采集投影數(shù)據(jù)；
[0066] S105:重建生物組織散射系數(shù)；
[0067] S106:計(jì)算樣品的吸收系數(shù)。
[0068] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。
[0069] 如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法包 括以下步驟：
[0070] 步驟1，0PT光傳輸建模：
[0071] 首先，描述弱散射條件下的光子在生物組織內(nèi)的傳播，定義rib表示r-上入射的 光子到位置且方向?yàn)?；時(shí)所傳播的距離，如果僅考慮衰減對入射光的影響，則：
[0072] /.(/%v) = A'(lg," -oxp(-￡' 'jn,{sv)ds)-g!i：；
[0073] 其中if S)為f處的輻射度(Radiance)，表示單位立體角內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)、通過垂直 于單位方向矢量；的單位面積上的平均功率通量密度，它的量綱是W/(m 2. Sr) ;K〇為引入的 光子彈道傳播算子，f卜凡D表示生物組織在?處的總的衰減系數(shù)，~表示 生物組織的吸收系數(shù)，A 表示散射系數(shù)。
[0074] 再定義：
[0075] KL(r,v^ =|_ cxp(-| //j.wOt/v)-//J p(v,v)L(F>
[0076] 其中K為引入的光子散射傳播算子，/4夂.s' j為歸一化的散射相位函數(shù)，表;^光子從 方向r?散射到;;方向的概率，滿足丨/;^，'|/} /^ = 1，(1〇/表示單位方向矢量$對應(yīng)的立體角 Am- 微元。定義_ = K〇gin，w,, = ，則有nn+i = Kmn(n彡0)，從而在f處的總的福射率為：
[0077] L(rS-) = X mn = X (^)BK0gk = (I-KY^K^ M = 0 H-{)
[0078] 其中mn表示經(jīng)n次散射到達(dá)的輻射度分量。當(dāng)光子在擴(kuò)散區(qū)域傳播時(shí)，K的譜半徑P (K)值接近1，當(dāng)光子在弱散射區(qū)域傳播時(shí)，P(K)>>1，在此種情況下，當(dāng)n-①時(shí)乂 快速收斂。
[0079] 然后，在輸出邊界r+上描述探測器接收到的數(shù)據(jù)總量gQUt，即^， 從而：
[0080] gout = K,gin u +KK〇gin u +K20-K)1 Ki)giii = 4)gin + Algiii + Algin = Ag.t ；
[0081 ]其中A是描述光子傳輸?shù)木仃?，Ao、Ai和A2分別描述彈道傳輸、一次散射傳輸和多次 散射傳輸部分，定義8〇 = 4呢^，81=4培^分別表不測量數(shù)值中的彈道傳輸分量和一次散射分 量，則可知： /?T(r,v) .. 一
[0082] g{) = g.n exp(-j( ", 〇〒)辦)，廠 e r ; /?r(F,y) M f
[0083] g\ exp(-|(//.(.svk/v)exp(-|( //.(si^)cis) tus(tv)j iii\\!)gii!cKldi,reP；
[0084]考慮到OPT成像中g(shù)in以平行光形式入射，并在一個(gè)特定的角度采集數(shù)據(jù)。假設(shè)其入 射光方向?yàn)殓P，經(jīng)一次散射后其方向?yàn)閯t上式中關(guān)于的積分僅在一特定角度上 有值，取J 系數(shù)k的取值可以由相位函數(shù)p(f,v')確定，同時(shí)定義 (0,(t) = 〇xp(-jn ^i(sv)cls)，似2(f) = exp(-j,:w '//,(.v〇/'s')分別表示光子發(fā)生散 射后和散射前的衰減量，則有：
[0085] gj = kgiu f (〇l(t)-(〇2(t)- u^(lv)dt, .? el"1 J 0
[0086] 步驟2,獲取投影數(shù)據(jù)：
[0087] 首先，將光源和探測器相對放置，則光源以平行光對樣品進(jìn)行照射并且遠(yuǎn)心透鏡 耦合的CCD相機(jī)只能接收平行入射的光線。
[0088] 其次，照射源對固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的樣品進(jìn)行水平投影斷層掃描，照射源采用 激光器，并使用遠(yuǎn)心透鏡將光線擴(kuò)束為平行光照射樣品。
[0089]最后，使用探測器采集樣品的投影數(shù)據(jù)。本發(fā)明采集的方法是:樣品每旋轉(zhuǎn)一個(gè) 角度采集一個(gè)投影數(shù)據(jù)，將每次采集的投影數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)中。
[0090] 步驟3,計(jì)算重建衰減系數(shù)：
[0091] 在OPT成像中采用空間均勻分布的平行光對樣品gin進(jìn)行照射，通過CCD相機(jī)采集無 樣品遮擋的照射光測得入射光強(qiáng)度。對g9 =_ exp.(_- J"。< hF e r +左右兩 邊同除以gin并取負(fù)對數(shù)，則：
[0093]采集到360度的測量數(shù)據(jù)Go后，采用精確高效的濾波反投影（Filtering Backprojection，F(xiàn)BP)重建算法實(shí)現(xiàn)逆Radon變換即可計(jì)算出衰減系數(shù)，即yt = FBP(G〇)。 [0094]步驟4,偏移一定角度采集投影數(shù)據(jù)：
[0095]首先，將OPT系統(tǒng)的探測器件偏移一定角度0放置，照射源對固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上 的樣品進(jìn)行水平投影斷層掃描，照射源采用激光器，并使用遠(yuǎn)心透鏡將光線擴(kuò)束為平行光 照射樣品。
[0096]然后，使用探測器采集樣品的投影數(shù)據(jù)。樣品每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度采集一個(gè)投影數(shù)據(jù)， 將每次采集的投影數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)中。
[0097]步驟5，重建散射系數(shù)
[0098]由公式私_二f ( %⑴?欣，（〇 ?//、（/〇<：//，可知gi包含了OPT成像中散射的 影響，當(dāng)從某一確定的角度采集數(shù)據(jù)gi時(shí)，交和鏟的散射夾角確定，系數(shù)k為一個(gè)可以確定的 常數(shù)。對(7)左右兩邊同除以kgin，則有：
L0100J 由上式口」知h (v)為散射糸數(shù)延v萬冋的加權(quán)Radori變秧，所加權(quán)值《 Kt)和《 2 (t)均是與衰減系數(shù)有關(guān)的函數(shù)，利用步驟三中計(jì)算的衰減系數(shù)可以確定，從而散射系數(shù)可 以類似于吸收系數(shù)的重建，通過逆Radon變換計(jì)算得到。采用FBP算法實(shí)現(xiàn)這一過程，但是考 慮到散射分量相對微弱，信噪比相對比較低，因此本發(fā)明中擬采用基于統(tǒng)計(jì)迭代的方式實(shí) 現(xiàn)。為了描述方便，將q ((0離散化并以矩陣的形式表示如下：
[0101] ffys = Gi；
[0102] 其中W表示離散化后的權(quán)值矩陣，yjPGi分別表示散射系數(shù)矢量和不同角度測量得 到的歸一化測量矢量。CCD探測到的散射光子的統(tǒng)計(jì)分布可以采用泊松模型來描述?；谠?統(tǒng)計(jì)模型，構(gòu)造相應(yīng)的最大似然函數(shù)，即可進(jìn)行圖像的三維重建。最大似然圖像重建是一個(gè) 高維的求逆問題，通常具有不穩(wěn)定性，通常的解決辦法是在似然函數(shù)中引入正則項(xiàng)，從而可 以利用帶罰函數(shù)的加權(quán)最小二乘(Penalizedweighted least-squares，PWLS)準(zhǔn)則建立如 下的目標(biāo)函數(shù)：
[0104] 其中表達(dá)式的第一項(xiàng)是似然函數(shù)的近似表達(dá)形式，第二項(xiàng)R(ys)為正則項(xiàng)，通常根 據(jù)圖像的先驗(yàn)信息構(gòu)造而成，0為正則化因子，矩陣C為協(xié)方差矩陣。以m表示CCD探測器檢 測到的散射光子數(shù)，對應(yīng)的協(xié)方差矩陣可以表不為： 、0 0 0 0'、 0 , 0 0 0 .
[0105] C~ 0 0 ? ? ? 0 0 ? ? ? 0 ..... nM/
[0106] 利用最優(yōu)化方法對0(ys)的目標(biāo)函數(shù)求解，即可求出散射系數(shù)：
[0107] Us = argmin〇 (ys)；
[0108]步驟6，計(jì)算吸收系數(shù)：
[0109]利用步驟3和步驟5的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算樣品的吸收系數(shù)。利用關(guān)系式^ =~+^計(jì)算 樣品的吸收系數(shù)ya。
[0110] 下面結(jié)合附圖3、附圖4、附圖5和附圖6對本發(fā)明的重建結(jié)果做詳細(xì)的描述。
[0111] 附圖3為本發(fā)明的OPT成像示意圖，在該系統(tǒng)中采用半導(dǎo)體激光器作為光源，并通 過遠(yuǎn)背光照明器將光束擴(kuò)散為平行光對成像物體進(jìn)行照射，在接收端采用與遠(yuǎn)心透鏡耦合 的CCD相機(jī)進(jìn)行信號接收;為了避免光線在生物組織體表產(chǎn)生折射效應(yīng)，通常將樣品浸泡在 BABB光學(xué)匹配液中，樣品匹配液池采用與匹配液折射系數(shù)相當(dāng)?shù)呐鸸杷猁}玻璃制成。遠(yuǎn)背 光照明器使得入射光以平行光的形式對樣品進(jìn)行照射，遠(yuǎn)心透鏡的使用保證CCD相機(jī)僅接 收平行入射的光線，發(fā)揮了類似于SPECT中射線準(zhǔn)直器的作用，這既有助于高質(zhì)量的OPT成 像，同時(shí)也可以在后續(xù)的數(shù)學(xué)建模中忽略折射的影響。
[0112]附圖4是OPT成像的示意圖，其中g(shù)in表示平行的入射光，gciut表示出射光線，射入和 射出邊界分別用表示。
[0113] 未經(jīng)運(yùn)動(dòng)偽影校正的重建結(jié)果。其中，掃描樣品是固定在一個(gè)毛細(xì)玻璃管中的線 蟲，旋轉(zhuǎn)角度為360°，采集的投影數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)是500個(gè)。
[0114] 附圖5是表示光源和CCD相機(jī)相對放置時(shí)信號采集的示意圖，則光源以平行光對樣 品進(jìn)行照射并且遠(yuǎn)心透鏡耦合的CCD相機(jī)只能接收平行入射的光線，因此在這種情形下， CCD相機(jī)可以接收到彈道傳播的光子(如圖中路徑1 2所示），無法探測到一次散射的光子(如 圖中路徑li所示），對于多次散射的光子，可能會(huì)探測到(如圖中路徑13所示），也可能無法探 測到(如圖中路徑14所示），將此時(shí)探測器探測到數(shù)據(jù)記為gL。
[0115] 附圖6是光源和CCD相機(jī)偏移一定角度放置時(shí)信號采集示意圖。當(dāng)將OPT系統(tǒng)中的 探測器件偏移一定角度探測時(shí)，只有滿足特定散射角度的一次散射分量和部分多次散射分 量可以被探測到，將探測器探測到數(shù)據(jù)記為。
[0116] 附圖7是衰減系數(shù)與散射系數(shù)ys及吸收系數(shù)ya之間關(guān)系的示意圖，反應(yīng)為公式即 14t 一 Ua+Us 〇
[0117] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于，所述光學(xué)投影 斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法利用級數(shù)展開理論分解傳輸光，將傳輸光分解為彈 道傳輸分量、一次散射傳輸分量和多次散射傳輸分量，結(jié)合本發(fā)明中弱散射介質(zhì)的應(yīng)用背 景;結(jié)合OPT成像模型，分別測量彈道傳輸分量和一次散射傳輸分量;采用重建算法從彈道 傳輸分量中重建樣品的衰減系數(shù)，從一次散射分量中重建樣品的散射系數(shù);再利用衰減系 數(shù)、散射系數(shù)與吸收系數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算獲得樣品的吸收系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)樣品吸收系數(shù)和 散射系數(shù)空間分布的同時(shí)重建。2. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于， 所述光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法包括以下步驟： 步驟一，光子弱散射生物組織傳輸建模； 步驟二，光源和CCD相機(jī)相對放置時(shí)采集投影數(shù)據(jù)； 步驟三，重建生物組織衰減系數(shù)； 步驟四，光源和CCD相機(jī)偏移一定角度放置時(shí)采集投影數(shù)據(jù)； 步驟五，重建生物組織散射系數(shù)； 步驟六，計(jì)算樣品的吸收系數(shù)。3. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于， 所述光子弱散射生物組織傳輸建模包括： )表示r -上Λ射的I子剎份罟：日玄-為二0計(jì)所佑播的昍商則：其中M?,為？處的輻射度，表示單位立體角內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)、通過垂直于單位方向矢量 ?的單位面積上的平均功率通量密度，量綱是W/(m2. Sr) ;KQ為引入的光子彈道傳播算子， 卜)+凡.Ir)表示生物組織在？處的總的衰減系數(shù)，/(,D表示生物組織的吸收系 數(shù)，//,f 表示散射系數(shù)； 再定夕其中K為引入的光子散射傳播算子，pi.W' 1為歸一化的散射相位函數(shù)，表ZK光子從方向r 其中mn表示經(jīng)η次散射到達(dá)?的輻射度分量；當(dāng)光子在擴(kuò)散區(qū)域傳播時(shí)，K的譜半徑P(K) 值接近1，當(dāng)光子在弱散射區(qū)域傳播時(shí)，P(K) >> 1，在此種情況下，當(dāng)n-m時(shí)，快速 收斂； 然后，在輸出邊界Γ+上描述探測器接收到的數(shù)據(jù)總量8咖，即盡_=1^?|]^，從而：其中A是描述光子傳輸?shù)木仃?，Ao、Al和Α2分別描述彈道傳輸、一次散射傳輸和多次散射 傳輸部分，定義go = Aogin，gl = Algin分別表亦測量數(shù)值中的彈道傳輸分量和一次散射分量， frlll/cn *4. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于， 所述獲取投影數(shù)據(jù)包括： 首先，將光源和探測器相對放置，則光源以平行光對樣品進(jìn)行照射并且遠(yuǎn)心透鏡耦合 的CCD相機(jī)接收平行入射的光線； 其次，照射源對固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的樣品進(jìn)行水平投影斷層掃描，照射源采用激光 器，并使用遠(yuǎn)心透鏡將光線擴(kuò)束為平行光照射樣品； 最后，使用探測器采集樣品的投影數(shù)據(jù)，采集的方法樣品每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度采集一個(gè)投 影數(shù)據(jù)，將每次采集的投影數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)中。5. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于， 所述計(jì)算重建衰減系數(shù)包括： 在OPT成像中采用空間均勻分布的平行光對樣品gin進(jìn)行照射，通過CCD相機(jī)采集無樣品 遮擋的照射光測得入射光強(qiáng)度；Ξ右兩邊同 除以gin并取負(fù)對數(shù)，采集到360度的測量數(shù)據(jù)Go后，采用精確高效的濾波反投影重建算法實(shí)現(xiàn)逆Radon變換 即計(jì)算出衰減系數(shù)，即yt = FBP(G〇)。6. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于， 所述偏移一定角度采集投影數(shù)據(jù)包括： 將OPT系統(tǒng)的探測器件偏移一定角度Θ放置，照射源對固定在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的樣品進(jìn)行 水平投影斷層掃描，照射源采用激光器，并使用遠(yuǎn)心透鏡將光線擴(kuò)束為平行光照射樣品； 使用探測器采集樣品的投影數(shù)據(jù)，樣品每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度采集一個(gè)投影數(shù)據(jù)，將每次采 集的投影數(shù)據(jù)記錄在計(jì)算機(jī)中。7. 如權(quán)利要求2所沭的光學(xué)枵影斷層成像中的吸收和散射系教重建方法，其特征在于， 所述重建散射系數(shù)由&含了 OPT成像中散 射的影響，當(dāng)從某一確定的角度采集數(shù)據(jù)gi時(shí)，芬和鏟的散射夾角確定，系數(shù)k為一個(gè)確定的 常數(shù);兩邊同除以_夂由上式知G, (v~.)為散射糸數(shù)延交萬冋的加權(quán)Radon變秧，所加權(quán)值ω : (t)和ω 2(t)均是 與衰減系數(shù)有關(guān)的函數(shù)，將Gi (P)離散化并以矩陣的形式表示如下： Wys=Gi; 其中W表示離散化后的權(quán)值矩陣，WdPG1分別表示散射系數(shù)矢量和不同角度測量得到的 歸一化測量矢量，利用帶罰函數(shù)的加權(quán)最小二乘準(zhǔn)則建立如下的目標(biāo)函數(shù)：其中表達(dá)式的第一項(xiàng)是似然函數(shù)的近似表達(dá)形式，第二項(xiàng)R(ys)為正則項(xiàng)，通常根據(jù)圖 像的先驗(yàn)信息構(gòu)造而成，β為正則化因子，矩陣C為協(xié)方差矩陣；以m表示CCD探測器檢測到 的散射光子數(shù)，對應(yīng)的協(xié)方差矩陣表不為：利用最優(yōu)化方法對φ (ys)的目標(biāo)函數(shù)求解，即求出散射系數(shù)： ys = arg η?ηΦ (ys) 〇8. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)投影斷層成像中的吸收和散射系數(shù)重建方法，其特征在于， 所述計(jì)算吸收系數(shù)利用步驟三和步驟五的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算樣品的吸收系數(shù)，利用關(guān)系式W =μ3+μ5計(jì)算樣品的吸收系數(shù)ya。
【文檔編號】A61B5/00GK105894562SQ201610204224
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】朱守平, 郎晉偉, 鮑翠平, 謝暉, 曹旭, 張建華, 梁繼民
【申請人】西安電子科技大學(xué)