[发明专利]全光学生物发光断层成像方法

说明书

技术领域

本发明属于光学分子成像技术领域，涉及生物发光断层成像技术，特别是一种基于全光学数据的生物发光断层成像方法。

背景技术

生物发光断层成像是近年来新兴的一种非接触式光学分子成像技术，它是通过融合小动物体表测量的多角度生物发光信号、生物体的解剖结构和组织光学参数信息，基于精确的生物组织中的光传输模型重建活体小动物体内生物发光探针的三维空间位置和浓度分布，参见GeWang，“Uniqueness theorems in bioluminescence tomography，”Medical Physics 31，2289-2299(2004)。2003年，美国爱荷华大学的王革教授首次提出生物发光断层成像的概念，并开发了相应的原型系统；该原型系统融合计算机断层成像技术提供生物体的解剖结构信息，故命名为BLCT系统，参见Ge Wang，“Development of the first bioluminescence CT scanner，”Radiology 229，566(2003)。从此，融合计算机断层成像技术提供生物体的解剖结构信息就成为生物发光断层成像技术发展的主体趋势，研究人员也都致力于这方面的研究工作，并开发了多种性能良好的算法应用于在体小动物的研究，参见Ge Wang，“In vivo mouse studies with bioluminescence tomography，”Optics Express 14，7801-7809(2006)；Junting Liu，“In vivo quantitative bioluminescence tomography using heterogeneous and homogeneous mouse modes，”Optics Express 18，13102-13113(2010)。此外，美国哥伦比亚大学的Alexander D.Klose教授提出了一种融合核磁共振成像技术的生物发光断层成像方法，通过求解非匀质小鼠的等效光学特性参数，对小鼠体内的生物发光光源进行匀质重建，参见Alexander D.Klose，“In vivo bioluminescence tomography with a blocking-off finite-difference SP3 method and MRI/CT coregistration，”Medical Physics 37，329-338(2010)。

综上所述，当前已有的生物发光断层成像技术中，均需要融合结构成像技术(如计算机断层成像和磁共振成像技术)提供生物体的三维解剖结构。虽然这些结构成像技术具有很高的精度，但是也带来了一些其他不可忽视的问题。首先，计算机断层成像和磁共振成像价格昂贵，并且计算机断层成像安全性也不高，因此两者并不是理想的提供生物体三维几何结构的成像方式。其次，由计算机断层成像和磁共振成像技术采集的图像数据需要经过器官分割、三维重建等后处理，并与二维生物发光信号图像进行配准后才能用于生物发光断层成像的重建。器官分割和图像配准是极为复杂繁琐、费力费时的工作，它会增加额外的工作量，甚至会带来额外的误差，从而进一步增加了生物发光断层成像的成本代价。在活体成像实验中，可以通过求解等效光学特性参数的方法，将非匀质的小鼠模型等效为匀质模型，参见Alexander D.Klose，“In vivo bioluminescence tomography with a blocking-off finite-difference SP3 method and MRI/CT coregistration，”Medical Physics 37，329-338(2010)；因此，只需获得生物体表面三维轮廓就可以进行内部生物发光光源的重建。此外，在现有的生物发光断层成像技术中，都没有解决从CCD相机采集的生物发光信号到生物体表面能量分布的定量映射问题。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中生物发光断层成像技术需要融合结构成像技术的不足，提出一种全光学生物发光断层成像方法。该方法采用白光信号图像获取生物体表面三维轮廓，结合生物体表面能量分布的定量重建，用于体内生物发光光源的反演，以实现低成本的全光学生物发光断层成像过程。

为了实现上述目的，本发明方法基于CCD相机采集数据，具体实现包括如下步骤：

步骤一，数据采集与预处理，采集多角度生物发光信号和白光信号图像，并依次进行背景噪声去除、感兴趣区域提取和坏点补偿等数据预处理；

步骤二，生物体表面三维轮廓重建，