[发明专利]基于生物组织特异性的光学三维成像方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，更进一步涉及光学分子成像技术领域中的基于生物组织特异性的光学三维成像方法。该方法可应用于基因表达、肿瘤检测、药物研发与疗效评价等小动物实验和预临床实验中获取靶向目标的位置和强度信息。

背景技术

作为一种新兴的光学成像技术，光学三维成像是通过融合生物体体表测量的多角度光学信号、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生物体体内靶向目标的位置和强度分布信息，其中，生物组织中光传输过程的精确描述和靶向目标的准确快速重建是光学三维成像方法实现的基础。在光学三维成像技术中，激发荧光断层成像、扩散光学层析断层成像和自发荧光断层成像是三种主要的成像模态。

基于自发荧光断层成像模态，北京工业大学在其专利申请文件“基于单视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法”(申请号200810116818.4，申请日2008.7.18，授权号ZL200810116818.4，授权日2010.6.2)中提出了一种基于单幅视图的多光谱自发荧光断层成像重建方法。该专利技术基于扩散近似方程，考虑生物体的非匀质特性和自发荧光光源的光谱特点，利用在单个角度测量的多个谱段荧光数据，重建生物体体内靶向目标的位置和强度分布信息。但是，由于扩散近似方程只适用于描述高散射特性组织中的光传输过程，对于低散射特性和空腔组织，它的求解精度很低。因此，该专利技术对于具有多种散射特性组织的生物体求解精度差，很难准确地获得生物体体内靶向目标的位置和强度分布信息。

为了解决基于扩散近似方程的光学三维成像方法的局限性，研究人员还提出了基于辐射传输方程的高阶近似方程的光学三维成像方法，参见Alexander D.Klose，“The inverse source problem based on the radiative transfer equation in optical molecular imaging，”Journal of Computational Physics 202，323-345(2005)；Yujie Lu，“Spectrally resolved bioluminescence tomography with the third-order simplified spherical harmonics approximation，”Physics in Medicine and Biology 54，6477-6493(2009)；Wengxiang Cong，“Bioluminescence tomography based on the phase approximation model，”Journal of Optics Society of America A 27，174-179(2010)。该类方法可以对同时存在高散射特性和低散射特性组织的生物体进行准确成像。但是，由于辐射传输方程的高阶近似方程求解难度非常大，对于具有不规则解剖结构的复杂生物体，这些方法的计算复杂度将远远超过实际应用的承受能力。此外，这些方法也不能对存在空腔组织的情况进行准确的三维成像，如动物体的胃、膀胱等。

为了对存在空腔组织的情况进行准确的三维成像，研究人员又提出了一种基于混合光传输方程的光学三维成像方法，参见Hamid Dehghani，“Optical tomography in the presence of void regions，”Journal of Optics Society of America A 17，1659-1670(2000)。该方法基于扩散近似方程和朗伯源特性方程，可以对同时存在高散射特性和空腔组织的生物体进行准确成像，但是由于扩散近似方程的局限性，这种方法对于具有多种散射特性组织的生物体仍然不能进行准确的成像。

此外，中国科学院自动化研究所在其专利申请文件“激发荧光断层成像的快速稀疏重建方法和设备”(公开号CN102034266A，申请号201010573795.7，申请日2010.11.30)中提出了一种基于稀疏正则化策略的快速激发荧光断层成像重建方法。该方法考虑了靶向目标的稀疏分布特性，建立了基于l₁范数的稀疏正则化目标函数，能够很好地改善光学三维成像的准确性和分辨率。但是该方法仅采用了单一的优化策略对目标函数进行求解，无法实现不同问题规模下，成像准确度和成像速度的最优平衡。此外，该方法还没有考虑测量数据相对于生物体区域的稀疏特性。