[发明专利]一种锥束X射线发光断层成像方法

权利要求书

1.一种基于简化球谐波-扩散近似模型的锥束X射线发光断层成像方法，其特征在于，该锥束X射线发光断层成像方法基于X射线的高能粒子特性和朗伯比尔定律，构建前向锥束X射线传输模型；根据生物体组织光学特性参数随解剖结构变化的差异，利用不同散射特性生物组织之间光传输的耦合条件，构建基于简化球谐波-扩散近似模型的前向发射荧光传输模型；根据X射线能量与发射的近红外荧光之间的定量耦合关系，建立统一的X射线荧光断层成像方法的前向光传输模型；基于该前向光传输模型，利用扩展有限元方法，结合荧光纳米颗粒探针和测量数据的稀疏特性，建立基于l_p范数的稀疏正则化目标函数；采用半贪婪算法对稀疏正则化目标函数进行求解，实现生物体内标记特定细胞的荧光纳米颗粒探针的准确、快速重建。

2.根据权利要求1所述的基于简化球谐波-扩散近似模型的锥束X射线发光断层成像方法，其特征在于，该锥束X射线发光断层成像方法包括以下步骤：

（1）数据采集与预处理

利用多模态分子影像系统，采集荧光纳米颗粒探针被锥束X射线激发后产生的多角度荧光数据和锥束X射线的投影数据，并依次进行背景噪声去除、感兴趣区域提取和坏点补偿数据预处理；

（2）生物体解剖结构重建

利用GPU加速的锥束CT的FDK算法对预处理后的锥束X射线投影数据进行三维重建，获得生物体三维体素数据；利用人机交互式分割方法对获得的生物体三维体素数据进行器官分割，获得生物体的解剖结构；

（3）体表荧光数据获取

对步骤（2）获取的生物体解剖结构和步骤（1）获取的预处理后荧光数据，应用非接触式光学断层成像方法中的生物体表面三维能量重建技术获取生物体表面的三维荧光数据分布；

（4）前向光传输模型构建

4a）根据锥束X射线和荧光纳米颗粒探针发射的近红外荧光在复杂生物体中的传输特征差异，将前向光传输模型的构建分成两部分，即前向锥束X射线传输模型和前向发射荧光传输模型；

4b）基于X射线的高能粒子特性，采用朗伯比尔定律描述锥束X射线在复杂生物体中的传输过程，构建前向锥束X射线传输模型；

4c）根据生物体组织光学特性参数随解剖结构变化的差异，将生物组织划分为高散射特性组织和低散射特性组织两大类，分别采用简化球谐波近似方程和扩散近似方程描述近红外荧光在复杂生物体中的传输过程；通过构造不同散射特性生物组织之间光传输的耦合条件，构建基于简化球谐波-扩散近似方程的前向发射荧光传输模型；

4d）根据锥束X射线激发荧光纳米颗粒探针过程中，X射线能量与发射的近红外荧光之间的定量耦合关系，建立统一的X射线荧光断层成像前向光传输模型；

（5）稀疏正则化目标函数建立

5a）利用扩展有限元方法对步骤4d）建立的X射线荧光断层成像前向光传输模型进行离散化，建立描述生物体体内荧光纳米颗粒探针浓度分布与体表测量荧光数据之间定量关系的系统方程：

Aρ=Φ

式中，A是系统矩阵，依赖于生物体内不同散射特性生物组织的分布和生物组织的光学特性参数；

ρ是荧光纳米颗粒探针的浓度分布；

Φ是生物体体表离散网格上的荧光通量密度分布；

5b）根据离散网格边界节点上的荧光通量密度计算值和测量值之间的误差，结合荧光纳米颗粒探针和测量数据的稀疏特性，建立基于l_p范数的稀疏正则化目标函数：

minΘ(ρ)ρinf≤ρ≤ρsup={12||Aρ-Φm||2+λ||ρ||p}]]>

式中，Θ(ρ)是基于l_p范数的稀疏正则化目标函数；

ρ^inf是荧光纳米颗粒探针浓度分布的下限；

ρ^sup是荧光纳米颗粒探针浓度分布的上限；

Φ^m是离散网格边界节点上的荧光通量密度的测量值；

||F||_p定义为求解矩阵F的l_p范数；

λ是稀疏正则化的正则化因子；

（6）目标函数的优化求解

采用半贪婪算法求解建立的基于l_p范数的稀疏正则化目标函数，获得生物体内标记特定细胞的荧光纳米颗粒探针空间位置和浓度分布。

（7）三维重建结果显示。