[发明专利]一种小动物生物发光成像光源定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种成像光源定位方法，具体涉及一种小动物生物发光成像光源定位方法，属于光学成像领域。

背景技术

生物发光成像技术用荧光素酶基因标记细胞或DNA，利用半导体制冷CCD相机采集光学信号，能够直接监控活体生物体内的细胞活动和基因行为。

生物发光成像技术还可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病发展过程、特定基因的表达等生物学过程。

生物发光成像技术具有无电离辐射、灵敏度高、成本低等特点，在生物研究中被广泛使用。

生物发光成像技术的核心问题之一为小动物体内生物发光光源定位，光源定位可根据测量的小动物体表荧光信号重建体内光源分布得到。由于测量数据个数小于未知数个数，生物发光成像重建问题的解不唯一。为得到与光源真实分布接近的解，可在重建问题的目标函数中加入正则化项。考虑到小动物体内光源分布稀疏的特点，研究者提出采用l₀范数对加入的正则化项进行约束。而数学上，l₀范数正则化问题难以求解，实际中通常采用l₁范数或l_p(0<p<1)范数对l₀范数进行近似。

中国发明专利《一种生物发光断层成像重建方法》，申请号201310259527.1，申请日20160626，公开日20130904，公开了一种生物发光断层重建方法，重建问题的目标函数中加入l_0.5正则化项，并采用加权内点法将l_0.5正则化目标函数转化为重赋权的l₁正则化极小化问题，然后利用内点法求解极小化问题，获取生物体内荧光光源的三维定位定量信息。由于对l₀范数进行了近似，必然引入重建误差，导致定位不准确。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小动物生物发光成像光源定位方法，该方法先采用代数迭代重建（ART）方法计算光源分布，再利用阈值对上述光源分布进行修正，使修正后的光源分布的稀疏度满足给定的条件，然后以修正后的光源分布作为初值，继续采用ART方法计算新的光源分布，多次重复，直到根据光源分布计算得到的小动物体表荧光信号与CCD探测到的荧光信号之间的误差小于给定误差值，计算结束，最后根据光源分布计算光源位置，实现对小动物体内的光源的准确定位。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种小动物生物发光成像光源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获取小动物体表光学信号与内部结构信息

1.a利用定量光学分子断层成像装置获取小动物体表的二维生物发光图像和内部结构的三维计算机断层图像；

1.b将采集到的生物发光图像排列成数据向量，并利用有限元方法构建数据向量与体内未知光源分布的关系，如下式：

y=Ax+n     (1)

式中，y由生物发光图像得到，大小为M行1列，

A为由计算机断层图像得到的系数矩阵，大小为M行N列，

x为小动物体内的未知光源分布，大小为N行1列，

n为噪声，大小为M行1列；

（2）设定初值

设定初始光源分布x，初始阈值β，初始稀疏度其中，x≥0，β≥1，

（3）迭代更新光源分布

3.a取系数矩阵的第1行，记为A₁，取数据向量Y的第1个元素，记为y₁，计算增量：