[发明专利]一种基于dfMC模型的荧光扩散光学断层图像重建方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，特别是涉及一种基于解耦合荧光蒙特卡罗dfMC模型的荧光扩散光学断层图像重建方法。

背景技术

近年来，荧光扩散光学断层成像技术已经发展成为了一种重要的成像工具^[1]，并被广泛应用于癌症诊断、药物研发以及基因表达可视化的研究。荧光目标物的精确重建要依赖于建立一个准确的光子输运模型(即所谓的前向问题)和光子传输模型的反演模型(逆向问题)。前向问题主要是基于能量守恒的玻尔兹曼辐射传输框架下的扩散近似模型^[2]和Monte Carlo(MC)模型^[3]。由于扩散近似模型用于图像重建时间代价低，被广泛采用；但现有的扩散模型仅仅适用于高散射介质，在吸收系数和散射系数相当，或者源探距离与平均传输自由程相当时，模型就不再适用了。蒙特卡罗模型适应任意光学参数的活体组织，和任意复杂的几何形状物体，但由于计算代价十分巨大，计算效率低。一般作为前向模型的“金标准”^[3]。

现有的适合于逆向问题求解的前向荧光MC模型主要有伴随法模型(adjoint MC)^[4]和微扰法模型(perturbation MC)^[5]。伴随方法假定源和探测器是可交换的，即具有对等性，这种对等性对于光纤式探测系统是成立的，然而对于自由空间探测的情形，光源和CCD的复杂特性使得这种对等性很难得到保证。同时对于基于自由空间探测情形的重建效率是非常低的，大量的CCD像素尺寸大小的探测器使得蒙特卡罗模拟次数剧增。而微扰法主要是通过对激发光在组织内的MC路径扰动来计算探测器上接收到得荧光强度。微扰法它不受成像系统的限制，具有速度和精度的优势。成为研究的热点。但是微扰方法忽略荧光团对激发光的影响，忽略了激发光与荧光在组织内光学参数的差异，这诸多的假设使得微扰法是一种有偏MC模拟，其荧光统计量与实际真实荧光值会有偏差，而且这种偏差会随着光学参数及光子数的变化而变化，多数情况下，误差会很大，而且由于光子路径信息巨大，在体素模型情形下将会使得重建效率低下，整个过程耗时很大。

参考文献

[1]V.Ntziachristos，“Going deeper than microscopy：the optical imaging frontier in biology，”Nat.Meth.7，603-614(2010).

[2]X.Song，D.Wang，N.Chen，J.Bai，and H.Wang，“Reconstruction for free-space fluorescence tomography using a novel hybrid adaptive finite element algorithm，”Opt.Express 15，18300-18317(2007).

[3]J.Swartling，A.Pifferi，A.M.K.Enejder，and S.Andersson-Engels，“Accelerated Monte Carlo models to simulate fluorescence spectra from layered tissues，”J.Opt.Soc.Am.A 20，714-727(2003).

[4]G.Ma，J.F.Delorme，P.Gallant，and D.A.Boas，“Comparison of simplified Monte Carlo simulation and diffusion approximation for the fluorescence signal from phantoms with typical mouse tissue optical properties，”Appl.Opt.46，1686-1692(2007).

[5]Sassaroli，“Fast perturbation Monte Carlo method for photon migration in heterogeneous turbid media，”Opt.Lett.36，2095-2097(2011).

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于解耦合荧光蒙特卡罗(dfMC)模型的荧光扩散光学断层图像重建方法，本发明的目的是在保持MC模拟“金标准”的精度，同时改善MC模拟的耗时特性，实现高精度快速荧光断层图像重建。

本发明所采用的技术方案是：