[发明专利]一种基于pfMC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微扰荧光蒙特卡罗(pfMC)模型的荧光扩散光学断层图像重建方法。

背景技术

荧光扩散光学断层成像利用激光光束激发生物体内荧光，采用高灵敏度探测器在生物表面探测激发出的荧光信号。利用探测器对小动物表面进行多角度拍摄，根据探测器上拍摄的信号结合数学物理模型和优化算法逆向推导生物体内荧光参数的分布，即对荧光标记物进行三维定位和荧光标记物浓度测定。荧光扩散光学断层成像是一种使用荧光探针的生物医学光学功能成像技术，通过收集从组织表面透射出来的荧光分布信息，重建组织内部的荧光系数分布。这种技术具有无创,对机体无害等优点，因而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。

为了重建荧光系数分布，即求解荧光扩散光学断层成像的逆问题，首先需要建立一种能够准确模拟组织中激发光和荧光光子的产生与传播的正向模型。最早建立的模型之一是Grunbaum^[1]于1992提出的用一步或两步马尔可夫随机过程来描述光子在组织中的传播。在此统计模型的基础上后来又发展出了随机行走模型和蒙特卡罗模型。另一类重要的模型是麦克斯韦辐射传输模型及其近似模型，如扩散模型。麦克斯韦辐射传输模型能够准确的描述光子在各种组织内传播，但是其在复杂边界的组织中的求解是异常复杂的，因此各种近似模型被发展出来替代辐射传输模型。扩散模型是一种易于求解的近似模型(如用有限元求解)，并且在一定组织条件下能够比较准确的模拟光子在组织中的传播，但是在低散射系数或高吸收系数的组织中，却存在很大的误差。蒙特卡洛方法能够准确描述光子在组织内的输运行为，适用于各种复杂边界及各种复杂异构情形。然而这种统计模拟十分耗费计算机资源，一般需要耗费大量时间。

其次是在正向模型的基础上建立雅可比矩阵，然后再迭代重建荧光系数分布。然而各种正向模型中，适应于各种复杂条件三维组织模型，精确度高且具有实际可执行性的只有蒙特卡罗模型。但是直接的荧光蒙特卡罗模型是不适应于建立荧光雅可比矩阵的。为了快速建立雅可比矩阵，微扰法被应用到荧光蒙特卡罗(pMC)方法中。在微扰荧光蒙特卡罗方法中，由white MC获取光子在体素内的路径信息，再由pMC方法对光子路径进行处理，建立雅可比矩阵。这种微扰法它不受成像系统的限制，基于体素的路径信息存贮能够大为减少数据量，具有速度和精度的优势。

参考文献

[1]F.A.Grunbaum,“Diffuse tomography:Computational aspects of the isotropic case,”Inverse Problems 8,421-433(1992).

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微扰荧光蒙特卡罗(pfMC)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，实现快速荧光断层图像重建。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于pfMC模型的荧光扩散光学断层图像重建方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)确定探测区域，选择光源扫描位置，并获取相对应的探测器上的荧光强度分布；

(2)数字化待探测对象，建立描述组织光学参数三维分布的体素化模型，在不同光源位置与方向进行白蒙特卡罗模拟，记录在探测器收集到的激发光子的权重及在每个体素内的路径信息和相应的物理量；

(3)依据pfMC模型，计算荧光光子权重；

(4)由激发光子的路径信息构建荧光雅可比矩阵；

(5)根据计算得到荧光光子权重和荧光雅可比矩阵，迭代重建计算出组织内的荧光团位置及荧光系数。

步骤(2)中，采用GPU集群加速整个白蒙特卡罗过程，记录被探测器采集到的激发光子的相关物理量，被记录在体素v内的相关物理量L_v为：