[发明专利]一种基于体素和自适应光传输模型的光学三维成像方法

摘要

本发明公开了一种基于体素和自适应光传输模型的光学三维成像方法，解决了现有技术中需要进行繁琐的器官分割和网格离散才能获得光学三维成像重建结果的问题。本发明有机结合了体素物理模型和自适应光传输数学模型，通过构建和求解完全稀疏正则化目标函数，以实现体内靶向目标的光学三维成像；步骤包括：数据采集与预处理、构建基于体素的物理模型、构建自适应光传输数学模型、融合富集函数建立系统方程、基于稀疏正则化策略和先验可行域建立目标函数、求解目标函数和显示结果。本发明的光学三维成像方法具有高效、易用的特点，同时避免了在器官分割和网格离散中不可控因素导致的误差带来的三维成像结果不准确问题，可用于在体光学三维成像领域。

主权项

1.一种基于体素和自适应光传输模型的光学三维成像方法，其特征在于，所述基于体素和自适应光传输模型的光学三维成像方法根据磁共振或计算机断层成像体素数据的灰度或纹理特性，绘制生物体外部边界轮廓线和内部组织边缘线；基于磁共振或计算机断层成像重建的体素数据和标记的内部组织边缘线，构造内边界节点富集函数；考虑生物组织的结构异质性和光学特异性，采用基于混合光传输方程的自适应光传输数学模型描述光粒子在生物体中的传输过程；鉴于有限体积法在六面体体素网格上的应用优势，采用扩展有限体积法对自适应光传输数学模型进行数值离散和求解，建立描述体内靶标与体表测量值之间线性关系的系统方程；考虑体内靶标分布的稀疏性和体表测量数据的不完整性，建立基于稀疏正则化策略和融合先验初步靶标定位结果的目标函数；采用合适的优化方法求解目标函数，实现生物体体内靶向目标的准确、快速重建；所述基于体素和自适应光传输模型的光学三维成像方法包括以下步骤：步骤一、数据采集与预处理，利用多模态分子成像系统，依次采集用于光学三维成像的多角度荧光数据、用于构建体素物理模型的磁共振或计算机断层成像数据；利用多模态分子成像系统中的预处理软件对荧光数据进行去除背景噪声、提取感兴趣区域预处理；对磁共振或计算机断层成像数据进行补偿坏点坏线、亮场校正、几何校正预处理和三维体素数据重建；步骤二、构建基于体素的物理模型；步骤三、构建自适应光传输数学模型；步骤四、融合富集函数建立系统方程；步骤五、建立目标函数；步骤六、求解目标函数，选用合适的优化算法对建立的目标函数进行求解，获得生物体内靶向目标的空间位置和浓度分布；步骤七、三维重建结果显示，对获得的靶向目标重建结果和获取的三维体素数据进行图像融合，将重建的靶向目标空间位置和浓度分布在生物体中进行三维显示；所述构建基于体素的物理模型具体包括：第一步，利用多模态分子成像系统中的配准软件，将磁共振或计算机断层成像重建得到的三维体素数据配准到已有公开数字鼠图谱中，以此绘制并标记生物体外部轮廓线和内部组织的边界线；第二步，基于三维体素数据和标记的内部组织边界线，构造边界节点富集函数：其中，j是体素节点；ψj(r)是定义的内边界节点富集函数；vj(r)是线性插值基函数；是符号距离函数，定义为节点到距离其最近闭合边界的距离：其中，sign(r)用来表示点r与边界Γ的从属关系：若点在区域内部则值为负，在区域外部则为正，在边界上则为零；是符号距离函数在体素节点j上的取值；第三步，以标记的内部组织边界线为分界面，将生物体分解为多个器官的合集，并将组织光学特性参数赋给相应器官，构建基于体素的光学三维成像物理模型。