[发明专利]一种光学投影断层成像中的吸收和散射系数重建方法

摘要

本发明公开了一种光学投影断层成像中的吸收和散射系数重建方法，利用级数展开理论分解传输光强，结合OPT成像模型，利用测量信号中的弹道传播信号和散射信号的特性，采用统计迭代算法从散射分量中重建生物组织的散射系数，再利用衰减系数、散射系数与吸收系数之间的关系计算获得生物组织的吸收系数，最终实现生物组织吸收系数和散射系数空间分布的同时重建，应用于弱散射介质的投影断层重建。本发明实现了生物组织吸收系数和散射系数的三维重建，既有效解决了OPT成像存在的散射问题，又提高了OPT成像质量，同时更丰富了OPT技术提供的信息量。

主权项

1.一种光学投影断层成像中的吸收和散射系数重建方法，其特征在于，所述光学投影断层成像中的吸收和散射系数重建方法利用级数展开理论分解传输光，将传输光分解为弹道传输分量、一次散射传输分量和多次散射传输分量，结合弱散射介质的应用背景，结合OPT成像模型，分别测量弹道传输分量和一次散射传输分量；采用重建算法从弹道传输分量中重建样品的衰减系数，从一次散射分量中重建样品的散射系数；再利用衰减系数、散射系数与吸收系数之间的关系计算获得样品的吸收系数，最终实现样品吸收系数和散射系数空间分布的同时重建；所述光学投影断层成像中的吸收和散射系数重建方法包括以下步骤：步骤一，光子弱散射生物组织传输建模；步骤二，光源和CCD相机相对放置时采集投影数据；步骤三，重建生物组织衰减系数；步骤四，光源和CCD相机偏移一定角度放置时采集投影数据；步骤五，重建生物组织散射系数；步骤六，计算样品的吸收系数；所述光子弱散射生物组织传输建模包括：表示Γ^‑上入射的光子到位置且方向为时所传播的距离，则：其中为处的辐射度，表示单位立体角内、单位时间内、通过垂直于单位方向矢量的单位面积上的平均功率通量密度，量纲是W/(m²·Sr)；K₀为引入的光子弹道传播算子，表示生物组织在处的总的衰减系数，表示生物组织的吸收系数，表示散射系数；再定义：其中K为引入的光子散射传播算子，为归一化的散射相位函数，表示光子从方向散射到方向的概率，满足dΩ′表示单位方向矢量对应的立体角微元；定义m₀＝K₀g_in，则有m_n+1＝Km_n，n≥0，从而在处的总的辐射率为：其中m_n表示经n次散射到达的辐射度分量；当光子在扩散区域传播时，K的谱半径ρ(K)值接近1，当光子在弱散射区域传播时，ρ(K)＞＞1，在此种情况下，当n→∞时，快速收敛；然后，在输出边界Γ⁺上描述探测器接收到的数据总量g_out，即从而：其中A是描述光子传输的矩阵，A0、A1和A2分别描述弹道传输、一次散射传输和多次散射传输部分，定义g0＝A0gin，g1＝A1gin分别表示测量数值中的弹道传输分量和一次散射分量，则知：入射光方向为经一次散射后其方向为则上式中关于的积分仅在一特定角度上有值，取系数k的取值由相位函数确定，同时定义分别表示光子发生散射后和散射前的衰减量，则有：所述光源和CCD相机相对放置时采集投影数据包括：首先，将光源和探测器相对放置，则光源以平行光对样品进行照射并且远心透镜耦合的CCD相机接收平行入射的光线；其次，照射源对固定在电控旋转台上的样品进行水平投影断层扫描，照射源采用激光器，并使用远心透镜将光线扩束为平行光照射样品；最后，使用探测器采集样品的投影数据，采集的方法样品每旋转一个角度采集一个投影数据，将每次采集的投影数据记录在计算机中；所述重建生物组织衰减系数包括：在OPT成像中采用空间均匀分布的平行光g_in对样品进行照射，通过CCD相机采集无样品遮挡的照射光测得入射光强度；对左右两边同除以g_in并取负对数，则：采集到360度的测量数据G0后，采用精确高效的滤波反投影重建算法实现逆Radon变换即计算出衰减系数，即μt＝FBP(G0)；所述偏移一定角度采集投影数据包括：将OPT系统的探测器件偏移一定角度θ放置，照射源对固定在电控旋转台上的样品进行水平投影断层扫描，照射源采用激光器，并使用远心透镜将光线扩束为平行光照射样品；使用探测器采集样品的投影数据，样品每旋转一个角度采集一个投影数据，将每次采集的投影数据记录在计算机中；所述重建散射系数由公式确定；g₁包含了OPT成像中散射的影响，当从某一确定的角度采集一次散射分量g₁时，确定和的散射夹角，系数k为一个确定的常数；两边同除以kg_in，则有：由上式知为散射系数延方向的加权Radon变换，所加权值ω₁(t)和ω₂(t)均是与衰减系数有关的函数，将离散化并以矩阵的形式表示如下：Wμs＝G1；其中W表示离散化后的权值矩阵，μs和G1分别表示散射系数矢量和不同角度测量得到的归一化测量矢量，利用带罚函数的加权最小二乘准则建立如下的目标函数：其中表达式的第一项是似然函数的近似表达形式，第二项R(μs)为正则项，通常根据图像的先验信息构造而成，β为正则化因子，矩阵C为协方差矩阵；以ni表示CCD探测器检测到的散射光子数，对应的协方差矩阵表示为：利用最优化方法对Φ(μs)的目标函数求解，即求出散射系数：μs＝argminΦ(μs)；所述计算吸收系数利用步骤三和步骤五的计算结果，计算样品的吸收系数，利用关系式μt＝μa+μs计算样品的吸收系数μa。