[发明专利]基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法

摘要

本发明公开了一种基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法，所述方法包括以下步骤：获取目标对象多个角度的二维白光图像和二维荧光图像及二维白光标记点分布；重建目标对象的三维表面结构；网格剖分得到匀质体模型；对标志物的三维坐标配准得到旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差；将二维荧光图像荧光信号映射到匀质体模型中，得到荧光表面光强信息；建立光子在目标对象内部的扩散传输模型；建立优化目标函数并求解得到目标对象内部的最优光强分布，进而得到生物自发荧光的发光光源分布，即生物自发荧光成像结果。本发明能有效地应用于目标体全身生理代谢的研究，重建效率高且适用于成像系统性能较低或者实验环境较差的情况。

主权项

1.一种基于纯光学系统的生物自发光三维成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：获取目标对象多个角度的二维白光图像和二维荧光图像，并基于得到的二维白光图像获取白光环境下目标对象周围人为设置的标记物在二维白光图像中的二维像素坐标，即二维白光标记点分布；步骤2：基于所述步骤1得到的二维白光标记点分布将所述目标对象多个角度的二维白光图像重建成目标对象的三维表面结构；步骤3：对所述步骤2得到的目标对象的三维表面结构进行网格剖分，得到目标对象的匀质体模型；步骤4：使用基于小孔成像的线性映射方法，将二维白光图中人为设置的标志物在二维白光图中的二维像素坐标与所述步骤3得到的匀质体模型中相应标记物的三维坐标进行配准，得到旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差；步骤5：如果所述旋转中轴线与光心外法向量间的距离偏差大于某一预定阈值，则对所述二维白光图像进行相应的平移补偿，再返回步骤2，否则，进入步骤6；步骤6：将所述二维荧光图像上的荧光信号，同样按照小孔成像的原理，映射到所述匀质体模型中，得到荧光表面光强信息；步骤7：建立光子在目标对象内部的扩散传输模型；步骤8：基于所述荧光表面光强信息，将所述扩散传输模型转换为线性矩阵方程；步骤9：建立重建优化目标函数；步骤10：求解所述重建优化目标函数，得到目标对象内部的最优光强分布，进而得到生物自发荧光的发光光源分布，即生物自发荧光成像结果；其中，所述线性矩阵方程表示为：其中，A是描述模型性质的系统矩阵，S表示待求解的目标对象内部的光强分布，表示荧光表面光强信息在匀质体模型表面上的分布；其中，所述重建优化目标函数为：其中，μ为正则化参数，||S||1表示l1范数；其中，所述步骤10进一步包括以下步骤：步骤101，利用布雷格曼迭代算法构建所述重建优化目标函数在布雷格曼距离基础上的L1正则项变化形式；步骤102，利用分裂布雷格曼迭代算法消除布雷格曼迭代过程中存在的正则项非凸问题，得到与所述重建优化目标函数的求解式等价的两个子问题；步骤103，对于所述两个子问题进行求解，得到目标对象内部的光强分布S；步骤104，根据目标对象内部的光强分布S计算判断R＜0.1是否为假，若是则执行k＝k+1，并跳至所述步骤103，进入下一次迭代；若为真，则重建停止。