專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種自發(fā)熒光成像方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明有關(guān)于光學(xué)分子影像成像
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是有關(guān)于模態(tài)-自發(fā)熒光成像技術(shù)，具體地講是一種自發(fā)熒光成像方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，作為一種典型的光學(xué)分子影像的成像模態(tài)，自發(fā)熒光成像技術(shù)已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)是利用熒光素酶標(biāo)記成像目標(biāo)，在ATP及氧氣的環(huán)境下，當(dāng)熒光素酶遇到底物熒光素時(shí)，熒光素酶就會(huì)催化熒光素反應(yīng)而產(chǎn)生光子。這些光子經(jīng)過(guò)一系列散射和吸收后，大部分光子到達(dá)成像目標(biāo)物體的表面，能夠通過(guò)高性能的低溫CCD相機(jī)這種非接觸式的測(cè)量方式探測(cè)得到。該技術(shù)用于優(yōu)化藥物(尤其是惡性腫瘤、癌癥藥物)的研究中，以及為在分子水平上評(píng)估疾病的發(fā)展和治療疾病提供了有效的工具。自發(fā)熒光斷層成像系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展，使研究人員能夠在三維下觀測(cè)所感興趣目標(biāo)的變化，相對(duì)于只能得到二維的平面圖像技術(shù)有了很大的突破。當(dāng)前的自發(fā)熒光斷層成像研究中，通過(guò)對(duì)成像目標(biāo)物體表面多角度非接觸式的探測(cè)，可以獲得更多的不同角度的表面被測(cè)信息。這些多角度的被測(cè)信息對(duì)在三維下定量進(jìn)行物體內(nèi)部自發(fā)熒光光源成像有著重要的作用。美國(guó)專(zhuān)禾lJ(WO/2004/081865)G.Wang,E.A.Hoffman,andG.McLennan,"Systemsandmethodsforbioluminescentcomputedtomographicreconstruction,"Patentdisclosurefilled,July2002;USprovisionalpatentapplicationfilled,March2003;USpatentapplicationfiled,March2004采用轉(zhuǎn)臺(tái)裝置從多角度獲得目標(biāo)物體表面的被測(cè)信息。其具體方式是，將目標(biāo)物體放在一個(gè)可以水平旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，用高性能的低溫CCD相機(jī)在對(duì)目標(biāo)物體表面的一個(gè)方向成像后，將轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針(或逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，再次成像，直到獲得目標(biāo)物體表面360。的光信號(hào)。然而，這種方式?jīng)]有考慮在探測(cè)目標(biāo)物體表面信號(hào)的過(guò)程中，物體內(nèi)部的自發(fā)熒光光源隨時(shí)間變化的問(wèn)題，因此造成最終結(jié)果有較大的誤差。當(dāng)前的自發(fā)熒光斷層成像研究中，為獲得目標(biāo)物體表面多角度的測(cè)量信息，還有一種采用四面鏡的方式。參看G.Wang，D.Kumar,H.Shen,X.Qian，andW.Cong,"TheOpticalmoleculartomographysystemsandmethodsforsimultaneousacquisitionofmulti-viewandmulti-spectraldata,"PatentdisclosurefiledwithUniversityofIowaResearchFoundation,May2006.其具體方式是，在一個(gè)豎直的平板上按一定角度傾斜固定四個(gè)平面鏡，將目標(biāo)物體放置在垂直于平板并位于四面鏡中心的圓柱形固定器內(nèi)，這種方式可以同時(shí)從四個(gè)角度獲得目標(biāo)物體的表面信號(hào)。再轉(zhuǎn)動(dòng)固定器45。，則獲得另外四個(gè)角度的表面信號(hào)。但是，這種方法同樣沒(méi)有考慮在探測(cè)目標(biāo)物體表面信號(hào)的過(guò)程中，物體內(nèi)部的自發(fā)熒光光源隨時(shí)間變化的問(wèn)題，因此其最終的結(jié)果還是會(huì)造成較大的誤差。當(dāng)前的自發(fā)熒光斷層成像研究中，通常假設(shè)在成像過(guò)程中，物體內(nèi)部的自發(fā)熒光光源是恒定不變的。然而，在實(shí)際中，它是隨時(shí)間變化的，呈現(xiàn)為一種類(lèi)指數(shù)形式的衰減變化。另外，為了提高探測(cè)時(shí)的信號(hào)噪聲比，適當(dāng)?shù)脑黾悠毓鈺r(shí)間也是非常必要的。因此，在多角度順序測(cè)量的過(guò)程中，光源隨時(shí)間變化會(huì)導(dǎo)致不同角度的邊界測(cè)量信息是不一致的。使用這種不一致的邊界信息對(duì)自發(fā)熒光光源進(jìn)行成像會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的誤差，是有待被解決的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中的問(wèn)題而提出，其目的在于，提供一種自發(fā)熒光成像方法及系統(tǒng)，以使在充分曝光的情況下獲得較準(zhǔn)確的邊界信息以提高最終成像的精度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種自發(fā)熒光成像方法，該方法包括以下步驟從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；分別修正從不同角度獲取的所述光信號(hào)，獲得光修正數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的所述光信號(hào)的數(shù)據(jù)、所述預(yù)處理單元修正后的光修正數(shù)據(jù)；根據(jù)所述光修正數(shù)據(jù)成像所述自發(fā)熒光的像。S201:從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；S202:生成目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；S203:根據(jù)在相鄰單角度測(cè)量表面的重疊域上的相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)；S204:以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；具體修正函數(shù)為廣=2..$如修正方式為(D，其中Z^(X,A)/ZO附一(X，;i)(附>2)上述中^一,"表示在重疊域3Q(^一上第m-1個(gè)角度和第m個(gè)角度的信號(hào)能量比，0)m(x，義)表示在第m個(gè)角度探測(cè)得到的位于重疊域d,上x(chóng)處波長(zhǎng)為/i時(shí)的光強(qiáng)密度，①"(x,;i)表示在第附-l個(gè)角度探測(cè)得到的位于重疊域3Q—"上x(chóng)處波長(zhǎng)為義時(shí)的光強(qiáng)密度；O，為第m個(gè)角度測(cè)量得到的并經(jīng)過(guò)修正后的邊界信號(hào)，o〖為第m個(gè)角度測(cè)量得到的邊界信號(hào)。S205:將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)；S206:在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；S207:基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與測(cè)量邊界信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系；S208:利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。一種自發(fā)熒光成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)獲取單元，用于從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；預(yù)處理單元，用于分別修正從不同角度獲取的所述光信號(hào)，獲得光修正數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的所述光信號(hào)的數(shù)據(jù)、所述預(yù)處理單元修正后的光修正數(shù)據(jù)；計(jì)算單元，用于根據(jù)所述光修正數(shù)據(jù)成像所述自發(fā)熒光的像。所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的光信號(hào)是單譜、混合譜或多譜段上的光的信號(hào)，并以二維圖像的形式存儲(chǔ)到所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。所述預(yù)處理單元包括光信號(hào)分布生成模塊，用于生成目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；修正函數(shù)生成模塊，用于根據(jù)在相鄰單角度測(cè)量表面的重疊域上的相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)；修正模塊，用于以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；重組模塊，用于將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。所述計(jì)算單元包括離散模塊，用于在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；線(xiàn)性關(guān)系建立模塊，用于基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與測(cè)量邊界信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系；成像模塊，用于利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。本發(fā)明的有益效果:.本發(fā)明綜合了當(dāng)前主流的多角度非接觸式測(cè)量技術(shù)和有限元成像方法，主要考慮了在多角度測(cè)量過(guò)程中，由于目標(biāo)物體內(nèi)的自發(fā)熒光光源隨時(shí)間變化而變化，導(dǎo)致實(shí)際中從不同角度測(cè)量得到的邊界信號(hào)不是由相同的光源產(chǎn)生的，直接使用這種不一致的邊界信號(hào)進(jìn)行成像將會(huì)帶來(lái)很大的誤差，本發(fā)明發(fā)展了后驗(yàn)的邊界信號(hào)修正策略，使用通過(guò)修正函數(shù)修正后的邊界信號(hào)進(jìn)行成像，有效的提高了成像結(jié)果的精度和穩(wěn)定性，并且本發(fā)明對(duì)自發(fā)熒光斷層成像的發(fā)展具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。圖1A所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的自發(fā)熒光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框1B所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的預(yù)處理單元的結(jié)構(gòu)框1C所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)框2所示的是本發(fā)明的實(shí)施例1的自發(fā)熒光成像方法的流程3所示的是本發(fā)明的實(shí)施例1的光源衰減特性示意4所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的探測(cè)到的邊界信號(hào)示意5所示的是本發(fā)明的自發(fā)熒光的成像示意圖具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。本發(fā)明實(shí)施例提供一種自發(fā)熒光成像方法及系統(tǒng)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖1A所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的自發(fā)熒光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖、圖1B所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的預(yù)處理單元的結(jié)構(gòu)框圖、圖1C所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)框圖。其中，本發(fā)明的實(shí)施例1的自發(fā)熒光成像系統(tǒng)，包括:數(shù)據(jù)獲取單元101，用于從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；預(yù)處理單元102,用于分別修正從不同角度獲取的所述光信號(hào)，獲得光修正數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元103，用于存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的所述光信號(hào)的數(shù)據(jù)、所述預(yù)處理單元修正后的光修正數(shù)據(jù)；計(jì)算單元104，用于根據(jù)所述光修正數(shù)據(jù)成像所述自發(fā)熒光的像。上述預(yù)處理單元102包括光信號(hào)分布生成模塊105，用于生成目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；修正函數(shù)生成模塊106，用于根據(jù)在相鄰單角度測(cè)量表面的重疊域上的相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)；修正模塊107，用于以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；重組模塊108，用于將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。上述計(jì)算單元包括離散模塊109，用于在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；線(xiàn)性關(guān)系建立模塊110，用于基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與測(cè)量邊界信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系；成像模塊111，用于利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。圖2所示的是本發(fā)明的實(shí)施例1的自發(fā)熒光成像方法的流程圖。以下結(jié)合圖2詳細(xì)說(shuō)明自發(fā)熒光成像方法。S201:從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；S202:生成目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；S203:根據(jù)在相鄰單角度測(cè)量表面的重疊域上的相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)；S204:以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；S205:將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)；S206:在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；S207:基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與測(cè)量邊界信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系；S208:利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。圖3所示的是本發(fā)明的實(shí)施例1的光源衰減特性示意圖，圖4所示的是本發(fā)明實(shí)施例1的探測(cè)到的邊界信號(hào)示意圖。其中，數(shù)據(jù)獲取單元101將成像目標(biāo)物體放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，按固定方向(如順時(shí)針?lè)较?轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)高性能的低溫CCD相機(jī)從不同的角度獲得成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)，所探測(cè)到的光信號(hào)可以是單譜、混合譜或多譜段上的，并以二維圖像的形式存儲(chǔ)。預(yù)處理單元102，根據(jù)探測(cè)得到的信號(hào)與目標(biāo)物體表面光信號(hào)之間的映射關(guān)系，得到目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；根據(jù)多角度順序測(cè)量技術(shù)，相鄰單角度測(cè)量表面存在重疊域，根據(jù)重疊域上相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)，以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量，并將修正后的多次單角度測(cè)量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元103存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)獲取單元獲得的二維圖像，通過(guò)預(yù)處理單元的計(jì)算結(jié)果，以及數(shù)據(jù)計(jì)算單元中用到的初始化設(shè)置和最后的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)計(jì)算單元104,在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與邊界測(cè)量數(shù)據(jù)之間的線(xiàn)性關(guān)系；利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。下面對(duì)本發(fā)明方法涉及的關(guān)鍵步驟進(jìn)行逐一詳細(xì)說(shuō)明，具體形式如下面所述數(shù)據(jù)獲取單元101將成像目標(biāo)物體放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，用高性能的低溫CCD相機(jī)拍攝前視像，見(jiàn)圖4-(a)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)90°，得到右視圖，見(jiàn)圖4-(b)，再順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)90。，得到后視圖，見(jiàn)圖4-(c)，繼續(xù)轉(zhuǎn)90°，得到左視圖，見(jiàn)圖4-(d)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，通常使用混合譜的測(cè)量，單譜或多譜信號(hào)需要通過(guò)濾波片對(duì)探測(cè)光信號(hào)進(jìn)行譜段分離，用單譜和混合譜信號(hào)的成像過(guò)程完全相同，用多譜信號(hào)進(jìn)行自發(fā)熒光光源成像的區(qū)別在于數(shù)據(jù)計(jì)算單元的第二步。探測(cè)到的光信號(hào)以混合譜為例，并以二維圖像的形式存儲(chǔ)。預(yù)處理單元102根據(jù)探測(cè)得到的信號(hào)與目標(biāo)物體表面光信號(hào)之間的映射關(guān)系，得到目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；高性能的低溫CCD相機(jī)探測(cè)到的量是流出目標(biāo)物體的光流密度2(x,義)，目標(biāo)物體表面的分布為光強(qiáng)密度O(x，;i)，它們之間的關(guān)系為0(x,;i)-!e(x，;i).2雄;",w')(xeSQ)其中，Q是目標(biāo)區(qū)域；義為波長(zhǎng)；O(x,;i)是位于目標(biāo)區(qū)域邊界SQ上x(chóng)處波長(zhǎng)為;i時(shí)的光強(qiáng)密度；"為折射率，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，外界媒質(zhì)是空氣時(shí)，折射率"'近似為1，因此J(x;","')(l+i(x))/(1-i(x》，i(x)可以近似為i(x)—1.4399"-2+0.7099"—1+0.6681+0.0636"。并且，預(yù)處理單元102根據(jù)多角度順序測(cè)量技術(shù)，相鄰單角度測(cè)量表面存在重疊域，根據(jù)重疊域上相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)，以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量，并將修正后的多次單角度測(cè)量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。考慮到實(shí)際中光源隨時(shí)間變化的特性以及多角度測(cè)量方式的使用，采用后驗(yàn)的邊界信號(hào)修正方法減少其對(duì)成像結(jié)果的影響。每個(gè)角度探測(cè)的信號(hào)對(duì)應(yīng)邊界上的某個(gè)部分，即第m個(gè)角度探測(cè)的信號(hào)0〖對(duì)應(yīng)邊界3Qp全部角度的探測(cè)可以覆蓋360。邊界表面。在第(m-l)個(gè)角度和第m個(gè)角度測(cè)量分別對(duì)應(yīng)的區(qū)域5Q^和^^之間存在重疊區(qū)域3Q(")—m，表示在重疊域3Q("—上相鄰角度測(cè)得的信號(hào)能量比，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中，om(x，;i)表示在第附個(gè)角度探測(cè)得到的位于重疊域s^v,"上x(chóng)處波長(zhǎng)為A時(shí)的光強(qiáng)密度；①"(x，;i)表示在第m-l個(gè)角度探測(cè)得到的位于重疊域W—),上x(chóng)處波長(zhǎng)為義時(shí)的光強(qiáng)密度。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，選擇光源到達(dá)光強(qiáng)最大時(shí)進(jìn)行測(cè)量，因此只需要考慮光源的衰減變化。假設(shè)光源在每次CCD的曝光過(guò)程中是不變的，如圖3所示。在第一個(gè)測(cè)量角度時(shí)，光源的光強(qiáng)為最大值，用這個(gè)角度測(cè)量得到的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，得到修正函數(shù)尸°'其中，&2表示在重疊域^V2上第1個(gè)角度和第2個(gè)角度測(cè)得的信號(hào)能然后，用修正函數(shù)修正后續(xù)的測(cè)量信號(hào)①，為第柳個(gè)角度測(cè)量得到的并經(jīng)過(guò)修正后的邊界信號(hào)，①1為第m個(gè)角度測(cè)量得到的邊界信號(hào)。然后將經(jīng)過(guò)修正后的每個(gè)角度的測(cè)量信號(hào)①"重組為邊界信號(hào)O，。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元103存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)獲取單元獲得的二維圖像，通過(guò)預(yù)處理單元的計(jì)算結(jié)果，以及數(shù)據(jù)計(jì)算單元中用到的初始化設(shè)置和最后的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)計(jì)算單元104在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；精確描述光子在生物組織中傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型是Boltzmami輸運(yùn)方程，但由于Boltzmann方程是一個(gè)微分—積分方程，使得對(duì)它的求解十分耗費(fèi)計(jì)算量。在具有強(qiáng)散射性質(zhì)的生物組織中，擴(kuò)散方程(DiffUseEquation)能很好的近似Boltzmann方程，己經(jīng)在被廣泛的應(yīng)用在光學(xué)成像領(lǐng)域。當(dāng)自發(fā)熒光成像實(shí)驗(yàn)在一個(gè)全黑的環(huán)境下進(jìn)行時(shí)，穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)散方程可以模擬這一過(guò)程，同時(shí)，考慮到不同譜段對(duì)成像目標(biāo)物體的光學(xué)特性參數(shù)的影響，擴(kuò)散方程可以寫(xiě)作如下形式-—v(z>(x,;i)vcd(x,義))+//。(x，;i)o(x，;i)=s(x，;i)(xeq)其中，Q是目標(biāo)區(qū)域；o(x,;i)是目標(biāo)區(qū)域Q上的光強(qiáng)密度；s(x，;i)是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部光源的光強(qiáng)密度；A(x,義)是成像目標(biāo)物體的吸收系數(shù)；D(x,;ihi/(3Ct/。(x,;L)+(i-g)A(x,義)))是成像目標(biāo)物體的擴(kuò)散系數(shù)，其中/Ux，;i)是成像目標(biāo)物體的散射系數(shù)，g是各向異性參數(shù)。Robin邊界條件可以模擬自發(fā)熒光成像過(guò)程的邊界條件(D(x，義)+2)Z)(x,義)(v(x).VO)(x,義))=0(xe3Q)其中，v(x)是目標(biāo)區(qū)域邊界5Q的單位法向量；在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，外界媒質(zhì)是空氣時(shí)，折射率"'近似為1，因此J(x;"，"')a(l+i(x))/(1—及(x))，i(x)可以近似為/(x)1.4399"-2+0.7099"-1+0.6681+0.0636"。根據(jù)有限元分析理論，目標(biāo)區(qū)域Q可以被離散為乂個(gè)離散單元和^個(gè)離散點(diǎn)，A(x,;i)是離散單元的基函數(shù)，^是o(x,;i)位于第k(i^i…Ag個(gè)節(jié)點(diǎn)上的值，則o(x,;i)可以近似的表示為w戶(hù)$(X,;i)S"(X,/l)類(lèi)似的，^是s(x,A)第k(k-i…Ag個(gè)節(jié)點(diǎn)上的值，a(x,;l)是內(nèi)插基函數(shù)，A^是對(duì)光源插值的內(nèi)插基函數(shù)的個(gè)數(shù)，則s(x，;i)可以近似的表示為對(duì)以上擴(kuò)散方程進(jìn)行離散，得到以下線(xiàn)性方程隊(duì)]+[C義]+[a])①(x，義)=A)其中，構(gòu)成矩陣&、g、a、F的元素分別為、s.、~、y;.，表達(dá)式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域的選擇，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與邊界測(cè)量數(shù)據(jù)之間的線(xiàn)性關(guān)系；令[MJ-[^J+[CJ+[5J，則有并且，M是一個(gè)對(duì)稱(chēng)正定矩陣。用多譜信號(hào)成像的區(qū)別在于，需要將多組單譜信號(hào)形成的線(xiàn)性方程重新組合形成新的線(xiàn)性方程?？紤]光源和邊界信號(hào)之間的關(guān)系以及加入先驗(yàn)可行光源區(qū)域，上式可寫(xiě)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>其中，《表示在目標(biāo)區(qū)域邊界3Q上的光強(qiáng)密度；《表示目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部點(diǎn)的光強(qiáng)密度；光源向量S被分為兩部分，"表示在可行光源區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)密度，《表示在禁止區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)密度。顯然，《為零。因此，以上的方程被簡(jiǎn)化成《=(M-M12M2-M〖2)-1(/^-尸12,2;卞21可=4"利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。通常情況，自發(fā)熒光成像的測(cè)量數(shù)據(jù)里面含有隨機(jī)噪聲，并且由于矩陣4是病態(tài)的導(dǎo)致方程不能直接求解，因此需要使用正則化方法來(lái)求解問(wèn)題，即將問(wèn)題轉(zhuǎn)換為，求計(jì)算的邊界光強(qiáng)分布《(=^")和測(cè)量得到且經(jīng)過(guò)修正的邊界光強(qiáng)分布o(jì)，的距離最小，并且加入懲罰函數(shù)項(xiàng)增加求解的穩(wěn)定性，同時(shí)考慮光源的物理意義，可以得到目標(biāo)函數(shù)0(w):其中，S^是光源的上界；|卜||2是2-范數(shù)；"是正則化參數(shù)；".)是懲罰函數(shù)。選擇合適的最優(yōu)化算法，可以獲得比較滿(mǎn)意的自發(fā)熒光斷層成像光源成像，這里采用的是一種改進(jìn)的牛頓算法求解問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算在點(diǎn)^的梯度范數(shù)ll,ll和步長(zhǎng)距離l1^11，判斷||^￡||<~，ll^ll<&，然后計(jì)算邊界光強(qiáng)密度o;，判斷IIO;-0>711<,《、^和^分別是相應(yīng)的閾值，如果滿(mǎn)足則停止，輸出結(jié)果；如果不滿(mǎn)足，則使1"=;^+;^,其中-e(O，l)，繼續(xù)循環(huán)，直到ii①；-①r||<3①。運(yùn)行結(jié)果圖5所示的是本發(fā)明的自發(fā)熒光的成像示意圖。為了驗(yàn)證本發(fā)明的方法，我們用MonteCarlo方法生成的邊界測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)。在此實(shí)驗(yàn)中，我們將一個(gè)包含了四種不同材料的圓柱體作為實(shí)驗(yàn)仿體，該圓柱體直徑為20mm，高為30mm，其中被成像的光源被嵌入在右肺中，坐標(biāo)設(shè)為(-3，5，15)，光源大小為半徑l毫米，光源能量為l納瓦。由具體實(shí)施方式中的論述，我們用混合譜實(shí)驗(yàn)為代表來(lái)驗(yàn)證此方法。在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)高性能的低溫CCD相機(jī)的曝光時(shí)間為每次為IO分鐘，一共進(jìn)行了四個(gè)角度的探測(cè)；在有限元離散化中，我們將仿體離散為2150個(gè)節(jié)點(diǎn)和10369個(gè)四面體；在用MonteCarlo方法生成邊界測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，選用的網(wǎng)格為11486個(gè)節(jié)點(diǎn)和22968個(gè)三角面片；通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)判斷先驗(yàn)可行光源區(qū)域《為尸，=(O，少，z)|13.0<z<17.0，0，:^,z)e右肺}。為了驗(yàn)證發(fā)明的方法，我們?cè)谕瑯拥膶?shí)驗(yàn)環(huán)境和初始參數(shù)下，分別在三種情況下用有限元方法進(jìn)行了光源成像A是理想情況，即光源是恒定的，不隨時(shí)間上的變化；B是光源隨時(shí)間衰減，成像時(shí)采用了后驗(yàn)的邊界信號(hào)修正方法；C是光源隨時(shí)間衰減，成像結(jié)果沒(méi)有采用后驗(yàn)的邊界信號(hào)修正。我們分別計(jì)算了三種情況下成像的絕對(duì)誤差和情況B、C分別相對(duì)于情況A的相對(duì)誤差，誤差的結(jié)果顯示在附表2中。由結(jié)果可以顯示出后驗(yàn)的邊界信號(hào)修正方法的優(yōu)勢(shì)，以及整個(gè)方案的有效性。所有的計(jì)算過(guò)程在奔騰四2.8GHz和1GB內(nèi)存的個(gè)人電腦上執(zhí)行。下面的附表l是仿體各部分的光學(xué)特性參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>下面的附表2是成像結(jié)果的誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>%實(shí)施例2在本發(fā)明的實(shí)施例2中，除了預(yù)處理單元與實(shí)施例1不同之外，其他的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例l相同，因此在此省略其說(shuō)明。在本發(fā)明的實(shí)施例2中，根據(jù)成像目標(biāo)物體內(nèi)部的自發(fā)熒光光源隨時(shí)間變化的特性，若已知其變化的具體形式，例如指數(shù)形式，則能夠根據(jù)每一角度探測(cè)目標(biāo)物體表面信號(hào)的時(shí)間，計(jì)算出在多角度探測(cè)時(shí)不同時(shí)間點(diǎn)的自發(fā)熒光光源的衰減比例，從而可預(yù)先設(shè)定修正比例。艮P、根據(jù)不同的光源可以預(yù)先知道其衰減特性，并且根據(jù)計(jì)算出的多角度探測(cè)時(shí)的不同時(shí)間點(diǎn)，得出最佳的衰減比例，作為預(yù)先設(shè)定的修正函數(shù)，以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。實(shí)施例3在本發(fā)明的實(shí)施例3中，除了數(shù)據(jù)獲取單元與實(shí)施例1不同之外，其他的結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例l相同，因此在此省略其說(shuō)明。在本發(fā)明的實(shí)施例3中，采用一個(gè)兩面鏡同時(shí)探測(cè)目標(biāo)物體兩個(gè)角度的信號(hào)，旋轉(zhuǎn)物體90。，獲得另外兩個(gè)角度的信號(hào)。在應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例3的具有兩面鏡的數(shù)據(jù)獲取單元時(shí)，由于同時(shí)獲取了兩個(gè)角度的數(shù)據(jù)，因此與上述實(shí)施例1和實(shí)施例2相比，其修正次數(shù)可減少一半，并且修正函數(shù)也相比實(shí)施例1和實(shí)施例2較簡(jiǎn)單，從而減少了計(jì)算量。本發(fā)明綜合了當(dāng)前主流的多角度非接觸式測(cè)量技術(shù)和有限元成像方法，發(fā)展了邊界信號(hào)能量修正策略，有利于提高光源成像的精度和穩(wěn)定性，并且本發(fā)明對(duì)自發(fā)熒光斷層成像的發(fā)展具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而己，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種自發(fā)熒光成像方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；2)分別修正從不同角度獲取的所述光信號(hào)，獲得光修正數(shù)據(jù)；3)根據(jù)所述光修正數(shù)據(jù)成像所述自發(fā)熒光的像。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的自發(fā)熒光成像方法，其特征在于步驟l中所述的光信號(hào)是單譜、混合譜或多譜段上的光的信號(hào)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的自發(fā)熒光成像方法，其特征在于，所述的修正從不同角度獲取的光信號(hào)，具體包括以下步驟1)生成目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；2)根據(jù)在相鄰單角度測(cè)量表面的重疊域上的相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)；3)以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；4)將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自發(fā)熒光成像方法，其特征在于-所述的修正函數(shù)為/咖=^2所述的用修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量，具體為①tor=①6.廣其中^-d—附《H^0a)/Z0附一Xx,A)(m>2)上述中^一—表示在重疊域aV—d^上第m-1個(gè)角度和第m個(gè)角度的信號(hào)能量比，0(x,義)表示在第m個(gè)角度探測(cè)得到的位于重疊域W(m_1HM上x(chóng)處波長(zhǎng)為義時(shí)的光強(qiáng)密度，①^(x,;i)表示在第m-l個(gè)角度探測(cè)得到的位于重疊域^(^),上x(chóng)處波長(zhǎng)為義時(shí)的光強(qiáng)密度；O，為第m個(gè)角度測(cè)量得到的并經(jīng)過(guò)修正后的邊界信號(hào)，①t為第附個(gè)角度測(cè)量得到的邊界信號(hào)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自發(fā)熒光成像方法，其特征在于，所述的根據(jù)光修正數(shù)據(jù)成像自發(fā)熒光的像的步驟包括1)在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；2)基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與測(cè)量邊界信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系；3)利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。6.—種自發(fā)熒光成像系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)獲取單元，用于從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；預(yù)處理單元，用于分別修正從不同角度獲取的所述光信號(hào)，獲得光修正數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的所述光信號(hào)的數(shù)據(jù)、所述預(yù)處理單元修正后的光修正數(shù)據(jù)；計(jì)算單元，用于根據(jù)所述光修正數(shù)據(jù)成像所述自發(fā)熒光的像。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自發(fā)熒光成像系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的光信號(hào)是單譜、混合譜或多譜段上的光的信號(hào)，并以二維圖像的形式存儲(chǔ)到所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的自發(fā)熒光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)處理單元包括光信號(hào)分布生成模塊，用于生成目標(biāo)物體表面的光信號(hào)分布；修正函數(shù)生成模塊，用于根據(jù)在相鄰單角度測(cè)量表面的重疊域上的相鄰兩次測(cè)量得到的光信號(hào)能量比得到修正函數(shù)；修正模塊，用于以第一次單角度測(cè)量得到的光信號(hào)分布為標(biāo)準(zhǔn)，用所述修正函數(shù)修正后續(xù)的單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量；重組模塊，用于將修正后的多次單角度測(cè)量邊界信號(hào)能量值重組為測(cè)量邊界信號(hào)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自發(fā)熒光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算單元包括-離散模塊，用于在成像目標(biāo)區(qū)域的剖分網(wǎng)格上，利用有限元理論把單譜段、混合譜段或多譜段上的擴(kuò)散方程離散為線(xiàn)性方程；線(xiàn)性關(guān)系建立模塊，用于基于先驗(yàn)可行光源區(qū)域，在單譜、混合譜或多譜段上建立未知光源變量與測(cè)量邊界信號(hào)之間的線(xiàn)性關(guān)系；成像模塊，用于利用正則理論確立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，然后利用改進(jìn)牛頓算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得成像結(jié)果。全文摘要本發(fā)明提供一種自發(fā)熒光成像方法及系統(tǒng)，該方法包括以下步驟從不同角度獲取成像目標(biāo)物體表面的光信號(hào)；分別修正從不同角度獲取的所述光信號(hào)，獲得光修正數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)獲取單元獲取的所述光信號(hào)的數(shù)據(jù)、所述預(yù)處理單元修正后的光修正數(shù)據(jù)；根據(jù)所述光修正數(shù)據(jù)成像所述自發(fā)熒光的像。本發(fā)明綜合了當(dāng)前主流的多角度非接觸式測(cè)量技術(shù)和有限元成像方法，發(fā)展了后驗(yàn)的邊界信號(hào)修正策略，有利于提高光源成像的精度和穩(wěn)定性，并且本發(fā)明對(duì)自發(fā)熒光斷層成像的發(fā)展具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。文檔編號(hào)G01N21/76GK101324529SQ20081011681公開(kāi)日2008年12月17日申請(qǐng)日期2008年7月18日優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日發(fā)明者粒孫,尹金玉,李亞芬,普王申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)