本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)領(lǐng)域(光學(xué)分子成像技術(shù)領(lǐng)域)，具體說是基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的生物發(fā)光斷層成像定量重建方法。
背景技術(shù)：
生物發(fā)光成像是一種新興的光學(xué)分子成像技術(shù)，它是在活性分子或細(xì)胞內(nèi)通過生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)出熒光的一個(gè)生物化學(xué)過程，其采用三維成像模式。
生物發(fā)光斷層成像技術(shù)，融合了生物體體表測(cè)量的生物發(fā)光信號(hào)、生物體解剖結(jié)構(gòu)和組織光學(xué)參數(shù)信息，基于準(zhǔn)確的生物組織中光傳輸模型獲取活體生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的三維空間位置和能量分布信息。由于能夠提供靶向目標(biāo)的三維定位和定量信息，生物發(fā)光斷層成像技術(shù)已經(jīng)成為腫瘤檢測(cè)、新藥研發(fā)和療效評(píng)價(jià)等預(yù)臨床研究中的重要工具。
西安電子科技大學(xué)在其專利申請(qǐng)文件“全光學(xué)生物發(fā)光斷層成像方法”(申請(qǐng)?zhí)枺?01010290252.4，申請(qǐng)日：2010.9.20，授權(quán)號(hào)：zl201010290252.4，授權(quán)日：2012.3.28)中，通過采用白光信號(hào)圖像獲取生物體表面三維輪廓，結(jié)合生物體表面能量分布的定量重建，獲取生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)的反演，解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要融合結(jié)構(gòu)成像技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)三維重建的問題。然而，由于這項(xiàng)技術(shù)采用光學(xué)方式獲取生物體表面三維輪廓，無法獲取生物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，因此只能進(jìn)行勻質(zhì)的生物發(fā)光斷層成像，會(huì)帶來定位和定量上的較大誤差。
西安電子科技大學(xué)在其專利申請(qǐng)文件“非接觸式光學(xué)斷層成像方法”(申請(qǐng)?zhí)枺?00910024292.1，申請(qǐng)日：2009.10.13，授權(quán)號(hào)：zl200910024292.1，授權(quán)日：2011.04.06)中，利用微計(jì)算機(jī)斷層成像或微核磁共振成像技術(shù)獲取生物體的三維表面形狀和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)信息，基于擴(kuò)散近似方程進(jìn)行非勻質(zhì)的光學(xué)三維重建，一定程度上改善了定位和定量精度。然而，擴(kuò)散近似方程本身的局限性限制了該方法的活體生物體全身成像應(yīng)用。
中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所在其國際pct專利申請(qǐng)文件“基于特異性的多模態(tài)三維光學(xué)斷層成像系統(tǒng)”(申請(qǐng)?zhí)枺?01080060033.5，申請(qǐng)日：2010.11.30)中，利用微計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)獲取生物體結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，為三維光學(xué)斷層成像提供先驗(yàn)結(jié)構(gòu)信息。西安電子科技大學(xué)在其專利申請(qǐng)文件“基于生物組織特異性的光學(xué)三維成像方法”(申請(qǐng)?zhí)枺?01110148500.6，申請(qǐng)日：2011.06.02，授權(quán)號(hào)：zl201110148500.6，授權(quán)日：2013.04.03)中，同樣利用微計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)獲取生物體的解剖結(jié)構(gòu)信息，融合生物組織的光學(xué)特性參數(shù)，構(gòu)建組織特異性光傳輸模型，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無法對(duì)具有不規(guī)則解剖結(jié)構(gòu)和多種散射特性組織的復(fù)雜生物體進(jìn)行準(zhǔn)確快速的光學(xué)三維成像的問題。然而，這兩項(xiàng)專利公開的方法均是利用微計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)獲取生物體的組織結(jié)構(gòu)信息，微計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)在軟組織對(duì)比度方面的局限性限制了該類方法在腫瘤檢測(cè)、新藥研發(fā)及療效評(píng)價(jià)等小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的生物發(fā)光斷層成像定量重建方法，克服上述已有生物發(fā)光斷層成像技術(shù)存在的不足，通過磁共振影像獲取生物體的解剖結(jié)構(gòu)信息以及定位靶向目標(biāo)的先驗(yàn)感興趣區(qū)，構(gòu)建基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型和基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有多種散射特性生物組織的復(fù)雜生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)的準(zhǔn)確快速定位與定量重建。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的生物發(fā)光斷層成像定量重建方法，其特征在于，具體實(shí)現(xiàn)包括如下步驟：
(1)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理
利用磁共振兼容的光學(xué)分子成像系統(tǒng)，采集生物體內(nèi)靶向目標(biāo)發(fā)出的多角度生物發(fā)光數(shù)據(jù)和磁共振影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；
(2)生物體解剖結(jié)構(gòu)重建
利用基于凸集投影的稀疏磁共振圖像重建算法對(duì)預(yù)處理后的磁共振影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，獲得生物體三維體素?cái)?shù)據(jù)；然后利用人機(jī)交互式分割方法對(duì)獲得的生物體三維體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行器官分割，獲得生物體解剖結(jié)構(gòu)；
(3)先驗(yàn)感興趣區(qū)獲取
對(duì)步驟(2)獲取的生物體三維體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于不同組織對(duì)比度及其相應(yīng)特征，提取生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的大致位置及其輪廓信息，獲取先驗(yàn)感興趣區(qū)；
(4)體表光學(xué)數(shù)據(jù)映射
對(duì)步驟(2)獲取的生物體解剖結(jié)構(gòu)信息和步驟(1)獲取的預(yù)處理后生物發(fā)光數(shù)據(jù)，應(yīng)用非接觸式光學(xué)斷層成像方法中的生物體表面三維能量重建技術(shù)獲取生物體表面的三維光學(xué)數(shù)據(jù)分布；
(5)前向光傳輸模型構(gòu)建
根據(jù)生物體組織光學(xué)特性參數(shù)隨解剖結(jié)構(gòu)變化的差異，將生物體組織劃分為高散射特性組織和低散射特性組織兩大類，分別采用簡(jiǎn)化球諧波近似方程和擴(kuò)散近似方程描述生物發(fā)光信號(hào)在復(fù)雜生物體中的傳輸過程；通過構(gòu)造不同散射特性生物組織之間光傳輸?shù)鸟詈蠗l件，構(gòu)建基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型；
(6)稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)建立
利用有限元方法對(duì)步驟(5)建立的前向光傳輸模型進(jìn)行離散化，建立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表三維光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程，所述體表三維光學(xué)數(shù)據(jù)由步驟(4)得到；
結(jié)合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)，進(jìn)一步準(zhǔn)確確立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程；
根據(jù)離散網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)上的光學(xué)通量密度計(jì)算值和測(cè)量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)；
(7)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化求解
采用合適的優(yōu)化算法求解建立的稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)，獲得生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的空間位置和強(qiáng)度分布；
(8)三維重建結(jié)果顯示
對(duì)步驟(7)獲得的生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的空間位置和強(qiáng)度分布和步驟(2)獲取的生物體解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像融合，將重建的靶向目標(biāo)空間位置和定量分布在生物體中進(jìn)行三維顯示。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(6)的具體步驟為：
6a)利用有限元方法對(duì)步驟(5)建立的前向光傳輸模型進(jìn)行離散化，建立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程：
as＝φ
式中，a是系統(tǒng)矩陣，依賴于生物體內(nèi)不同散射特性生物組織的分布和生物組織的光學(xué)特性參數(shù)；
s是生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的空間位置和強(qiáng)度分布；
φ是生物體體表離散網(wǎng)格上的光學(xué)通量密度分布；
6b)結(jié)合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)，進(jìn)一步準(zhǔn)確確立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程：
(atθp(r))t(sθp(r))＝φ
式中，t表示轉(zhuǎn)置，aθb操作定義為將向量b中零元素對(duì)應(yīng)的矩陣a中的行移除；
p(r)是根據(jù)先驗(yàn)可行區(qū)r定義的列向量，在先驗(yàn)可行區(qū)r內(nèi)的節(jié)點(diǎn)元素值定義為1，否則定義為0；即：
r是先驗(yàn)可行區(qū)，定義為兩倍的磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)；
6c)根據(jù)離散網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)上的光學(xué)通量密度計(jì)算值和測(cè)量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)：
式中，ξ(s)是稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)；
sinf是靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布的下限；
ssup是靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布的上限；
φm是離散網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)上的光學(xué)通量密度的測(cè)量值；
λ是稀疏正則化的正則化因子。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(1)中所述磁共振兼容的光學(xué)分子成像系統(tǒng)是由商業(yè)小動(dòng)物磁共振系統(tǒng)模塊和磁共振兼容的光學(xué)成像模塊構(gòu)成。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(1)中所述多角度生物發(fā)光數(shù)據(jù)，為利用磁共振兼容的光學(xué)分子成像系統(tǒng)采集1-3個(gè)角度的生物發(fā)光數(shù)據(jù)。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(1)中，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括但不限于依次進(jìn)行的：背景噪聲去除、感興趣區(qū)域提取和壞點(diǎn)補(bǔ)償。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(5)中光傳輸過程是采用擴(kuò)散近似方程描述生物發(fā)光信號(hào)在高散射特性生物組織中的傳輸過程，采用簡(jiǎn)化球諧波近似方程描述生物發(fā)光信號(hào)在低散射特性生物組織中的傳輸過程。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(5)的具體步驟如下：
首先，應(yīng)用下式和下面的準(zhǔn)則將生物組織劃分為高散射特性組織和低散射特性組織兩大類：
式中，
劃分的準(zhǔn)則：如果
其次，將簡(jiǎn)化球諧波與擴(kuò)散近似方程耦合使用，構(gòu)造基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型，描述生物發(fā)光信號(hào)在復(fù)雜生物體中的傳輸過程；其中，采用擴(kuò)散近似方程描述高散射特性組織中的光傳輸過程，保證計(jì)算效率；采用簡(jiǎn)化球諧波近似方程描述低散射特性組織中的光傳輸過程，保證求解精度。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，為了建立統(tǒng)一形式的簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程，需要構(gòu)造合適的邊界條件將簡(jiǎn)化球諧波近似方程與擴(kuò)散近似方程進(jìn)行耦合，
在實(shí)現(xiàn)過程中，需要將在兩個(gè)方程組織邊界上形成的光流率轉(zhuǎn)化為小體光源，具體步驟如下：
首先，考慮高散射特性組織與低散射特性組織之間的折射率不匹配條件，將在邊界上形成的光流率轉(zhuǎn)化為光通量：
jn(r′)＝ε(r′)φ(r′)
式中，jn(r′)是不同散射特性組織邊界上的r′點(diǎn)處的光通量，其方向指向出射組織，ε(r′)是r′點(diǎn)處的折射率，φ(r′)是r′點(diǎn)處的光流率；
其次，應(yīng)用下述公式將形成的光通量轉(zhuǎn)化為小體光源：
式中，q0(r′)是在不同散射特性組織邊界點(diǎn)r′處形成的小體光源；m是與點(diǎn)r′相連接的所有面片的數(shù)量，si是其中第i個(gè)面片的面積；q是與點(diǎn)r′相連接的所有四面體的體積，vj是其中第j個(gè)四面體的體積，σ代表求和運(yùn)算；
最后，將簡(jiǎn)化球諧波近似方程、擴(kuò)散近似方程與上述邊界耦合條件聯(lián)立，獲得描述靶向目標(biāo)發(fā)射的生物發(fā)光信號(hào)在生物體內(nèi)傳輸過程、基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(7)中所述合適的優(yōu)化算法包括：半貪婪算法和/或貪婪算法和/或凸松弛方法。
本發(fā)明所述的基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的生物發(fā)光斷層成像定量重建方法，可應(yīng)用于腫瘤檢測(cè)、新藥研發(fā)及療效評(píng)價(jià)等小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中獲取靶向目標(biāo)的準(zhǔn)確定量信息。
附圖說明
本發(fā)明有如下附圖：
圖1本發(fā)明的流程框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明所述的基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的生物發(fā)光斷層成像定量重建方法，具體實(shí)現(xiàn)包括如下步驟：
(1)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理
利用磁共振兼容的光學(xué)分子成像系統(tǒng)，采集生物體內(nèi)靶向目標(biāo)發(fā)出的多角度生物發(fā)光數(shù)據(jù)和磁共振影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；
所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括但不限于依次進(jìn)行的：背景噪聲去除、感興趣區(qū)域提取和壞點(diǎn)補(bǔ)償；
(2)生物體解剖結(jié)構(gòu)重建
利用基于凸集投影的稀疏磁共振圖像重建算法對(duì)預(yù)處理后的磁共振影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，獲得生物體三維體素?cái)?shù)據(jù)；然后利用人機(jī)交互式分割方法對(duì)獲得的生物體三維體素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行器官分割，獲得生物體解剖結(jié)構(gòu)；
(3)先驗(yàn)感興趣區(qū)獲取
對(duì)步驟(2)獲取的生物體三維體素?cái)?shù)據(jù)(此即三維磁共振影像數(shù)據(jù))進(jìn)行分析，基于不同組織對(duì)比度及其相應(yīng)特征，提取生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的大致位置及其輪廓信息，獲取先驗(yàn)感興趣區(qū)；
(4)體表光學(xué)數(shù)據(jù)映射
對(duì)步驟(2)獲取的生物體解剖結(jié)構(gòu)信息和步驟(1)獲取的預(yù)處理后生物發(fā)光數(shù)據(jù)，應(yīng)用非接觸式光學(xué)斷層成像方法中的生物體表面三維能量重建技術(shù)獲取生物體表面的三維光學(xué)數(shù)據(jù)分布；
非接觸式光學(xué)斷層成像方法可參考申請(qǐng)?zhí)?00910024292.1，申請(qǐng)日2009.10.13，授權(quán)號(hào)zl200910024292.1，授權(quán)日2011.04.06；
(5)前向光傳輸模型構(gòu)建
根據(jù)生物體組織光學(xué)特性參數(shù)隨解剖結(jié)構(gòu)變化的差異，將生物體組織劃分為高散射特性組織和低散射特性組織兩大類，分別采用簡(jiǎn)化球諧波近似方程和擴(kuò)散近似方程描述生物發(fā)光信號(hào)在復(fù)雜生物體中的傳輸過程；通過構(gòu)造不同散射特性生物組織之間光傳輸?shù)鸟詈蠗l件，構(gòu)建基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型；
(6)稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)建立
利用有限元方法對(duì)步驟(5)建立的前向光傳輸模型進(jìn)行離散化，建立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表三維光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程，所述體表三維光學(xué)數(shù)據(jù)由步驟(4)得到；
結(jié)合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)，進(jìn)一步準(zhǔn)確確立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程；
根據(jù)離散網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)上的光學(xué)通量密度計(jì)算值和測(cè)量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)；
(7)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化求解
采用合適的優(yōu)化算法求解建立的稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)，獲得生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的空間位置和強(qiáng)度分布；
(8)三維重建結(jié)果顯示
對(duì)步驟(7)獲得的生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的空間位置和強(qiáng)度分布和步驟(2)獲取的生物體解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像融合，將重建的靶向目標(biāo)空間位置和定量分布在生物體中進(jìn)行三維顯示。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(6)的具體步驟為：
6a)利用有限元方法對(duì)步驟(5)建立的前向光傳輸模型進(jìn)行離散化，建立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程：
as＝φ
式中，a是系統(tǒng)矩陣，依賴于生物體內(nèi)不同散射特性生物組織的分布和生物組織的光學(xué)特性參數(shù)；
s是生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的空間位置和強(qiáng)度分布；
φ是生物體體表離散網(wǎng)格上的光學(xué)通量密度分布；
6b)結(jié)合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)，進(jìn)一步準(zhǔn)確確立描述生物體體內(nèi)靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布與體表測(cè)量光學(xué)數(shù)據(jù)之間定量關(guān)系的系統(tǒng)方程：
(atθp(r))t(sθp(r))＝φ
式中，t表示轉(zhuǎn)置，aθb操作定義為將向量b中零元素對(duì)應(yīng)的矩陣a中的行移除；
p(r)是根據(jù)先驗(yàn)可行區(qū)r定義的列向量，在先驗(yàn)可行區(qū)r內(nèi)的節(jié)點(diǎn)元素值定義為1，否則定義為0；即：
r是先驗(yàn)可行區(qū)，定義為兩倍的磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)；
6c)根據(jù)離散網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)上的光學(xué)通量密度計(jì)算值和測(cè)量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)：
式中，ξ(s)是稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)；
sinf是靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布的下限；
ssup是靶向目標(biāo)強(qiáng)度分布的上限；
φm是離散網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)上的光學(xué)通量密度的測(cè)量值；
λ是稀疏正則化的正則化因子。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(1)中所述磁共振兼容的光學(xué)分子成像系統(tǒng)是由商業(yè)小動(dòng)物磁共振系統(tǒng)模塊和磁共振兼容的光學(xué)成像模塊構(gòu)成。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(1)中所述多角度生物發(fā)光數(shù)據(jù)，為利用磁共振兼容的光學(xué)分子成像系統(tǒng)采集1-3個(gè)角度的生物發(fā)光數(shù)據(jù)。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(5)中光傳輸過程是采用擴(kuò)散近似方程描述生物發(fā)光信號(hào)在高散射特性生物組織中的傳輸過程，采用簡(jiǎn)化球諧波近似方程描述生物發(fā)光信號(hào)在低散射特性生物組織中的傳輸過程。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(5)的具體步驟如下：
首先，應(yīng)用下式和下面的準(zhǔn)則將生物組織劃分為高散射特性組織和低散射特性組織兩大類：
式中，
劃分的準(zhǔn)則：如果
其次，將簡(jiǎn)化球諧波與擴(kuò)散近似方程耦合使用，構(gòu)造基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型，描述生物發(fā)光信號(hào)在復(fù)雜生物體中的傳輸過程；其中，采用擴(kuò)散近似方程描述高散射特性組織中的光傳輸過程，保證計(jì)算效率；采用簡(jiǎn)化球諧波近似方程描述低散射特性組織中的光傳輸過程，保證求解精度。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，為了建立統(tǒng)一形式的簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程，需要構(gòu)造合適的邊界條件將簡(jiǎn)化球諧波近似方程與擴(kuò)散近似方程進(jìn)行耦合，
在實(shí)現(xiàn)過程中，需要將在兩個(gè)方程組織邊界上形成的光流率轉(zhuǎn)化為小體光源，具體步驟如下：
首先，考慮高散射特性組織與低散射特性組織之間的折射率不匹配條件，將在邊界上形成的光流率轉(zhuǎn)化為光通量：
jn(r′)＝ε(r′)φ(r′)
式中，jn(r′)是不同散射特性組織邊界上的r′點(diǎn)處的光通量，其方向指向出射組織，ε(r′)是r′點(diǎn)處的折射率，φ(r′)是r′點(diǎn)處的光流率；
其次，應(yīng)用下述公式將形成的光通量轉(zhuǎn)化為小體光源：
式中，q0(r′)是在不同散射特性組織邊界點(diǎn)r′處形成的小體光源；m是與點(diǎn)r′相連接的所有面片的數(shù)量，si是其中第i個(gè)面片的面積；q是與點(diǎn)r′相連接的所有四面體的體積，vj是其中第j個(gè)四面體的體積，σ代表求和運(yùn)算；
最后，將簡(jiǎn)化球諧波近似方程、擴(kuò)散近似方程與上述邊界耦合條件聯(lián)立，獲得描述靶向目標(biāo)發(fā)射的生物發(fā)光信號(hào)在生物體內(nèi)傳輸過程、基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型。
在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟(7)中所述合適的優(yōu)化算法包括：半貪婪算法和/或貪婪算法和/或凸松弛方法。當(dāng)同時(shí)使用兩種以上算法時(shí)則構(gòu)成混合算法。
本發(fā)明公開一種基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的生物發(fā)光斷層成像定量重建方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中基于擴(kuò)散近似方程或采用微計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)信息帶來的定量不準(zhǔn)確問題。該方法通過磁共振影像獲取生物體的解剖結(jié)構(gòu)信息以及定位靶向目標(biāo)的先驗(yàn)感興趣區(qū)，構(gòu)建基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型和基于磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)，采用合適優(yōu)化算法進(jìn)行求解，以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)靶向目標(biāo)的準(zhǔn)確定位與定量。本發(fā)明具有能夠?qū)崿F(xiàn)生物體內(nèi)靶向目標(biāo)位置和定量分布的準(zhǔn)確、快速重建，可用于生物發(fā)光斷層成像領(lǐng)域。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
第一，本發(fā)明由于采用磁共振影像數(shù)據(jù)獲取生物體的解剖結(jié)構(gòu)信息，克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用微計(jì)算機(jī)斷層成像影像數(shù)據(jù)帶來的軟組織對(duì)比度不足的局限性，可更清晰、更準(zhǔn)確地獲取生物體解剖結(jié)構(gòu)，從而能夠改善前向光傳輸模型的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的準(zhǔn)確定位和定量重建。
第二，本發(fā)明由于采用磁共振影像數(shù)據(jù)獲取先驗(yàn)感興趣區(qū)，并將其融入到重建過程中，構(gòu)造融合磁共振影像先驗(yàn)感興趣區(qū)的稀疏正則化目標(biāo)函數(shù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的定量不準(zhǔn)確問題，能夠有效地改善生物發(fā)光斷層成像技術(shù)的定量精度。
第三，本發(fā)明由于考慮生物體組織光學(xué)特性參數(shù)隨解剖結(jié)構(gòu)變化的差異構(gòu)建基于簡(jiǎn)化球諧波-擴(kuò)散近似方程的前向光傳輸模型，克服了現(xiàn)有技術(shù)中基于擴(kuò)散近似方程的生物發(fā)光斷層成像方法的局限性，能夠?qū)哂卸喾N散射特性組織的復(fù)雜生物體內(nèi)靶向目標(biāo)的位置和強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確、快速重建。
本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。