本發明涉及醫學影像技術領域(光學分子成像技術領域)，具體說是基于磁共振影像先驗感興趣區的生物發光斷層成像定量重建方法。
背景技術：
生物發光成像是一種新興的光學分子成像技術，它是在活性分子或細胞內通過生物化學反應發出熒光的一個生物化學過程，其采用三維成像模式。
生物發光斷層成像技術，融合了生物體體表測量的生物發光信號、生物體解剖結構和組織光學參數信息，基于準確的生物組織中光傳輸模型獲取活體生物體內靶向目標的三維空間位置和能量分布信息。由于能夠提供靶向目標的三維定位和定量信息，生物發光斷層成像技術已經成為腫瘤檢測、新藥研發和療效評價等預臨床研究中的重要工具。
西安電子科技大學在其專利申請文件“全光學生物發光斷層成像方法”(申請號：201010290252.4，申請日：2010.9.20，授權號：zl201010290252.4，授權日：2012.3.28)中，通過采用白光信號圖像獲取生物體表面三維輪廓，結合生物體表面能量分布的定量重建，獲取生物體體內靶向目標的反演，解決了現有技術中需要融合結構成像技術才能實現三維重建的問題。然而，由于這項技術采用光學方式獲取生物體表面三維輪廓，無法獲取生物體內部結構信息，因此只能進行勻質的生物發光斷層成像，會帶來定位和定量上的較大誤差。
西安電子科技大學在其專利申請文件“非接觸式光學斷層成像方法”(申請號：200910024292.1，申請日：2009.10.13，授權號：zl200910024292.1，授權日：2011.04.06)中，利用微計算機斷層成像或微核磁共振成像技術獲取生物體的三維表面形狀和內部解剖結構信息，基于擴散近似方程進行非勻質的光學三維重建，一定程度上改善了定位和定量精度。然而，擴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用。
中國科學院自動化研究所在其國際pct專利申請文件“基于特異性的多模態三維光學斷層成像系統”(申請號：201080060033.5，申請日：2010.11.30)中，利用微計算機斷層成像技術獲取生物體結構體數據，為三維光學斷層成像提供先驗結構信息。西安電子科技大學在其專利申請文件“基于生物組織特異性的光學三維成像方法”(申請號：201110148500.6，申請日：2011.06.02，授權號：zl201110148500.6，授權日：2013.04.03)中，同樣利用微計算機斷層成像技術獲取生物體的解剖結構信息，融合生物組織的光學特性參數，構建組織特異性光傳輸模型，解決了現有技術中無法對具有不規則解剖結構和多種散射特性組織的復雜生物體進行準確快速的光學三維成像的問題。然而，這兩項專利公開的方法均是利用微計算機斷層成像技術獲取生物體的組織結構信息，微計算機斷層成像技術在軟組織對比度方面的局限性限制了該類方法在腫瘤檢測、新藥研發及療效評價等小動物實驗的應用。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供基于磁共振影像先驗感興趣區的生物發光斷層成像定量重建方法，克服上述已有生物發光斷層成像技術存在的不足，通過磁共振影像獲取生物體的解剖結構信息以及定位靶向目標的先驗感興趣區，構建基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型和基于磁共振影像先驗感興趣區的稀疏正則化目標函數，實現對具有多種散射特性生物組織的復雜生物體體內靶向目標的準確快速定位與定量重建。
為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：
基于磁共振影像先驗感興趣區的生物發光斷層成像定量重建方法，其特征在于，具體實現包括如下步驟：
(1)數據采集與預處理
利用磁共振兼容的光學分子成像系統，采集生物體內靶向目標發出的多角度生物發光數據和磁共振影像數據，并進行數據預處理；
(2)生物體解剖結構重建
利用基于凸集投影的稀疏磁共振圖像重建算法對預處理后的磁共振影像數據進行三維重建，獲得生物體三維體素數據；然后利用人機交互式分割方法對獲得的生物體三維體素數據進行器官分割，獲得生物體解剖結構；
(3)先驗感興趣區獲取
對步驟(2)獲取的生物體三維體素數據進行分析，基于不同組織對比度及其相應特征，提取生物體內靶向目標的大致位置及其輪廓信息，獲取先驗感興趣區；
(4)體表光學數據映射
對步驟(2)獲取的生物體解剖結構信息和步驟(1)獲取的預處理后生物發光數據，應用非接觸式光學斷層成像方法中的生物體表面三維能量重建技術獲取生物體表面的三維光學數據分布；
(5)前向光傳輸模型構建
根據生物體組織光學特性參數隨解剖結構變化的差異，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，分別采用簡化球諧波近似方程和擴散近似方程描述生物發光信號在復雜生物體中的傳輸過程；通過構造不同散射特性生物組織之間光傳輸的耦合條件，構建基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型；
(6)稀疏正則化目標函數建立
利用有限元方法對步驟(5)建立的前向光傳輸模型進行離散化，建立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表三維光學數據之間定量關系的系統方程，所述體表三維光學數據由步驟(4)得到；
結合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗感興趣區，進一步準確確立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表測量光學數據之間定量關系的系統方程；
根據離散網格邊界節點上的光學通量密度計算值和測量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標函數；
(7)目標函數的優化求解
采用合適的優化算法求解建立的稀疏正則化目標函數，獲得生物體內靶向目標的空間位置和強度分布；
(8)三維重建結果顯示
對步驟(7)獲得的生物體內靶向目標的空間位置和強度分布和步驟(2)獲取的生物體解剖結構進行圖像融合，將重建的靶向目標空間位置和定量分布在生物體中進行三維顯示。
在上述技術方案的基礎上，步驟(6)的具體步驟為：
6a)利用有限元方法對步驟(5)建立的前向光傳輸模型進行離散化，建立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表測量光學數據之間定量關系的系統方程：
as＝φ
式中，a是系統矩陣，依賴于生物體內不同散射特性生物組織的分布和生物組織的光學特性參數；
s是生物體內靶向目標的空間位置和強度分布；
φ是生物體體表離散網格上的光學通量密度分布；
6b)結合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗感興趣區，進一步準確確立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表測量光學數據之間定量關系的系統方程：
(atθp(r))t(sθp(r))＝φ
式中，t表示轉置，aθb操作定義為將向量b中零元素對應的矩陣a中的行移除；
p(r)是根據先驗可行區r定義的列向量，在先驗可行區r內的節點元素值定義為1，否則定義為0；即：
r是先驗可行區，定義為兩倍的磁共振影像先驗感興趣區；
6c)根據離散網格邊界節點上的光學通量密度計算值和測量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標函數：
式中，ξ(s)是稀疏正則化目標函數；
sinf是靶向目標強度分布的下限；
ssup是靶向目標強度分布的上限；
φm是離散網格邊界節點上的光學通量密度的測量值；
λ是稀疏正則化的正則化因子。
在上述技術方案的基礎上，步驟(1)中所述磁共振兼容的光學分子成像系統是由商業小動物磁共振系統模塊和磁共振兼容的光學成像模塊構成。
在上述技術方案的基礎上，步驟(1)中所述多角度生物發光數據，為利用磁共振兼容的光學分子成像系統采集1-3個角度的生物發光數據。
在上述技術方案的基礎上，步驟(1)中，所述數據預處理包括但不限于依次進行的：背景噪聲去除、感興趣區域提取和壞點補償。
在上述技術方案的基礎上，步驟(5)中光傳輸過程是采用擴散近似方程描述生物發光信號在高散射特性生物組織中的傳輸過程，采用簡化球諧波近似方程描述生物發光信號在低散射特性生物組織中的傳輸過程。
在上述技術方案的基礎上，步驟(5)的具體步驟如下：
首先，應用下式和下面的準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，
劃分的準則：如果
其次，將簡化球諧波與擴散近似方程耦合使用，構造基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型，描述生物發光信號在復雜生物體中的傳輸過程；其中，采用擴散近似方程描述高散射特性組織中的光傳輸過程，保證計算效率；采用簡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。
在上述技術方案的基礎上，為了建立統一形式的簡化球諧波-擴散近似方程，需要構造合適的邊界條件將簡化球諧波近似方程與擴散近似方程進行耦合，
在實現過程中，需要將在兩個方程組織邊界上形成的光流率轉化為小體光源，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′點處的光通量，其方向指向出射組織，ε(r′)是r′點處的折射率，φ(r′)是r′點處的光流率；
其次，應用下述公式將形成的光通量轉化為小體光源：
式中，q0(r′)是在不同散射特性組織邊界點r′處形成的小體光源；m是與點r′相連接的所有面片的數量，si是其中第i個面片的面積；q是與點r′相連接的所有四面體的體積，vj是其中第j個四面體的體積，σ代表求和運算；
最后，將簡化球諧波近似方程、擴散近似方程與上述邊界耦合條件聯立，獲得描述靶向目標發射的生物發光信號在生物體內傳輸過程、基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型。
在上述技術方案的基礎上，步驟(7)中所述合適的優化算法包括：半貪婪算法和/或貪婪算法和/或凸松弛方法。
本發明所述的基于磁共振影像先驗感興趣區的生物發光斷層成像定量重建方法，可應用于腫瘤檢測、新藥研發及療效評價等小動物實驗中獲取靶向目標的準確定量信息。
附圖說明
本發明有如下附圖：
圖1本發明的流程框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明所述的基于磁共振影像先驗感興趣區的生物發光斷層成像定量重建方法，具體實現包括如下步驟：
(1)數據采集與預處理
利用磁共振兼容的光學分子成像系統，采集生物體內靶向目標發出的多角度生物發光數據和磁共振影像數據，并進行數據預處理；
所述數據預處理包括但不限于依次進行的：背景噪聲去除、感興趣區域提取和壞點補償；
(2)生物體解剖結構重建
利用基于凸集投影的稀疏磁共振圖像重建算法對預處理后的磁共振影像數據進行三維重建，獲得生物體三維體素數據；然后利用人機交互式分割方法對獲得的生物體三維體素數據進行器官分割，獲得生物體解剖結構；
(3)先驗感興趣區獲取
對步驟(2)獲取的生物體三維體素數據(此即三維磁共振影像數據)進行分析，基于不同組織對比度及其相應特征，提取生物體內靶向目標的大致位置及其輪廓信息，獲取先驗感興趣區；
(4)體表光學數據映射
對步驟(2)獲取的生物體解剖結構信息和步驟(1)獲取的預處理后生物發光數據，應用非接觸式光學斷層成像方法中的生物體表面三維能量重建技術獲取生物體表面的三維光學數據分布；
非接觸式光學斷層成像方法可參考申請號200910024292.1，申請日2009.10.13，授權號zl200910024292.1，授權日2011.04.06；
(5)前向光傳輸模型構建
根據生物體組織光學特性參數隨解剖結構變化的差異，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，分別采用簡化球諧波近似方程和擴散近似方程描述生物發光信號在復雜生物體中的傳輸過程；通過構造不同散射特性生物組織之間光傳輸的耦合條件，構建基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型；
(6)稀疏正則化目標函數建立
利用有限元方法對步驟(5)建立的前向光傳輸模型進行離散化，建立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表三維光學數據之間定量關系的系統方程，所述體表三維光學數據由步驟(4)得到；
結合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗感興趣區，進一步準確確立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表測量光學數據之間定量關系的系統方程；
根據離散網格邊界節點上的光學通量密度計算值和測量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標函數；
(7)目標函數的優化求解
采用合適的優化算法求解建立的稀疏正則化目標函數，獲得生物體內靶向目標的空間位置和強度分布；
(8)三維重建結果顯示
對步驟(7)獲得的生物體內靶向目標的空間位置和強度分布和步驟(2)獲取的生物體解剖結構進行圖像融合，將重建的靶向目標空間位置和定量分布在生物體中進行三維顯示。
在上述技術方案的基礎上，步驟(6)的具體步驟為：
6a)利用有限元方法對步驟(5)建立的前向光傳輸模型進行離散化，建立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表測量光學數據之間定量關系的系統方程：
as＝φ
式中，a是系統矩陣，依賴于生物體內不同散射特性生物組織的分布和生物組織的光學特性參數；
s是生物體內靶向目標的空間位置和強度分布；
φ是生物體體表離散網格上的光學通量密度分布；
6b)結合步驟(3)獲取的磁共振影像先驗感興趣區，進一步準確確立描述生物體體內靶向目標強度分布與體表測量光學數據之間定量關系的系統方程：
(atθp(r))t(sθp(r))＝φ
式中，t表示轉置，aθb操作定義為將向量b中零元素對應的矩陣a中的行移除；
p(r)是根據先驗可行區r定義的列向量，在先驗可行區r內的節點元素值定義為1，否則定義為0；即：
r是先驗可行區，定義為兩倍的磁共振影像先驗感興趣區；
6c)根據離散網格邊界節點上的光學通量密度計算值和測量值之間的誤差，建立稀疏正則化目標函數：
式中，ξ(s)是稀疏正則化目標函數；
sinf是靶向目標強度分布的下限；
ssup是靶向目標強度分布的上限；
φm是離散網格邊界節點上的光學通量密度的測量值；
λ是稀疏正則化的正則化因子。
在上述技術方案的基礎上，步驟(1)中所述磁共振兼容的光學分子成像系統是由商業小動物磁共振系統模塊和磁共振兼容的光學成像模塊構成。
在上述技術方案的基礎上，步驟(1)中所述多角度生物發光數據，為利用磁共振兼容的光學分子成像系統采集1-3個角度的生物發光數據。
在上述技術方案的基礎上，步驟(5)中光傳輸過程是采用擴散近似方程描述生物發光信號在高散射特性生物組織中的傳輸過程，采用簡化球諧波近似方程描述生物發光信號在低散射特性生物組織中的傳輸過程。
在上述技術方案的基礎上，步驟(5)的具體步驟如下：
首先，應用下式和下面的準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，
劃分的準則：如果
其次，將簡化球諧波與擴散近似方程耦合使用，構造基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型，描述生物發光信號在復雜生物體中的傳輸過程；其中，采用擴散近似方程描述高散射特性組織中的光傳輸過程，保證計算效率；采用簡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。
在上述技術方案的基礎上，為了建立統一形式的簡化球諧波-擴散近似方程，需要構造合適的邊界條件將簡化球諧波近似方程與擴散近似方程進行耦合，
在實現過程中，需要將在兩個方程組織邊界上形成的光流率轉化為小體光源，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′點處的光通量，其方向指向出射組織，ε(r′)是r′點處的折射率，φ(r′)是r′點處的光流率；
其次，應用下述公式將形成的光通量轉化為小體光源：
式中，q0(r′)是在不同散射特性組織邊界點r′處形成的小體光源；m是與點r′相連接的所有面片的數量，si是其中第i個面片的面積；q是與點r′相連接的所有四面體的體積，vj是其中第j個四面體的體積，σ代表求和運算；
最后，將簡化球諧波近似方程、擴散近似方程與上述邊界耦合條件聯立，獲得描述靶向目標發射的生物發光信號在生物體內傳輸過程、基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型。
在上述技術方案的基礎上，步驟(7)中所述合適的優化算法包括：半貪婪算法和/或貪婪算法和/或凸松弛方法。當同時使用兩種以上算法時則構成混合算法。
本發明公開一種基于磁共振影像先驗感興趣區的生物發光斷層成像定量重建方法，解決現有技術中基于擴散近似方程或采用微計算機斷層成像技術獲取結構信息帶來的定量不準確問題。該方法通過磁共振影像獲取生物體的解剖結構信息以及定位靶向目標的先驗感興趣區，構建基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型和基于磁共振影像先驗感興趣區的稀疏正則化目標函數，采用合適優化算法進行求解，以實現體內靶向目標的準確定位與定量。本發明具有能夠實現生物體內靶向目標位置和定量分布的準確、快速重建，可用于生物發光斷層成像領域。本發明與現有技術相比具有如下優點：
第一，本發明由于采用磁共振影像數據獲取生物體的解剖結構信息，克服了現有技術中采用微計算機斷層成像影像數據帶來的軟組織對比度不足的局限性，可更清晰、更準確地獲取生物體解剖結構，從而能夠改善前向光傳輸模型的準確性，實現生物體內靶向目標的準確定位和定量重建。
第二，本發明由于采用磁共振影像數據獲取先驗感興趣區，并將其融入到重建過程中，構造融合磁共振影像先驗感興趣區的稀疏正則化目標函數，克服了現有技術中的定量不準確問題，能夠有效地改善生物發光斷層成像技術的定量精度。
第三，本發明由于考慮生物體組織光學特性參數隨解剖結構變化的差異構建基于簡化球諧波-擴散近似方程的前向光傳輸模型，克服了現有技術中基于擴散近似方程的生物發光斷層成像方法的局限性，能夠對具有多種散射特性組織的復雜生物體內靶向目標的位置和強度進行準確、快速重建。
本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。