一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，包括以下步驟：利用定量光學(xué)分子斷層成像裝置和有限元方法構(gòu)建小動物體表測量數(shù)據(jù)向量與體內(nèi)未知光源分布的關(guān)系；采用代數(shù)迭代重建方法計算小動物體內(nèi)光源分布；根據(jù)稀疏度確定閾值，利用閾值對采用代數(shù)迭代重建方法得到的光源分布進(jìn)行修正；多次循環(huán)后，最終得到小動物體內(nèi)光源分布，實現(xiàn)生物發(fā)光光源定位。本發(fā)明的有益之處在于：不需要在重建問題的數(shù)學(xué)模型中加入l0正則化項，更不需要采用l1范數(shù)或lp(0<p<1)范數(shù)對l0范數(shù)進(jìn)行近似求解，而是直接利用稀疏度對代數(shù)迭代重建方法得到的光源分布進(jìn)行修正，由于沒有采用已有技術(shù)中的范數(shù)近似，所以本發(fā)明的方法提高了小動物體內(nèi)的光源定位精度。
【專利說明】一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種成像光源定位方法，具體涉及一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，屬于光學(xué)成像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]生物發(fā)光成像技術(shù)用熒光素酶基因標(biāo)記細(xì)胞或DNA，利用半導(dǎo)體制冷CCD相機(jī)采集光學(xué)信號，能夠直接監(jiān)控活體生物體內(nèi)的細(xì)胞活動和基因行為。
[0003]生物發(fā)光成像技術(shù)還可以觀測活體動物體內(nèi)腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達(dá)等生物學(xué)過程。
[0004]生物發(fā)光成像技術(shù)具有無電離輻射、靈敏度高、成本低等特點，在生物研究中被廣泛使用。
[0005]生物發(fā)光成像技術(shù)的核心問題之一為小動物體內(nèi)生物發(fā)光光源定位，光源定位可根據(jù)測量的小動物體表熒 光信號重建體內(nèi)光源分布得到。由于測量數(shù)據(jù)個數(shù)小于未知數(shù)個數(shù)，生物發(fā)光成像重建問題的解不唯一。為得到與光源真實分布接近的解，可在重建問題的目標(biāo)函數(shù)中加入正則化項?？紤]到小動物體內(nèi)光源分布稀疏的特點，研究者提出采用Itl范數(shù)對加入的正則化項進(jìn)行約束。而數(shù)學(xué)上，Itl范數(shù)正則化問題難以求解，實際中通常采用I1范數(shù)或1ρ(0〈ρ〈1)范數(shù)對1(|范數(shù)進(jìn)行近似。
[0006]中國發(fā)明專利《一種生物發(fā)光斷層成像重建方法》，申請?zhí)?01310259527.1，申請日20160626，
【公開日】20130904，公開了一種生物發(fā)光斷層重建方法，重建問題的目標(biāo)函數(shù)中加入1。.5正則化項，并采用加權(quán)內(nèi)點法將Ia5正則化目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為重賦權(quán)的I1正則化極小化問題，然后利用內(nèi)點法求解極小化問題，獲取生物體內(nèi)熒光光源的三維定位定量信息。由于對Itl范數(shù)進(jìn)行了近似，必然引入重建誤差，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，該方法先采用代數(shù)迭代重建(ART)方法計算光源分布，再利用閾值對上述光源分布進(jìn)行修正，使修正后的光源分布的稀疏度滿足給定的條件，然后以修正后的光源分布作為初值，繼續(xù)采用ART方法計算新的光源分布，多次重復(fù)，直到根據(jù)光源分布計算得到的小動物體表熒光信號與CCD探測到的熒光信號之間的誤差小于給定誤差值，計算結(jié)束，最后根據(jù)光源分布計算光源位置，實現(xiàn)對小動物體內(nèi)的光源的準(zhǔn)確定位。
[0008]為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0009]一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0010](I)獲取小動物體表光學(xué)信號與內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息
[0011]1.a利用定量光學(xué)分子斷層成像裝置獲取小動物體表的二維生物發(fā)光圖像和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維計算機(jī)斷層圖像；
[0012]l.b將采集到的生物發(fā)光圖像排列成數(shù)據(jù)向量，并利用有限元方法構(gòu)建數(shù)據(jù)向量與體內(nèi)未知光源分布的關(guān)系，如下式:
[0013]y=Ax+n (I)
[0014]式中，y由生物發(fā)光圖像得到，大小為M行I列，
[0015]A為由計算機(jī)斷層圖像得到的系數(shù)矩陣，大小為M行N列，
[0016]X為小動物體內(nèi)的未知光源分布，大小為N行I列，
[0017]η為噪聲，大小為M行I列； [0018](2)設(shè)定初值
[0019]設(shè)定初始光源分布X，初始閾值β，初始稀疏度P，其中，X >0，β ^ I,
[0020]( 3 )迭代更新光源分布
[0021]3.a取系數(shù)矩陣的第I行，記為A1，取數(shù)據(jù)向量Y的第I個元素，記為y1;計算增量:
【權(quán)利要求】
1.一種小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)獲取小動物體表光學(xué)信號與內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息 .1.a利用定量光學(xué)分子斷層成像裝置獲取小動物體表的二維生物發(fā)光圖像和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維計算機(jī)斷層圖像； .l.b將采集到的生物發(fā)光圖像排列成數(shù)據(jù)向量，并利用有限元方法構(gòu)建數(shù)據(jù)向量與體內(nèi)未知光源分布的關(guān)系，如下式:y=Ax+n (I) 式中，y由生物發(fā)光圖像得到，大小為M行I列， A為由計算機(jī)斷層圖像得到的系數(shù)矩陣，大小為M行N列， X為小動物體內(nèi)的未知光源分布，大小為N行I列， η為噪聲，大小為M行I列； (2)設(shè)定初值 設(shè)定初始光源分布X，初始閾值β，初始稀疏度P，其中，X ^ O, β (3)迭代更新光源分布 .3.a取系數(shù)矩陣的第I行，記為A1，取數(shù)據(jù)向量Y的第I個元素，記為yi，計算增量:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的/J動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，在步驟(2)中，設(shè)定初值時，χ=0，β =2, ^ = O ^
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，在步驟(3)中，迭代更新光源分布計算增量時，Y=0.25。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，在步驟(4)和步驟(5)中，誤差ε =le_6。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小動物生物發(fā)光成像光源定位方法，其特征在于，利用定量光學(xué)分子斷層成像裝置獲取小動物體表的`生物發(fā)光圖像和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計算機(jī)斷層圖像時，小動物姿態(tài)保持不變。
【文檔編號】A61B5/00GK103767686SQ201410025266
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】陳多芳, 梁繼民, 朱守平, 陳雪利, 張瑞, 田捷 申請人:西安電子科技大學(xué)