一種小動物生物發光成像光源定位方法
2024-03-20 01:42:05
一種小動物生物發光成像光源定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種小動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，包括以下步驟：利用定量光學分子斷層成像裝置和有限元方法構建小動物體表測量數據向量與體內未知光源分布的關係；採用代數迭代重建方法計算小動物體內光源分布；根據稀疏度確定閾值，利用閾值對採用代數迭代重建方法得到的光源分布進行修正；多次循環後，最終得到小動物體內光源分布，實現生物發光光源定位。本發明的有益之處在於：不需要在重建問題的數學模型中加入l0正則化項，更不需要採用l1範數或lp(0p1)範數對l0範數進行近似求解，而是直接利用稀疏度對代數迭代重建方法得到的光源分布進行修正，由於沒有採用已有技術中的範數近似，所以本發明的方法提高了小動物體內的光源定位精度。
【專利說明】一種小動物生物發光成像光源定位方法
【技術領域】
[0001]本發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光成像光源定位方法，屬於光學成像領域。
【背景技術】
[0002]生物發光成像技術用螢光素酶基因標記細胞或DNA，利用半導體製冷CCD相機採集光學信號，能夠直接監控活體生物體內的細胞活動和基因行為。
[0003]生物發光成像技術還可以觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發展過程、特定基因的表達等生物學過程。
[0004]生物發光成像技術具有無電離輻射、靈敏度高、成本低等特點，在生物研究中被廣泛使用。
[0005]生物發光成像技術的核心問題之一為小動物體內生物發光光源定位，光源定位可根據測量的小動物體表熒 光信號重建體內光源分布得到。由於測量數據個數小於未知數個數，生物發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函數中加入正則化項。考慮到小動物體內光源分布稀疏的特點，研究者提出採用Itl範數對加入的正則化項進行約束。而數學上，Itl範數正則化問題難以求解，實際中通常採用I1範數或1ρ(0〈ρ〈1)範數對1(|範數進行近似。
[0006]中國發明專利《一種生物發光斷層成像重建方法》，申請號201310259527.1，申請日20160626，
【公開日】20130904，公開了一種生物發光斷層重建方法，重建問題的目標函數中加入1。.5正則化項，並採用加權內點法將Ia5正則化目標函數轉化為重賦權的I1正則化極小化問題，然後利用內點法求解極小化問題，獲取生物體內螢光光源的三維定位定量信息。由於對Itl範數進行了近似，必然引入重建誤差，導致定位不準確。
【發明內容】
[0007]為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種小動物生物發光成像光源定位方法，該方法先採用代數迭代重建(ART)方法計算光源分布，再利用閾值對上述光源分布進行修正，使修正後的光源分布的稀疏度滿足給定的條件，然後以修正後的光源分布作為初值，繼續採用ART方法計算新的光源分布，多次重複，直到根據光源分布計算得到的小動物體表螢光信號與CCD探測到的螢光信號之間的誤差小於給定誤差值，計算結束，最後根據光源分布計算光源位置，實現對小動物體內的光源的準確定位。
[0008]為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案:
[0009]一種小動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，包括以下步驟:
[0010](I)獲取小動物體表光學信號與內部結構信息
[0011]1.a利用定量光學分子斷層成像裝置獲取小動物體表的二維生物發光圖像和內部結構的三維計算機斷層圖像；
[0012]l.b將採集到的生物發光圖像排列成數據向量，並利用有限元方法構建數據向量與體內未知光源分布的關係，如下式:
[0013]y=Ax+n (I)
[0014]式中，y由生物發光圖像得到，大小為M行I列，
[0015]A為由計算機斷層圖像得到的係數矩陣，大小為M行N列，
[0016]X為小動物體內的未知光源分布，大小為N行I列，
[0017]η為噪聲，大小為M行I列； [0018](2)設定初值
[0019]設定初始光源分布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取係數矩陣的第I行，記為A1，取數據向量Y的第I個元素，記為y1;計算增量:
【權利要求】
1.一種小動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)獲取小動物體表光學信號與內部結構信息 .1.a利用定量光學分子斷層成像裝置獲取小動物體表的二維生物發光圖像和內部結構的三維計算機斷層圖像； .l.b將採集到的生物發光圖像排列成數據向量，並利用有限元方法構建數據向量與體內未知光源分布的關係，如下式:y=Ax+n (I) 式中，y由生物發光圖像得到，大小為M行I列， A為由計算機斷層圖像得到的係數矩陣，大小為M行N列， X為小動物體內的未知光源分布，大小為N行I列， η為噪聲，大小為M行I列； (2)設定初值 設定初始光源分布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取係數矩陣的第I行，記為A1，取數據向量Y的第I個元素，記為yi，計算增量:
2.根據權利要求1所述的/J動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，在步驟(2)中，設定初值時，χ=0，β =2, ^ = O ^
3.根據權利要求1所述的小動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，在步驟(3)中，迭代更新光源分布計算增量時，Y=0.25。
4.根據權利要求1所述的小動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，在步驟(4)和步驟(5)中，誤差ε =le_6。
5.根據權利要求1所述的小動物生物發光成像光源定位方法，其特徵在於，利用定量光學分子斷層成像裝置獲取小動物體表的`生物發光圖像和內部結構的計算機斷層圖像時，小動物姿態保持不變。
【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 優先權日:2014年1月20日
【發明者】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