專利名稱：處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法
處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)應(yīng)用，數(shù)學(xué)仿真和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法。
背景技術(shù)：
近年來出現(xiàn)的分子成像是一種利用體外成像檢測(cè)器在細(xì)胞和分子層次上對(duì)活體動(dòng)物、模型系統(tǒng)和人體的生物學(xué)過程進(jìn)行定征和測(cè)量的成像方式。分子成像結(jié)合了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)以及其他如生物學(xué)、化學(xué)以及核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)的方式有很多，包括傳統(tǒng)核素成像，以及新興的光學(xué)分子成像如擴(kuò)散光學(xué)斷層成像、熒光分子斷層成像，自發(fā)熒光斷層成像等。相對(duì)于傳統(tǒng)的核素成像方式，光學(xué)分子成像兼有無創(chuàng)性、特異性、和實(shí)時(shí)靈敏性等方面的優(yōu)勢(shì)，另外光學(xué)分子成像具有更寬的可選熒光探針譜，通過探針結(jié)合組織中特定分子靶標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)在體動(dòng)態(tài)成像，被認(rèn)為是未來分子成像技術(shù)發(fā)展的突破點(diǎn)。
擴(kuò)散光斷層成像是光學(xué)分子成像中重要的一種，該技術(shù)的研究對(duì)相關(guān)其他成像技術(shù)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。擴(kuò)散光學(xué)斷層成像是利用穿過組織的近紅外漫射光所含信息結(jié)合光于組織內(nèi)傳輸模型重建內(nèi)部參數(shù)(吸收系數(shù)和散射系數(shù))的一種成像技術(shù)。目前成像的時(shí)間和空間分辨率是限制其走向臨床的重要瓶頸，從近些年的研究中看來，面向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)，如果要獲得高分辨和大體積的生物組織成像不可避免地需要大量的采集數(shù)據(jù)，而實(shí)際生理代謝活動(dòng)的監(jiān)測(cè)以及臨床病人的活動(dòng)都需要數(shù)據(jù)的快速獲取，因此實(shí)現(xiàn)快速而又大數(shù)據(jù)量的成像是光學(xué)分子成像技術(shù)的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
提高擴(kuò)散光學(xué)斷層成像時(shí)空 分辨率的方式很多，如系統(tǒng)的硬件升級(jí)和組構(gòu)方式的優(yōu)化，也可以通過算法的更新和發(fā)展。應(yīng)用于擴(kuò)散光學(xué)斷層成像的算法很多，有限元法是其中最為廣泛的一種，它可以很好地適應(yīng)圖像的算法重建，但是隨著越來越復(fù)雜的實(shí)際生物組織的出現(xiàn)，有限元法不得不在算法的精度和計(jì)算量間取舍。而使用結(jié)合多極子法的邊界元法理論上很好地提高了圖像的重建速度，進(jìn)而提供了一種實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)散光學(xué)斷層成像的方案。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法，該方法可用于二維擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的計(jì)算，相對(duì)于常規(guī)邊界元法提高了計(jì)算速度。
本發(fā)明提供用于計(jì)算擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的數(shù)值方法，其步驟如下:
處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法，其步驟包括:
(I)使用吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射系數(shù)和各向異性因子四個(gè)參數(shù)描述待成像生物組織的光學(xué)特性，離散生物組織并使用二維矩陣記錄，矩陣內(nèi)的元素值對(duì)應(yīng)相應(yīng)位置處的吸收系數(shù)或者散射系數(shù)大??；設(shè)定待成像生物組織的特性參數(shù)為吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射系數(shù)和各向異性因子；
(2)基于離散的待成像生物組織模型建立以矩陣元素作為節(jié)點(diǎn)的四叉樹結(jié)構(gòu)；使用穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程作為光子在組織內(nèi)的傳輸模型，并用于上述已離散的待成像生物組織模型中；基于該四叉樹結(jié)構(gòu)使用快速多極邊界元法分析求解在該生物組織模型下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程，求解結(jié)果即得到組織邊界單元處的光子密度。
所述的步驟⑵包括如下過程:
(2.1)按照下述方法建立四叉樹結(jié)構(gòu):以該生物組織模型的最小外接圓直徑作為四叉樹結(jié)構(gòu)根節(jié)點(diǎn)的線度，設(shè)定節(jié)點(diǎn)內(nèi)容納組織離散單元數(shù)目的閾值后遞歸剖分，直至閾值滿足并形成最終的四叉樹結(jié)構(gòu)；
(2.2)按照下述快速多極邊界元法求解該生物組織模型下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程:使用常規(guī)邊界元法處理該穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程獲得邊界積分方程，結(jié)合廣義最小殘差法迭代求解時(shí)的迭代值使用四叉樹結(jié)構(gòu)求解該邊界積分方程，其結(jié)果以向量的形式求模后再同廣義最小殘差法的殘差閾值比較，重復(fù)次迭代過程直至殘差閾值滿足并獲得最終解。
步驟(2)包括如下過程:
結(jié)合廣義最小殘差法迭代求解時(shí)的迭代值，使用四叉樹結(jié)構(gòu)求解傳統(tǒng)邊界元法處理時(shí)形成的邊界積分方程:求解四叉樹上所有葉子節(jié)點(diǎn)處的多極擴(kuò)展系數(shù):[001權(quán)利要求
1.處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法，其步驟包括: (1)使用吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射系數(shù)和各向異性因子四個(gè)參數(shù)描述待成像生物組織的光學(xué)特性，離散生物組織并使用二維矩陣記錄，矩陣內(nèi)的元素值對(duì)應(yīng)相應(yīng)位置處的吸收系數(shù)或者散射系數(shù)大?。辉O(shè)定待成像生物組織的特性參數(shù)為吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射系數(shù)和各向異性因子； (2)基于離散的待成像生物組織模型建立以矩陣元素作為節(jié)點(diǎn)的四叉樹結(jié)構(gòu)；使用穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程作為光子在組織內(nèi)的傳輸模型，并用于上述已離散的待成像生物組織模型中；基于該四叉樹結(jié)構(gòu)使用快速多極邊界元法分析求解在該生物組織模型下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程，求解結(jié)果即得到組織邊界單元處的光子密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法，其特征在于:所述的步驟(2)包括如下過程: (2.1)按照下述方法建立四叉樹結(jié)構(gòu):以該生物組織模型的最小外接圓直徑作為四叉樹結(jié)構(gòu)根節(jié)點(diǎn)的線度，設(shè)定節(jié)點(diǎn)內(nèi)容納組織離散單元數(shù)目的閾值后遞歸剖分，直至閾值滿足并形成最終的四叉樹結(jié)構(gòu)； (2.2)按照下述快速多極邊界元法求解該生物組織模型下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程:使用常規(guī)邊界元法處理該穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散近似方程獲得邊界積分方程，結(jié)合廣義最小殘差法迭代求解時(shí)的迭代值使用四叉樹結(jié)構(gòu)求解該邊界積分方程，其結(jié)果以向量的形式求模后再同廣義最小殘差法的殘差閾值比較，重復(fù)次迭代過程直至殘差閾值滿足并獲得最終解。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法，其特征在于:步驟(2)包括如下過程: 結(jié)合廣義最小殘差法迭代求解時(shí)的迭代值，使用四叉樹結(jié)構(gòu)求解傳統(tǒng)邊界元法處理時(shí)形成的邊界積分方程:求解四叉樹上所有葉子節(jié)點(diǎn)處的多極擴(kuò)展系數(shù):
全文摘要
本發(fā)明涉及處理擴(kuò)散光學(xué)斷層成像正向過程的快速多極邊界元方法，該方法將生物組織的參數(shù)特征描述成離散的矩陣結(jié)構(gòu)，使用該參數(shù)分布結(jié)合常用光在生物組織中傳輸模型，通過離散傳輸模型獲得待成像生物組織模型的剖分和位置信息，結(jié)合傳輸模型和剖分位置信息再使用快速多極邊界元法進(jìn)而獲得邊界處的光子信息。本發(fā)明基于傳統(tǒng)邊界元法計(jì)算擴(kuò)散光學(xué)斷層成像的正向過程，結(jié)合快速多極子法，在問題大規(guī)模化時(shí)能極大地提高正向過程的處理效率。該方法能夠在不失計(jì)算精度的前提下，提高大規(guī)模數(shù)值計(jì)算的效率，進(jìn)而更快獲得正向過程的處理，這一提高為實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)散光學(xué)斷層成像奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK103169452SQ201310114448
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者駱清銘, 鄧勇, 許軍, 龔輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)