本發明涉及動態熒光分子斷層成像技術領域，更具體地涉及一種動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統。

背景技術：

隨著光學成像理論、成像系統及探針技術的不斷發展，近年來，動態熒光分子成像(dynamicfluorescencemoleculartomography，dfmt)技術已開始引起國內外學者的注意，并已逐漸被應用于生物及醫學研究中。與靜態熒光分子成像技術不同，dfmt技術更加關注于熒光分子探針在生物體內吸收、分布以及排出的完整過程，是一種可以對生物體的生理、病理過程進行連續監測的動態成像技術。利用dfmt技術可以直接觀察熒光分子探針(或標記有熒光分子探針的藥物)在生物體內不同器官間的代謝過程，從而可以為生理及病理研究、器官功能評估、腫瘤診斷等提供新的更有力的研究工具。

在dfmt技術中，首先，由于近紅外光在生物組織中傳播具有強烈的散射特性，這導致fmt(fluorescencemoleculartomography，熒光分子斷層成像)逆向問題具有很大的病態性，即重建結果的圖像質量受噪聲影響很大。其次，由于熒光分子探針在生物體內的代謝過程具有復雜的通路，會通過循環系統動態分布到不同器官與組織，這將會加重逆向問題的病態性。因此，傳統dfmt方法所獲得的代謝參數圖像的分辨率和準確性都比較低。

綜上，需要提供一種動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統，以至少部分地解決上述問題。

技術實現要素：

考慮到上述問題而提出了本發明一種動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統，可以提高代謝參數圖像的分辨率和準確性，以提高對生物組織的病理檢測精度。

根據本發明一方面，提供了一種動態熒光分子斷層成像的處理方法，所述方法包括：針對待分析對象，采集測量數據，所述測量數據為多光譜的、多時間點的動態熒光測量數據；基于所述動態熒光測量數據建立每個光譜、每個時間點下的三維熒光分子斷層圖像；對所述三維熒光分子斷層圖像進行分解，得到各個熒光目標的多個獨立分量信息，以及各個所述獨立分量信息相應的光譜分布信息；根據所述獨立分量信息和所述光譜分布信息，得到三維代謝參數圖像，所述三維代謝參數圖像用于表征熒光分子探針在所述待分析對象中的代謝過程。

根據本發明另一方面，提供了一種動態熒光分子斷層成像的處理系統，包括氙燈光源、濾光片輪、激發光濾光片、光纖、波束擴展器、電動旋轉臺、熒光濾光片、圖像采集裝置和數據處理裝置，所述圖像采集裝置被配置為針對待分析對象，采集測量數據，所述測量數據為多光譜的、多時間點的動態熒光測量數據；所述數據處理裝置被配置為基于所述動態熒光測量數據建立每個光譜、每個時間點下的三維熒光分子斷層圖像；對所述三維熒光分子斷層圖像進行分解，得到各個熒光目標的多個獨立分量信息，以及各個所述獨立分量信息相應的光譜分布信息；根據所述獨立分量信息和所述光譜分布信息，得到三維代謝參數圖像，所述三維代謝參數圖像用于表征熒光分子探針在所述待分析對象中的代謝過程。

本發明實施例提供的動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統，采用多個波長的激發光進行激發，可以獲得目標組織或器官(待分析對象)在多個光譜下的測量數據，有助于降低dfmt問題的病態性，此外，本發明在重建得到fmt圖像基礎上，先進行多變量分析，得到各個相互獨立的分量后，再針對各個分量求取代謝參數結果，最終得到三維代謝參數圖像，可以排除其他應該目標、噪聲的干擾，提高重建結果的準確性。

附圖說明

通過結合附圖對本發明實施例進行更詳細的描述，本發明的上述以及其它目的、特征和優勢將變得更加明顯。附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中，相同的參考標號通常代表相同部件或步驟。

圖1示出根據本發明一個實施例的動態熒光分子斷層成像的處理方法的流程示意圖；

圖2示出根據本發明一個實施例的獨立分量分析的原理示意圖；

圖3示出根據本發明一個實施例的有效分量的熒光分子探針的熒光產額確定的原理示意圖之一；

圖4示出根據本發明一個實施例的有效分量的熒光分子探針的熒光產額確定的原理示意圖之二；

圖5示出根據本發明一個實施例的動態熒光分子斷層成像的處理系統的結構示意圖。

具體實施方式

為了使得本發明的目的、技術方案和優點更為明顯，下面將參照附圖詳細描述根據本發明的示例實施例。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是本發明的全部實施例，應理解，本發明不受這里描述的示例實施例的限制。基于本發明中描述的本發明實施例，本領域技術人員在沒有付出創造性勞動的情況下所得到的所有其它實施例都應落入本發明的保護范圍之內。

熒光分子斷層成像(fmt)是一種新型的在體分子成像技術，其通過探測生物體表透射出的熒光光子以重建的方式可以在體無損獲取熒光分子探針在生物體內的三維分布信息。動態熒光分子斷層成像(dfmt)即將fmt與動態成像相結合的在體分子成像技術，在體地觀測熒光分子探針在生物體內的動態變化過程，能夠描述熒光分子探針在生物體內吸收、分布和排出的整個過程，因此，dfmt在生理和病理的研究、藥物的研發等生物醫學應用中具有良好的應用前景。

相關技術的動態熒光分子斷層成像的研究，目前主要集中在兩個方面：第一，是直接重建方法，也就是將代謝模型與正則化方法相結合，一步重建出代謝參數；第二，是采用其他模態提供的結構先驗信息，約束dfmt的重建結果。總體而言，第一類方法能夠有效的提高dfmt的時間分辨率，但是空間分辨率仍然受到限制，而且存在運算量過大的問題。第二類方法，采用多模態方法存在自身的缺陷，比如系統復雜，成本較高，并且存在各個模態間配準困難的問題。

為了解決上文所述的問題，本發明實施例提出一種動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統，采用多個波長的激發光進行激發，獲得目標組織或器官(待分析對象)在多個光譜下的測量數據，此外，在重建得到fmt圖像基礎上，先進行多變量分析，得到各個相互獨立的分量后，再針對各個分量求取代謝參數結果，最終得到三維代謝參數圖像，從而可以提高重建結果的準確性。

下面將結合附圖對本發明提供的動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統進行詳細描述，以使本領域技術人員能夠清楚、準確地理解本發明的技術方案。首先，先結合附圖對本發明實施例的動態熒光分子斷層成像的處理系統進行描述，然后在系統結構的基礎上，進一步對動態熒光分子斷層成像的處理方法進行描述。

圖5示出根據本發明一個實施例的動態熒光分子斷層成像的處理系統的結構示意圖。

如圖5所示，動態熒光分子斷層成像的處理系統可以包括氙燈光源1、濾光片輪2、激發光濾光片、光纖3、波束擴展器4、電動旋轉臺5、熒光濾光片6、圖像采集裝置(例如，ccd相機)7，數據處理裝置(例如，計算機)8。成像物體可以置于電動旋轉臺5上。其中，數據處理裝置8可以執行如圖1至圖4所示的動態熒光分子斷層成像的處理方法，實現該處理方法期實現的功能。

為了便于理解，在此需要說明，實施例中涉及的熒光目標為熒光分子探針與待分析對象的結合，例如，熒光分子探針進入人體組織(或細胞)后，該包含有熒光分子探針的人體組織(或細胞)可以稱之為熒光目標。以及，在對三維熒光份子斷層圖像進行分解時，可以將熒光目標分解為多個獨立分量信息，獨立分量信息中包括有效分量信息和無效分量信息，無效分量信息可以理解為噪聲信息，有效分量信息用于分析熒光分子探針在待分析對象的代謝過程，進而作為研究待分析對象病理的依據。

圖1示出根據本發明一個實施例的動態熒光分子斷層成像的處理方法的流程示意圖。本發明實施例提供的動態熒光分子斷層成像的處理方法可以包括如下步驟：

步驟110，針對待分析對象，采集測量數據。其中，測量數據為多光譜的、多時間點的動態熒光測量數據。測量數據的采集可以通過圖像采集裝置實現。

這里涉及的待分析對象例如可以為某一生物體的器官或組織，采集的測量數據可以理解為針對熒光目標的測量數據。基于圖5所示的結構，在步驟110可以通過如下方式進行測量數據的采集的操作具體可以為：首先，成像物體固定在電動旋轉臺5上；然后，針對任一采集角度，氙燈光源1發射的光通過濾光片輪2中特定通帶的激發光濾光片，從而產生特定波長的激發光，該特定波長的激發光經過光纖3在波束擴展器4中進行整形，即波束擴展器4根據實際應用形成滿足需要的光源形狀，如點光源或線光源，再將點光源或者線光源照射到成像物體上。成像物體內部熒光分子探針被激發后發射出的熒光信號，熒光信號通過熒光濾光片6后被例如ccd相機7接收，并傳送至數據處理裝置(計算機)8。

根據本發明的可選實施例，假設熒光分子探針在待分析對象中濃度是不變的，采集多光譜下的測量數據，具體操作可以如下：假設有s個不同的激發光譜(可以通過調節s次濾光片輪2實現對激發光濾光片進行選擇實現)，針對每一激發光譜，通過轉動電動旋轉臺5旋轉待分析對象，直至旋轉360°，例如總共采集24個角度的測量數據。然而，在實際中，熒光分子探針在待分析對象中濃度是動態變化的，即熒光團的濃度是隨著時間不斷變化的。因此，在采集測量數據時，引入了動態概念，具體地，在熒光團的濃度是隨著時間不斷變化的狀態下，采集多光譜下的、多時間點的測量數據，具體操作可以如下：在每一個時間點，依次采用s個激發光譜進行激發，且對于每一個激發光譜，將待分析對象旋轉一圈，采集相應的測量數據；最后，重復上述步驟，直到所有時間點采集結束。時間點可以根據熒光團的濃度變化情況確定，例如，熒光團可以有10個濃度變化狀態，則可以采集該10個濃度變化狀態對應時間點的測量數據。

步驟120，基于動態熒光測量數據建立每個光譜、每個時間點下的三維熒光分子斷層圖像。該步驟可以通過數據處理裝置實現。

該步驟可以通過如下步驟實現：

首先，針對每個光譜、每個時間點下的動態熒光測量數據，構建熒光分子探針在待分析對象的輻射傳輸方程。

示例性地，輻射傳輸方程描述了光子在生物體內的傳輸過程，然而熒光光子探針從待分析對象體外向體內傳輸時，會有反射、折射等現象，這個過程是輻射傳輸方程無法描述的，因此，需要引入邊界條件。邊界條件一般包括兩種：robin邊界條件和外插邊界條件。在本發明實施例中主要采用robin邊界條件。設定邊界目標之后，輻射傳輸方程可以表述為如下的公式：

um(rd,rs)＝θ∫ωg(rd,r,λf)x(r,λe)g(r,rs,λe)d³r式(1)

其中，g(r,rs,λe)描述在激發波長為λe時，光子從激發光源rs傳輸到介質內一點r所產生的光場；x(r,λe)代表點r處的熒光產額；g(rd,r,λf)則描述了介質內一點r所產生的熒光分子探針傳輸到測量點rd的過程。

然后，對輻射傳輸方程進行離散化處理，得到對應的線性方程。

示例性地，對前述步驟的輻射傳輸方程進行離散化處理，得到的線性方程如下：

其中，w為權重矩陣，u為觀測結果，而x則為待求的熒光產額。s(s＝1,2,...,s)代表第s個光譜，k(k＝1,2,...,k)則表示第k個時間點。

即式(2)是式(1)離散化后的另一種形式，其中，式(2)左邊的u對應式(1)左邊的u，式(2)右邊的x項對應式(1)右邊的x項，公式(2)右邊的w，是由公式(1)右邊的g(rd,r,λf)和g(rd,r,λe)兩項組合計算得到。主要的區別在于，式(1)是連續形式，式(2)是離散形式。在式(2)中，u和w是已知項，x是未知項，u＝wx求解x，是反問題的一般形式。

最后，采用正則化方法求解線性方程，得到三維熒光分子斷層圖像。

求解式(2)，可以稱為求解反問題。u＝wx，u和w已知，求解x，是反問題的一般形式。如果w是可逆的，那么可以得到解析解x＝w^-1u。然而在實際應用中，w往往不可逆，因此無法求得x的解析解，這種時候就需要采用正則化的方法，對x求近似解。

在本發明實施例中，即采用正則化方法求解式(2)，建立目標函數：

其中，λ為正則化參數，可以用一系列方法，如l-curve、u-curve、unbiasedpredictiveriskestimator(upre)、discrepancyprinciple(dp)、generalizedcrossvalidation(gcv)等方法獲得。l為正則化矩陣，本發明中設置為單位矩陣。從而求解得到x的最優解，即得到三維熒光分子斷層圖像。

步驟130，對三維熒光分子斷層圖像進行分解，得到各個熒光目標的獨立分量信息，以及獨立分量信息相應的光譜分布信息。該步驟可以通過數據處理裝置實現。

根據本發明實施例中，采用獨立分量分析(independentcomponentanalysis，ica)技術，對步驟120得到的三維熒光分子斷層圖像組成的觀測矩陣進行分解，獲得各個熒光目標的多個相互獨立的分量(包括獨立分量信息和與其對應的光譜分布信息)。該過程可以由如下公式描述：

式(4)左邊為觀測矩陣，該矩陣由式(3)中求得的fmt圖像組集而成。sc為光譜分布(spectrumcourse)信息，反映了熒光目標對及發光的吸收能力。ic為獨立分量(independentcomponent)信息，反映了各個熒光目標的空間位置和結構信息。sc和ic是通過ica分解求得的。ica分解有很多種方法，最終的結果都是獲得sc和ic。可選地，在本發明實施例中采用最大逆熵法進行求解。

其中，ica具體實現可以表述如下：

ica的一般形式為：

xs×n＝es×p·ip×n式(5)

其中s為激發光波長的數量，n為測量物體離散化后的體素個數，p為ica分解的獨立分量個數。x＝(x1,...xi,...xs)^t為輸入的觀測矩陣，該矩陣由重建所得的fmt圖像組集而成。xi是一個n維向量，表示第i個激發光下的fmt圖像。i＝(ic1,...,icj,...,icp)^t是獨立分量(independentcomponent，ic)矩陣。該矩陣的第j行icj是一個n維向量，包含第j個獨立分量的空間位置和結構信息。e＝(sc1,...,scj,...,scp)是光譜分布(spectrumcourse，sc)矩陣。該矩陣的第j列scj是一個s維的向量，代表了第j個分量對于各個光譜的吸收特性。

整個過程可以參考圖2所示，假設x和i的維度是相同的，亦即p＝s。因此，式(5)在第k個時間點的ica分解可以改寫為：

式(6)可以擴展為：

式(7)與式(4)相同。

步驟140，根據獨立分量信息和光譜分布信息，得到三維代謝參數圖像，三維代謝參數圖像用于表征熒光分子探針在待分析對象中的代謝過程。該步驟可以通過數據處理裝置實現。

根據本發明實施例，步驟140可以通過如下方式實現：

首先，根據獨立分量信息和與其相應的光譜分布信息確定各個熒光目標的熒光產額。

示例性地，確定熒光產額可以實現如下：

步驟a，針對各個熒光目標，從獨立分量信息中確定候選分量信息。

根據本發明實施例，針對各個熒光目標，當其任一個獨立分量信息在多個不同時間點重復出現，可以確定該熒光目標為候選分量信息。

候選分類信息應該重復且穩定的出現在不同時間點的ica分量上，對于有效分量而言，不同分量的分布是不一樣的。如圖3所示，每一行代表一個時間點的4個ica分量，總共有4個時間點，分別為1分鐘、5分鐘、10分鐘和20分鐘，oc為待選目標(objectcandidate，oc)，有三個oc，重復出現在4個不同時間的ica結果中，分別用方框、圓圈和三角標識。這三個oc被選為候選分量信息，進行后續的分析。

步驟b，根據該候選分量信息和光譜分布信息確定該熒光目標的熒光產額。

示例性地，可以通過如下公式確定熒光目標的熒光產額：

其中，為重構之后的、在第k個時間點和第s個激發光波長下的熒光產額，z則代表零向量，表示第k個時間點上第d個分量的獨立分量信息。

根據本發明另一實施例，在確定候選分量信息后，仍然可以通過上述公式計算得到候選熒光產額，進一步地，針對每個熒光目標的所述候選熒光產額，進行二房室模型擬合處理，得到熒光目標的代謝曲線；當確定代謝曲線符合特定曲線走勢，便可以確定該候選熒光產額為熒光目標的有效熒光產額。反之，代謝曲線不符合特定曲線走勢的候選熒光產額可以確定為無效熒光產額，或者說為噪聲熒光產額。在本發明實施例中，對每一個oc，恢復出在不同時間點的熒光產額，然后根據二房室模型擬合，得到其代謝曲線，如圖4所示。對于一個真實的(有效的)熒光目標來說，隨著時間推移，熒光分子探針的濃度會有先上升，再下降的代謝過程，即代謝曲線的走勢是先上升再下降。如圖4所示，第一個和第二個熒光目標都符合這樣的代謝過程，因此可以判定為真實熒光目標(有效熒光目標)。而第三個目標不符合，因此應該將該目標舍棄。

然后，基于熒光產額計算出在待分析對象中的各個熒光目標的代謝參數。

示例性地，可以通過如下公式實現計算各個熒光目標的代謝參數：

其中，表示第k個時間點、第s個激發光波長下的熒光產額，表示所述待分析對象對所述熒光分子探針的吸收過程，表示所述待分析對象對所述熒光分子探針的排出過程，以及a、b、α和β分別為各個熒光目標的代謝參數，以及采用曲線擬合方法求解上述公式，從而求出代謝參數。

最后，合并各個熒光目標的代謝參數，以得到三維代謝參數圖像。

根據本發明一實施例，可以將不同的熒光目標的代謝參數直接進行相加，且將重合的區域求平均，最終得到三維代謝參數圖像。根據本發明另一實施例，可以對各個不同的熒光目標取不同的權重然后相加，最終得到三維代謝參數圖像。

綜上所述，本發明實施例提供的一種動態熒光分子斷層成像的處理方法和系統，具有如下有益效果：

1)本發明實施例采用多個波長的激發光譜進行激發，可以獲得目標組織或器官(待分析對象)在多個光譜下的測量信息，有助于降低dfmt問題的病態性。此外，還可以獲得目標組織或器官在各個光譜下不同的代謝特征。

2)本發明在重建得到各個時間和各個光譜的fmt圖像之后，再進行多變量分析，分解出各個相互獨立的分量(熒光目標)，然后對各個獨立分量的熒光產額進行重構，最后再對各個熒光目標進行曲線擬合，獲得代謝參數結果。這種方法能夠排除其他熒光目標和噪聲的干擾，提高重建結果的準確性。

3)本發明實施例不需要其他成像模態的輔助，僅采用光學分子影像單一模態，避免了多模態成像中各模態間圖像匹配的問題。

盡管本文已經參考附圖描述了示例實施例，應理解上述示例實施例僅僅是示例性的，并且不意圖將本發明的范圍限制于此。本領域普通技術人員可以在其中進行各種改變和修改，而不偏離本發明的范圍和精神。所有這些改變和修改意在被包括在所附權利要求所要求的本發明的范圍之內。

本領域普通技術人員可以意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、或者計算機軟件和電子硬件的結合來實現。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。

在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的設備和方法，可以通過其它的方式實現。例如，以上所描述的設備實施例僅僅是示意性的，例如，單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結合或者可以集成到另一個設備，或一些特征可以忽略，或不執行。

在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。

類似地，應當理解，為了精簡本發明并幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應將該本發明的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如相應的權利要求書所反映的那樣，其發明點在于可以用少于某個公開的單個實施例的所有特征的特征來解決相應的技術問題。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地并入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。

本領域的技術人員可以理解，除了特征之間相互排斥之外，可以采用任何組合對本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征以及如此公開的任何方法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的每個特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征來代替。

此外，本領域的技術人員能夠理解，盡管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本發明的范圍之內并且形成不同的實施例。例如，在權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

本發明的各個部件實施例可以以硬件實現，或者以在一個或者多個處理器上運行的軟件模塊實現，或者以它們的組合實現。本領域的技術人員應當理解，可以在實踐中使用微處理器或者數字信號處理器(dsp)來實現根據本發明實施例的導線懸掛點定位裝置中的一些模塊的一些或者全部功能。本發明還可以實現為用于執行這里所描述的方法的一部分或者全部的裝置程序(例如，計算機程序和計算機程序產品)。這樣的實現本發明的程序可以存儲在計算機可讀介質上，或者可以具有一個或者多個信號的形式。這樣的信號可以從因特網網站上下載得到，或者在載體信號上提供，或者以任何其他形式提供。

應該注意的是上述實施例對本發明進行說明而不是對本發明進行限制，并且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權利要求中的組件或步驟。位于組件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的組件。本發明可以借助于包括有若干不同組件的硬件以及借助于適當編程的計算機來實現。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件項來具體體現。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名稱。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式或對具體實施方式的說明，本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。