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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610980614.X (22)申请日 2016.11.08 (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白南路2号西 安电子科技大学 (72)发明人 陈多芳 朱守平 梁继民 胡海虹 (74)专利代理机构 北京科亿知识产权代理事务 所(普通合伙) 11350 代理人 汤东凤 (51)Int.Cl. A61B 5/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子 断层成像方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于空时压缩的小。
2、动物 动态荧光分子断层成像方法， 所述基于空时压缩 的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异 值分解技术， 对采集到的荧光图像序列进行时域 压缩； 利用匹配滤波技术， 对时域压缩后的荧光 图像序列进行空域压缩； 构建空时压缩后的小动 物动态荧光分子断层成像模型； 利用最小二乘方 法求解空时压缩后的重建逆问题， 图像重建， 最 后进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物 体内荧光光源分布序列。 本发明通过时域压缩减 少了需要求解的方程个数， 通过空域压缩减少了 需要求解的未知数个数， 能提高重建精度和重建 速度， 在小动物动态荧光分子断层成像重建中具 有重要的应用价值。 权利要求书2页 说明书4页。
3、 附图1页 CN 106562770 A 2017.04.19 CN 106562770 A 1.一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 其特征在于， 所述基于空 时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异值分解技术， 对采集到的荧光图像序 列进行时域压缩； 利用匹配滤波技术， 对时域压缩后的荧光图像序列进行空域压缩； 构建基 于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像模型； 利用最小二乘方法求解空时压缩后的重 建逆问题， 图像重建， 并进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物体内荧光光源分布序 列。 2.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 其特征在 于。
4、， 利用滤波反投影算法得到小动物的三维计算机断层图像。 3.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 其特征在 于， 获取小动物体表荧光图像序列的方法包括： 打开光学-CT双模态成像系统中的激光器和EMCCD相机， 采集第一个时间点小动物体表 的荧光信号， 每隔90度采集一次， 小动物旋转一周可采集到4幅荧光图像， 4幅荧光图像构成 一个向量， 记为y1， 间隔3分钟后， 采集下一个时间点的小动物体表荧光信号， 连续采集K个 时间点的小动物体表荧光图像， 分别记为y1,y2,.,yK,每个荧光图像大小为M行1列。 4.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断。
5、层成像方法， 其特征在 于， 利用有限元方法， 构建描述K个时间点小动物体表荧荧光信号与体内荧光光源线性关系 的系统方程： ykAxk,k1,2,.,K； 式中， A为根据小动物结构信息和体内各器官的光学参数得到的系数矩阵， 大小为M行N 列， xk为第k个时间点小动物体内的未知荧光光源分布， 大小为N行1列； 联立式ykAxk,k1,2,.,K的K个系统方程重新组成一个新的系统方程， 记为： YAX； 式中， Yy1,y2,.,yK为K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵,大小为M 行K列， Xx1,x2,.,xK为待求解的K个时间点小动物体内的未知荧光光源分布序列矩 阵， 大小为N行K。
6、列。 5.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 其特征在 于， 所述时域压缩具体包括： 步骤一， 对K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵Y进行奇异值分解， 记为Y UV； 步骤二， 保留中的Q个大奇异值， 其余设为0， 得到新的奇异值矩阵， 记为保留V中与 大奇异值对应的向量， 去掉其余向量， 得到新的右奇异向量矩阵， 记为计算大 小为M行Q列， Q个奇异值之和为所有奇异值之和的95。 6.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 其特征在 于， 所述空域压缩包括： 第一步， 对系数矩阵A的每一列进行归一化， 构建匹配滤波器权值矩阵， 。
7、记为W， W表示为 其中， an为系数矩阵A的第n列， |an|2为an的2范数； 第二步， 计算再计算的每一行的均值， 所有行的均值构成向量b， 令 0.7， 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106562770 A 2 找到b中满足b max(b)的元素下标集合， 记为i1,i2,.,iL， 选取A中下标为i1,i2,., iL的列， 记为大小为M行L列； 第三步， 构建空时压缩后的重建逆问题， 表示为其中， 为时域压缩后的测量 数据， 为空域压缩后的系数矩阵， 为待求解的空时压缩后的小动物体内荧光光源动态 分布， 大小为L行Q列。 7.如权利要求1所述的基于空时压缩的小动物动态荧。
8、光分子断层成像方法， 其特征在 于， 所述空时解压缩包括： 第一步， 利用最小二乘法计算将中小于0的元素均设置为0； 第二步， 引入大小为N行Q列的矩阵S， 令S的第il行等于的第l行用公式表示为 其余行均为0， 计算小动物体内荧光光源分布序列 8.一种利用权利要求17任意一项所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成 像方法的功能基因组合蛋白组学成像系统。 9.一种利用权利要求17任意一项所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成 像方法的基因病理学成像系统。 10.一种利用权利要求17任意一项所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成 像方法的细胞和分子生物学成像系统。 权 利 要 求 书。
9、 2/2 页 3 CN 106562770 A 3 一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法 技术领域 0001 本发明属于荧光分子成像技术领域， 尤其涉及一种基于空时压缩的小动物动态荧 光分子断层成像方法。 背景技术 0002 目前， 小动物荧光分子断层成像利用特定波长的外部光如激光等激发小动物体内 的荧光光源， 采用荧光采集装置拍摄小动物体表的荧光信号， 结合光传输模型， 利用数学方 法， 重建小动物体内的荧光光源分布并进行分析， 能够对活体状态下的生物过程进行细胞 和分子水平的定性和定量研究， 广泛应用于功能基因组合蛋白组学、 基因病理学、 肿瘤诊断 学、 细胞和分子生物学等学科。
10、领域。 小动物动态荧光分子断层成像由小动物荧光分子断层 成像发展而来， 在多个时间点多次采集小动物体表的荧光信号， 定义为荧光图像序列， 再结 合光传输模型， 利用数学方法对荧光图像序列进行重建， 获取每个时间点的小动物体内荧 光光源分布， 在疾病连续监测、 药效在体动态等领域有广泛的应用前景。 现有公开的小动物 动态荧光分子断层成像技术中， 对荧光图像序列中的每一幅荧光图像依次进行断层重建， 没有考虑图像序列之间的时间相关性， 重建运算量大； 同时， 在对每一幅荧光图像进行重建 时， 采用基于l2或lp(0p1)范数的正则化约束方法， 在整个成像区域进行重建。 。 0003 综上所述， 由于。
11、在整个成像区域内对荧光图像序列中的每一幅荧光图像进行重 建， 需要求解的方程个数多， 重建运算量大， 同时， 需要求解的方程中未知数大于已知数， 没 有唯一解。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 旨在解决上述重建运算量大和方程没有唯一解的问题。 0005 本发明是这样实现的， 一种基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法利用奇异值分解技术， 对采集到的 荧光图像序列进行时域压缩； 利用匹配滤波技术， 对时域压缩后的荧光图像序列进行空域 压缩； 构建空时压缩后的小动物动态荧光分子断层。
12、成像模型； 利用最小二乘方法求解空时 压缩后的重建逆问题， 图像重建， 最后进行空时解压缩获取所有采集时间点小动物体内荧 光光源分布序列。 0006 进一步， 利用滤波反投影算法得到小动物的三维计算机断层图像。 0007 进一步， 获取小动物体表荧光图像序列的方法包括： 0008 打开光学-CT双模态成像系统中的激光器和EMCCD相机， 采集第一个时间点小动物 体表的荧光信号， 每隔90度采集一次， 小动物旋转一周可采集到4幅荧光图像， 4幅荧光图像 构成一个向量， 记为y1， 间隔3分钟后， 采集下一个时间点的小动物体表荧光信号， 连续采集 K个时间点的小动物体表荧光图像， 分别记为y1,y。
13、2,.,yK,每个荧光图像大小为M行1列。 0009 进一步， 利用有限元方法， 构建描述K个时间点小动物体表荧荧光信号与体内荧光 说 明 书 1/4 页 4 CN 106562770 A 4 光源线性关系的系统方程： 0010 ykAxk,k1,2,.,K； 0011 式中， A为根据小动物结构信息和体内各器官的光学参数得到的系数矩阵， 大小为 M行N列， xk为第k个时间点小动物体内的未知荧光光源分布， 大小为N行1列； 0012 联立式ykAxk,k1,2,.,K的K个系统方程重新组成一个新的系统方程， 记为： 0013 YAX； 0014 式中， Yy1,y2,.,yK为K个时间点采集。
14、的小动物体表荧光图像序列矩阵,大小 为M行K列， Xx1,x2,.,xK为待求解的K个时间点小动物体内的未知荧光光源分布序列 矩阵， 大小为N行K列。 0015 进一步， 所述时域压缩具体包括： 0016 步骤一， 对K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵Y进行奇异值分解， 记 为YUV； 0017步骤二， 保留中的Q个大奇异值， 其余设为0， 得到新的奇异值矩阵， 记为保留 V中与大奇异值对应的向量， 去掉其余向量， 得到新的右奇异向量矩阵， 记为计算 大小为M行Q列， Q个奇异值之和为所有奇异值之和的95。 0018 进一步， 所述空域压缩包括： 0019 第一步， 对系数矩阵A的每一。
15、列进行归一化， 构建匹配滤波器权值矩阵， 记为W， W表 示为其中， an为系数矩阵A的第n列， |an|2为an的2范数； 0020第二步， 计算再计算的每一行的均值， 所有行的均值构成向量b， 令 0.7， 找到b中满足b max(b)的元素下标集合， 记为i1,i2,.,iL， 选取A中下标为i1, i2,.,iL的列， 记为大小为M行L列； 0021第三步， 构建空时压缩后的重建逆问题， 表示为其中， 为时域压缩后的 测量数据，为空域压缩后的系数矩阵， 为待求解的空时压缩后的小动物体内荧光光源 动态分布， 大小为L行Q列； 0022 进一步， 所述空时解压缩包括： 0023引入大小为N。
16、行Q列的矩阵S， 令S的第il行等于的第l行用公式表示为 其余行均为0， 计算得到小动物体内荧光光源分布序列。 0024 本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子 断层成像方法的功能基因组合蛋白组学成像系统。 0025 本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子 断层成像方法的基因病理学成像系统。 0026 本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于空时压缩的小动物动态荧光分子 断层成像方法的细胞和分子生物学成像系统。 0027 本发明提供的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法， 通过空时压缩 技术减少需要求解的方程个数以及需要求解的。
17、未知数个数。 具体来说， 所述方法利用奇异 值分解技术实现测量图像序列的时域压缩， 将需要求解的方程由K个减少到Q个， 利用匹配 说 明 书 2/4 页 5 CN 106562770 A 5 滤波技术实现荧光光源分布的空域压缩， 将需要求解的未知数由N个减少到L个。 由于方程 个数减少， 求解方程时间减少， 提高了小动物动态荧光分子断层成像速度。 由于未知数个数 减少， 在同样的测量数据下， 求解得到的未知数更加接近真实解， 提高了小动物动态荧光分 子断层成像精度。 本发明基于空时压缩和最小二乘方法的动态激发分子断层成像技术， 对 小动物体内的荧光光源动态分布进行重建， 可用于动态监测小动物体。
18、内的肿瘤、 探针与药 物分布情况。 附图说明 0028 图1是本发明实施例提供的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像方法流 程图。 具体实施方式 0029 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合实施例， 对本发明 进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于 限定本发明。 0030 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。 0031 如图1所示， 本发明实施例提供的基于空时压缩的小动物动态荧光分子断层成像 方法包括以下步骤： 0032 S101： 获取小动物结构信息和体表荧光图像序列； 0033 S102： 建立描述体表荧。
19、光图像序列与体内光源动态分布关系的系统方程； 0034 S103： 对建立的系统方程进行空时压缩； 0035 S104： 求解空时压缩后的系统方程； 0036 S105： 图像重建， 空时解压得到小动物体内荧光光源动态三维分布。 0037 下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。 0038 (1)麻醉与固定小动物 0039 对体内有荧光光源的小动物进行麻醉， 并将小动物的四肢、 头部和尾部都固定在 样品支架上； 0040 (2)获取小动物结构信息 0041 将样品支架固定在光学-CT双模态成像系统的旋转台上， 打开X射线源， 采集小动 物的计算机断层成像投影数据， 每隔1度采集一次。
20、， 小动物旋转一周采集360次投影数据， 关 闭X射线源， 利用滤波反投影算法得到小动物的三维计算机断层图像； 0042 (3)获取小动物体表荧光图像序列 0043 打开光学-CT双模态成像系统中的激光器和EMCCD相机， 采集第一个时间点小动物 体表的荧光信号， 每隔90度采集一次， 小动物旋转一周可采集到4幅荧光图像， 4幅荧光图像 构成一个向量， 记为y1， 间隔3分钟后， 采集下一个时间点的小动物体表荧光信号， 连续采集 K个时间点的小动物体表荧光图像， 分别记为y1,y2,.,yK,每个荧光图像大小为M行1列； 0044 (4)构建系统方程 0045 利用专业软件Amira对小动物的。
21、三维计算机断层图像进行剖分， 采用扩散方程对 光在小动物体内的传输过程进行建模， 利用有限元方法， 构建描述K个时间点小动物体表荧 说 明 书 3/4 页 6 CN 106562770 A 6 荧光信号与体内荧光光源线性关系的系统方程： 0046 ykAxk,k1,2,.,K (1) 0047 式中， A为根据小动物结构信息和体内各器官的光学参数得到的系数矩阵， 大小为 M行N列， xk为第k个时间点小动物体内的未知荧光光源分布， 大小为N行1列； 0048 (5)重组系统方程 0049 联立式(1)的K个系统方程重新组成一个新的系统方程， 记为： 0050 YAX (2) 0051 式中， 。
22、Yy1,y2,.,yK为K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵,大小 为M行K列， Xx1,x2,.,xK为待求解的K个时间点小动物体内的未知荧光光源分布序列 矩阵， 大小为N行K列； 0052 (6)时域压缩 0053 (6a)对K个时间点采集的小动物体表荧光图像序列矩阵Y进行奇异值分解， 记为Y UVT； 0054(6b)保留中的Q个大奇异值， 其余设为0， 得到新的奇异值矩阵， 记为保留V中 与大奇异值对应的向量， 去掉其余向量， 得到新的右奇异向量矩阵 ， 记为计算 大小为M行Q列， Q个奇异值之和为所有奇异值之和的95， 由于QK， 待求解的方 程个数减少， 运算量降低； 005。
23、5 (7)空域压缩 0056 (7a)对系数矩阵A的每一列进行归一化， 构建匹配滤波器权值矩阵， 记为W， W表示 为其中， an为系数矩阵A的第n列， |an|2为an的2范数； 0057(7b)计算再计算的每一行的均值， 所有行的均值构成向量b， 令 0.7， 找到b中满足b max(b)的元素下标集合， 记为i1,i2,.,iL， 选取A中下标为i1, i2,.,iL的列， 记为大小为M行L列； 0058(7c)构建空时压缩后的重建逆问题， 表示为其中， 为时域压缩后的测 量数据， 为空域压缩后的系数矩阵， 为待求解的空时压缩后的小动物体内荧光光源动 态分布， 大小为L行Q列； 0059。
24、 (8)图像重建 0060计算将中小于0的元素均设为0， 所述的大小为L行Q列， 由于 LN， 待求解的未知数个数减少， 求解精度提高； 0061 (9)空时解压缩 0062引入大小为N行Q列的矩阵S， 令S的第il行等于的第l行用公式表示为 其余行均为0， 计算小动物体内荧光光源分布序列其中根据步骤(6b)得 到。 0063 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 4/4 页 7 CN 106562770 A 7 图1 说 明 书 附 图 1/1 页 8 CN 106562770 A 8 。