1 西北大学 信息科学与技术学院，陕西西安7027
2 西北大学 西安市影像组学与智能感知重点实验室，陕西西安71017
3 西北大学 网络和数据中心，陕西西安710127
生物发光断层成像（Bioluminescence Tomography， BLT）是一种很有前途的在体分子成像工具，可以在细胞和分子水平上对生理和病理过程进行无创监测。BLT的重建精度受光传输模型误差和逆问题病态性影响，针对此问题，受高阶光传输模型可提高模型精度、多光谱方法可降低逆问题病态性的启发，本文将光谱差分理论和多光谱方法结合构建的光谱差分策略分别应用到基于扩散近似方程（Diffusion approximation Equation， DE）和三阶简化球谐近似方程（3rd Simplified spherical harmonic approximation equation， SP3）建立的光传输模型。首先，对这两种辐射传输方程（Radiative Transfer Equation， RTE）近似产生的误差进行分析，对比了光谱差分策略对两种光传输模型误差的衰减作用。前向仿真实验结果表明光谱差分策略能有效地减少DE和SP3的模型误差，对DE模型采用光谱差分，能够获得接近SP3模型的传输精度，并且降低高阶近似对运算时间和存储空间的高要求。在此基础上，将光谱差分策略分别应用到DE和SP3光传输模型进行光源重建。实验结果表明光谱差分策略在提高两种光传输模型精度的同时，缓解了BLT中逆问题的病态性，使光源重建的位置误差小于1 mm，在目标定位、形状恢复和图像对比度等方面取得了更准确的效果。相比于SP3模型平均耗时约1 525 s，DE模型结合光谱差分策略平均耗时仅为34 s左右，较好地兼顾了重建精度和重建速率。
生物发光断层成像 光谱差分 光传输模型 光源重建 bioluminescence tomography spectral differential optical transmission model source reconstruction 光学 精密工程
2022, 30(18): 2167
陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
为克服生物发光断层成像(BLT)的不适定性,获得稳定的光源重建结果,本文提出了一种基于连续化原对偶有效集(PDASC)的多光谱BLT重建算法,该算法将原对偶有效集算法(PDAS)与连续化技术相结合,可以自动调节正则化参数,从而获得全局最优解。多组数字鼠仿真实验验证了该算法的有效性和稳定性,且与原对偶有效集算法、硬阈值追踪法(HTP)相比,所提PDASC重建算法在不同光源设置下的各量化指标均表现更优,在体小鼠实验结果进一步证明了该算法在实际应用中的潜力。
医用光学 生物发光断层成像 连续化原对偶有效集算法 光源重建 稀疏重建 逆问题
陕西师范大学物理与信息技术学院, 陕西 西安 710119
提出将百分位半阈值匹配追踪法(PHTPA)应用于生物发光断层成像(BLT)这一光学分子成像模态领域。将BLT光源重建为一个L1/2范数正则化问题,在迭代半阈值算法(HTA)的基础上,结合子空间跟踪和百分位阈值法对其求解。在数字鼠模型上设计多组仿真实验,对改进的半阈值算法进行有效性和收敛性的评估。仿真结果表明,与原有的HTA和迭代重赋权算法相比,PHTPA在不同光源设置下都能得到更为准确的重建结果。
生物光学 生物发光断层成像 子空间追踪 百分位阈值法 半阈值算法 光学学报
2019, 39(10): 1017001
大连理工大学生物医学工程学院, 辽宁 大连 116024
生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。
成像系统 光学分子影像 生物发光断层成像 块稀疏贝叶斯学习算法 重建问题
陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安710119
生物发光断层成像(BLT)是利用生物体表面光强信息,重建出荧光光源在生物体内三维分布的一种新兴光学分子影像技术。由于生物体表面的测量信息有限,并且生物体内组织结构复杂,BLT的光源重建有着严重的病态性。为提高光源重建质量,提出了一种结合可行域收缩策略的多级自适应有限元光源重建方法。为了评估该方法的光源定位能力和能量密度定量能力,在数字鼠模型上分别设计了单光源和双光源实验。结果表明,本文方法可以显著提高光源的定位精度和能量密度。
生物光学 生物发光断层成像 图像重建 自适应有限元 逆问题
陕西师范大学物理学与信息技术学院， 陕西 西安 710119
生物发光断层成像(BLT)是一种低成本、高灵敏、具有巨大潜力的光学分子成像模态，高效稳定的重建算法是将其推向实用的关键。为克服BLT重建的高不适定性，提出了基于非凸L1-2正则化的重建方法，采用凸差分算法来解决非凸泛函最小化问题，在每一步迭代中采用带自适应惩罚项的交替方向乘子法高效求解。为评估该方法的有效性和稳健性，设计了单光源和双光源数字鼠仿体实验，并与3个典型的重建算法进行对比，仿真实验结果表明，所提L1-2正则化方法在不同光源设置下都得到了最准确的光源定位。
生物光学 生物发光断层成像 光源重建 L1-2正则化 稀疏重建
陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
生物发光断层成像(BLT)是一种高灵敏度、高特异性的光学分子影像技术，可根据探测到的生物体表光强来重建发光光源在生物体内的三维分布。由于生物体表面测得的光强信息有限，光源重建面临巨大的挑战。为了在有限的测量条件下获得更精确的重建光源，结合BLT中光源稀疏分布的特征，将重建问题转化为L1范数优化问题，并采用迭代支撑检测(ISD)算法实现快速重建，该算法交替执行支撑集检测和信号重构两个模块，直至重建精度达到要求。为了评估ISD算法的光源定位能力，设计数字鼠仿真实验，并与三种典型的稀疏重建算法比较。仿真结果表明ISD算法对于单光源和双光源目标均可以实现准确的重建。
成像系统 图像重建 生物发光断层成像 迭代支撑检测 逆问题
陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
生物发光断层成像(BLT)是在已知生物组织的光学参数和生物体体表的光强分布的条件下, 重建荧光光源在生物体内的分布。由于近红外光在生物组织中传输过程复杂, 并且测量信息有限, BLT的光源重建问题充满挑战。为了在较少的测量下获得稳定的重建, 提出了基于单视图测量的多光谱BLT重建方法, 为了克服逆问题的不适定性, 算法设计中结合迭代收缩可行区域策略及光源稀疏性特征。为系统评估所提出方法的光源定位能力和邻近光源的分辨能力, 在匀质仿体上针对3~9 mm范围内3种尺寸的光源, 设计了4种深度上的单光源实验和3种间距下的双光源实验。仿真实验表明, 所提出方法基于单视图测量数据, 在各种光源设置下, 均可以稳定准确地重建单光源目标和辨识双光源目标。
成像系统 多光谱生物发光断层成像 稀疏重建 迭代算法 逆问题 光学学报
2016, 36(12): 1211001
西北大学信息科学与技术学院, 陕西 西安 710127
生物发光断层成像是一种新型光学分子影像技术.基于稀疏正则化的迭代算法在解决重建中病态问题起着关键的作用.将4 种典型的基于l1正则化的迭代算法(内点法、同伦算法、一阶方法和拉格朗日算法)应用于重建过程中,分别进行数学推导,并从重建精度和重建速度方面进行了实验对比和性能评估.实验结果表明尽管4 种方法均能较好地重建出光源位置,但时间代价和重建能量大小上存在差异,据此结果为不同情况下重建算法的选取提出建议.
医用光学 生物发光断层成像 光源重建 迭代算法 l1正则化 激光与光电子学进展
2015, 52(8): 081704
西北大学信息科学与技术学院, 陕西 西安 710127
生物发光断层成像(BLT)是一种非常有效的光学分子成像方式，在医学预临床研究中的有着广泛的研究。然而，BLT的核心问题即光源重建仍然存在着巨大的挑战：光在生物组织中的传输模型是否精确与重建问题不适定性都使得光源位置与密度的重建变得十分困难。为了准确高效地实现光源重建，在光传输模型的选择上，通过将扩散近似模型和高阶简化球谐近似模型（SPN）的结果与蒙特卡罗金标准进行比较，结果表明阶次（N）为3时的SP3模型描述光子在生物体的传输时能够最佳地兼顾精度和速度。基于SP3传输模型，结合光源在生物体内稀疏分布的特征，采用变量分离近似稀疏重构（SpaRSA）的方法来解决BLT的重建问题。为了验证提出方法的有效性，通过将数字鼠仿真和真实小鼠实验与典型的l1_ls方法对比表明在SP3模型下SpaRSA算法可行。
生物光学 生物发光断层成像 变量分离近似稀疏重构 简化球谐近似 辐射传输方程
