光谱差分策略在扩散近似模型和简化球谐近似模型中的应用

作     者：刘艳秋 胡先功 张衡 郭红波 贺小伟 LIU Yanqiu;HU Xiangong;ZHANG Heng;GUO Hongbo;HE Xiaowei

作者机构：西北大学信息科学与技术学院陕西西安710127 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710127 西北大学网络和数据中心陕西西安710127 

出 版 物：《光学精密工程》 (Optics and Precision Engineering)

年 卷 期：2022年第30卷第18期

页      面：2167-2177页

核心收录：

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 071011[理学-生物物理学] 0710[理学-生物学] 1002[医学-临床医学] 07[理学] 081203[工学-计算机应用技术] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0835[工学-软件工程] 0701[理学-数学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(No.61971350,No.61901374,No.61906154,No.11871321) 陕西省自然科学基金项目(No.2019JQ-724) 博士后创新人才支持计划项目(No.BX20180254) 西安市科技创新计划项目(No.201805060ZD11CG44) 陕西省重点研发计划项目(No.2020SF-036) 

主　　题：生物发光断层成像 光谱差分 光传输模型 光源重建 

摘      要：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1525 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。