非接触式光学断层成像方法

摘要

本发明公开了一种非接触式光学断层成像方法，解决了现有技术中无法实现的大孔径镜头下非接触式光学断层成像问题。其实现步骤为：先用多模态光学分子影像系统采集多角度光学图像和生物体表面三维形状及解剖结构信息；然后重建生物体表面三维能量，包括：(a)光学图像的预处理和灰度值到能量值的转换；(b)光学图像与生物体表面三维形状信息的配准；(c)虚拟探测面位置和像素大小的确定以及CCD相机到虚拟探测面的能量映射；(d)计算可见度因子；(e)重建表面三维能量分布；最后反演体内光源并三维立体化显示。本发明具有能实现大孔径镜头下表面三维能量重建和大孔径镜头下非接触式断层成像的优点，可用于非接触式光学分子成像领域。

主权项

1.一种非接触式光学断层成像方法，包括：A.数据采集步骤：利用非接触式光学断层成像系统采集多角度的二维光学图像信息，同时利用微计算机断层成像或微核磁共振成像获得生物体的三维表面形状和内部解剖结构信息；B.表面三维能量重建步骤：(B1)对采集的多角度光学图像数据依次进行背景噪声去除、感兴趣区域提取和坏点补偿，以及将光学图像数据灰度值转换到对应的能量值；(B2)将步骤A中使用的非接触式光学断层成像系统的成像镜头简化为薄透镜模型，并根据薄透镜成像规律计算CCD相机对应的虚拟探测面的位置和每个像素的实际尺寸；(B3)将采集的二维光学图像信息与生物体表面三维形状信息进行配准，以获得各个角度二维光学图像数据中心点相对于生物体表面三维形状信息坐标系的实际物理坐标；(B4)利用光学成像系统中像的基本辐射亮度定理，同时结合镜头的透过率，将步骤B1中获得的CCD相机上的能量分布映射到对应的虚拟探测面上；(B5)离散步骤A中得到的生物体三维表面，记录其表面面片总数为N，N≥500，并记录各个表面面片的表面法向信息和三个顶点坐标信息；(B6)取第i个表面面片的中心点，1≤i≤N，判断其与各个角度虚拟探测面上的所有像素点之间的空间位置对应关系，同时采用表格搜索策略计算其与CCD相机上任意一个像素点之间的可见度因子；(B7)根据可见度因子的具体取值，应用下述公式计算第i个表面面片上的能量重建值：$P\left(r\right)=\frac{1}{\pi }{\int }_{\Omega }E\left(r_d\right)T(r_d,r)\mathrm{d\Omega }$式中，r是第i个表面面片的中心点；P(r)是表面点r处重建的功率；E(r_d)是CCD相机点r_d处的功率密度；dΩ是CCD相机空间；T(r_d，r)定义为光在自由空间的传输函数：$T(r_d,r)=\frac{1}{\tau \left(f\right)}\xi (r_d,r)\frac{1}{{|r-r_d-\frac{l}{\cos \theta }{s}_{r_d\to r_{\mathrm{vd}}}|}^2}\cos {\theta }_s\cos {\theta }_d\mathrm{dS}\left(r\right)$其中，τ(f)是非接触式光学断层成像系统中镜头的透过率，ξ(r_d，r)是表面点与CCD相机像素点之间的可见度因子，l是真实实验中的物像距离，cosθ是CCD相机上像素点r_d到虚拟探测面上像素点r_vd之间的连线与主光轴的夹角余弦，是CCD相机上像素点r_d到虚拟探测面的像素点r_vd的单位方向向量，cosθ_s是表面点的法向向量与表面点到虚拟探测面点之间连线的夹角余弦，cosθ_d是虚拟探测面点的法向向量与虚拟探测面点到表面点之间连线的夹角余弦，dS(r)是表面点r处的微元面积；(B8)判断i＝N是否成立，如果成立则完成整个表面能量分布的重建，转向步骤C；否则i＝i+1并转到步骤B6，继续重建；C.体内光源反演以及三维显示步骤：利用步骤B重建的生物体表面三维能量分布和步骤A获得的生物体解剖结构信息，反演生物体内的光源信息，并将反演的光源信息在生物体解剖结构中进行三维显示。