本發(fā)明涉及熒光分子斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種圖像處理方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

穩(wěn)態(tài)熒光分子斷層成像(Continuous Wave Fluorescence Molecular Tomography，CW-FMT)能夠?qū)崿F(xiàn)在體(In vivo)的非入侵地監(jiān)測(cè)體內(nèi)熒光分子探針的三維空間分布，在細(xì)胞、分子水平層面觀測(cè)生理與病理活動(dòng)過程，并且具有無電離輻射、低成本和安全性高等特點(diǎn)，已在醫(yī)學(xué)研究當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。

CW-FMT中的重建檢測(cè)體內(nèi)熒光分子探針的三維空間分布是整個(gè)技術(shù)的算法核心，需要通過采集到的多角度熒光信號(hào)重建出熒光分子探針在檢測(cè)體內(nèi)的三維空間分布。傳統(tǒng)的在體(In vivo)CW-FMT的三維空間分布重建算法需要使用雙模態(tài)或多模態(tài)成像，增加了成像系統(tǒng)的成本和技術(shù)復(fù)雜度，且引入了更多的噪聲干擾，同時(shí)在成像者的舒適程度上也有所降低。

因此，需要提供一種圖像處理方法及系統(tǒng)，以至少部分地解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

考慮到上述問題而提出了本發(fā)明一種圖像處理方法及系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明一方面，提供了一種圖像處理方法，所述方法包括：

針對(duì)待成像物體，采集多幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)；以所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)作為輸入，利用擴(kuò)散方程理論建立第一方程，所述第一方程用于描述所述待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布與所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；采用預(yù)設(shè)求解方法對(duì)所述第一方程進(jìn)行求解處理，以得到所述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布，所述最終重建目標(biāo)分布用于描述所述待成像物體的熒光分子探針斷層成像的三維重建結(jié)果。

可選地，所述第一方程為：W_(M×N)f_(N×1)＝Φ_(M×1)，其中，所述W_(M×N)為系統(tǒng)矩陣，f_(N×1)為所述待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布，所述Φ_(M×1)為所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)。

可選地，采用預(yù)設(shè)求解方法對(duì)所述第一方程進(jìn)行求解處理包括：針對(duì)所述第一方程，采用吉洪諾夫正則化方法構(gòu)造第一反問題目標(biāo)函數(shù)；通過最優(yōu)化方法求解所述第一反問題目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，以作為所述待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布；根據(jù)所述熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息，采用拉普拉斯正則化方法建立熒光分子探針斷層成像的第二反問題目標(biāo)函數(shù)；迭代地求解所述第二反問題目標(biāo)函數(shù)，得到第二反問題目標(biāo)函數(shù)的解，以作為所述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布。

可選地，所述第一反問題目標(biāo)函數(shù)為：

f_λ＝argmin{||Wf-Φ_f||₂+λ||f||₂}

λ是正則化參數(shù)，且λ≥0，f_λ為所述待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布，所述W為系統(tǒng)矩陣，所述Φ_f為所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)；所述通過最優(yōu)化方法求解所述第一反問題目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，包括：基于如下公式，采用最優(yōu)化方法求解所述第一反問題目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解：

其中，f_k為第k次迭代的熒光分子探針的目標(biāo)分布，I為單位矩陣，W^H為W的共軛轉(zhuǎn)置，W為系統(tǒng)矩陣，k為迭代次數(shù)，r_k為第k次迭代殘差。

可選地，所述方法還包括：對(duì)所述待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布進(jìn)行所述短時(shí)傅里葉變換，得到所述初步重建目標(biāo)分布的空間-頻率-能量譜；基于所述空間-頻率-能量譜，提取所述初步重建目標(biāo)分布進(jìn)行自先驗(yàn)信息。

可選地，所述基于所述空間-頻率-能量譜，提取所述初步重建目標(biāo)分布進(jìn)行自先驗(yàn)信息包括：判斷所述初步重建目標(biāo)分布的所述空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量是否高于預(yù)設(shè)能量閾值；若是，則將所述初步重建目標(biāo)分布的對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的空間位置信息確定為所述初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息。

可選地，所述將所述初步重建目標(biāo)分布的對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的空間位置信息確定為所述初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息包括：當(dāng)確定所述初步重建目標(biāo)分布的所述空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量是否高于預(yù)設(shè)能量閾值時(shí)，在所述空間-頻率-能量譜查找到該點(diǎn)的空間位置；將所述空間域中該點(diǎn)的位置標(biāo)記為1，以及當(dāng)確定所述初步重建目標(biāo)分布的所述空間-頻率-能量譜中任一點(diǎn)的能量低于所述能量閾值時(shí)，在所述空間-頻率-能量譜查找到該點(diǎn)的空間位置；且將所述空間-頻率-能量譜中該點(diǎn)的空間位置標(biāo)記為0，以得到二值化自先驗(yàn)矩陣，所述二值化自先驗(yàn)矩陣包括所述初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息。

可選地，所述根據(jù)所述熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息，采用拉普拉斯正則化方法建立熒光分子探針斷層成像的第二反問題目標(biāo)函數(shù)包括：針對(duì)所述熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息，通過如下公式確定拉普拉斯矩陣中的元素：

其中，S為滿足K_i＝1，且K_j＝1元素的個(gè)數(shù)；以及基于所述拉普拉斯矩陣建立如下函數(shù)，以作為所述熒光分子探針斷層成像的第二反問題目標(biāo)函數(shù)：

f_λ＝argmin{||Wf-Φ_f||₂+λ||L_nf||₂}

其中，L_n為所述拉普拉斯矩陣，W為系統(tǒng)矩陣，f為待求解的熒光分子探針的目標(biāo)分布，所述Φ_f為所述待成像物體的熒光分子探針的目標(biāo)分布對(duì)應(yīng)的所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)，λ是正則化參數(shù)，且λ≥0。

可選地，所述迭代地求解所述第二反問題目標(biāo)函數(shù)包括：根據(jù)拉普拉斯正則化方法，通過如下公式對(duì)所述第二反問題目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，以求解所述第二反問題目標(biāo)函數(shù)：

其中，L為所述拉普拉斯矩陣，W為系統(tǒng)矩陣，f_k為第k次迭代的熒光分子探針目標(biāo)分布，Φ_f為所述待成像物體的熒光分子探針的所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)，λ是正則化參數(shù)，且λ≥0，W^H為W的共軛轉(zhuǎn)置，L^H為L(zhǎng)的共軛轉(zhuǎn)置，k為迭代次數(shù)，r_k為第k次迭代殘差。

可選地，所述方法還包括：針對(duì)待成像物體，采集多幀白光二維圖像數(shù)據(jù)；通過邊緣檢測(cè)法提取每幀所述白光二維圖像數(shù)據(jù)的邊界輪廓線，得到多幀邊界輪廓線；基于所述多幀邊界輪廓線，采用濾波反投影方法確定所述待成像物體的三維輪廓圖像；將所述待成像物體的三維輪廓圖像與所述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布進(jìn)行融合，得到所述熒光分子探針在所述待成像物體的三維輪廓圖像的分布圖像。

根據(jù)本發(fā)明一方面，提供了一種圖像處理系統(tǒng)，包括：氙燈光源、光纖、激發(fā)光濾光片、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、熒光濾光片、CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)，

所述氙燈光源用于發(fā)射激發(fā)光；

所述光纖用于傳輸所述氙燈光源發(fā)射的激發(fā)光；

所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)用于放置待成像物體；

所述激發(fā)光濾光片設(shè)置在光線及所述電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)之間，所述氙燈光源發(fā)射的激發(fā)光通過所述光纖傳輸經(jīng)過所述激發(fā)光濾光片后照射所述待成像物體；

所述CCD相機(jī)用于針對(duì)待成像物體，采集多幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)，其中所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)包括所述待成像物體內(nèi)部熒光分子探針被激發(fā)后發(fā)射出的熒光信號(hào)通過熒光濾光片后的二維圖像數(shù)據(jù)；

所述計(jì)算機(jī)用于以所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)作為輸入，利用擴(kuò)散方程理論建立第一方程，所述第一方程用于描述所述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布與所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；采用預(yù)設(shè)求解方法對(duì)所述第一方程進(jìn)行求解處理，以得到所述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布，所述最終重建目標(biāo)分布用于描述所述待成像物體的熒光分子探針斷層成像的三維重建結(jié)果。

本發(fā)明實(shí)施例提供的圖像處理方法及系統(tǒng)采用CW-FMT單模態(tài)成像完成在待成像物體體內(nèi)的熒光分子探針的三維空間分布的重建，而無需借助其他成像模態(tài)提供的輔助先驗(yàn)信息。因而大大降低了成像系統(tǒng)的成本和技術(shù)復(fù)雜度，且避免了其他成像模態(tài)帶來的電離輻射等危害。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將變得更加明顯。附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)通常代表相同部件或步驟。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理方法的流程示意圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理方法的流程示意圖；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理方法的流程示意圖；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理裝置的示意性結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為了使得本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更為明顯，下面將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是本發(fā)明的全部實(shí)施例，應(yīng)理解，本發(fā)明不受這里描述的示例實(shí)施例的限制?；诒景l(fā)明中描述的本發(fā)明實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下所得到的所有其它實(shí)施例都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

為了解決上文所述的問題，本發(fā)明實(shí)施例提出一種圖像處理方法及系統(tǒng)，可以采用CW-FMT單模態(tài)成像完成在待成像物體體內(nèi)的熒光分子探針的三維空間分布的重建。

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的圖形處理方法及系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠清楚、準(zhǔn)確地理解本發(fā)明的技術(shù)方案。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種圖像處理系統(tǒng)，可以包括氙燈光源1、光纖2、激發(fā)光濾光片3、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4、熒光濾光片5、CCD相機(jī)6和計(jì)算機(jī)7。

其中，氙燈光源1、光纖2和激發(fā)光濾光片3形成激發(fā)光發(fā)射裝置，氙燈光源1發(fā)射激發(fā)光，且激發(fā)光通過光纖2和激發(fā)光濾光片3傳輸至電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4，以照射電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4上的待成像物體8。在激發(fā)光的照射下，待成像物體8內(nèi)部熒光分子探針被激發(fā)，發(fā)射出的熒光信號(hào)并通過熒光濾光片5被CCD相機(jī)6接收，使CCD相機(jī)6采集到熒光二維圖像數(shù)據(jù)。CCD相機(jī)6將采集到的熒光二維圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)7。計(jì)算機(jī)7將對(duì)熒光二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)待成像物體體內(nèi)熒光分子探針的三維空間分布的重建。

基于上述實(shí)施例中圖像處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于上述圖像處理系統(tǒng)的圖像處理方法。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理方法的流程示意圖。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種圖像處理方法，該方法可以包括如下步驟：

步驟210，針對(duì)待成像物體，采集多幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)。

在對(duì)待成像物體進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集之前，可以將熒光分子探針(或熒光染料標(biāo)記物)注射至待成像物體內(nèi)，并將待成像物體固定于電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4。氙燈光源1發(fā)射激發(fā)光，通過光纖2傳輸至激發(fā)光濾光片3，激發(fā)光濾光片3可以吸收激發(fā)光中的部分波段的光，使熒光分子探針的激發(fā)光譜波段的光通過。同理地，待成像物體的熒光分子探針被激發(fā)發(fā)射熒光信號(hào)，熒光信號(hào)通過熒光濾光片5，經(jīng)熒光濾光片5濾波后使熒光分子探針的發(fā)射光譜波段的光通過，進(jìn)而被CCD相機(jī)采集待成像物體體內(nèi)的熒光二維圖像數(shù)據(jù)。

在本步驟中，示例性地，多幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)可以包括采集的360度等間隔多角度的熒光信號(hào)。作為一個(gè)示例，可以以10°為采集間隔，采集共計(jì)36個(gè)角度的熒光二維圖像數(shù)據(jù)。作為另一個(gè)示例，可以以15°為采集間隔，采集共計(jì)24個(gè)角度的熒光二維圖像數(shù)據(jù)。采集的圖像數(shù)據(jù)越多，三維空間分布的重建精度越高，而計(jì)算量也會(huì)越大，在本發(fā)明實(shí)施例中，采集24幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)為優(yōu)選實(shí)施例，既能保障較高的重建精度，又節(jié)省了計(jì)算成本。可以理解的是，上述實(shí)施例僅為示例，本發(fā)明采集的圖像數(shù)據(jù)的幀數(shù)不作限制。

步驟220，以熒光二維圖像數(shù)據(jù)作為輸入，利用擴(kuò)散方程理論建立第一方程，其中，第一方程用于描述待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布與熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在本步驟中，以熒光二維圖像數(shù)據(jù)作為輸入，利用擴(kuò)散方程(DiffusionEquation，DE)理論對(duì)熒光分子探針斷層成像的光子傳輸過程建模，以描述激發(fā)光和熒光光子探針在待成像生物組織中在吸收和散射效應(yīng)下的傳輸過程。由于擴(kuò)散方程在復(fù)雜的生物組織環(huán)境條件下難以求得解析解，因此可以采用現(xiàn)有的有限元方法對(duì)成像域進(jìn)行離散，以求解擴(kuò)散方程，示例性地，可以求解擴(kuò)散方程的格林函數(shù)，從而建立描述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布與熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的線性系統(tǒng)方程，即第一方程。其中，關(guān)于擴(kuò)散方程模型建立、擴(kuò)散方程的求解等，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參考相關(guān)技術(shù)理論即可理解，在此不再贅述。

示例性地，描述待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布與熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的線性系統(tǒng)方程可以表示為：W_(M×N)f_(N×1)＝Φ_(M×1)，其中，W_(M×N)為FMT的系統(tǒng)矩陣，f_(N×1)為待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布，Φ_(M×1)為熒光二維圖像數(shù)據(jù)。在該方程中，F(xiàn)MT的系統(tǒng)矩陣W_(M×N)的定義和求解可以參見相關(guān)技術(shù)，在此不再贅述。

步驟230，采用預(yù)設(shè)求解方法對(duì)第一方程進(jìn)行求解處理，以得到待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布，最終重建目標(biāo)分布用于描述待成像物體的熒光分子探針斷層成像的三維重建結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，對(duì)第一方程進(jìn)行求解，以解得待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布。示例性地，步驟230可以包括如下a-d四個(gè)步驟：

步驟a：針對(duì)第一方程，采用吉洪諾夫正則化方法構(gòu)造第一反問題目標(biāo)函數(shù)。

在本步驟中，針對(duì)第一方程，采用吉洪諾夫正則化方法構(gòu)造第一反問題目標(biāo)函數(shù)，通過最優(yōu)化方法求解第一反問題目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，以作為待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布。示例性地，采用吉洪諾夫正則化方法構(gòu)造第一反問題目標(biāo)函數(shù)為：

f_λ＝argmin{||Wf-Φ_f||₂+λ||f||₂}..............................(1)

其中，λ是正則化參數(shù)，且λ≥0，f為待求解的熒光分子探針的目標(biāo)分布，W為FMT的系統(tǒng)矩陣，Φ_f為熒光二維圖像數(shù)據(jù)。

步驟b：通過最優(yōu)化方法求解第一反問題目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，以作為待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布。

例如，通過如下公式求解式采用最優(yōu)化迭代求解方法求解式(1)：

其中，f_k為第k次迭代的熒光分子探針的目標(biāo)分布，I為單位矩陣，W^H為W的共軛轉(zhuǎn)置，W為FMT的系統(tǒng)矩陣，k為迭代次數(shù)，r_k為第k次迭代殘差。

對(duì)式(2)進(jìn)行k次迭代后，當(dāng)滿足迭代條件時(shí)，則取得式(1)的最優(yōu)解，以作為待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布。其中，迭代條件可以是迭代次數(shù)k的取值。示例性地，k的取值范圍例如30-100。

步驟c：根據(jù)熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息，采用拉普拉斯正則化方法建立熒光分子探針斷層成像的第二反問題目標(biāo)函數(shù)。

在本步驟中，針對(duì)步驟b中得到的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息，可以通過如下公式確定拉普拉斯矩陣的元素：

其中，S為滿足K_i＝1，且K_j＝1元素的個(gè)數(shù)。進(jìn)一步地，基于拉普拉斯矩陣建立如下函數(shù)，以作為熒光分子探針斷層成像(即熒光分子探針的三維重建結(jié)果)的第二反問題目標(biāo)函數(shù)：

f_λ＝argmin{||Wf-Φ_f||₂+λ||L_nf||₂}................................(4)

其中，L_n為所述拉普拉斯矩陣，其中的元素值由式(3)確定，W為系統(tǒng)矩陣，f為待求解的熒光分子探針的目標(biāo)分布，Φ_f為待成像物體的熒光分子探針的熒光二維圖像數(shù)據(jù)，λ是正則化參數(shù)，且λ≥0。

步驟d：迭代地求解第二反問題目標(biāo)函數(shù)，得到第二反問題目標(biāo)函數(shù)的解，以作為待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布。

在本步驟中，對(duì)步驟c中建立的第二反問題目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，在本步驟中可以根據(jù)拉普拉斯正則化方法，通過如下公式對(duì)第二反問題目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，以求解第二反問題目標(biāo)函數(shù)：

其中，L為拉普拉斯矩陣，W為系統(tǒng)矩陣，f_k為第k次迭代的熒光分子探針的目標(biāo)分布，Φ_f為熒光二維圖像數(shù)據(jù)，λ是正則化參數(shù)，且λ≥0，W^H為W的共軛轉(zhuǎn)置，L^H為L(zhǎng)的共軛轉(zhuǎn)置，k為迭代次數(shù)，r_k為第k次迭代殘差。其中，拉普拉斯矩陣(自先驗(yàn)信息矩陣)L可以對(duì)本次重建過程進(jìn)行約束。

根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，針對(duì)步驟d求解第二反問題目標(biāo)函數(shù)，得到第二反問題目標(biāo)函數(shù)的解。示例性地，步驟d直到滿足迭代終止條件停止迭代計(jì)算。示例性地，迭代終止條件可以例如是預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)、例如還可以是第i次迭代計(jì)算求得的解(f_i)與第i-1次迭代計(jì)算求得的解(f_i-1)的差值(f_i-f_i-1)小于預(yù)設(shè)差值閾值。示例性地，迭代次數(shù)的取值范圍例如可以為30-100，預(yù)設(shè)差值閾值的取值范圍例如可以為1/10000至1/100。迭代終止條件在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定或設(shè)計(jì)其他方法獲得，本發(fā)明在此不做限定。

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，采用CW-FMT單模態(tài)成像完成在待成像物體體內(nèi)的熒光分子探針的三維空間分布的重建，無需借助其他成像模態(tài)提供的輔助先驗(yàn)信息，大大降低了成像系統(tǒng)的成本和技術(shù)復(fù)雜度，且避免了其他成像模態(tài)帶來的電離輻射等危害。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理方法的流程示意圖。

如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種圖像處理方法，該方法可以包括如下步驟：

步驟310，針對(duì)待成像物體，采集多幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)。

本步驟與圖2所示實(shí)施例中的步驟210的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)效果均一致，為了簡(jiǎn)潔在此不再贅述。

步驟320，以所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)作為輸入，利用擴(kuò)散方程理論建立第一方程，所述第一方程用于描述所述待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布與所述熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

步驟320實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)效果可以參見圖2所示實(shí)施例中的步驟220的詳細(xì)技術(shù)方案，為了簡(jiǎn)潔在此不再贅述。

步驟330，針對(duì)第一方程，采用吉洪諾夫正則化方法構(gòu)造第一反問題目標(biāo)函數(shù)。

步驟340，通過最優(yōu)化方法求解第一反問題目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，以作為待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布。

其中，步驟330和步驟340的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)效果可以參見圖2所示實(shí)施例中的步驟230的a-b兩個(gè)步驟的詳細(xì)技術(shù)方案，為了簡(jiǎn)潔在此不再贅述。

步驟350，對(duì)待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得到初步重建目標(biāo)分布的空間-頻率-能量譜。

在步驟340得到的待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布是

一維形式空間序列，在本步驟中，對(duì)該空間序列進(jìn)行STFT(短時(shí)傅里葉變換)，得到該空間序列的空間-頻率-能量譜。示例性地，通過如下公式對(duì)該空間序列進(jìn)行STFT(短時(shí)傅里葉變換)：

其中，ω_k為圓周率，g為時(shí)移窗函數(shù)，T為時(shí)移間距，M為窗函數(shù)寬度，f為待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布(一維形式空間序列)。

進(jìn)一步地，對(duì)式(6)兩邊分別取幅度的二次方，即得到待成像物體的熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布(一維形式空間序列)的空間-頻率-能量譜，如下式：

步驟360，判斷初步重建目標(biāo)分布的空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量是否高于預(yù)設(shè)能量閾值。若是，執(zhí)行步驟370。

在本步驟中，可以預(yù)先設(shè)定能量閾值，將空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量與該預(yù)設(shè)能量閾值進(jìn)行比較，以確定空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量是否高于預(yù)設(shè)能量閾值。如果確定空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量高于預(yù)設(shè)能量閾值，則執(zhí)行步驟370。

步驟370，將初步重建目標(biāo)分布的對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的空間位置信息確定為初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息。

在本步驟中，可以將在步驟360中確定的空間-頻率-能量譜中高于預(yù)設(shè)能量閾值的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信息確定為初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息。示例性地，當(dāng)確定初步重建目標(biāo)分布的空間-頻率-能量譜中的任一點(diǎn)的能量高于預(yù)設(shè)能量閾值時(shí)，在空間-頻率-能量譜查找到該點(diǎn)的位置，將空間-頻率-能量譜中高于或者等于預(yù)設(shè)能量閾值的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間位置標(biāo)記為1，而低于預(yù)設(shè)能量閾值的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間位置標(biāo)記為0，以得到二值化自先驗(yàn)矩陣，二值化自先驗(yàn)矩陣包括初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息。其中二值化自先驗(yàn)矩陣K_i可以表示如下：

應(yīng)用上述實(shí)施例，結(jié)合空間-頻率兩個(gè)部分的信息，與傳統(tǒng)方法單純考慮空間域或頻率域的信息相比，能夠提取出更準(zhǔn)確的自先驗(yàn)信息以引導(dǎo)后續(xù)的重建過程，提高重建結(jié)果的準(zhǔn)確性。

步驟380，根據(jù)熒光分子探針的初步重建目標(biāo)分布的自先驗(yàn)信息，采用正則化方法建立熒光分子探針斷層成像的第二反問題目標(biāo)函數(shù)。

本步驟與圖2所示實(shí)施例中的步驟230中的子步驟c的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)效果均一致，為了簡(jiǎn)潔在此不再贅述。

步驟390，迭代地求解第二反問題目標(biāo)函數(shù)，得到第二反問題目標(biāo)函數(shù)的解，以作為待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布，最終重建目標(biāo)分布用于描述待成像物體的熒光分子探針斷層成像的三維重建結(jié)果。

本步驟與圖2所示實(shí)施例中的步驟230的子步驟d的實(shí)現(xiàn)原理、實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)效果均一致，為了簡(jiǎn)潔在此不再贅述。

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例，采用CW-FMT單模態(tài)成像完成在待成像物體體內(nèi)的熒光分子探針的三維空間分布的重建，無需借助其他成像模態(tài)提供的輔助先驗(yàn)信息，大大降低了成像系統(tǒng)的成本和技術(shù)復(fù)雜度，且避免了其他成像模態(tài)帶來的電離輻射等危害。

另一方面，應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例可以自主產(chǎn)生先驗(yàn)信息，對(duì)于非稀疏熒光目標(biāo)(如生物體器官)的重建具有更準(zhǔn)確的定位性能。

此外，本發(fā)明實(shí)施例結(jié)合空間-頻率兩個(gè)部分的信息，與傳統(tǒng)方法單純考慮空間域或頻率域的信息相比，能夠提取出更準(zhǔn)確的自先驗(yàn)信息以引導(dǎo)后續(xù)的重建過程，提高重建結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理方法的流程示意圖。

如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種圖像處理方法，該方法除了包括如圖2中所示的步驟210至步驟230(在本實(shí)施例中為了簡(jiǎn)潔將不再對(duì)步驟210-步驟230進(jìn)行描述，具體可以參見圖2所示實(shí)施例)，還可以包括如下步驟：

步驟410，針對(duì)待成像物體，采集多幀白光二維圖像數(shù)據(jù)。

在本步驟中，氙燈光源1關(guān)閉的狀態(tài)下，啟動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4和CCD相機(jī)6，在自然光照射下，對(duì)待成像物體8進(jìn)行360°等間隔多角度的白光信號(hào)采集。作為一個(gè)示例，可以以10°為采集間隔，采集共計(jì)36個(gè)角度的熒光二維圖像數(shù)據(jù)。作為另一個(gè)示例，可以以5°為采集間隔，采集共計(jì)72個(gè)角度的白光二維圖像數(shù)據(jù)。采集的圖像數(shù)據(jù)越多，三維輪廓圖像的重建精度越高，輪廓線更清晰，而計(jì)算量也會(huì)越大，在本發(fā)明實(shí)施例中，采集72幀白光二維圖像數(shù)據(jù)為優(yōu)選實(shí)施例，既能保障較高的重建精度，又節(jié)省了計(jì)算成本?？梢岳斫獾氖牵鲜鰧?shí)施例僅為示例，本發(fā)明采集的圖像數(shù)據(jù)的幀數(shù)不作限制。

步驟420，通過邊緣檢測(cè)法提取每幀白光二維圖像數(shù)據(jù)的邊界輪廓線，得到多幀邊界輪廓線。

邊緣檢測(cè)法可以根據(jù)圖像邊界點(diǎn)的亮度值變化明顯的特提取圖像的邊界信息，以得到圖像的邊界輪廓。在本步驟中，采用邊緣檢測(cè)法提起每幀白光二維圖像中待成像物體8的邊界輪廓線，得到待成像物體8的多幀邊界輪廓線圖像，例如，得到待成像物體8的72幀邊界輪廓線圖像，它們可以代表待成像物體8的不同角度的投影輪廓線。

步驟430，基于多幀邊界輪廓線，采用濾波反投影方法確定待成像物體的三維輪廓圖像。

在本步驟中對(duì)步驟420提取到的每一幀邊界輪廓線圖像均采用濾波反投影方法依次進(jìn)行反投影得到待成像物體8的三維輪廓圖像。其中，濾波反投影方法用于從多角度的投影二維圖像中計(jì)算出幾何體的三維結(jié)構(gòu)圖像。

步驟440，將待成像物體的三維輪廓圖像與待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布進(jìn)行融合，得到熒光分子探針在待成像物體的三維輪廓圖像的分布圖像。

在本步驟中，將步驟230中得到的待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布圖像與步驟430中得到的待成像物體的三維輪廓圖像進(jìn)行融合(或者疊加)，得到熒光分子探針在待成像物體的三維輪廓圖像的分布圖像。其中，熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布圖像與待成像物體的三維輪廓圖像的融合可以采用現(xiàn)有或未來開發(fā)的相關(guān)圖像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明不作限制。

應(yīng)用本發(fā)明上述實(shí)施例，可以在待成像物體的三維輪廓圖像中清晰地顯示熒光分子探針的三維空間分布，通過查看和分析熒光分子探針在待成像物體的三維輪廓圖像的分布圖像，可以對(duì)待成像物體的進(jìn)行病理分析，且能夠準(zhǔn)確定位出現(xiàn)病變的部位。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種圖像處理裝置的示意性結(jié)構(gòu)框圖。

如圖5所示，一種圖像處理裝置500可以應(yīng)用于圖1所示的圖像處理系統(tǒng)中，該裝置500可以包括采集單元501、方程建立單元502、計(jì)算求解單元503。

采集單元501被配置為針對(duì)待成像物體采集多幀熒光二維圖像數(shù)據(jù)。采集單元501可以設(shè)置在圖像處理系統(tǒng)中的CCD相機(jī)6上。

方程建立單元502被配置為以熒光二維圖像數(shù)據(jù)作為輸入，利用擴(kuò)散方程理論建立第一方程，第一方程用于描述待成像物體的熒光分子探針的真實(shí)目標(biāo)分布與熒光二維圖像數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。方程建立單元502可以配置在圖像處理系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)7上。

計(jì)算求解單元503被配置為采用預(yù)設(shè)求解方法對(duì)所述第一方程進(jìn)行求解處理，以得到所述待成像物體的熒光分子探針的最終重建目標(biāo)分布，所述最終重建目標(biāo)分布用于描述所述待成像物體的熒光分子探針斷層成像的三維重建結(jié)果。計(jì)算求解單元503可以配置在圖像處理系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)7上。

應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例提供的圖像處理裝置，采用CW-FMT單模態(tài)成像完成在待成像物體體內(nèi)的熒光分子探針的三維空間分布的重建，無需借助其他成像模態(tài)提供的輔助先驗(yàn)信息，大大降低了成像系統(tǒng)的成本和技術(shù)復(fù)雜度，且避免了其他成像模態(tài)帶來的電離輻射等危害。

盡管本文已經(jīng)參考附圖描述了示例實(shí)施例，應(yīng)理解上述示例實(shí)施例僅僅是示例性的，并且不意圖將本發(fā)明的范圍限制于此。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在其中進(jìn)行各種改變和修改，而不偏離本發(fā)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(quán)利要求所要求的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)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(jì)算機(jī)軟件和電子硬件的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計(jì)約束條件。專業(yè)技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來使用不同方法來實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

在本申請(qǐng)所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的設(shè)備和方法，可以通過其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的設(shè)備實(shí)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(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)設(shè)備，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。

在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細(xì)節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對(duì)本說明書的理解。

類似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡(jiǎn)本發(fā)明并幫助理解各個(gè)發(fā)明方面中的一個(gè)或多個(gè)，在對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的各個(gè)特征有時(shí)被一起分組到單個(gè)實(shí)施例、圖、或者對(duì)其的描述中。然而，并不應(yīng)將該本發(fā)明的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護(hù)的本發(fā)明要求比在每個(gè)權(quán)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(yīng)的權(quán)利要求書所反映的那樣，其發(fā)明點(diǎn)在于可以用少于某個(gè)公開的單個(gè)實(shí)施例的所有特征的特征來解決相應(yīng)的技術(shù)問題。因此，遵循具體實(shí)施方式的權(quán)利要求書由此明確地并入該具體實(shí)施方式，其中每個(gè)權(quán)利要求本身都作為本發(fā)明的單獨(dú)實(shí)施例。

本領(lǐng)域的技術(shù)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(duì)本說明書(包括伴隨的權(quán)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(shè)備的所有過程或單元進(jìn)行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的每個(gè)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(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，盡管在此所述的一些實(shí)施例包括其它實(shí)施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實(shí)施例的特征的組合意味著處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)并且形成不同的實(shí)施例。例如，在權(quán)利要求書中，所要求保護(hù)的實(shí)施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。

本發(fā)明的各個(gè)部件實(shí)施例可以以硬件實(shí)現(xiàn)，或者以在一個(gè)或者多個(gè)處理器上運(yùn)行的軟件模塊實(shí)現(xiàn)，或者以它們的組合實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在實(shí)踐中使用微處理器或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的導(dǎo)線懸掛點(diǎn)定位裝置中的一些模塊的一些或者全部功能。本發(fā)明還可以實(shí)現(xiàn)為用于執(zhí)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(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)。這樣的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的程序可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，或者可以具有一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)的形式。這樣的信號(hào)可以從因特網(wǎng)網(wǎng)站上下載得到，或者在載體信號(hào)上提供，或者以任何其他形式提供。

應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對(duì)權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的組件或步驟。位于組件之前的單詞“一”或“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的組件。本發(fā)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(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個(gè)可以是通過同一個(gè)硬件項(xiàng)來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式或?qū)唧w實(shí)施方式的說明，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。