用于近红外-II荧光分子断层扫描的多尺度结构谱正则化方法

《Optics & Laser Technology》：Multiscale structural spectrum regularization for NIR-II fluorescence molecular tomography

荧光分子断层成像（FMT）在近红外二区（NIR-II）可实现高灵敏度三维荧光成像，但受逆问题病态性和简化光传播模型影响，定量精度受限。本研究提出多尺度结构谱正则化（MSSR）框架，融合多尺度高斯加权空间关联正则化和Hessian基二阶正则化，协同增强源连续性、边缘细节保留与全局平滑性。通过MM-PCG算法高效求解优化问题，实验表明MSSR在空间定位、形态恢复及噪声鲁棒性上显著优于FISTA、IVTCG和GWNFL方法，Dice系数波动低于5%，有效提升NIR-II FMT的定量重建精度。

　　

裴子宇|杜一飞|李春兆|鲍杰|肖安琪|田亚奇|邓宇曦|郭洪波|田杰|胡振华

中国科学院自动化研究所分子成像CAS重点实验室，北京，中国

摘要

在第二近红外窗口（NIR-II）中使用的荧光分子断层扫描（FMT）能够实现对荧光探针的高灵敏度、无创的三维成像。然而，其定量精度常常受到逆问题不适定性和简化光传播模型的影响而受到影响。为了解决这些限制，本研究提出了多尺度结构谱正则化（MSSR）方法，这是一种专门为NIR-II FMT设计的新正则化框架，能够同时促进稀疏性、平滑性和结构一致性。MSSR结合了两种互补的多尺度先验：（1）多尺度高斯结构项，用于捕捉相邻区域在多个分辨率下的空间相关性，以增强源的连续性；（2）基于Hessian的多尺度正则化项，用于编码跨尺度的曲率信息，以保留高频结构细节。这种双谱策略有效地将真实的解剖特征与噪声分离出来，确保了形态的忠实性和全局的平滑性。所提出的优化问题通过使用最大化最小化预处理共轭梯度（MM-PCG）算法高效求解，该算法保证了数值稳定性和快速收敛性。数值模拟和使用正交小鼠胶质瘤模型的体内实验表明，MSSR在空间定位、形状恢复和鲁棒性方面优于其他方法，在$5$$5$?$25$%$5$$5$