有限视角光声断层成像的迭代重建算法研究

发布时间：2019-09-30 09:37

【摘要】：光声成像是一种新型的无损医学影像技术,它结合了光学成像高对比和超声成像高分辨率的优点,已经成为当今国内外研究热点课题。光声成像利用脉冲激光作为激励源,应用超声换能器接收光声信号,采用图像重建算法计算出组织内部的光吸收分布图像。图像重建是光声成像的一项关键技术,目前大多数研究都需要一些理想条件,如全方位扫描采集数据,实用性受到限制。虽然近年来光声成像有了很大进展,但由于成像方法和重建模型的原因,重建结果的精度依然存在一定的问题,需要进一步的提高。本文以有限视角光声成像作为研究重点,针对如何提高有限视角扫描光声成像重建精度和收敛速度进行了深入的研究,提出了三种新的迭代成像方法,充分考虑了有限视角数据的非完备性、有效扫描角度和生物组织吸收分布的稀疏先验知识,提高了光声成像的重建精度。另一方面,利用预处理技术和全变分正则化方法改善重建模型,提高了上述三种重建方法的收敛速度和稳定性。本文的工作主要包括如下几个方面：1.发展了单元旋转扫描光声成像系统,成功进行了琼脂仿体、离体生物组织和小鼠脑部血管结构的光声成像；建立了光声成像的计算机仿真平台,为有限视角光声成像研究提供了重要的数据来源和实验依据。2.提出了联合代数迭代滤波反投影重建方法,减少了由于投影数据不完备引起的伪影和畸变,大大改善了有限视角光声成像的重建质量；利用共轭梯度预处理技术降低了有限视角光声成像方程的病态性,将高维的优化问题转化为一维向量的优化问题,有效减少了算法的迭代次数和重建时间。3.提出了迭代自适应加权的重建方法,基于有效扫描角度加权的反投影重建模型,在迭代过程中用重建图像对计算投影信号加权,保证了图像残差逐步变小；用正则化提高重建图像的收敛速度和稳定性,每次迭代完成误差图像更新和正则化图像更新,仅用5次迭代就得到光声图像。4.提出了交替方向法的重建方法,基于压缩感知理论和L1范数优化技术,将光声图像的稀疏先验信息融入到重建过程中,有效消除了滤波反投影方法的重建伪影,用少量光声信号就能重建高分辨率的光声图像；在重建模型中考虑重建图像的全变分,实验表明该方法能有效避免噪声干扰,用少量的信号数据就能精确地重建光声图像。
【图文】：

成像,光声,光声效应

人们期待一种能够在无福射危害的前提下，获得穿透深度、分辨率、逡逑对比度、灵敏度和特异性都好的生物组织成像新方法，光声成像（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ逡逑Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＰＡＴ）就是在这样的背景下产生的。图１．１显示了不同成像模态的对比，逡逑和传统的ＣＴ、和ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ相比，光声成像具有无损的优势，和ＭＲＩ相比，光逡逑声成像具有造价低的优势，和纯超声成像和纯光学成像相比，光声成像具有结构逡逑成像和功能成像的双重功能。逡逑＾￣￣＼逡逑ｆ邋Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ邋ＸＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｋ／邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｉｍａｇｉｎｇ邋＼逡逑l捇嵩樱汕慑危掊危榭杉宄桑珏澹赍义蠠a届单逦）逡逑＼逡逑——逦——＞逡逑结构成像逦功能成ｆｔ逡逑图１．１不同成像模态的对比逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｍｏｄａｌｉｔｉｅｓ逡逑１．３光声成像技术逡逑光声成像是指利用光声效应获取物体二维断层图像或者王维立体图像的一种逡逑新兴成像技术Ｐ－ｙ。１８８０年，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ邋Ｇｒａｈａｍ邋Ｂｅｌｌ发现了光声效应【７］，描述的是逡逑物质在周期性变化的电磁波照射下产生声波的现象，如图１．２所示。然而，直到逡逑２０世纪６０－７０年代，随着微信号检测技术和现代激光器技术的问世，光声效应才逡逑开始广泛地应用于物理、化学和生物医学等领域２０世纪８０年代，光声效应逡逑被引入到生物组织成像领域ｔＷ，由于生物体内血液、黑色素和外源造影剂等光吸逡逑收物质吸收电磁波能量热胀冷缩而产生应力

原理图,光声效应,原理图

人们期待一种能够在无福射危害的前提下，获得穿透深度、分辨率、逡逑对比度、灵敏度和特异性都好的生物组织成像新方法，光声成像（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ逡逑Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＰＡＴ）就是在这样的背景下产生的。图１．１显示了不同成像模态的对比，逡逑和传统的ＣＴ、和ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ相比，光声成像具有无损的优势，和ＭＲＩ相比，光逡逑声成像具有造价低的优势，和纯超声成像和纯光学成像相比，，光声成像具有结构逡逑成像和功能成像的双重功能。逡逑＾￣￣＼逡逑ｆ邋Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ邋ＸＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｋ／邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｉｍａｇｉｎｇ邋＼逡逑l捇嵩樱汕慑危掊危榭杉宄桑珏澹赍义蠠a届单逦）逡逑＼逡逑——逦——＞逡逑结构成像逦功能成ｆｔ逡逑图１．１不同成像模态的对比逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｍｏｄａｌｉｔｉｅｓ逡逑１．３光声成像技术逡逑光声成像是指利用光声效应获取物体二维断层图像或者王维立体图像的一种逡逑新兴成像技术Ｐ－ｙ。１８８０年，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ邋Ｇｒａｈａｍ邋Ｂｅｌｌ发现了光声效应【７］，描述的是逡逑物质在周期性变化的电磁波照射下产生声波的现象，如图１．２所示。然而，直到逡逑２０世纪６０－７０年代，随着微信号检测技术和现代激光器技术的问世，光声效应才逡逑开始广泛地应用于物理、化学和生物医学等领域２０世纪８０年代，光声效应逡逑被引入到生物组织成像领域ｔＷ，由于生物体内血液、黑色素和外源造影剂等光吸逡逑收物质吸收电磁波能量热胀冷缩而产生应力
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318;TP391.41

【参考文献】