基于字典学习的光声成像方法研究

发布时间：2020-07-17 20:34

【摘要】：光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是一种新型无损成像方式。它在医学影像领域兼具光学成像和超声成像的优点,具有高对比度、高分辨率、多尺度成像深度等优势。近几年来,PAI受到越来越多的关注,已经成为生物医学影像领域的研究热点之一。阵列式光声计算层析成像(Photoacoustic Computed Tomography,PACT),为保证成像质量,需要阵元密集排布,因此数据采集量大,直接制约着该种成像方式的成像速度,限制了它在对成像速度要求较高领域的应用。此外,阵元密集排布也会增加阵列制作工艺的难度,成本高。因此,降低数据采集量,提高数据采集速度具有重要的研究意义。然而,欠采样数据下,传统重建方法得到的光声图像有大量条状噪声和伪影,严重降低了成像质量。欠采样噪声具有不均匀的结构特征,且大比例欠采样下,伪影的幅值大小和形状都和血管信号比较相近,普通去噪方法难以去除该类噪声。因此,本文研究了基于字典学习的欠采样光声图像去噪方法,证明了字典学习算法在去除欠采样光声图像重建伪影方面的优越性。本文主要有三个研究内容:(1)基于传统字典学习算法(Dictionary Learning,DL)的光声图像降噪方法。该方法在保留原有信号清晰度的同时,可以去除部分幅值较小的噪声和伪影。(2)基于空间域双字典学习算法(Dual Dictionary Learning,DDL)的光声图像降噪研究。该方法产生一种双字典,其一半是经信号训练得到的含有图像特征信息的特征字典,另一半是用图像的噪声和伪影数据训练得到的含有图像噪声信息的噪声字典。去噪过程中通过把伪影部分对应的字典稀疏系数置零,可实现图像的降噪处理。这种双字典学习算法可以有效去除大部分噪声和伪影,尽可能的保留原有信号。(3)小波双字典学习算法(Wavelet based Dual Dictionary Learning,WDDL)。该种方法对小波域的不同子带均训练产生信号字典和噪声字典,并在各个子带中进行基于各自双字典的稀疏表示;然后经逆小波变换得到处理后的光声图像。与前面两种降噪方法相比,小波双字典在保留信号的同时,能够更好的去除重建伪影。为验证本文提出的光声图像降噪方法,开展了活体小鼠背部血管和人手血管成像实验,实验结果证明了双字典学习方法能够有效去除欠采样光声图像重建伪影。该研究为欠采样光声成像提供了算法支持,能够降低PACT的数据采样率和超声阵列制作成本,有效推进光声成像在各种生物医学研究领域的应用。
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP181;R318
【图文】：

光声,字典,图像,成像系统

３．３在体实验结果和结论逡逑３．３．１成像系统逡逑本文使用的系统是一种基于超声阵列的光声计算层析成像系统。系统配置如图３．２所逡逑示。该系统能够以５０Ｈｚ实时Ｂ超（Ｂ－ｓｃａｎ）成像和高速三维成像。我们的系统由可调染逡逑料激光器，３０ＭＨｚ线性超声阵列，定制的用于接收和控制的电子器件，八通道ＰＣＩ数据采逡逑集卡，多核ＰＣ，定制的光传输系统和电动直线运动控制器组成。逡逑１３逡逑

成像系统

（１）光学与光传递部分：逡逑可调染料激光器（Ｃｏｂｒａ，邋Ｓｉｒａｈ邋Ｌａｓｅｒ－ｕｎｄ邋Ｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｋ邋ＧｍｂＨ，邋Ｇｅｒｍａｎｙ）作为福照邋Ｎｄ：邋ＹＬＦ邋激光器（ＩＮＮＯＳＬＡＢｍ，Ｅｄｇｅｗａｖｅ邋ＧｍｂＨ，邋Ｇｅｒｍａｎｙ）泵入。Ｎｄ：邋ＹＬＦ邋泵浦脉冲宽度为７ｎｓ，脉冲能量为１２ｍＪ，波长为５２３ｎｍ。在Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄＮｄ：ＹＬＦ激光器中，逡逑自二极管堆栈的连续光泵浦在不影响脉冲能量的情况下，以１ｋＨｚ的速率，使外部触灵活。使用Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ６Ｇ激光染料，在染料激光器的５７０－ｎｍ波长范围内，每次脉冲冲宽度可达到２ｍＪ的峰值输出，并有４０ｎｍ的调谐范围。对于我们的成像实验，我们了邋５７０纳米的峰值波长。该波长也对应于氧和脱氧血红蛋白具有相等的摩尔消光系数吸光点。将染料激光器的输出耦合到－个０．６毫米直径的多模光纤中，并由光纤输出的光纤准直器进行准直。用超声波阵列集成的自由空间光学装置进一步引导光线（如图３．示）。用５０：５０的非偏振分束器把直径为６毫米，能量为丨．２毫焦耳的准直光束分成。两束光被反射镜反射到两个柱面透镜，并耦合到塑料板中。在实验过程中，圆柱体内充满水，并用一块薄的低密度聚乙烯（ＬＤＰＥ）密封，薄膜由０形圈固定。总共有８０光能到达薄膜表面。并且由于光纤孔径的有限，皮肤表面上的最终光学照射图案是粗的，如图３．２所示。每个照射区域的长度和宽度分别是６ｍｍ和３ｍｍ。逡逑

帧图像,背部,血管,小鼠

成像区域大小为６．４ｍｍｘ９．９６ｍｍ，共采集了邋１６６帧数据。重建过程中，每个二维逡逑图像大小约为６．４ｍｍｘｌ．６ｍｍ，离散为１２８ｘ１２８个像素点。为获取降噪所用的字典，在１６６逡逑帧图像中随机选取了邋８帧图像作为训练样本数据，本实验中用到的样本图像见图３．３。逡逑W■■■逡逑■邋■■■逡逑图３．３作为训练小鼠背部血管样本的８帧图像逡逑１５逡逑

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