光聲成像的圖像重建算法研究.pdf

1、光聲成像(又稱熱聲成像)是一種新型的無損醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。它結(jié)合了光學(xué)成像高對比度和超聲成像高分辨率的優(yōu)點,適用于腫瘤檢測、血管成像、腦部結(jié)構(gòu)和功能成像及流速檢測等領(lǐng)域。在光聲成像中,先使用電磁脈沖(常用激光或微波)照射待測生物組織,組織受熱膨脹后激發(fā)出光聲波(超聲)。超聲換能器探測到光聲波后,就可采用相應(yīng)的圖像重建算法計算出組織內(nèi)部的光吸收分布圖像。圖像重建算法是光聲成像的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前國際上已有不少重建算法的研究報導(dǎo),但這些算法大都

2、需要一些理想的條件,實用性受到限制。大多數(shù)算法需要對光聲信號做全角度掃描探測,而且假定待測組織內(nèi)聲速恒定。而實際中往往無法做到全角度掃描,而且組織內(nèi)聲速差異最大可達10％。本文以上述兩個問題為主要研究對象,對光聲成像的圖像重建算法進行理論和仿真研究。
　　 本文首先建立了光聲成像的計算機仿真平臺,為光聲成像算法研究提供了重要的分析和驗證手段。仿真時先建立待測生物組織的參數(shù)模型,然后用蒙特卡羅模擬來仿真組織的光吸收分布,再用時域有

3、限差分法來仿真組織產(chǎn)生的光聲信號。本仿真平臺對傳統(tǒng)時域有限差分法進行了修正,使它更適合于光聲成像的仿真,精度高于流行的飛行時間法。
　　 本文提出了適用于光聲成像全角度和有限角度掃描下的反卷積重建算法。它將成像過程建模為一個線性時不變系統(tǒng),組織的光吸收分布圖像是該系統(tǒng)的輸入,由光聲信號構(gòu)造的一個新函數(shù)是該系統(tǒng)的輸出。這樣采用頻域反卷積方法就可計算出重建圖像。仿真研究驗證了算法的有效性。在全角度掃描情況下,反卷積重建法的準確性和抗

4、噪性與流行的時域重建法和濾波反投影法相當(dāng),但是速度遠快于后兩種方法。在有限角度掃描情況下,反卷積重建法的準確性高于時域重建法和濾波反投影法,重建圖像的邊緣更清晰、偽影更少、抗噪性更強。
　　 本文提出一種利用光聲信號的相關(guān)性來估計聲波傳播時間的方法,并基于估計的聲波傳播時間分別修正傳統(tǒng)的時域重建法和本文提出的反卷積重建法,補償了組織的聲速不均勻性。這兩種修正算法均無需預(yù)先知道聲速分布,且可直接反向重建出圖像,速度快。仿真結(jié)果表明

5、,當(dāng)聲速差異低于10％時,這兩種算法均有較高的精度,且對隨機噪聲不敏感。相比而言,修正的時域重建法的精度略高,修正的反卷積重建法的速度更快。由于生物軟組織的聲速差異通常低于10％,所以這兩種算法具有較強的實用性,優(yōu)于其它的需預(yù)先知道聲速分布的迭代算法。本文最后分析和比較了三種主流的光聲成像模式:前向模式、背向模式和側(cè)向模式。先從物理構(gòu)造的角度分析了三種模式的基本適用范圍,然后進行小鼠胸腔的仿真研究來比較這三種模式的性能。在仿真中,對每種

6、模式都分別選用三種主流算法進行圖像重建,并分析、比較重建圖像的精度和噪聲特性等性質(zhì)。研究表明,前向模式和背向模式適用于人體平坦區(qū)域的快速成像,且最佳成像區(qū)域處于離超聲換能器掃描線適當(dāng)?shù)木嚯x;側(cè)向模式適用于人體突出部分的精確成像,且最佳成像區(qū)域是超聲換能器掃描中心區(qū)域。如果需要得到待測區(qū)域的高清晰圖像,應(yīng)盡可能選用側(cè)向模式進行成像。若由于物理構(gòu)造的限制無法進行側(cè)向模式的全角度掃描,則可采用前向模式、背向模式或側(cè)向模式的有限角度掃描來進行成