高性能光聲圖像迭代重建方法的研究.pdf

1、光聲成像是一種新型的生物醫(yī)學(xué)成像方式。相比于傳統(tǒng)的成像技術(shù)，光聲成像具有多種優(yōu)點。它反映的是組織對激光的吸收分布，比超聲成像具有更高的對比度;它采集的是超聲信號，相比于純光學(xué)成像具有更深的穿透深度;它采用的能量源是激光，屬于非電離輻射，在控制適當(dāng)?shù)哪芰糠秶鷥?nèi)，相比于X光成像等電離輻射成像技術(shù)，具有無損的優(yōu)點;同時光聲成像還具有功能成像的能力。因為這些優(yōu)點，光聲成像在生物醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景，針對該成像技術(shù)的研究具有重大的實際意義

2、。
　　光聲圖像重建方法是成像技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，圖像重建方法的好壞直接影響了光聲圖像的質(zhì)量和獲取圖像的速度。以目前圖像重建方法的研究現(xiàn)狀來看，迭代重建方法是一類使用較廣、質(zhì)量較高的重建方法，但是也存在一些問題。本論文針對迭代重建方法稀疏采樣下重建質(zhì)量下降、無法適應(yīng)多掃描模式、算法計算量大等問題展開研究，提出了具有高性能的光聲圖像重建方法，具體研究內(nèi)容包括以下幾方面。
　　提出一種基于全變分-梯度下降的光聲圖像重建方法。在光聲

3、圖像重建的過程中，引入圖像全變分方法，利用圖像全變分值較小的特征，在滿足約束條件的情況下，求取全變分值最小的圖像作為圖像重建的解。在提出的新方法中，將圖像的全變分值添加進(jìn)迭代重建的目標(biāo)函數(shù)中，通過梯度下降法來降低圖像的全變分值并完成圖像重建。計算機(jī)仿真和仿體實驗結(jié)果表明，通過引入全變分參數(shù)，本論文提出的圖像重建方法對于數(shù)據(jù)數(shù)量的依賴性明顯降低，在角度稀疏的掃描情況下，重建圖像依然能保持較高的質(zhì)量，重建的準(zhǔn)確性高于濾波反投影法、反卷積重建

4、法等其他重建方法。
　　將提出的全變分-梯度下降法拓展到多掃描模式情況，將多掃描模式的光聲圖像重建納入統(tǒng)一的計算框架中。對于不同的掃描模式，只需根據(jù)其掃描軌跡的幾何特性計算相應(yīng)的采樣矩陣，即可在同樣的框架下完成圖像重建。通過計算機(jī)仿真和仿體實驗，對全角度圓周掃描、有限角度圓周掃描、直線掃描和不規(guī)則軌跡掃描等多種模式進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明:本重建方法均是有效的，并且重建圖像質(zhì)量優(yōu)于算術(shù)重建方法、Norton法等其他迭代重建方法。

5、>　　提出一種基于極坐標(biāo)的光聲圖像重建方法。針對二維圓周掃描情況下的光聲成像，在極坐標(biāo)下建立光聲成像的前向模型，并基于此模型進(jìn)行圖像重建。該方法充分利用了掃描圓周的中心對稱性，避免了采樣矩陣的重復(fù)計算，有效地減少了計算量。通過計算機(jī)仿真和仿體實驗驗證了所提出的方法，結(jié)果表明:相比笛卡爾直角坐標(biāo)系下的圖像重建方法，極坐標(biāo)下的迭代重建方法可以獲得質(zhì)量相近的重建圖像，而計算時間卻得到了減少。
　　提出一種基于離散余弦變換的光聲圖像快速重

6、建方法。該方法建立起光聲圖像和光聲信號變量離散余弦變換系數(shù)之間的模型，并使用離散余弦變換系數(shù)來進(jìn)行光聲圖像重建。通過設(shè)置閾值，選取一小部分變換系數(shù)用于圖像重建，而這一小部分系數(shù)包含了重建所需中的絕大部分信息。通過計算復(fù)雜度的比較，表明本重建方法在理論上計算量要小于算術(shù)重建方法。通過仿真實驗，討論了方法中閡值的最優(yōu)選值。結(jié)果表明，該方法可在保持重建圖像高質(zhì)量的同時，有效提升了計算效率。仿體實驗結(jié)果的比較表明，該方法在計算效率和實用性方面相

7、比于全變分梯度下降法等其他方法具有優(yōu)越性。
　　作為圖像重建研究的基礎(chǔ)，本論文還對光聲成像的計算機(jī)仿真進(jìn)行了研究，提出了結(jié)合飛行時間法和時域有限差分法的仿真方法。通過短時傅里葉變換對飛行時間法信號的高頻部分和時域有限差分法信號的低頻部分進(jìn)行融合，獲得新的仿真信號。仿真實驗結(jié)果表明，此仿真方法相比飛行時間法更適用于介質(zhì)聲速不均勻的情況，相比時域有限差分法仿真信號的精度更高。此計算機(jī)仿真方法可為光聲圖像重建方法的研究提供穩(wěn)定可靠的信號