光聲成像的圖像重建算法研究.pdf

1、光聲成像(又稱(chēng)熱聲成像)是一種新型的無(wú)損醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。它結(jié)合了光學(xué)成像高對(duì)比度和超聲成像高分辨率的優(yōu)點(diǎn),適用于腫瘤檢測(cè)、血管成像、腦部結(jié)構(gòu)和功能成像及流速檢測(cè)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(cè)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(cè)到光聲波后,就可采用相應(yīng)的圖像重建算法計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前國(guó)際上已有不少重建算法的研究報(bào)導(dǎo),但這些算法大都

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

3、限差分法來(lái)仿真組織產(chǎn)生的光聲信號(hào)。本仿真平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)時(shí)域有限差分法進(jìn)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(shí)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(guò)程建模為一個(gè)線(xiàn)性時(shí)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(hào)構(gòu)造的一個(gè)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(jì)算出重建圖像。仿真研究驗(yàn)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(zhǔn)確性和抗

4、噪性與流行的時(shí)域重建法和濾波反投影法相當(dāng),但是速度遠(yuǎn)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(zhǔn)確性高于時(shí)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(qiáng)。
　　 本文提出一種利用光聲信號(hào)的相關(guān)性來(lái)估計(jì)聲波傳播時(shí)間的方法,并基于估計(jì)的聲波傳播時(shí)間分別修正傳統(tǒng)的時(shí)域重建法和本文提出的反卷積重建法,補(bǔ)償了組織的聲速不均勻性。這兩種修正算法均無(wú)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(shí),這兩種算法均有較高的精度,且對(duì)隨機(jī)噪聲不敏感。相比而言,修正的時(shí)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(qiáng)的實(shí)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(jìn)行小鼠胸腔的仿真研究來(lái)比較這三種模式的性能。在仿真中,對(duì)每種

6、模式都分別選用三種主流算法進(jìn)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(xiàn)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(cè)區(qū)域的高清晰圖像,應(yīng)盡可能選用側(cè)向模式進(jìn)行成像。若由于物理構(gòu)造的限制無(wú)法進(jìn)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(lái)進(jìn)行成