光子密度波散射的優(yōu)化反演算法研究.pdf

1、當(dāng)前，利用擴(kuò)散光子密度波理論對(duì)多散射介質(zhì)(如生物組織)進(jìn)行光學(xué)成像的研究已經(jīng)逐漸成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。當(dāng)生物組織中有異常體(如腫瘤)存在時(shí)，穿過(guò)生物組織的擴(kuò)散光子密度波會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，從而通過(guò)測(cè)定擴(kuò)散光子密度波宏觀量(如光通量)的改變，借助特定光子傳輸模型下的計(jì)算式進(jìn)行反演，就可實(shí)現(xiàn)異常體的探測(cè)。組織體的多散射特性使得反演問(wèn)題的研究，特別是三維反演問(wèn)題的研究成為一個(gè)值得研究的課題。首先利用給定的人體前臂組織的典型光學(xué)參數(shù)，對(duì)生物組織成像進(jìn)

2、行了模擬研究。模擬計(jì)算表明：異常體的位置、尺寸和吸收系數(shù)改變量對(duì)光通量的影響顯著。這些模擬結(jié)果為反演算法的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。反演問(wèn)題可以通過(guò)極小化模型解與測(cè)量值之間的誤差以得到滿(mǎn)足測(cè)量值要求的光學(xué)參數(shù)分布。上述問(wèn)題實(shí)質(zhì)是一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題。為此，構(gòu)建了不同反演情況的優(yōu)化模型。對(duì)于反演優(yōu)化問(wèn)題，原則上可應(yīng)用現(xiàn)有的許多優(yōu)化方法，但考慮到一般計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量和運(yùn)算速度的限制以及正問(wèn)題求解的復(fù)雜性，選擇算法時(shí)應(yīng)盡量滿(mǎn)足以下兩個(gè)要求：1)避免正向算子

3、各階導(dǎo)數(shù)的計(jì)算與存儲(chǔ)；2)盡量減少正問(wèn)題的求解次數(shù)。因此，本文提出并研究了用于解決反演問(wèn)題的改進(jìn)和聲搜索算法(HS)。該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并可很容易地加入約束條件，不需要線(xiàn)性搜索，可避免過(guò)多地求解正問(wèn)題而降低運(yùn)算速度。針對(duì)傳統(tǒng)HS難以確定記憶庫(kù)取值概率和音調(diào)調(diào)節(jié)率最佳值及計(jì)算量大、易早熟等缺點(diǎn)，提出的改進(jìn)HS可以較高的效率和精度解決此類(lèi)反演問(wèn)題。結(jié)合三維組織體的散射模型，比較了傳統(tǒng)HS和改進(jìn)HS進(jìn)行反演分析的結(jié)果與效率。結(jié)果表明，利用HS進(jìn)