基于壓縮感知的醫(yī)學(xué)超聲成像算法研究.pdf

1、超聲影像是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像最重要的模態(tài)之一，被廣泛用于臨床診斷。與X光、CT、MRI等成像形態(tài)相比，超聲具有安全、方便、非介入性、成本低等優(yōu)點。當(dāng)前醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)正日趨小型化和多功能化：小型化要求通過有限體積的硬件系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)，提供高質(zhì)量超聲圖像；多功能化往往需要處理海量的超聲數(shù)據(jù)（特別是3D/4D超聲成像），兩者均對超聲系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)處理能力提出了很高的要求，采用傳統(tǒng)信息處理技術(shù)的超聲系統(tǒng)面臨設(shè)計難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問題。另一

2、方面，傳統(tǒng)的超聲成像主要基于脈沖回波原理，利用反射回波形成人體組織截面的結(jié)構(gòu)圖像，難以獲得組織的定量信息，從而需要發(fā)展新的成像技術(shù)為臨床醫(yī)生提供更多的診斷信息。壓縮感知是信息領(lǐng)域中一種新的信息獲取和重建技術(shù)，它利用信號在變換域的稀疏性和可壓縮性，突破Nyquist理論的限制，從有限的投影數(shù)據(jù)中高精度的重建原始信號。壓縮感知可以降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量，從而簡化系統(tǒng)，降低設(shè)備的復(fù)雜度和成本；同時，利用壓縮感知理論可以建立新的成像方法，為超聲成

3、像算法研究提供新的視角，具有重大的理論和實際意義。
　　本文首先對超聲成像系統(tǒng)和壓縮感知基本原理進(jìn)行介紹。對傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像方法，綜述其基本成像的原理，分析其成像算法，討論其在當(dāng)前臨床應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。對壓縮感知理論，通過對其所包含的信號稀疏性，觀測矩陣特性和重建算法等核心內(nèi)容逐一討論，分析其特征和對實際應(yīng)用的要求，并結(jié)合超聲成像設(shè)備特點和成像原理，討論這一新理論在醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域的應(yīng)用和對當(dāng)前超聲成像系統(tǒng)的影響。
　　其次研究了

4、壓縮感知對超聲反射射頻信號的恢復(fù)重建。通過對超聲射頻信號建模和特性分析，對比原始超聲射頻信號在不同變換基下的稀疏度，結(jié)合超聲設(shè)備發(fā)射接收模式，提出實際可行的且符合壓縮感知原理的采集方案，利用凸優(yōu)化算法重建原始超聲信號，并量化評比不同采樣率下的重建結(jié)果。更進(jìn)一步，我們對基于原始信號和壓縮感知重建的信號所成的B模式圖像進(jìn)行對比評價。
　　接著研究了基于壓縮感知的回波式超聲逆散射重建。傳統(tǒng)的基于脈沖回波的B模式超聲成像方式往往只能獲得人

5、體組織的截面結(jié)構(gòu)圖像，無法提供組織內(nèi)部的定量信息。在該方法中，基于傳統(tǒng)的脈沖回波式超聲成像系統(tǒng)，利用波動方程，從時域和頻域兩個角度建立逆散射模型，利用壓縮感知原理，構(gòu)建基于壓縮感知的超聲逆散射重建算法，高精度的重建空間散射目標(biāo)。
　　前面研究主要是基于反射式超聲成像模式。由于探頭加工工藝的進(jìn)步和硬件數(shù)據(jù)處理性能的提升，透射式超聲成像目前引起了廣大研究者越來越多的關(guān)注。最后，利用基于Born逼近的傅里葉衍射投影定理，建立起基于壓縮感

6、知的超聲衍射層析成像模型。通過仿真實驗，驗證了壓縮感知在重建衍射目標(biāo)的有效性。實驗結(jié)果表明，壓縮感知能夠通過有限次的稀疏投影采集，高精度的重建原始目標(biāo)。無論是從重建誤差還是結(jié)構(gòu)相似性等角度進(jìn)行衡量，基于壓縮感知的重建結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的插值算法。
　　本文基于壓縮感知理論，圍繞其在醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域的應(yīng)用展開探索性研究。利用壓縮感知的稀疏化理論，從而大幅度減少設(shè)備的數(shù)據(jù)采集量，這對實現(xiàn)實時三維B模式成像具有重要意義。此外，通過對逆散射理