本文關(guān)鍵詞：生物電阻抗成像研究的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《第四軍醫(yī)大學(xué)》 2011年

基于全變差正則化的PD-IPM算法與對向驅(qū)動的等位線反投影算法的仿真對比研究

陶峰  

【摘要】：電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一種興起于20世紀(jì)80年代的成像技術(shù),在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。相對于傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像手段,EIT操作簡便、對人無創(chuàng)無害、成本低廉,能夠進行長時間的實時動態(tài)床旁監(jiān)護,有望在未來成為一種與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像手段互補的輔助臨床監(jiān)護方式。等位線反投影算法以其快速的成像速度和一定的抗噪能力而成為應(yīng)用于臨床監(jiān)護的動態(tài)EIT算法的代表,但是其本身的缺陷使得重建圖像存在較大偽影,對擾動目標(biāo)的邊界保留情況較差,不能很好地滿足醫(yī)學(xué)圖像對于空間分辨率和銳度的要求。 因此,為了解決上述問題,本文討論了一種具有良好邊界保留特性的算法——基于全變差(Total Variation, TV)正則化的PD-IPM(Primal Dual-Interior Point Method)算法。目前臨床監(jiān)護所采用算法的效果優(yōu)于等位線反投影算法,但是需要調(diào)節(jié)重構(gòu)參數(shù),而等位線反投影算法無需如此。為了更方便的對算法進行評估,本文采用最為簡單的等位線反投影算法作為對比,首先實現(xiàn)了對向驅(qū)動的等位線反投影算法,對其邊界保留的情況做了初步評估;進而根據(jù)不足,開展了具有良好邊界保留性質(zhì)的PD-IPM算法的研究;最后通過仿真實驗,以定量的評價指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn),對兩種算法的邊界保留性質(zhì)進行了全面的評估。全文大體可以分為三個部分: (1) EIT基本問題的闡述 首先介紹了EIT的生理基礎(chǔ)、基本原理和過程,隨后介紹了EIT的關(guān)鍵組成部分——圖像重構(gòu)算法,最后從數(shù)學(xué)的角度對EIT的數(shù)學(xué)模型以及正問題和逆問題進行了闡述。 (2)等位線反投影算法的回顧和PD-IPM算法的介紹 對于經(jīng)典的等位線反投影(Back Projection, BP)算法,從數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)出發(fā),介紹了反投影過程;隨后介紹了改進驅(qū)動方式為對向驅(qū)動后的BP算法并給出了關(guān)鍵部分——反投影矩陣的計算方法,最后給出了計算公式并對其邊界保留情況進行了初步的評估。對于基于TV正則化的PD-IPM算法,分別闡述了TV正則化的邊界保留特性和PD-IPM算法的推導(dǎo)過程,最后給出了基于該算法的動態(tài)EIT的迭代公式并討論了迭代次數(shù)和算法參數(shù)。 (3)仿真對比研究 以MATLAB為仿真平臺對兩種算法進行了對比研究。為了定量評價重建圖像的質(zhì)量,引入了重建質(zhì)量函數(shù)D、圖像結(jié)構(gòu)偏離度函數(shù)SSIM和邊界坡度函數(shù)G三個指標(biāo)。首先在無噪聲條件下對單擾動目標(biāo)和雙擾動目標(biāo)兩種情況分別進行了仿真對比研究。仿真結(jié)果表明,PD-IPM算法對正則化參數(shù)的選擇敏感。無論是單擾動目標(biāo)(6個成像位置)還是雙擾動目標(biāo)(4個成像位置),PD-IPM算法的重建結(jié)果均更加清晰,對于擾動目標(biāo)的邊界保留效果明顯更優(yōu),而評價指標(biāo)的比較也支持了這一結(jié)論。其次以單擾動目標(biāo)(1個成像位置)為例,對比研究了兩種算法的抗噪性能。結(jié)果表明,PD-IPM算法具有一定的抗噪能力,且在相同噪聲水平下其重建結(jié)果仍然優(yōu)于BP算法,但是對于噪聲更加敏感。 通過仿真對比可以得出結(jié)論,PD-IPM算法具有良好的邊界保留性質(zhì),同時具備一定的抗噪能力,是一種較優(yōu)的算法。有必要進行進一步的物理模型和人體實驗,從而為將該算法最終應(yīng)用于臨床監(jiān)護打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

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本文編號：214272