【摘要】：光聲成像是一種新型的無(wú)損醫(yī)學(xué)影像技術(shù),它結(jié)合了光學(xué)成像高對(duì)比和超聲成像高分辨率的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)課題。光聲成像利用脈沖激光作為激勵(lì)源,應(yīng)用超聲換能器接收光聲信號(hào),采用圖像重建算法計(jì)算出組織內(nèi)部的光吸收分布圖像。圖像重建是光聲成像的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),目前大多數(shù)研究都需要一些理想條件,如全方位掃描采集數(shù)據(jù),實(shí)用性受到限制。雖然近年來(lái)光聲成像有了很大進(jìn)展,但由于成像方法和重建模型的原因,重建結(jié)果的精度依然存在一定的問題,需要進(jìn)一步的提高。本文以有限視角光聲成像作為研究重點(diǎn),針對(duì)如何提高有限視角掃描光聲成像重建精度和收斂速度進(jìn)行了深入的研究,提出了三種新的迭代成像方法,充分考慮了有限視角數(shù)據(jù)的非完備性、有效掃描角度和生物組織吸收分布的稀疏先驗(yàn)知識(shí),提高了光聲成像的重建精度。另一方面,利用預(yù)處理技術(shù)和全變分正則化方法改善重建模型,提高了上述三種重建方法的收斂速度和穩(wěn)定性。本文的工作主要包括如下幾個(gè)方面：1.發(fā)展了單元旋轉(zhuǎn)掃描光聲成像系統(tǒng),成功進(jìn)行了瓊脂仿體、離體生物組織和小鼠腦部血管結(jié)構(gòu)的光聲成像；建立了光聲成像的計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái),為有限視角光聲成像研究提供了重要的數(shù)據(jù)來(lái)源和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.提出了聯(lián)合代數(shù)迭代濾波反投影重建方法,減少了由于投影數(shù)據(jù)不完備引起的偽影和畸變,大大改善了有限視角光聲成像的重建質(zhì)量；利用共軛梯度預(yù)處理技術(shù)降低了有限視角光聲成像方程的病態(tài)性,將高維的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一維向量的優(yōu)化問題,有效減少了算法的迭代次數(shù)和重建時(shí)間。3.提出了迭代自適應(yīng)加權(quán)的重建方法,基于有效掃描角度加權(quán)的反投影重建模型,在迭代過程中用重建圖像對(duì)計(jì)算投影信號(hào)加權(quán),保證了圖像殘差逐步變�。挥谜齽t化提高重建圖像的收斂速度和穩(wěn)定性,每次迭代完成誤差圖像更新和正則化圖像更新,僅用5次迭代就得到光聲圖像。4.提出了交替方向法的重建方法,基于壓縮感知理論和L1范數(shù)優(yōu)化技術(shù),將光聲圖像的稀疏先驗(yàn)信息融入到重建過程中,有效消除了濾波反投影方法的重建偽影,用少量光聲信號(hào)就能重建高分辨率的光聲圖像；在重建模型中考慮重建圖像的全變分,實(shí)驗(yàn)表明該方法能有效避免噪聲干擾,用少量的信號(hào)數(shù)據(jù)就能精確地重建光聲圖像。
【圖文】：

人們期待一種能夠在無(wú)福射危害的前提下，獲得穿透深度、分辨率、逡逑對(duì)比度、靈敏度和特異性都好的生物組織成像新方法，光聲成像（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ逡逑Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＰＡＴ）就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。圖１．１顯示了不同成像模態(tài)的對(duì)比，逡逑和傳統(tǒng)的ＣＴ、和ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ相比，光聲成像具有無(wú)損的優(yōu)勢(shì)，和ＭＲＩ相比，光逡逑聲成像具有造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，和純超聲成像和純光學(xué)成像相比，光聲成像具有結(jié)構(gòu)逡逑成像和功能成像的雙重功能。逡逑＾￣￣＼逡逑ｆ邋Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ邋ＸＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｋ／邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｉｍａｇｉｎｇ邋＼逡逑l捇嵩櫻汕懾危掊危榭杉宄桑玨澹赍義蠠a屆單邐）逡逑＼逡逑——邐——＞逡逑結(jié)構(gòu)成像邐功能成ｆｔ逡逑圖１．１不同成像模態(tài)的對(duì)比逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｍｏｄａｌｉｔｉｅｓ逡逑１．３光聲成像技術(shù)逡逑光聲成像是指利用光聲效應(yīng)獲取物體二維斷層圖像或者王維立體圖像的一種逡逑新興成像技術(shù)Ｐ－ｙ。１８８０年，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ邋Ｇｒａｈａｍ邋Ｂｅｌｌ發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)【７］，描述的是逡逑物質(zhì)在周期性變化的電磁波照射下產(chǎn)生聲波的現(xiàn)象，如圖１．２所示。然而，直到逡逑２０世紀(jì)６０－７０年代，隨著微信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代激光器技術(shù)的問世，光聲效應(yīng)才逡逑開始廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域２０世紀(jì)８０年代，光聲效應(yīng)逡逑被引入到生物組織成像領(lǐng)域ｔＷ，由于生物體內(nèi)血液、黑色素和外源造影劑等光吸逡逑收物質(zhì)吸收電磁波能量熱脹冷縮而產(chǎn)生應(yīng)力

人們期待一種能夠在無(wú)福射危害的前提下，獲得穿透深度、分辨率、逡逑對(duì)比度、靈敏度和特異性都好的生物組織成像新方法，光聲成像（Ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ逡逑Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，邋ＰＡＴ）就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。圖１．１顯示了不同成像模態(tài)的對(duì)比，逡逑和傳統(tǒng)的ＣＴ、和ＰＥＴ／ＳＰＥＣＴ相比，光聲成像具有無(wú)損的優(yōu)勢(shì)，和ＭＲＩ相比，光逡逑聲成像具有造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，和純超聲成像和純光學(xué)成像相比，，光聲成像具有結(jié)構(gòu)逡逑成像和功能成像的雙重功能。逡逑＾￣￣＼逡逑ｆ邋Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ邋ＸＰｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｋ／邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｉｍａｇｉｎｇ邋＼逡逑l捇嵩櫻汕懾危掊危榭杉宄桑玨澹赍義蠠a屆單邐）逡逑＼逡逑——邐——＞逡逑結(jié)構(gòu)成像邐功能成ｆｔ逡逑圖１．１不同成像模態(tài)的對(duì)比逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｍｏｄａｌｉｔｉｅｓ逡逑１．３光聲成像技術(shù)逡逑光聲成像是指利用光聲效應(yīng)獲取物體二維斷層圖像或者王維立體圖像的一種逡逑新興成像技術(shù)Ｐ－ｙ。１８８０年，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ邋Ｇｒａｈａｍ邋Ｂｅｌｌ發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)【７］，描述的是逡逑物質(zhì)在周期性變化的電磁波照射下產(chǎn)生聲波的現(xiàn)象，如圖１．２所示。然而，直到逡逑２０世紀(jì)６０－７０年代，隨著微信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)代激光器技術(shù)的問世，光聲效應(yīng)才逡逑開始廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域２０世紀(jì)８０年代，光聲效應(yīng)逡逑被引入到生物組織成像領(lǐng)域ｔＷ，由于生物體內(nèi)血液、黑色素和外源造影劑等光吸逡逑收物質(zhì)吸收電磁波能量熱脹冷縮而產(chǎn)生應(yīng)力
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R318;TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

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3 吳丹;陶超;劉曉峻;王學(xué)鼎;;Influence of limited-view scanning on depth imaging of photoacoustic tomography[J];Chinese Physics B;2012年01期

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本文編號(hào)：2544218