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光声成像的图像重建算法研究

作　者: 张弛
导　师: 汪源源
学　校: 复旦大学
专　业: 医学电子学
关键词: 光声成像图像重建算法计算机仿真有限角度扫描声速不均匀性模式比较
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光声成像(又称热声成像)是一种新型的无损医学成像技术。它结合了光学成像高对比度和超声成像高分辨率的优点,适用于肿瘤检测、血管成像、脑部结构和功能成像及流速检测等领域。在光声成像中,先使用电磁脉冲(常用激光或微波)照射待测生物组织,组织受热膨胀后激发出光声波(超声)。超声换能器探测到光声波后,就可采用相应的图像重建算法计算出组织内部的光吸收分布图像。图像重建算法是光声成像的一项关键技术。目前国际上已有不少重建算法的研究报导,但这些算法大都需要一些理想的条件,实用性受到限制。大多数算法需要对光声信号做全角度扫描探测,而且假定待测组织内声速恒定。而实际中往往无法做到全角度扫描,而且组织内声速差异最大可达10%。本文以上述两个问题为主要研究对象,对光声成像的图像重建算法进行理论和仿真研究。本文首先建立了光声成像的计算机仿真平台,为光声成像算法研究提供了重要的分析和验证手段。仿真时先建立待测生物组织的参数模型,然后用蒙特卡罗模拟来仿真组织的光吸收分布,再用时域有限差分法来仿真组织产生的光声信号。本仿真平台对传统时域有限差分法进行了修正,使它更适合于光声成像的仿真,精度高于流行的飞行时间法。本文提出了适用于光声成像全角度和有限角度扫描下的反卷积重建算法。它将成像过程建模为一个线性时不变系统,组织的光吸收分布图像是该系统的输入,由光声信号构造的一个新函数是该系统的输出。这样采用频域反卷积方法就可计算出重建图像。仿真研究验证了算法的有效性。在全角度扫描情况下,反卷积重建法的准确性和抗噪性与流行的时域重建法和滤波反投影法相当,但是速度远快于后两种方法。在有限角度扫描情况下,反卷积重建法的准确性高于时域重建法和滤波反投影法,重建图像的边缘更清晰、伪影更少、抗噪性更强。本文提出一种利用光声信号的相关性来估计声波传播时间的方法,并基于估计的声波传播时间分别修正传统的时域重建法和本文提出的反卷积重建法,补偿了组织的声速不均匀性。这两种修正算法均无需预先知道声速分布,且可直接反向重建出图像,速度快。仿真结果表明,当声速差异低于10%时,这两种算法均有较高的精度,且对随机噪声不敏感。相比而言,修正的时域重建法的精度略高,修正的反卷积重建法的速度更快。由于生物软组织的声速差异通常低于10%,所以这两种算法具有较强的实用性,优于其它的需预先知道声速分布的迭代算法。本文最后分析和比较了三种主流的光声成像模式:前向模式、背向模式和侧向模式。先从物理构造的角度分析了三种模式的基本适用范围,然后进行小鼠胸腔的仿真研究来比较这三种模式的性能。在仿真中,对每种模式都分别选用三种主流算法进行图像重建,并分析、比较重建图像的精度和噪声特性等性质。研究表明,前向模式和背向模式适用于人体平坦区域的快速成像,且最佳成像区域处于离超声换能器扫描线适当的距离;侧向模式适用于人体突出部分的精确成像,且最佳成像区域是超声换能器扫描中心区域。如果需要得到待测区域的高清晰图像,应尽可能选用侧向模式进行成像。若由于物理构造的限制无法进行侧向模式的全角度扫描,则可采用前向模式、背向模式或侧向模式的有限角度扫描来进行成像。

光声成像的图像重建算法研究

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