有限角度扫描方式下高性能光声成像图像重建方法研究

Photoacoustic imaging is a novel and fast-developing biomedical imaging technique. For its advantages of high-contrast and non-invasive, it has great potentials in many medical applications. The image reconstruction method at the present stage requires full-view sampled data. While in the practical situation, the full-view scanning is often unavailable because of the restraint of the body shape or the firmware. So it is necessary to develop an image reconstruction method effective in limited-view scanning, which is to be investigated in this project. Based on the physical principle of photoacoustic imaging, the relationship between the signals in different sampling angles is analyzed, and the estimation method to the unsampled signal is investigated. Meanwhile, the reconstruction algorithm will be proposed for a less reliability to the data information. The ability of the method in keeping edge information and depressing artificial is going to be studied in the limited-view scanning situation. Besides, it is planed to utilize the linear transducer array to collect ultrasound signals, and establish a more practical photoacoustic imaging modality. Moreover, the planar scanning will be carried out by using the linear transducer array to investigate the solution of 3D photoacoustic imaging. In this project, we aim to break through the limit of scanning angle of photoacoustic imaging, develop the high-performance image reconstruction method to enhance the practicability of photoacoustic imaging, and provide a solution for the clinic use of the photoacoustic imaging.

光声成像是一种新型的快速发展的生物医学成像技术，因对比度高、无损等优点，拥有广阔的医学应用前景。目前的光声图像重建技术需要在采集全角度信号的基础上进行重建，而在实际情况中，由于人体体形或硬件水平的限制，难以获得全角度的信号，故需进行有限角度扫描基础上的图像重建，本项目即对该问题展开研究。项目拟从物理理论出发，分析各扫描角度上信号间的相互关系，并利用此关系建立起未采样角度上信号的估计方法。同时对重建算法展开研究，降低其对数据信息的依赖性，并研究如何在有限角度扫描的情况下，保持重建图像边缘并且消除图像伪影的方法。此外，还将采用线阵换能器阵列来采集光声信号，实现更适合临床使用的光声成像平台；并进一步采用线阵换能器阵列作面扫描，探索实现三维光声成像的实验方案。本项目旨在突破光声成像信号采样角度的限制，开发高性能的图像重建方法以提高光声成像的实用性，为其在临床上的使用提供相应的技术支持。

有限角度扫描方式下光声成像图像重建方法的研究，是光声成像的重要研究方向，对于提高光声成像的实用性具有重要的理论意义。.本项目围绕光声成像各扫描角度信号间的联系及未扫描角度上光声信号的估计、有限角度扫描情况下光声成像的图像重建方法、基于实验平台和应用需求进行所提出方法的实验研究三个方面开展研究工作，取得的主要研究成果有：先后提出基于图像块稀疏系数的光声成像图像重建算法和基于Barzilai-Borwein梯度下降法的光声成像迭代收敛算法，加快了光声成像图像重建迭代算法的收敛速度，在保证成像质量的前提下降低了图像重建的计算时间；先后提出基于广义全变分参数的光声成像图像重建方法和基于自适应方向全变分参数的光声成像图像重建方法，通过充分利用重建图像和光声信号的关系，提升了重建图像的精度；提出了有限角度扫描下基于分割区域增强的光声成像图像重建方法，在直线扫描和有限角度圆周扫描情况下均能有效补偿缺失角度的信息，从而获得高性能的光声图像；提出了基于Gerchberg-Papoulis外推补偿的全变分光声成像图像重建方法，利用已知信号对未知信号进行估计，通过对缺失角度信息的补偿，有效抑制因信息缺失造成的图像伪影，在有限角度扫描情况下获得高性能的光声图像。以上方法得到计算机仿真实验和仿体实验的验证。.项目发表了标注基金号的期刊论文20篇，其中被SCI检索14篇，被EI检索(含同时被SCI检索)12篇；会议论文1篇，被EI检索。项目执行期间，项目负责人获得2016年上海市自然科学三等奖，申请、授权发明专利各2项；培养博士生5名、硕士生11名。.项目研究的光声成像重建方法已发表相应的SCI期刊论文，部分实时性好的方法有望应用于生物光声成像仪器中，对于生物医学光声成像方法的发展具有理论意义和应用前景。