【摘要】：光聲成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是一種新型無損成像方式。它在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域兼具光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點,具有高對比度、高分辨率、多尺度成像深度等優(yōu)勢。近幾年來,PAI受到越來越多的關(guān)注,已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的研究熱點之一。陣列式光聲計算層析成像(Photoacoustic Computed Tomography,PACT),為保證成像質(zhì)量,需要陣元密集排布,因此數(shù)據(jù)采集量大,直接制約著該種成像方式的成像速度,限制了它在對成像速度要求較高領(lǐng)域的應(yīng)用。此外,陣元密集排布也會增加陣列制作工藝的難度,成本高。因此,降低數(shù)據(jù)采集量,提高數(shù)據(jù)采集速度具有重要的研究意義。然而,欠采樣數(shù)據(jù)下,傳統(tǒng)重建方法得到的光聲圖像有大量條狀噪聲和偽影,嚴(yán)重降低了成像質(zhì)量。欠采樣噪聲具有不均勻的結(jié)構(gòu)特征,且大比例欠采樣下,偽影的幅值大小和形狀都和血管信號比較相近,普通去噪方法難以去除該類噪聲。因此,本文研究了基于字典學(xué)習(xí)的欠采樣光聲圖像去噪方法,證明了字典學(xué)習(xí)算法在去除欠采樣光聲圖像重建偽影方面的優(yōu)越性。本文主要有三個研究內(nèi)容:(1)基于傳統(tǒng)字典學(xué)習(xí)算法(Dictionary Learning,DL)的光聲圖像降噪方法。該方法在保留原有信號清晰度的同時,可以去除部分幅值較小的噪聲和偽影。(2)基于空間域雙字典學(xué)習(xí)算法(Dual Dictionary Learning,DDL)的光聲圖像降噪研究。該方法產(chǎn)生一種雙字典,其一半是經(jīng)信號訓(xùn)練得到的含有圖像特征信息的特征字典,另一半是用圖像的噪聲和偽影數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的含有圖像噪聲信息的噪聲字典。去噪過程中通過把偽影部分對應(yīng)的字典稀疏系數(shù)置零,可實現(xiàn)圖像的降噪處理。這種雙字典學(xué)習(xí)算法可以有效去除大部分噪聲和偽影,盡可能的保留原有信號。(3)小波雙字典學(xué)習(xí)算法(Wavelet based Dual Dictionary Learning,WDDL)。該種方法對小波域的不同子帶均訓(xùn)練產(chǎn)生信號字典和噪聲字典,并在各個子帶中進行基于各自雙字典的稀疏表示;然后經(jīng)逆小波變換得到處理后的光聲圖像。與前面兩種降噪方法相比,小波雙字典在保留信號的同時,能夠更好的去除重建偽影。為驗證本文提出的光聲圖像降噪方法,開展了活體小鼠背部血管和人手血管成像實驗,實驗結(jié)果證明了雙字典學(xué)習(xí)方法能夠有效去除欠采樣光聲圖像重建偽影。該研究為欠采樣光聲成像提供了算法支持,能夠降低PACT的數(shù)據(jù)采樣率和超聲陣列制作成本,有效推進光聲成像在各種生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：曲阜師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP181;R318
【圖文】：

３．３在體實驗結(jié)果和結(jié)論逡逑３．３．１成像系統(tǒng)逡逑本文使用的系統(tǒng)是一種基于超聲陣列的光聲計算層析成像系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖３．２所逡逑示。該系統(tǒng)能夠以５０Ｈｚ實時Ｂ超（Ｂ－ｓｃａｎ）成像和高速三維成像。我們的系統(tǒng)由可調(diào)染逡逑料激光器，３０ＭＨｚ線性超聲陣列，定制的用于接收和控制的電子器件，八通道ＰＣＩ數(shù)據(jù)采逡逑集卡，多核ＰＣ，定制的光傳輸系統(tǒng)和電動直線運動控制器組成。逡逑１３逡逑

（１）光學(xué)與光傳遞部分：逡逑可調(diào)染料激光器（Ｃｏｂｒａ，邋Ｓｉｒａｈ邋Ｌａｓｅｒ－ｕｎｄ邋Ｐｌａｓｍａｔｅｃｈｎｉｋ邋ＧｍｂＨ，邋Ｇｅｒｍａｎｙ）作為福照邋Ｎｄ：邋ＹＬＦ邋激光器（ＩＮＮＯＳＬＡＢｍ，Ｅｄｇｅｗａｖｅ邋ＧｍｂＨ，邋Ｇｅｒｍａｎｙ）泵入。Ｎｄ：邋ＹＬＦ邋泵浦脈沖寬度為７ｎｓ，脈沖能量為１２ｍＪ，波長為５２３ｎｍ。在Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄＮｄ：ＹＬＦ激光器中，逡逑自二極管堆棧的連續(xù)光泵浦在不影響脈沖能量的情況下，以１ｋＨｚ的速率，使外部觸靈活。使用Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ６Ｇ激光染料，在染料激光器的５７０－ｎｍ波長范圍內(nèi)，每次脈沖沖寬度可達到２ｍＪ的峰值輸出，并有４０ｎｍ的調(diào)諧范圍。對于我們的成像實驗，我們了邋５７０納米的峰值波長。該波長也對應(yīng)于氧和脫氧血紅蛋白具有相等的摩爾消光系數(shù)吸光點。將染料激光器的輸出耦合到－個０．６毫米直徑的多模光纖中，并由光纖輸出的光纖準(zhǔn)直器進行準(zhǔn)直。用超聲波陣列集成的自由空間光學(xué)裝置進一步引導(dǎo)光線（如圖３．示）。用５０：５０的非偏振分束器把直徑為６毫米，能量為丨．２毫焦耳的準(zhǔn)直光束分成。兩束光被反射鏡反射到兩個柱面透鏡，并耦合到塑料板中。在實驗過程中，圓柱體內(nèi)充滿水，并用一塊薄的低密度聚乙烯（ＬＤＰＥ）密封，薄膜由０形圈固定�？偣灿校福肮饽艿竭_薄膜表面。并且由于光纖孔徑的有限，皮膚表面上的最終光學(xué)照射圖案是粗的，如圖３．２所示。每個照射區(qū)域的長度和寬度分別是６ｍｍ和３ｍｍ。逡逑

成像區(qū)域大小為６．４ｍｍｘ９．９６ｍｍ，共采集了邋１６６幀數(shù)據(jù)。重建過程中，每個二維逡逑圖像大小約為６．４ｍｍｘｌ．６ｍｍ，離散為１２８ｘ１２８個像素點。為獲取降噪所用的字典，在１６６逡逑幀圖像中隨機選取了邋８幀圖像作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，本實驗中用到的樣本圖像見圖３．３。逡逑W■■■逡逑■邋■■■逡逑圖３．３作為訓(xùn)練小鼠背部血管樣本的８幀圖像逡逑１５逡逑

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本文編號：2759907