基于模型的频域光声仿真及重建

摘要

基于光声效应的光声成像技术有效融合了光学成像对比度高、对信息敏感的优点以及超声成像对深层组织空间分辨率高的优点，是目前最具发展潜力的无损成像技术，在生物医学成像、材料科学、工业检测等研究领域表现出广阔的应用前景。频域光声成像应用结构紧凑、价格低廉的连续波激光器作为激励光源，使得这种光声成像方法具有低成本、易便携等优点，近几年得到了极大的关注。然而，基于背向反投影算法的频域光声成像技术要求采集全方位的光声数据以获得精确的重建图像，这在实际的信号采集过程中将花费很长时间，并且对于乳房等特殊组织是不可实现的。针对这些不足，本文基于连续波激光器的频域光声断层成像系统，研究了一种高性能的基于模型的频域光声成像方法，力图最终实现在有限角度下快速、高质量光声成像。本文的主要工作如下： 首先，基于光声波动方程对频域光声成像前向模型进行了离散化，并在此基础上研究了正则化策略的逆向重建算法。为了提高基于模型的频域光声重建算法的精度，在不考虑外界干扰因素影响的情况下，通过仿真实验，对比分析了L曲线法和广义交叉检验正则化参数选择方法、Tikhonov和TSVD正则化逆向求解方法、离散频率分量个数以及投影位置数目对于重建图结果精度的影响。仿真结果表明，L曲线法和Tikhonov正则化逆向求解方法更适用于频域光声成像问题研究，而且频率分量和投影位置数量与重建图像质量之间基本满足线性关系，随着它们数量的增大，重建图像的质量越来越好。 其次，针对仿真研究中忽略真实实验系统噪声和测量误差等影响因素，发展了频域光声断层扫描成像实验平台，利用线性频率调制技术对连续波激光器输出的光信号进行周期调制进而辐射目标样本激发光声信号，应用真实的实验数据验证基于模型重建算法的性能。实验结果表明，与背向反投影重建算法相比，基于模型的重建算法不仅可以有效减少重建图像中的伪影问题，还可以只需应用少量的光声幅值和相位信息重建出高对比度的光学吸收分布图像，在降低实验数据采集量和采集时间的同时依然可以实现有限角度扫描、高质量光声成像。

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ABSTRACT

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究发展现状

1.2.1 光声成像系统研究概况

1.2.2 光声重建算法研究概况

1.3 本文的研究结构安排

第二章 频域光声成像原理

2.1 频域光声成像技术

2.2 光声信号产生、传播和探测

2.2.1 光声信号产生

2.2.2 光声信号传播

2.2.3 光声信号探测

2.3 背向反投影重建算法

2.4 本章小结

第三章 基于模型的频域光声重建算法

3.1 频域光声方程矩阵化

3.2 正则化逆向求解方法

3.2.1 正则化求解原理

3.2.2 正则化参数

3.3 仿真实验及分析

3.3.1 正则化参数选取方法仿真分析

3.3.2 正则化方法仿真分析

3.3.3 基于模型算法重建精度影响因素分析

3.4 本章小结

第四章 频域光声硬件系统设计及实验结果分析

4.1 频域光声成像硬件系统搭建

4.2 基于互相关处理的实验系统验证

4.2.1 互相关处理

4.2.2 实验系统验证

4.3 基于模型重建算法实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 参与科研项目