费利克斯·勒卡；越南Huynh；玛尔塔·贝奇；爱德华·张；保罗·比尔德；考克斯，本；西蒙·阿里奇 通过同步运动估计增强压缩传感4D光声层析成像。 （英语） Zbl 1420.92060 SIAM J.成像科学。 11，第4期，2224-2253（2018）. 摘要：当前采用顺序扫描的高分辨率三维光声层析成像（PAT）设备的一个关键限制是其采集时间长。在之前的工作中，我们演示了如何使用压缩传感技术来改进这一点：如果使用稀疏约束的图像重建技术（如总变分正则化），则可以从新型声学扫描系统获得的适当的子采样PAT数据中获得具有良好空间分辨率和对比度的图像。现在，我们展示如何进一步提高活组织动态成像过程（4D PAT）的图像质量。其关键思想是通过将先前使用的空间图像重建模型与稀疏约束运动估计模型耦合，利用数据的额外时间冗余。虽然2D数字体模的模拟数据将用于说明这一最近开发的联合图像重建和运动估计框架的主要特性，但动态实验体模的测量数据也将用于证明其在具有挑战性、大规模、真实世界的3D场景中的潜力。后者只有在采用精心设计的定制优化方案组合时才可行，我们对此进行了更详细的描述和检验。 引用于15文件 MSC公司： 92 C55 生物医学成像和信号处理 关键词：光声层析成像；动态成像；压缩感知；同步运动估计；变分正则化 软件：k波；取消锁定BoX；美国金融服务贸易协会 PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{F.Luka}等人，SIAM J.成像科学。11，第4号，2224--2253（2018；Zbl 1420.92060） 全文： 内政部 arXiv公司 参考文献： [1] S.Arridge、P.Beard、M.Betcke、B.Cox、N.Huynh、F.Lucka、O.Ogundale和E.Zhang，{通过压缩传感加速高分辨率光声层析成像}，Phys。医学生物学。，61 (2016), 8908, . ·Zbl 1420.92060 [2] S.Arridge、M.Betcke、B.Cox、F.Lucka和B.Treeby，《关于光声层析成像中的伴随算子》，《反问题》，32（2016），115012·Zbl 1354.35165号 [3] S.R.Arridge和O.Scherzer，《耦合物理成像》，反问题，28（2012），080201。 [4] P.Beard，《生物医学光声成像》，《界面焦点》，第1期（2011年），第602-631页。 [5] A.Beck和M.Teboulle，{约束全变分图像去噪和去模糊问题的快速梯度算法}，IEEE Trans。图像处理。，18（2009），第2419-2434页·Zbl 1371.94049号 [6] Y.E.Boink、M.J.Lagerwerf、W.Steenbergen、S.A.van Gils、S.Manohar和C.Brune，《光声层析成像中定向和高阶重建的框架》，Phys。医学生物学。，63 (2018), 045018, . [7] S.Boyd、N.Parikh、E.Chu、B.Peleato和J.Eckstein，《通过交替方向乘数法进行分布式优化和统计学习》，Found。趋势马赫数。学习。，3（2011），第1-122页·Zbl 1229.90122号 [8] A.Bruhn，J.Weickert，T.Kohlberger，and C.Schno¨rr，{使用不连续保持变分方法进行实时运动计算的多重网格平台}，国际计算杂志。《愿景》，70（2006），第257-277页·Zbl 1477.68336号 [9] M.Burger、H.Dirks、L.Frerking、A.Hauptmann、T.Helin和S.Siltanen，{基于物理运动模型的欠采样动态x射线层析成像的变分重建方法}，反问题，33（2017），124008·Zbl 1381.92041号 [10] M.Burger，H.Dirks，and C.-B.Scho¨nlieb，《关节运动估计和图像重建的变分模型》，SIAM J.Imaging Sci。，11（2018），第94-128页·Zbl 1437.94009号 [11] M.Burger、A.Sawatzky和G.Steidl，《变分图像处理中的一阶算法》，摘自《通信、成像、科学和工程中的分裂方法》，R.Glowinski、S.Osher和W.Yin编辑，Springer，Cham，2016年·Zbl 1372.65053号 [12] E.Candes、J.Romberg和T.Tao，《鲁棒不确定性原理：从高度不完整的频率信息重建精确信号》，IEEE Trans。通知。《理论》，52（2006），第489-509页·Zbl 1231.94017号 [13] A.Chambolle和T.Pock，{\it凸问题的一阶原对偶算法及其在成像中的应用}，J.Math。《成像视觉》，40（2011），第120-145页·兹比尔1255.68217 [14] A.Chambolle和T.Pock，《成像连续优化导论》，《数值学报》。，25（2016），第161-319页·Zbl 1343.65064号 [15] J.Chung和L.Nguyen，{光声层析重建中的运动估计和校正}，SIAM成像科学杂志。，10（2017），第216-242页·Zbl 1364.53070号 [16] P.L.Combettes和J.-C.Pesquet，{信号处理中的近似分裂方法}，《科学与工程中反问题的定点算法》，纽约斯普林格出版社，2011年，第185-212页·Zbl 1242.90160号 [17] B.Cox、J.Laufer、S.Arridge和P.Beard，《定量光谱光声成像：综述》，J.Biomed。光学，17（2012），061202。 [18] B.T.Cox、S.Kara、S.R.Arridge和P.C.Beard，《声学非均匀介质的k空间传播模型：生物医学光声学应用》，J.Acoust。Soc.Amer.，美国。，121（2007），第3453-3464页。 [19] X.L.Dean-Ben、S.Gottschalk、B.Mc Larney、S.Shoham和D.Razansky，《体内动力学多尺度成像的先进光声方法》，《化学》。Soc.Rev.，46（2017），第2158-2198页。 [20] H.Dirks，{关节运动估计和图像重建的变分方法}，Muenster大学计算与应用数学研究所博士论文，2015年·Zbl 1321.68002号 [21] H.Dirks，{联合大尺度运动估计和图像重建}，预印本，2016年。 [22] D.L.Donoho，{压缩传感}，IEEE Trans。通知。《理论》，52（2006），第1289-1306页·兹比尔1288.94016 [23] R.Ellwood、F.Lucka、E.Zhang、P.Beard和B.Cox，《利用多视角法布里-珀罗扫描仪进行光声成像》，Proc。SPIE，10064（2017），100641F。 [24] R.Ellwood、O.Ogundale、E.Zhang、P.Beard和B.Cox，{使用正交法布里-珀罗传感器的光声层析成像}，J.Biomed。《光学》，22（2016），041009。 [25] E.Esser，{基于拉格朗日变换方向方法的应用和与分裂Bregman的联系}，技术报告，加利福尼亚大学欧文分校，2009年。 [26] D.Finch，S.K.Patch和Rakesh，{从球族上的平均值确定函数}，SIAM J.Math。分析。，35（2004），第1213-1240页·Zbl 1073.35144号 [27] M.Fonseca、E.Malone、F.Lucka、R.Ellwood、L.An、S.Arridge、P.Beard和B.Cox，{用于准确量化发色团分布的三维光声成像和反演}，Proc。SPIE，10064（2017），1006415。 [28] S.Foucart和H.Rauhut，《压缩传感的数学导论》，Birkha用户，巴塞尔，2013年·Zbl 1315.94002号 [29] T.Goldstein和S.Osher，{it-L\textup1-正则化问题的分裂Bregman方法}，SIAM J.成像科学。，2（2009年），第323-343页·Zbl 1177.65088号 [30] T.Goldstein、C.Studer和R.Baraniuk，《利用FASTA实施前后分离的现场指南》，预印本，2014年。 [31] J.Gorski、F.Pfeuffer和K.Klamroth，《双凸集与双凸函数优化：综述与扩展》，数学。方法操作。研究，66（2007），第373-407页·Zbl 1146.90495号 [32] Z.Guo，C.Li，L.Song，and L.V.Wang，{活体光声层析成像中的压缩传感}，J.Biomed。光学，15（2010），021311。 [33] B.N.Hahn，{物体适度运动的动态线性逆问题：不适定性和正则化}，逆问题。成像，9（2015），第395-413页·Zbl 1332.65193号 [34] B.N.Hahn，{动态计算机断层成像中的零空间和分辨率}，反问题，32（2016），025006·Zbl 1338.65279号 [35] B.N.Hahn和E.T.Quinto，{从动态氡数据中检测到的奇异性}，SIAM J.成像科学。，9（2016），第1195-1225页·Zbl 1354.44001号 [36] J.P.Haldar和Z.P.Liang，{具有部分可分离功能的时空成像：矩阵恢复方法}，2010年IEEE生物医学成像国际研讨会：从纳米到宏观，2010年，第716-719页。 [37] M.Holler和K.Kunisch，{关于电视型泛函的内蕴卷积及其在视频和图像重建中的应用}，SIAM J.成像科学。，7（2014），第2258-2300页·Zbl 1308.94019号 [38] B.K.Horn和B.G.Schunck，《确定光流》，人工智能，17（1981），第185-203页·Zbl 1497.68488号 [39] C.Huang，K.Wang，L.Nie，L.Wang，and M.Anastasio，{声波非均匀介质光声层析成像中的全波迭代图像重建}，IEEE Trans。《医学成像》，32（2013），第1097-1110页。 [40] N.Huynh、F.Luka、E.Zhang、M.Betcke、S.Arridge、P.Beard和B.Cox，{快速3D成像的子采样法布里-珀罗光声扫描仪}，Proc。斯皮，10064（2017），100641Y。 [41] N.Huynh、O.Ogundale、E.Zhang、B.Cox和P.Beard，{使用文本8光束法布里-珀罗扫描仪的光声成像}，Proc。SPIE，9708（2016），9708。 [42] J.P.Kaipio和E.Somersalo，《统计与计算反问题》，应用。数学。科学。160，Springer，纽约，2005年·Zbl 1068.65022号 [43] C.L，{\it iFEM:MATLAB中的集成有限元方法包}，技术报告，加州大学欧文分校，2009年。 [44] T.Mast、L.Souriau、D.-L.Liu、M.Tabei、A.Nachman和R.Waag，{组织中波传播大规模模型的k空间方法}，IEEE Trans。《超声波、铁电和频率控制》，48（2001），第341-354页。 [45] J.McClelland、D.Hawkes、T.Schaeffer和A.King，《呼吸运动模型：综述》，医学图像分析。，17（2013），第19-42页。 [46] J.Meng，L.V.Wang，D.Liang，and L.Song，{活体压缩传感光声计算机断层扫描}，Opt。莱特。，37（2012），第4573-4575页。 [47] J.Meng、L.V.Wang、L.Ying、D.Liang和L.Song，｛\it在部分已知支持的情况下进行体内压缩传感光声计算机断层扫描｝，Opt。快报，20（2012），第16510-16523页。 [48] L.Nie和X.Chen，{新型造影剂辅助的结构和功能光声分子断层成像}，化学。《社会学评论》，43（2014），第7132-70页。 [49] T.Pock和A.Chambolle，{凸优化中一阶原对偶算法的对角线预处理}，2011年计算机视觉国际会议，IEEE，2011，第1762-1769页。 [50] T.Pock、D.Cremers、H.Bischof和A.Chambolle，{\it最小化Mumford-Shah函数的算法}，第12届国际IEEE计算机视觉会议，IEEE，2009年，第1133-1140页。 [51] J.Provost和F.Lesage，《压缩传感在光声层析成像中的应用》，IEEE Trans。医学成像，28（2009），第585-594页。 [52] S.Ravishankar、B.E.Moore、R.R.Nadakuditi和J.A.Fessler，{高加速动态成像的低秩和自适应稀疏信号（LASSI）模型}，IEEE Trans。医学成像，36（2017），第1116-1128页。 [53] Y.Saad，{稀疏线性系统的迭代方法}，SIAM，费城，2003·Zbl 1031.65046号 [54] M.Schloegl、M.Holler、A.Schwarzl、K.Bredies和R.Stollberger，{动态MRI总广义变分泛函的内卷积}，《医学中的磁共振》，78（2017），第142-155页。 [55] U.Schmitt和A.K.Louis，《动态反问题正则化的有效算法：I.理论》，《反问题》，18（2002），第645-658页·Zbl 1003.65049号 [56] U.Schmitt、A.K.Louis、C.H.Wolters和M.Vauhkonen，《动态反问题正则化的有效算法：II.应用程序}，反问题，18（2002），第659-676页·兹比尔1003.65050 [57] A.Solonen、T.Cui、J.Hakkarainen和Y.Marzouk，《关于高斯滤波器的降维》，《反问题》，32（2016），045003·Zbl 1361.65036号 [58] B.E.Treeby和B.T.Cox，《光声波场模拟和重建的Matlab工具箱》，J.Biomed。光学，15（2010），021314。 [59] B.E.Treeby、E.Z.Zhang和B.T.Cox，{利用时间反转吸收声学介质中的光声层析成像}，反问题，26（2010），115003·Zbl 1204.35178号 [60] B.Tremoulheac、N.Dikaios、D.Atkinson和S.Arridge，《动态MR图像重建：通过低秩加稀疏先验从欠采样空间分离》，IEEE Trans。医学成像，33（2014），第1689-1701页。 [61] C.R.Vogel，{反问题的计算方法}，SIAM，费城，2002年·兹比尔1008.65103 [62] K.Wang、J.Xia、C.Li、L.V.Wang和M.A.Anastasio，{基于低阶矩阵估计的动态光声计算机断层扫描快速时空图像重建}，J.Biomed。《光学》，19（2014），056007。 [63] L.V.Wang，{多尺度光声显微镜和计算机断层成像}，《自然光子学》，3（2009），第503-509页。 [64] Y.Xu和L.V.Wang，《时间反转在热声层析成像中的应用》，载于《生物医学光学》2004，国际光学与光子学会，2004年，第257-263页。 [65] Y.Zhang、Y.Wang和C.Zhang，{稀疏视图光声图像重建的基于全变差的梯度下降算法}，超声，52（2012），第1046-1055页。 [66] Y.Zhou、J.Yao和L.V.Wang，《光声层析成像教程》，J.Biomed。光学，21（2016），061007。 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。