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用于光声计算机断层成像的初始压力和声速分布的参数化联合重建。 (英语) Zbl 1401.92129号

小结:光声计算机断层成像(PACT)中初始压力分布的准确估计取决于对声速分布的了解。然而,声速分布通常是未知的。此外,一般来说,仅从PACT测量中无法稳定地恢复初始压力和声速分布。本文提出了初始压力分布的联合重构方法和声速分布的低维参数化模型。通过利用声速分布结构的先验信息,可以准确地恢复初始压力和声速。JR问题是通过使用近似优化方法来解决的,该方法允许初始压力分布的约束和非光滑正则化函数。成本函数相对于初始压力和声速分布的梯度是通过使用伴随状态方法计算的,该方法的迭代计算成本与仅针对初始压力分布计算梯度的成本相同。通过对小动物成像模型的二维计算机模拟研究以及在小鼠体内实验测量中的应用,对该方法进行了评估。

MSC公司:

92 C55 生物医学成像和信号处理
78A70型 光学和电磁理论的生物学应用
35兰特 PDE的反问题
65K10码 数值优化和变分技术

软件:

k波
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[2] M.Anastasio、J.Zhang、E.Sidky、Y.Zou、D.Xia和X.Pan,球面孔径三维反射率层析成像中半数据图像重建的可行性,IEEE传输。《医学影像学》,24(2005),第1100–1112页。
[3] M.Anastasio、J.Zhang、X.Pan、Y.Zou、G.Ku和L.Wang,热声层析成像中的半时间图像重建,IEEE传输。《医学成像》,24(2005),第199-210页。
[4] S.R.Arridge、M.M.Betcke、B.T.Cox、F.Lucka和B.E.Treeby,光声层析成像中的伴随算子《反问题》,32(2016),115012·Zbl 1354.35165号
[5] H.H.Barrett和K.J.Myers,图像科学基础Wiley Ser。纯应用程序。选择。,威利,纽约,2004年。
[6] A.Beck和M.Teboulle,基于梯度的约束全变分图像去噪和去模糊快速算法,IEEE传输。图像处理。,18(2009年),第2419-2434页·Zbl 1371.94049号
[7] A.Beck和M.Teboulle,线性反问题的快速迭代收缩阈值算法,SIAM J.成像科学。,2(2009年),第183-202页·Zbl 1175.94009号
[8] S.Bernard、V.Monteiller、D.Komatitsch和P.Lasaygues,基于全波形反演的超声CT骨定量成像,物理。医学生物学。,62 (2017), 7011.
[9] C.Bunks、F.Saleck、S.Zaleski和G.Chavent,多尺度地震波形反演《地球物理学》,60(1995),第1457–1473页。
[10] P.L.Carson、C.R.Meyer、A.L.Scherzinger和T.V.Oughton,同步脉冲回波和透射超声冠状面乳腺成像《科学》,第214页(1981年),第1141-1143页。
[11] A.Chambolle、V.Caselles、M.Novaga、D.Cremers和T.Pock,图像分析总变差简介,《稀疏恢复的理论基础和数值方法》,M.Fornasier编辑,Radon Ser。计算。申请。数学。9,de Gruyter,柏林,2010年,第263–340页·Zbl 1209.94004号
[12] D.L.Colton,逆声电磁散射理论第三版,施普林格出版社,纽约,2013年·Zbl 1266.35121号
[13] T.Ding、K.Ren和S.Vallélian,定量光声成像的一步重建算法《反问题》,31(2015),095005·Zbl 1327.35437号
[14] B.Dogdas、D.Stout、A.F.Chatziioannou和R.M.Leahy,数字:来自CT和冷冻切片数据的A(3)d小鼠全身图谱,物理。医学生物学。,52 (2007), 577.
[15] N.Duric、P.Littrup、O.Roy、S.Schmidt、C.Li、L.Bey-Knight和X.Chen,超声断层扫描乳腺成像:SoftVue的初步结果,《IEEE国际超声波研讨会论文集》,2013年,第382-385页。
[16] S.A.Ermilov、T.Khamapirad、A.Conjusteau、M.H.Leonard、R.Lacewell、K.Mehta、T.Miller和A.A.Oraevsky,激光光声成像系统检测乳腺癌,J.Biomed。选择。,14 (2009), 024007.
[17] S.A.Ermilov、R.Su、A.Conjusteau、V.Ivanov、V.Nadvoretskiy、T.Oruganti、P.Talole、F.Anis、M.A.Anastasio和A.A.Oraevsky,用于小鼠研究的三维激光光声超声成像系统(LOUIS-3dm),载于SPIE 8943 Photons Plus Ultrasound Imaging and Sensing期刊,2014,89430J。
[18] N.B.Everett、B.Simmons和E.P.Lasher,液氮冷冻法测定大鼠血液(Fe50)和血浆(I131)体积分布,循环。第4号决议(1956年),第419-424页。
[19] J.Greenleaf、S.Johnson、R.C.Bahn和B.Rajagopalan,超声参数的定量横断面成像,《超声波研讨会论文集》,1977年,第989–995页。
[20] M.Heijblom、D.Piras、F.M.van den Engh、M.vand der Schaaf、J.M.Klaase、W.Steenbergen和S.Manohar,使用Twente光声乳腺镜进行乳腺成像的最新进展:31次恶性肿瘤测量结果,欧洲无线电。,26(2016),第3874–3887页。
[21] T.Hopp、M.Zapf、E.Kretzek、J.Henrich、A.Tukalo、H.Gemmeke、C.Kaiser、J.Knaudt和N.V.Ruiter,三维超声计算机断层成像:来自临床研究的更新、9790、2016、97900A。
[22] Y.Hristova、P.Kuchment和L.Nguyen,均匀和非均匀介质中热声层析成像的重建和时间反转《反问题》,24(2008),055006·Zbl 1180.35563号
[23] C.Huang、L.Nie、R.W.Schoonover、Z.Guo、C.O.Schirra、M.A.Anastasio和L.V.Wang,利用附加图像数据进行灵长类动物经颅光声层析成像的像差校正,J.Biomed。选择。,17 (2012), 066016.
[24] C.Huang、K.Wang、L.Nie、L.Wang和M.Anastasio,声非均匀介质光声层析成像中的全波迭代图像重建,IEEE传输。医学成像,32(2013),第1097-1110页。
[25] C.Huang、K.Wang、R.W.Schoonover、L.V.Wang和M.A.Anastasio,光声CT中吸收光能密度和声速分布的联合重建:数值研究,IEEE传输。计算。《成像》,第2期(2016年),第136-149页。
[26] S.L.Jacques,生物组织的光学性质:综述,物理。医学生物学。,58(2013年),第R37–R61页。
[27] J.Jose、R.G.H.Willemink、W.Steenbergen、C.H.Slump、T.G.v.Leeuwen和S.Manohar,用于精确成像的声速补偿光声层析成像、医学物理、。,39(2012年),第7262-7271页。
[28] N.Kaliss和D.Pressman,用放射性碘蛋白测定小鼠器官的血浆和血容量,实验生物。《医学》,75(1950),第16-20页。
[29] A.Kirsch和O.Scherzer,用光声测量同时重建吸收密度和波速,SIAM J.应用。数学。,72(2012),第1508–1523页·Zbl 1257.35198号
[30] R.A.Kruger、C.M.Kuzmiak、R.B.Lam、D.R.Reinecke、S.P.Del Rio和D.Steed,专用三维光声乳腺成像、医学物理、。,40 (2013), 113301.
[31] L.Li、L.Zhu、C.Ma、L.L.Lin、J.Yao、L.Wang、K.Maslov、R.Zhang、W.Chen、J.Shi和L.V.Wang,高时空分辨率下小动物全身动力学的单脉冲全景光声CT,Nat.生物识别。工程,1(2017),0071。
[32] H.Liu和G.Uhlmann,在热声和光声层析成像中测定声速和内部声源,《反问题》,31(2015),105005·Zbl 1328.35316号
[33] G.D.路德维希,声波通过组织的速度和组织的声阻抗,J.Acust。Soc.Amer.,美国。,22(1950),第862-866页。
[34] S.Manohar、R.G.H.Willemink、F.van der Heijden、C.H.Slump和T.G.van Leeuwen,声层析成像在光声成像中的伴随速度,申请。物理学。莱特。,91 (2007), 131911.
[35] T.P.Matthews和M.A.Anastasio,联合重建光声和超声层析成像测量的初始声压和声速分布《反问题》,33(2017),124002·Zbl 1394.92073号
[36] K.Mitsuhashi、J.Poudel、T.Matthews、A.Garcia-Uribe、L.Wang和M.Anastasio,基于弹性波方程的前向伴随算子对在经颅光声CT中的应用,SIAM J.成像科学。,(2017),第2022–2048页·Zbl 1400.92307号
[37] S.J.诺顿,迭代逆散射算法:计算Frechet导数的方法,J.Acust。美国Soc。,106(1999),第2653–2660页。
[38] B.O’Donoghue和E.Candes,加速梯度方案的自适应重启,找到。计算。数学。,15(2015),第715-732页·Zbl 1320.90061号
[39] L.Oksanen和G.Uhlmann,波速不确定的光声和热声层析成像,预印本,arXiv:1307.1618[math],2013年·Zbl 1402.35314号
[40] A.A.Oraevsky和A.A.Karabutov,光声层析成像《生物医学光子学手册》,T.Vo-Dinh主编,CRC出版社,佛罗里达州博卡拉顿,2003年。
[41] N.Parikh和S.Boyd,近似算法,找到。趋势优化。3,Now Publishers,荷兰代尔夫特,2013年。
[42] R.-E.Plessix,计算泛函梯度的伴随状态方法及其地球物理应用综述,地球物理。《国际期刊》,167(2006),第495-503页。
[43] J.Poudel、T.P.Matthews、L.Li、M.A.Anastasio和L.V.Wang,使用基于可变数据截断的重建方法减轻光声CT中孤立声学异质性引起的伪影,J.Biomed。选择。,22(2017),041018。
[44] J.Qian、P.Stefanov、G.Uhlmann和H.Zhao,一种高效的基于Neumann级数的变声速热声和光声层析成像算法,SIAM J.成像科学。,4(2011年),第850-883页·Zbl 1279.94029号
[45] L.Sirgue和R.G.Pratt,高效波形反演和成像:一种选择时间频率的策略《地球物理学》,69(2004),第231-248页。
[46] P.Stefanov和G.Uhlmann,可变声速热声层析成像《反问题》,25(2009),075011·Zbl 1177.35256号
[47] P.Stefanov和G.Uhlmann,多波层析成像中恢复源和速度的线性化问题的不稳定性,反向探针。《成像》,第7期(2013年),第1367-1377页·兹比尔1292.35337
[48] T.L.Szabo,诊断超声成像:由内向外,学术出版社,纽约,2013年。
[49] M.Tabei、T.D.Mast和R.C.Waag,耦合一阶声传播方程的k空间方法,J.Acust。Soc.Amer.,美国。,111(2002),第53-63页。
[50] B.Treeby和B.Cox,k-Wave:用于光声波场模拟和重建的MATLAB工具箱,J.Biomed。选择。,15 (2010), 021314.
[51] B.E.Treeby、T.K.Varslot、E.Z.Zhang、J.G.Laufer和P.C.Beard,基于自动聚焦方法的光声图像重建中的自动声速选择,J.Biomed。选择。,16 (2011), 090501.
[52] B.E.Treeby、E.Z.Zhang和B.T.Cox,基于时间反转的吸收声介质光声层析成像《反问题》,26(2010),115003·Zbl 1204.35178号
[53] J.Virieux和S.Operto,勘探地球物理全波形反演综述《地球物理学》,74(2009),第WCC1–WCC26页。
[54] K.Wang和M.A.Anastasio,光声和热声层析成像:成像原理《成像数学方法手册》,O.Scherzer主编,Springer,纽约,2011年,第781-815页·Zbl 1259.78035号
[55] K.Wang、S.A.Ermilov、R.Su、H.P.Brecht、A.A.Oraevsky和M.A.Anastasio,一种包含超声换能器特性的三维光声层析成像模型,IEEE传输。医学成像,30(2011),第203-214页。
[56] L.V.Wang编辑。,光声成像和光谱学佛罗里达州博卡拉顿CRC出版社。
[57] L.V.Wang,光声显微镜和计算机断层扫描教程IEEE J.选择。顶部。量子电子。,14(2008),第171-179页。
[58] L.V.Wang,多尺度光声显微镜和计算机断层扫描,《国家光子学》,第3期(2009年),第503–509页。
[59] L.V.Wang和H.i.Wu,生物医学光学:原理和成像,威利,纽约,2007年。
[60] J.Wiskin、D.Borup、S.Johnson和M.Berggren,非线性逆散射:高分辨率定量乳腺组织成像,J.Acust。Soc.Amer.,美国。,131(2012),第3802–3813页。
[61] J.Xia、M.R.Chatni、K.Maslov、Z.Guo、K.Wang、M.Anastasio和L.V.Wang,体内小动物的全身环形共焦光声计算机断层扫描,J.Biomed。选择。,17 (2012), 050506.
[62] J.Xia、C.Huang、K.Maslov、M.A.Anastasio和L.V.Wang,基于全环换能器阵列元件光激励的超声CT增强光声层析成像,选项。莱特。,38(2013),第3140–3143页。
[63] Xie、Wang、Morris、Padilla、Lecarpentier和Carson,多通道二维阵列传感器对乳腺深部目标的光声成像,《SPIE 7899光子+超声成像和传感学报》,2011年,789907。
[64] Y.Xu和L.V.Wang,乳腺热声断层成像中声学不均匀性的影响,IEEE传输。Ultrason公司。铁电极。《频率控制》,50(2003),第1134–1146页。
[65] Z.Yuan、Q.Zhang和H.Jiang,定量光声层析成像同时重建非均质介质的声学和光学特性,选项。《快报》,14(2006),第6749–6754页。
[66] J.Zhang、K.Wang、Y.Yang和M.A.Anastasio,用时域迭代算法同时重建光声层析成像中的声速和光吸收特性,《SPIE 6856光子+超声成像和传感处理》,2008年,68561F。
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