基于全波形反演的超声计算机层析成像算法研究
发布时间：2023-02-14 16:48
超声计算机层析成像(Ultrasound Computed Tomography,UCT)在医学成像领域具有良好的应用前景。相比于传统影像方法,UCT具有无电离辐射、无需造影剂、视场大、适用性广泛、方便且成本相对较低等优点。更重要的是,UCT能重建被测组织的定量参数分布(如:声速分布和声衰减分布)。结合先验知识,这些参数可以帮助识别出不同种类的病变组织。因此,研究UCT及其相关算法在医学成像领域具有重要意义。在现有的各种UCT算法中,全波形反演(Full Waveform Inversion,FWI)方法以其能够进行多参数建模和高精度成像的能力,逐渐成为一种有前景的UCT实现方法。现有的基于FWI的UCT方法存在一些局限性:(1)重建声速变化强的介质时,易导致优化过程陷入局部极小值,从而得到准确度较低的声速重建图像;(2)声速重建是基于介质密度均匀的假设,忽略了介质密度的非均匀性,增加了声速重建的误差;(3)用于UCT数据采集的环形超声换能器阵列制作工艺复杂。针对这些局限性,本文基于FWI方法在层析成像方面的优势,深入研究了UCT算法,并在以下方面取得了研究成果:(1)在重建声速变化强...
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景与研究意义
1.1.1 基于全波形反演的超声计算机层析成像
1.1.2 膝关节损伤早期检查的影像方法
1.1.3 骨密度检测的方法
1.2 研究现状
1.2.1 超声计算机层析成像的研究现状
1.2.2 全波形反演方法的研究现状
1.3 论文主要研究内容
1.4 论文结构
2 超声计算机层析成像的理论基础
2.1 超声计算机层析成像原理
2.2 激励源信号的产生
2.3 测量声压数据的获取
2.3.1 理想流体介质的二阶声波方程
2.3.2 声波方程求解方法简介
2.3.3 声波方程的有限差分法求解
2.3.4 声波方程的k空间伪谱法求解
2.3.5 声波方程求解的边界条件和稳定性条件
2.3.6 噪声环境下的测量声压数据获取
2.4 基于FWI的 UCT图像重建算法
2.5 评价指标
2.6 本章小结
3 基于多频率源FWI的超声计算机层析成像算法
3.1 问题的提出
3.2 算法原理
3.2.1 基于多频率源的FWI方法原理
3.2.2 目标函数的构造
3.2.3 源编码技术及声速梯度计算
3.2.4 算法流程
3.3 UCT数据采集系统
3.4 实验结果与分析
3.4.1 体模设置
3.4.2 实验设置
3.4.3 膝关节体模一的声速重建
3.4.4 膝关节体模二的声速重建
3.4.5 手指数值体模的声速重建
3.5 源信号中心频率的选择
3.6 算法的对比与分析
3.6.1 对比实验设置
3.6.2 对比实验结果与分析
3.7 本章小结
4 基于FWI的双参数超声计算机层析成像算法
4.1 问题的提出
4.2 算法原理
4.2.1 目标函数的构造
4.2.2 基于伴随状态法的声速梯度计算
4.2.3 基于伴随状态法的密度梯度计算
4.2.4 结合源编码技术的声速梯度和密度梯度
4.2.5 算法流程
4.3 算法的实验分析
4.3.1 声速的单参数重建及影响因素分析
4.3.2 密度的单参数重建及影响因素分析
4.3.3 声速和密度的双参数重建
4.4 算法的对比与分析
4.4.1 对比实验设置
4.4.2 对比实验结果与分析
4.5 本章小结
5 基于方形超声换能器阵列的超声计算机层析成像方法
5.1 问题的提出
5.2 UCT数据采集系统
5.3 实验结果与分析
5.3.1 无噪声环境下采用方形超声换能器阵列的可行性分析
5.3.2 噪声环境下采用方形超声换能器阵列的可行性分析
5.3.3 非均匀分布方形超声换能器阵列对重建图像的影响
5.4 方法对比与分析
5.5 本章小结
6 结论
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录A 英文缩写的中英文全称对照表
学位论文数据集
本文编号：3742642
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 选题背景与研究意义
1.1.1 基于全波形反演的超声计算机层析成像
1.1.2 膝关节损伤早期检查的影像方法
1.1.3 骨密度检测的方法
1.2 研究现状
1.2.1 超声计算机层析成像的研究现状
1.2.2 全波形反演方法的研究现状
1.3 论文主要研究内容
1.4 论文结构
2 超声计算机层析成像的理论基础
2.1 超声计算机层析成像原理
2.2 激励源信号的产生
2.3 测量声压数据的获取
2.3.1 理想流体介质的二阶声波方程
2.3.2 声波方程求解方法简介
2.3.3 声波方程的有限差分法求解
2.3.4 声波方程的k空间伪谱法求解
2.3.5 声波方程求解的边界条件和稳定性条件
2.3.6 噪声环境下的测量声压数据获取
2.4 基于FWI的 UCT图像重建算法
2.5 评价指标
2.6 本章小结
3 基于多频率源FWI的超声计算机层析成像算法
3.1 问题的提出
3.2 算法原理
3.2.1 基于多频率源的FWI方法原理
3.2.2 目标函数的构造
3.2.3 源编码技术及声速梯度计算
3.2.4 算法流程
3.3 UCT数据采集系统
3.4 实验结果与分析
3.4.1 体模设置
3.4.2 实验设置
3.4.3 膝关节体模一的声速重建
3.4.4 膝关节体模二的声速重建
3.4.5 手指数值体模的声速重建
3.5 源信号中心频率的选择
3.6 算法的对比与分析
3.6.1 对比实验设置
3.6.2 对比实验结果与分析
3.7 本章小结
4 基于FWI的双参数超声计算机层析成像算法
4.1 问题的提出
4.2 算法原理
4.2.1 目标函数的构造
4.2.2 基于伴随状态法的声速梯度计算
4.2.3 基于伴随状态法的密度梯度计算
4.2.4 结合源编码技术的声速梯度和密度梯度
4.2.5 算法流程
4.3 算法的实验分析
4.3.1 声速的单参数重建及影响因素分析
4.3.2 密度的单参数重建及影响因素分析
4.3.3 声速和密度的双参数重建
4.4 算法的对比与分析
4.4.1 对比实验设置
4.4.2 对比实验结果与分析
4.5 本章小结
5 基于方形超声换能器阵列的超声计算机层析成像方法
5.1 问题的提出
5.2 UCT数据采集系统
5.3 实验结果与分析
5.3.1 无噪声环境下采用方形超声换能器阵列的可行性分析
5.3.2 噪声环境下采用方形超声换能器阵列的可行性分析
5.3.3 非均匀分布方形超声换能器阵列对重建图像的影响
5.4 方法对比与分析
5.5 本章小结
6 结论
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录A 英文缩写的中英文全称对照表
学位论文数据集
本文编号：3742642
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3742642.html