[发明专利]基于Lanczos双对角化的快速指数滤波正则化光声成像重建方法

说明书

本发明公开了基于Lanczos双对角化的快速指数滤波正则化光声成像重建方法，属于医学图像处理领域。当短脉冲激光照射到待测的生物组织上时，组织吸收激光能量产生热，忽略热传导，构建光声成像的近似热方程；基于MATLAB的开源工具箱来求解光声波方程。在成像域的边界处的光声信号波被一组换能器收集。收集这些信号的过程表示为时变因果系统。使用k‑Wave工具箱来构建该系统的系统矩阵，脉冲响应(IR)针对完整成像域被逐个像素记录。本方法能够保证成像质量的同时提高成像速度不但可以对光声信号进行准确重建，同时有极高的计算效率。

技术领域

本发明属于医学图像处理领域，涉及一种基于Lanczos双对角化的指数滤波正则化快速光声成像重建方法。

背景技术

医学影像作为一种辅助的医疗手段，可以帮助医生检测、判定、认识和研究疾病。传统的医学影像技术有计算机断层成像(Computed Tomography，CT)、超生成像(Ultrasound Imaging，USI)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)、扩散光层析成像(diffuse optical tomography，DOT)这些成像技术的发展极大地推动了生命科学的进步，但他们也有一定的局限性。

光声成像(以下简称PAT)作为一种新兴的医学成像技术，是一种基于生物组织内部光学吸收差异，以超声为媒质的无损生物光子成像方法。PAT结合了纯光学成像高对比度和纯超声成像高穿透深度特性的优点，以超声探测器探测光声信号代替光学成像中的光子检测，从原理上避免了光学散射的影响，可以在保持生物样本自然状态下得到高对比度、高分辨率的组织图像。由于不同生理状态的生物组织对光的吸收不同，光声图像同时反映了组织代谢的差异和病变特征。近年来光声成像技术被广泛应用于肿瘤检测、血管成像、脑部结构和肾功能成像等领域。

由于在实际测量过程中边界数据有限以及测量的光声信号中不可避免的混有噪声，导致基于模型的PAT逆问题在数学上是一个高度病态的问题，外界微小的测量扰动都会给重建结果带来很大的变化。因此，降低PAT的病态性，如何快速、准确地重建光声信号是PAT研究的重点及热点。

为了降低PAT重建问题的病态性，在重建时可以使用正则化的求解方法将光声重建问题转变成一个非线性的最优化问题。正则化方法最早在上世纪60年代由苏联科学院院士Tikhonov提出，用来求解形如Fx＝y方程的不适定问题。正则化的核心思想是在求解问题过程中引入先验信息，从而得到对原问题有意义的解。目前有L2范数、总变分(totalvariation，TV)范数和Lp范数的正则化项形式。最常用的方法是基于Tikhonov的正则化重建方法，但其准确性依赖于正则化参数的选取。近年来又提出了指数滤波方法的正则化算法，不仅可以有效地去除重建的光声图像中的高频噪声(可以看作一个低通滤波器)，而且还具有对正则化参数选择偏向较小的优点。在数据有限的情况下提高了图像质量，但是由于系统矩阵维数较大，导致计算时间过长，并不能实现实时性的需求。因此，可以通过先降维再进行计算的方法进行重建。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于lanczos双对角化的指数滤波的正则化重建方法，以保证成像质量的同时提高成像速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于lanczos双对角化的指数滤波的正则化重建方法，当短脉冲激光照射到待测的生物组织上时，组织吸收激光能量产生热，忽略热传导，此时光声成像的近似热方程为：