[论文解读] Speed-of-sound compensated photoacoustic tomography for high resolution imaging

Jithin Jose, René G. H. Willemink+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2012

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging参考文献 20被引用 2

一句话总结

本文提出了一种声速（SOS）补偿的光声计算机断层扫描方法，通过考虑异质组织中的声折射效应，提高了图像分辨率。该方法利用基于Eikonal方程和快速行进法（HAFMM）的迭代重建技术，首先通过超声传输断层扫描恢复二维SOS分布，随后将其应用于重建无伪影、高分辨率的光声图像，在实验幻像中显著减少了模糊和误差。

ABSTRACT

In most photoacoustic (PA) measurements, variations in speed-of-sound (SOS) of the subject are neglected under the assumption of acoustic homogeneity. Biological tissue with spatially heterogeneous SOS cannot be accurately reconstructed under this assumption. We present experimental and image reconstruction methods with which 2-D SOS distributions can be accurately acquired and reconstructed, and with which the SOS map can be used subsequently to reconstruct highly accurate PA tomograms. We begin with a 2-D iterative reconstruction approach in an ultrasound transmission tomography (UTT) setting, which uses ray refracted paths instead of straight ray paths to recover accurate SOS images of the subject. Subsequently, we use the SOS distribution in a new 2-D iterative approach, where refraction of rays originating from PA sources are accounted for in accurately retrieving the distribution of these sources. Both the SOS reconstruction and SOS-compensated PA reconstruction methods utilize the Eikonal equation to model acoustic wavefront propagation, which is solved using a high accuracy fast marching method (HAFMM). We validate the new reconstruction algorithms using numerical phantoms. For experiments we use the PER-PACT method which can be used to simultaneously acquire SOS and PA data from subjects. We test the reconstruction algorithms using experimental data acquired with the PER-PACT setup from challenging physical phantoms. The results show that it is important to take SOS inhomogeneities into account. The iterative reconstruction algorithms, that model acoustic refractive effects, yield artifact-free highly accurate images. Our approach of using the hybrid measurement method and the new reconstruction algorithms, is successful in substantially improving the quality of PA images with a minimization of blurring and artefacts.

研究动机与目标

• 解决因组织引起的声速（SOS）不均匀性导致的光声计算机断层扫描图像质量退化问题。
• 开发一种在具有空间变化声学特性的生物组织中准确重建二维SOS分布的方法。
• 通过将重建的SOS图作为输入以考虑射线折射，从而提高光声图像重建的准确性。
• 使用数值幻像和PER-PACT系统获取的实验数据验证所提出的方法。
• 通过使用折射射线路径而非直线路径来建模声波前传播，最小化光声图像中的模糊和伪影。

提出的方法

• 在超声传输断层扫描（UTT）设置中采用迭代重建方法，利用折射射线路径而非直线路径恢复二维SOS分布。
• 使用Eikonal方程建模声波前传播，通过高精度快速行进法（HAFMM）求解，以提高数值稳定性和精度。
• 将重建的SOS图作为输入，用于第二次迭代光声重建过程，以考虑来自光声源的射线折射。
• 使用PER-PACT系统同步获取SOS和PA数据，实现声学与光声信号的混合测量。
• 应用基于Eikonal方程的射线追踪技术，以建模声波在非均匀介质中传播的真实路径，从而提高重建保真度。
• 通过联合反演框架，同时对SOS和PA源分布进行迭代优化，利用波前建模实现物理一致性约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用折射射线路径的超声传输断层扫描中，成功从异质生物组织中重建出准确的二维声速（SOS）分布？
• RQ2 在光声重建中考虑声折射后，与假设声速恒定相比，图像质量改善程度如何？
• RQ3 使用Eikonal方程和HAFMM在多大程度上提升了PA成像中波前传播建模的准确性？
• RQ4 混合的PER-PACT系统能否实现SOS和PA数据的同步采集，从而满足SOS补偿重建的需求？
• RQ5 SOS不均匀性对标准PA断层扫描中图像模糊和伪影的影响如何？是否能被有效缓解？

主要发现

• 所提出的SOS重建方法成功利用折射射线路径和基于Eikonal方程的建模，在异质幻像中恢复了二维声速分布。
• 与假设声速恒定的传统方法相比，采用SOS补偿的光声重建显著减少了模糊和伪影。
• 结合射线折射建模的迭代重建在数值幻像和来自PER-PACT系统的实验数据中均实现了无伪影图像。
• 高精度快速行进法（HAFMM）能够精确求解Eikonal方程，这对在非均匀介质中建模复杂波前传播至关重要。
• 实验结果表明，SOS不均匀性对图像质量有显著影响，其补偿可明显提升分辨率和准确性。
• 使用PER-PACT系统的混合测量方法能够实现SOS和PA数据的可靠同步采集，是本研究重建框架的关键支撑。