论文部分内容阅读
目前，在全世界范围内，乳腺癌是威胁女性健康的最常见癌症。低成本、高诊断率的影像检查是乳腺癌筛查的主要手段，它能帮助患者及早地发现乳腺癌，并促使她们进行早期诊断和治疗。 X射线数字乳腺体层合成(Digital Breast Tomosynthesis，DBT)是最新的乳腺影像检查技术，它是光学在生物医学工程领域中的一种成像应用。DBT利用X光照射乳腺，通过在有限的角度范围内进行有限次数的投影采集，重建得到乳腺的准三维（pseudo-3D）影像。DBT具有诊断率高、检查费用低等优点，是乳腺癌筛查的理想选择。 跟国外相比，我国对DBT成像的研究十分欠缺。国外多款DBT产品已经获得FDA认证，并普遍应用于乳腺癌筛查。目前，我国仍处于DBT研究的初级阶段，主要进行图像重建算法和产品应用的研究。由于特殊的成像方式，DBT成像会涉及到诸多关键技术，如欠采样情况下的图像重建技术。进行DBT成像方法的研究，有助于推动我国乳腺X射线成像技术的发展。 本学位论文以DBT为研究对象，以投影模型、图像重建、成像几何参数标定、成像加速共4个方面为研究内容，主要完成的工作如下: 投影模型是对X射线投影过程的数学建模，是DBT成像的基础。首先，采用了距离驱动(distance-driven)投影模型对GE公司第二代DBT样机进行建模，并对射线投影进行了矩阵分析。其次，利用MATLAB软件实现了对Reiser 乳腺体模和Shepp-Logan体模的距离驱动投影仿真。最后，利用GATE Monte Carlo软件实现了对自定义乳腺体模的投影仿真。 图像重建是将多个二维投影图像，借助图像重建算法，重建得到三维图像的过程。首先，分析了DBT图像重建存在的挑战。其次，经过对比分析现有的图像重建算法，提出了一种基于多尺度吉洪诺夫-全变分(Multiscale Tikhonov-Total Variation，MTTV)正则化的DBT迭代重建算法。最后，通过在两个数字体模和两组病人图像上开展重建实验，验证了该算法在去除噪声和保持边缘方面的有效性。 成像几何参数是图像重建的必要输入，标定的目的是测量出设计值与实际值之间的偏差。首先，通过实验说明了成像几何参数标定的必要性。其次，针对X光管旋转角，提出了基于双目立体视觉的标定方法。最后，在一个锥束CT样机上验证了该标定方法的可行性。 成像加速研究旨在解决DBT投影仿真和图像重建中存在的耗时问题。首先，分析了DBT成像加速的必要性，并对比了包括云计算在内的多种加速方法。其次，提出了基于MapReduce的GATE仿真加速方案，在云计算平台上验证了该方案在剂量计算和射线投影方面的有效性。最后，提出了基于MapReduce的DBT重建加速方案，给出了该方案在云计算平台上的实现步骤。