1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Акустический журнал
  4. T. 69, № 6, 2023

Акустический журнал, 2023, T. 69, № 6, стр. 800-807

Улучшение оптоакустических изображений биотканей методом одномерной обратной свертки с адаптивной самокалибровкой в реальном времени

Е. М. Тиманин a, *, И. С. Михайлова a, И. И. Фикс a, А. А. Курников a, А. В. Ковальчук a, А. Г. Орлова a, О. А. Угарова a, M. Frenz b, M. Jaeger b, П. В. Субочев a, **

a Институт прикладной физики РАН
603155 Нижний Новгород, ул. Ульянова 46, Россия

b Institute of Applied Physics, University of Bern, Sidlerstrasse
53012 Bern, Switzerland

* E-mail: eugene@appl.sci-nnov.ru
** E-mail: pavel.subochev@gmail.com

Поступила в редакцию 16.02.2023
После доработки 05.05.2023
Принята к публикации 19.05.2023

Аннотация

Предложен метод одномерной деконволюции с использованием регуляризации Тихонова для улучшения трехмерных оптоакустических изображений in vivo. Метод использует адаптивную самокалибровку для устранения частотно-зависимых искажений, связанных с распространением и регистрацией ультразвука. Адаптируясь к неоднородным частотным характеристикам исследуемой среды, метод не требует дополнительных калибровочных экспериментов. Время обработки трехмерных оптоакустических данных размером 200 × 200 × 100 вокселей составляет менее 5 мс, позволяя улучшать ангиографические изображения в режиме реального времени и повышать эффективное пространственное разрешение на более чем 50%.

Ключевые слова: оптоакустическая визуализация, улучшение изображений, метод обратной свертки, Тихоновская регуляризация

Список литературы

  1. Proskurnin M.A, Khabibullin V.R., Usoltseva L.O., Vyrko E.A., MikheevI.V., Volkov D.S. Photothermal and optoacoustic spectroscopy: state of the art and prospects // Physics-Uspekhi. 2022. V. 65. № 3. P. 270–312.

  2. Егерев С.В., Симановский Я.О. Оптоакустика неоднородных биомедицинских сред: конкуренция механизмов и перспективы применения (обзор) // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 1. С. 96–116.

  3. Attia A.B.E., Balasundaram G., Moothanchery M., Dinish U.S., Bi R., Ntziachristos V., Olivo M. A review of clinical photoacoustic imaging: Current and future trends // Photoacoustics. 2019. V. 16. P. 100–144.

  4. Deán-Ben X.L., Razansky D. Optoacoustic imaging of the skin // Experimental dermatology. 2021. V. 30. № 11. P. 1598–1609.

  5. Хохлова Т.Д., Пеливанов И.М., Карабутов А.А. Методы оптикоакустической диагностики биотканей // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 4–5. С. 672–683.

  6. Lin L., Wang L.V. The emerging role of photoacoustic imaging in clinical oncology // Nature Reviews Clinical Oncology. 2022. V. 19. № 6. P. 365–384.

  7. Jeon S., Kim J., Lee D., Baik J.W., Kim C. Review on practical photoacoustic microscopy // Photoacoustics. 2019. V. 15. P. 100–141.

  8. Gröhl J., Dreher K.K., Schellenberg M., Rix T., Holzwarth N., Vieten P., Ayala L., Bohndiek S.E., Seitel A., Maier-Hein L. SIMPA: an open-source toolkit for simulation and image processing for photonics and acoustics // J. Biomed. Opt. 2022. V. 27. № 8. P. 083010 (1–21).

  9. Cox B.T., Laufer J.G., Beard P.C., Arridge S.R. Quantitative spectroscopic photoacoustic imaging: a review // J. Biomed. Opt. 2012. V. 17. № 6. P. 061202 (1–22).

  10. Rosenthal A., Ntziachristos V., Razansky D. Acoustic inversion in optoacoustic tomography: A review // Current Medical Imaging. 2013. V. 9. № 4. P. 318–336.

  11. Treeby B.E., Cox B.T. k-Wave: MATLAB toolbox for the simulation and reconstruction of photoacoustic wave fields // J. of Biomedical Optics. 2010. V. 15. № 2. P. 021314 (1–12).

  12. Perekatova V.V., Fiks I.I., Subochev P.V. Image correction in optoacoustic microscopy. Numerical simulation // Radiophysicsand Quantum Electronics. 2014. V. 57. № 1. P. 67–79.

  13. Chowdhury K.B., Prakash J., Karlas A., Justel D., Ntziachristos V. A synthetic total impulse response characterization method for correction of hand-held optoacoustic images // IEEE Trans. on medical imaging. 2020. V. 39. № 10. P. 3218–3230.

  14. Hirsch L., Gonzalez M.G., Rey Vega L. On the robustness of model-based algorithms for photoacoustic tomography: comparison between time and frequency domains // Review of Scientific Instruments. 2021. V. 92. № 11. P. 114901 (1–9).

  15. Li W., Hofmann U.A.T., Rebling J., Zhou Q., Chen Z., Ozbek A., Gong Y., Subochev P., Razansky D., Deán-Ben X.L. Broadband model based optoacoustic mesoscopy enables deep tissue imaging beyond the acoustic diffraction limit // Laser & Photonics Reviews. 2022. V. 16. № 5. P. 2100381 (1–11).

  16. Ультразвук в медицине. Физические основы применения / Под. ред. Хилла К., Бэмбера Дж., тер Хаар Г. Пер. с англ. под ред. Гаврилова Л.В., Хохловой В.А., Сапожникова О.А. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 544 с. ISBN 978-5-9221-0894-2.

  17. Jin H., Liu S., Zhang R., Zheng Z., Zheng Y. Attenuation compensation for high-frequency acoustic-resolution photoacoustic imaging // 2020 IEEE Int. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE, 2020. P. 1–5.

  18. Awasthi N., Jain G., Kalva S.K., Pramanik M., Yalavarthy P.K. Deep neural network-based sinogram super-resolution and bandwidth enhancement for limited-data photoacoustic tomography // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2020. V. 67. № 12. P. 2660–2673.

  19. Kim M.W., Jeng G.-S., Pelivanov I., O’Donnell M. Deep-learning image reconstruction for real-time photoacoustic system // IEEE Trans. on medical imaging. 2020. V. 39. № 11. P. 3379–3390.

  20. Yang C., Jiao Y., Jian X., Cui Y. Image deconvolution with hybrid reweighted adaptive total variation (HRATV) for optoacoustic tomography // Photonics. MDPI, 2021. V. 8. № 2. P. 25(1–20).

  21. Wang J., Zhang C., Wang Y. A photoacoustic imaging reconstruction method based on directional total variation with adaptive directivity // Biomedical engineering online. 2017. V. 16. № 1. P. 1–30.

  22. Cai D., Li Z., Chen S.L. In vivo deconvolution acoustic-resolution photoacoustic microscopy in three dimensions // Biomedical Optics Express. 2016. V. 7. P. 369–380.

  23. van de Sompel D., Sasportas L.S., Jokerst J.V., Gambhir S.S. Comparison of deconvolution filters for photoacoustic tomography // PLoS ONE. 2016. V. 11. P. 0152597 (1–28).

  24. Warbal P., Saha R.K. Performance comparison of commonly used photoacoustic tomography reconstruction algorithms under various blurring conditions // J. Modern Optics. 2022. V. 69. № 9. P. 487–501.

  25. Hofmann U.A.T., Li W., Deán-Ben X.L., Subochev P., Estrada H., Razansky D. Enhancing optoacoustic mesoscopy through calibration-based iterative reconstruction // Photoacoustics. 2022. V. 28. P. 100405 (1–8).

  26. Kurnikov A.A., Pavlova K.G., Orlova A.G., Khilov A.V., Perekatova V.V., Kovalchuk A.V., Subochev P.V. Broadband (100 kHz–100 MHz) ultrasound PVDF detectors for raster-scan optoacoustic angiography with acoustic resolution // Quantum Electronics. 2021. V. 51. № 5. P. 383–388.

  27. https://github.com/photoacousticsRU/TRDeconv

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Акустический журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал