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    一種影像重建方法如下所述。取得一目標物之一結構性影像。取得目標物之一實際光學偵測結果。根據結構性影像，給定一非均勻初始狀態。從非均勻初始狀態出發，疊代計算一物理模型，尋求與實際光學偵測結果收斂的至少一解。根據疊代計算之解，重建目標物之影像。
    公开号:TW201316286A
    申请号:TW100136301
    申请日:2011-10-06
    公开日:2013-04-16
    发明作者:Min-Chun Pan；Hung-Chih Chiang；Liang-Yu Chen；Min-Chen Pan
    申请人:Univ Nat Central；
    IPC主号:G06T11-00
    专利说明:
    影像重建方法
    本發明是有關於一種演算方法，且特別是有關於一種影像重建方法。
    隨著科技日新月異的演進，利用非侵入式的方法來進行人體內部的造影已逐漸普遍。在生醫光學領域中，可呈現組織內部功能影像之擴散光學斷層掃瞄(Diffuse Optical Tomography,DOT)為現今發展的重點之一。
    一般而言，擴散光學斷層掃瞄主要的應用層面為大腦功能性檢測以及乳癌偵測，其係利用近紅外光來量測生物體中正常與不正常組織之散射與吸收程度等差異，藉以重建內部影像。擴散光學斷層掃瞄之影像重建方法主要係由前向計算(Forward Computing)及反向重建(Inverse Reconstruction)兩個步驟來進行疊代運算。前向計算係利用擴散光學模型所給定的均質光學係數及入射光源強度，計算實際量測位置之理論光強度。反向重建係利用於待測物所測量到的實際光強度反算出比均質狀態更接近待測物之真實光學係數。接著再利用反算重建所得到的光學係數進行前算運算以得到另一理論光強度。經過多次疊代後，當前向計算所得到的理論光強度收斂於測量到的實際光強度時，即可利用最後一次反向重建所求出的光學係數來進行影像重建。
    然而，由於反向重建之運算過程為複雜的非線性運算，且具病態定性(Ill-posed)與病態條件(Ill-conditioned)之特性，再加上擴散光學斷層掃瞄所固有的低空間解析度(low-spatial)特性，都會導致其數值運算上的困難，而不利於造影，進而降低影像品質及準確性。
    由上述可知，於擴散光學之影像重建過程中，仍存在著部分困難與挑戰以待克服。
    有鑑於此，本發明之實施方式特別提供一種影像重建之方法，以克服上述困難與挑戰。
    本發明之一目的在於提供一種可有效提升影像品質之影像重建方法。
    本發明之另一目的在於提供一種可結合不同結構性造影之雙成像技術，且不限制造影的種類。
    為了達到上述目的，本發明之一實施方式揭露一種影像重建方法，其步驟如下所述。取得一目標物之一結構性影像。取得目標物之一實際光學偵測結果。根據結構性影像，給定一非均勻初始狀態。從非均勻初始狀態出發，疊代計算一物理模型，尋求與實際光學偵測結果收斂的至少一解。最後，根據疊代計算之解，重建目標物之影像。
    依據本發明之一或多個實施方式，給定非均勻初始狀態之步驟可包含：根據結構性影像來決定一疑似病灶區域，並在疑似病灶區域給定不同於其他區域的光學係數，做為非均勻初始狀態。
    依據本發明一或多個實施方式，結構性影像可由電腦斷層掃瞄、乳房攝影、磁振造影、數位乳房斷層合成術或上述之任意組合所形成。
    依據本發明一或多個實施方式，非均勻初始狀態可為二維非均勻初始狀態或三維非均勻初始狀態，以利提升影像品質。
    依據本發明一或多個實施方式，取得目標物之實際光學偵測結果之步驟包含：以至少一光源將一入射光導入該目標物，然後以至少一光偵測器偵測入射光透過目標物後的擴散光強度，做為實際光學偵測結果。
    依據本發明一或多個實施方式，疊代計算可包含前向計算與反向重建，且前向計算與反向重建可依序重複進行。其中，前向計算係將非均勻初始狀態計算得到一理論光學偵測結果。反向重建係將實際光學偵測結果反算得到一更新後狀態，以進行後續的前向計算。
    依據本發明一或多個實施方式，上述之物理模型可為一擴散光學模型。
    於另一態樣中，本發明之一實施方式亦揭露一種內儲程式之電腦可讀取記錄媒體，當電腦載入該程式並執行後，可完成一種影像重建方法，本影像重建方法之步驟如下所述。取得一目標物之一結構性影像並取得目標物之一實際光學偵測結果。根據結構性影像，給定一非均勻初始狀態。從非均勻初始狀態出發，疊代計算一物理模型，尋求與實際光學偵測結果收斂的至少一解。最後，根據疊代計算之解，重建目標物之影像。
    由上述可知，本發明可利用一結構性影像給定一非均勻初始狀態，並利用此非均勻初始狀態進行疊代，以更精確、快速地重建影像，並進一步提升影像的空間解析度。
    以上所述僅係用以闡明本發明之目的、達成此目的之技術手段以、其所產生的功效以及本發明之其他優點等等，本發明之具體細節將於下文中的實施方式及相關圖式中詳細介紹。
    總括而言，本發明可廣泛應用於腦部偵測及乳房偵測等非侵入式之體內造影。為便於說明起見，下列實施方式將以乳房偵測做為實施例詳細闡釋，亦即，下列實施方式主要係以乳房做為目標物。惟，本技術領域之通常知識者應當知悉，以下實施方式僅係用以幫助說明，而非將本發明限制於乳房偵測中，亦未將目標物限定為乳房。
    本發明實施方式所述之影像重建方法係利用擴散光學斷層掃瞄搭配一結構性影像來達成，其可利用結構性影像給定一非均勻初始狀態來進行疊代運算，而無須由均勻狀態來進行，故可更精確、快速地建構影像，並進一步增加影像空間解析度，從而提升影像品質。於部分實施方式中，取得結構性影像之技術可包含，但不侷限於，電腦斷層掃瞄、乳房攝影、磁振造影、數位乳房斷層合成術或上述之任意組合。於部分實施方式中，非均勻初始狀態可為二維非均勻初始狀態或三維非均勻初始狀態。舉例而言，電腦斷層掃瞄、乳房攝影、或磁振造影等等可提供二維影像，故可給定二維非均勻初始狀態。數位乳房斷層合成述可提供三維影像，故可給定三維非均勻初始狀態。
    第1圖繪示本發明之一實施方式所示之影像重建方法之步驟流程圖。如圖所示，影像重建方法包含下列步驟。於步驟101中，取得目標物之結構性影像。於步驟103中，取得目標物之實際光學偵測結果。於步驟105中，根據結構性影像，給定一非均勻初始狀態。於步驟107中，從非均勻初始狀態出發，疊代計算一物理模型，尋求與實際光學偵測結果收斂的至少一解。於步驟109中，根據疊代計算之解，重建目標物之影像。於本實施方式中，可根據結構性影像來決定一疑似病灶區域，並在疑似病灶區域給定不同於其他區域的光學係數，以做為非均勻初始狀態。
    藉由上述手段，本發明可利用一結構性影像給定一非均勻初始狀態，並利用此非均勻初始狀態進行疊代，以更精確、快速地重建影像，並進一步提升影像的空間解析度，而達到本發明之目的。
    第2圖繪示第1圖之實施方式所述之疊代計算之詳細步驟流程圖。於步驟201中，提供一非均勻初始狀態，其中上述非均勻初始狀態係由結構性影像所給定者。於步驟203中，進行前向計算以得到理論光學偵測結果，詳言之，係利用非均勻初始狀態搭配光源強度透過一物理模型開始進行前向計算，以得到理論光強度，做為理論光學偵測結果，其中上述物理模型可為一擴散光學模型。於步驟205中，將上述理論光學偵測結果與測量到的實際光學偵測結果做比較。於步驟207中，檢查理論光學偵測結果與實際光學偵測結果之差異是否小於一門檻值，若差異小於門檻值，則判定為收斂，進入步驟209，根據此非均勻初始狀態重建影像。若差異大於門檻值，則進入步驟211，利用實際光學偵測結果透過反向重建以計算出一更新後狀態，其中上述門檻值可由使用者依需求自行設定。接著，於步驟213中，利用更新後狀態進行前向計算，以得到更新後之理論光學偵測結果。然後，再回到步驟207中，判斷更新後之光學偵測結果與實際光學偵測結果之差異是否小於門檻值。若是，則進入步驟209，根據更新後狀態繪出影像；若否，則再繼續進行步驟211，反向重建以疊代出另一更新後狀態，直到其理論光學偵測結果收斂於實際光學偵測結果時，則根據最後一次反向重建的更新後狀態繪出影像。
    第3圖繪示本發明一實施方式利用乳房攝影取得結構性影像之示意圖。乳房攝影係由上固定板303及下固定板305來夾合固定乳房301，並由X光照射，以得到乳房影像307。根據乳房影像307，可決定出一疑似病灶區域309。於部分實施例中，可根據乳房影像307之灰階做為判斷條件，以決定疑似病灶區域309。依照臨床組織光學之研究成果，可由疑似病灶區域309給定一初始估計光學係數，做為非均勻初始狀態。以下列舉出乳房中各種成分與腫瘤組織之光學係數，藉以給定疑似病灶區域309之非均勻初始狀態，其中n代表樣本取樣數，其皆係取自女性乳房。

    於上表中，
    λ代表入射光之波長；
    μa代表吸收係數(Absorbing Coefficient)；
    μs代表散射係數(Scattering Coefficient)；
    代表傳播散射係數(Reduced Scattering Coefficient)；
    g代表散射非等向係數(Scattering Anisotropy)。
    於部分實施方式中，前向計算係利用非均勻初始狀態做為初始條件，並以有限元素法解擴散方程式而求得目標物各個節點之理論光學偵測結果。於部分實施方式中，理論光學偵測結果可包含，但不侷限於，光強度或光通量密度等等。在進行有限元素法之前必須先設定座標與邊界條件，本發明係利用電腦輔助設計或有限元素分析軟體建立網格。在求解過程中，邊界節點需加入的邊界條件可包含，但不侷限於下列三種形式：Dirichled型式、Neumann型式及Robbins型式。Dirichled型式係在特殊節點上指定光強度，Neumann型式係指定光通量密度，而Robbins則係上述兩者之混和態樣。於本發明之部分實施方式中，係採用Robbins型式做為邊界條件。在定義邊界條件後，即可將非均勻初始狀態利用有限元素法並搭配實際光源強度，以求得每一節點之理論光強度。經過推導得到下列公式。
    其中，

    C i =-〈Sφ i )；
    其中，Φ代表光通量或光強度；D代表擴散係數；φ為拉格朗日(Lagrangian)函數之基底權函數；ω為光源之頻率；S為元素體積內光源增加的光子數。藉由上式，可給定每一節點之吸收係數與擴散係數，並搭配實際光源，即可求得每一節點之理論光強度。
    於部分實施方式中，反向重建係利用實際光學偵測結果反向推算與更新每一節點之光學係數，由於目前無解析公式可直接求得光學係數，故須最小化目標函數χ2，亦即，
    藉由數值方法可對上式進行疊代求解，其中i為前向計算所建立的節點數，ΦM與ΦC分別代表實際光學偵測結果與理論光學偵測結果，於此為實際光強度及理論光強度。由於光強度為光學係數之函數，故可使用牛頓法(Newton-Raphson Method)來最小化目標函數，經推導，可得到下列式子
    其中，[J]代表光學係數特性矩陣(Jacobian Matrix)，代表離散系統中，節點與節點間的光學特性變化，則為每一節點之光學係數改變量，但因[J]矩陣並非方陣，無法直接成上其反矩陣而得之光學係數改變量，經研究後，推導出下式
    上式即為光學係數更新量計算式，其中，λ代表一正則化參數；L代表正則化權重矩陣。上述正則化權重矩陣可根據結構性影像所決定之疑似病灶區域，並利用拉普拉斯型式來建構成矩陣L ij ，矩陣內給定權重之方式係由網格中節點依下式所決定。
    其中，i及j分別代表網格中節點之編號，當節點i與j位於不同區塊時，則給定權重值為0，反之，則給定權重為-1/N，其中N代表結構性影像所決定之疑似病灶區域中，對應網格所包含之節點數。使用拉普拉斯權重矩陣之目的，即為改變疑似病灶區域之光學係數更新量。藉由上述運算即可計算出光學係數更新量，以得到更新後狀態。
    第4圖繪示本發明之一實施方式之一光學偵測設備之側視圖。如圖所示，本光學偵測設備包含一上光板401、一下光板403、一上壓板402及一下壓板404。上壓板402與下壓板404係用以夾合並固定乳房301。上光板401包含至少一光源405，而下光板403包含至少一光偵測器407，其與光源405分別對應設置於乳房301之兩側。光源405係用以將光導入乳房301，而光偵測器407係用以接收光源405之入射光透過乳房301後的擴散光強度，做為實際光學偵測結果。另外，下光板403亦包含至少一光源409，而上光板401包含至少一光偵測器411，其與光源409分別對應設置於乳房301之兩側。類似於上述操作方式，光源409係用以將光導入乳房301，而光偵測器411係用以接收光源409之入射光透過乳房301後的擴散光強度，做為實際光學偵測結果。於本實施方式中，由於上光板401及下光板403均具備光源及光感測器，故可進行雙向偵測。
    第5圖繪示本發明上光板與下光板之一實施方式之俯視圖。如圖所示，上光板401所包含之光源405及光偵測器411之數量均為7個，下光板403所包含之光偵測器407及光源409之數量亦為7個，藉以對應上光板401之光源405及光偵測器411。於本實施方式中，上光板401及下光板403可於其平面上進行二維平移，亦即，可沿著y方向平移，或是將縱長邊旋轉至平行於y方向後沿著x方向平移，藉此增加實際光學偵測結果的數量，進而增加反向重建所需的資訊。
    於部分實施方式中，本發明揭露一種內儲程式之電腦可讀取記錄媒體，可完成第1圖之實施方式中所述之方法。舉例而言，電腦可讀取記錄媒體可包含，但不侷限於，硬碟、軟碟、隨身碟、CD-ROM、DVD、Blue-ray DVD等等。
    雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
    101-213．．．步驟
    301．．．乳房
    303．．．上固定板
    305．．．下固定板
    307．．．乳房影像
    309．．．疑似病灶區域
    401．．．上光板
    402．．．上壓板
    403．．．下光板
    404．．．下壓板
    405．．．光源
    407．．．光偵測器
    409．．．光源
    411．．．光偵測器
    為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
    第1圖繪示本發明影像重建方法一實施方式之步驟流程圖。
    第2圖繪示第1圖所示之實施方式之詳細步驟流程圖。
    第3圖繪示本發明一實施方式利用乳房攝影取得結構性影像之示意圖。
    第4圖繪示本發明之一實施方式之一光學偵測設備之側視圖。
    第5圖繪示本發明上光板與下光板之一實施方式之俯視圖。
    101-109．．．步驟
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種影像重建方法，包含：取得一目標物之一結構性影像；取得該目標物之一實際光學偵測結果；根據該結構性影像，給定一非均勻初始狀態；從該非均勻初始狀態出發，疊代計算一物理模型，尋求與該實際光學偵測結果收斂的至少一解；以及根據該疊代計算的該解，重建該目標物之影像。
    [2] 如請求項1所述之影像重建方法，其中給定該非均勻初始狀態之步驟包含：根據該結構性影像，決定一疑似病灶區域；以及在該疑似病灶區域給定不同於其他區域的光學係數，做為該非均勻初始狀態。
    [3] 如請求項1所述之影像重建方法，其中取得該結構性影像之步驟包含：以電腦斷層掃瞄、乳房攝影、磁振造影、數位乳房斷層合成術或上述之任意組合，取得該結構性影像。
    [4] 如請求項1所述之影像重建方法，其中該非均勻初始狀態為二維非均勻初始狀態或三維非均勻初始狀態。
    [5] 如請求項1所述之影像重建方法，其中取得該目標物之該實際光學偵測結果包含：以至少一光源將一入射光導入該目標物；以至少一光偵測器偵測該入射光透過該目標物後的擴散光強度，做為該實際光學偵測結果。
    [6] 如請求項1所述之影像重建方法，其中該疊代計算包含前向計算與反向重建，該前向計算與該反向重建依序重複進行。
    [7] 如請求項6所述之影像重建方法，其中該前向計算係將該非均勻初始狀態計算得到一理論光學偵測結果。
    [8] 如請求項6所述之影像重建方法，其中該反向重建係將該實際光學偵測結果反算得到一更新後狀態，以進行後續的前向計算。
    [9] 如請求項1所述之影像重建方法，其中該物理模型為一擴散光學模型。
    [10] 一種內儲程式之電腦可讀取記錄媒體，當電腦載入該程式並執行後，可完成如請求項1所述之影像重建方法。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US8712136B2|2014-04-29|
    TWI433051B|2014-04-01|
    US20130089250A1|2013-04-11|
    引用文献:
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    US6216540B1|1995-06-06|2001-04-17|Robert S. Nelson|High resolution device and method for imaging concealed objects within an obscuring medium|
    US6064917A|1997-12-22|2000-05-16|The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force|Method for three-dimensional, inhomogeneity localization in turbid medium using diffuse photon density waves|
    US7107116B2|1999-03-29|2006-09-12|Genex Technologies, Inc.|Diffuse optical tomography system and method of use|
    CA2363821A1|2000-11-24|2002-05-24|Alvin Wexler|High definition electrical impedance tomography methods for the detection and diagnosis of early stages of breast cancer|
    US7218959B2|2002-06-05|2007-05-15|Research Foundation Of City University|Hybrid-dual-fourier tomographic algorithm for a fast three-dimensionial optical image reconstruction in turbid media|
    EP1593095B1|2003-02-05|2019-04-17|The General Hospital Corporation|Method and system for free space optical tomography of diffuse media|
    US7450242B2|2004-12-10|2008-11-11|Fujifilm Corporation|Optical tomography apparatus|
    US10064584B2|2005-12-22|2018-09-04|Visen Medical, Inc.|Combined x-ray and optical tomographic imaging system|
    FR2895897B1|2006-01-12|2008-10-17|Commissariat Energie Atomique|Procede et dispositif de reconstruction d'image de tomographie optique de fluorescence par double mesure|
    WO2008005554A2|2006-07-06|2008-01-10|University Of Connecticut|Method and apparatus for medical imaging using near-infrared optical tomography, fluorence tomography combined with ultrasound|
    US7840053B2|2007-04-05|2010-11-23|Liao Hstau Y|System and methods for tomography image reconstruction|
    JP4739363B2|2007-05-15|2011-08-03|キヤノン株式会社|生体情報イメージング装置、生体情報の解析方法、及び生体情報のイメージング方法|
    US20090240138A1|2008-03-18|2009-09-24|Steven Yi|Diffuse Optical Tomography System and Method of Use|
    DK2470887T3|2009-08-28|2020-04-06|Visen Medical Inc|Systemer til tomografisk billeddannelse i diffuse medier ved at anvende en hybrid inversionsteknik|
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