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Full-Wave Image Reconstruction in Transcranial Photoacoustic Computed Tomography Using a Finite Element Method

迭代重建 有限元法 断层摄影术 计算机断层摄影术 生物医学中的光声成像 光声层析成像 计算机视觉 物理 光学 计算机科学 放射科 医学 热力学
作者
Yilin Luo,Hsuan‐Kai Huang,Karteekeya Sastry,Peng Cheng Hu,Xin Tong,Joseph Kuo,Yousuf Aborahama,Shuai Na,Umberto Villa,Mark A. Anastasio,Lihong V. Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:44 (2): 645-655 被引量:10
标识
DOI:10.1109/tmi.2024.3456595
摘要

Transcranial photoacoustic computed tomography presents challenges in human brain imaging due to skull-induced acoustic aberration. Existing full-wave image reconstruction methods rely on a unified elastic wave equa- tion for skull shear and longitudinal wave propagation, therefore demanding substantial computational resources. We propose an efficient discrete imaging model based on finite element discretization. The elastic wave equation for solids is solely applied to the hard-tissue skull region, while the soft-tissue or coupling-medium region that dominates the simulation domain is modeled with the simpler acoustic wave equation for liquids. The solid-liquid interfaces are explicitly modeled with elastic-acoustic coupling. Furthermore, finite element discretization allows coarser, irregular meshes to conform to object geometry. These factors significantly reduce the linear system size by 20 times to facilitate accurate whole-brain simulations with improved speed. We derive a matched forward-adjoint operator pair based on the model to enable integration with various optimization algorithms. We validate the reconstruction framework through numerical simulations and phantom experiments.
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