光子密度波散射的优化反演算法研究

作     者：董海玉 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薄亚明;高美凤

授予年度：2008年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

主      题：光子密度波 反演 异常体 优化 和声搜索 自适应 

摘      要：当前,利用扩散光子密度波理论对多散射介质（如生物组织）进行光学成像的研究已经逐渐成为一个活跃的研究领域。当生物组织中有异常体（如肿瘤）存在时,穿过生物组织的扩散光子密度波会发生扰动,从而通过测定扩散光子密度波宏观量（如光通量）的改变,借助特定光子传输模型下的计算式进行反演,就可实现异常体的探测。组织体的多散射特性使得反演问题的研究,特别是三维反演问题的研究成为一个值得研究的课题。 首先利用给定的人体前臂组织的典型光学参数,对生物组织成像进行了模拟研究。模拟计算表明:异常体的位置、尺寸和吸收系数改变量对光通量的影响显著。这些模拟结果为反演算法的设计提供了理论基础。 反演问题可以通过极小化模型解与测量值之间的误差以得到满足测量值要求的光学参数分布。上述问题实质是一个最优化问题。为此,构建了不同反演情况的优化模型。对于反演优化问题,原则上可应用现有的许多优化方法,但考虑到一般计算机内存容量和运算速度的限制以及正问题求解的复杂性,选择算法时应尽量满足以下两个要求:1)避免正向算子各阶导数的计算与存储;2)尽量减少正问题的求解次数。因此,本文提出并研究了用于解决反演问题的改进和声搜索算法（HS）。该算法实现简单,并可很容易地加入约束条件,不需要线性搜索,可避免过多地求解正问题而降低运算速度。针对传统HS难以确定记忆库取值概率和音调调节率最佳值及计算量大、易早熟等缺点,提出的改进HS可以较高的效率和精度解决此类反演问题。 结合三维组织体的散射模型,比较了传统HS和改进HS进行反演分析的结果与效率。结果表明,利用HS进行光子密度波散射反演问题进行研究是有效可行的;同时,改进的和声搜索算法在保持传统和声搜索算法优点的同时,有效地提高了算法的收敛性,并在很大程度上克服了传统和声搜索算法的早熟问题。 本文的研究工作可为扩散光子密度波进行生物组织成像提供理论依据和实验指导。同时,HS的分析和改进策略（自适应参数选择）可用于其它优化应用领域。