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一种基于稀疏先验的低剂量CT深度展开网络

北京航空航天大学学报 2024年

作者：王悦张雄上官宏崔学英张鹏程桂志国太原科技大学电子信息工程学院中北大学动态测试技术省部共建国家重点实验室

近年，深度迭代展开网络由于其可解释性高和学习能力强的特点受到了广泛关注。现有CT图像重建方法的正则化项大多只关注某一类域中的信息，重建结果常存在边缘模糊等信息丢失的问题。因此提出了一种基于稀疏先验的深度展开网络用于进行... 详细信息

近年，深度迭代展开网络由于其可解释性高和学习能力强的特点受到了广泛关注。现有CT图像重建方法的正则化项大多只关注某一类域中的信息，重建结果常存在边缘模糊等信息丢失的问题。因此提出了一种基于稀疏先验的深度展开网络用于进行稀疏角度CT重建。考虑到像素域信息和变换域信息都对图像重建具有重要作用，构建了结合变换域稀疏正则化项和像素域一致性正则化项两种具有信息互补作用的正则化项，并据此重新设计了稀疏角度CT重建的目标函数。此外，根据所构建的目标函数进行了迭代优化求解，并将得到的一系列约束关系映射为一个新的深度展开网络用于低剂量CT图像的迭代重建。实验结果表明，本文算法得到的重建结果与目前领先的重建算法相比平均峰值信噪比（PSNR）提高了5.4%，视觉信息保真度（VIF）提高了38.2%。

关键词：计算机断层扫描(CT) 稀疏角度CT重建正则化项深度展开网络迭代重建

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基于多尺度引导滤波的宫颈细胞核图像分割

计算机应用 2024年

作者：令狐鑫瑶陈燕张鹏程刘祎桂志国赵伟董展豪生物医学成像与影像大数据山西省重点实验室(中北大学)

针对宫颈细胞核图像分割中上下文信息联系匮乏和边缘分割不准确和精度低等问题，提出一种基于U-Net改进的结合密集块的U型卷积多尺度引导滤波模块的宫颈细胞核分割网络DGU-Net (Dense-Guided-UNet)，所提网络结构可以更完整、精确地分... 详细信息

针对宫颈细胞核图像分割中上下文信息联系匮乏和边缘分割不准确和精度低等问题，提出一种基于U-Net改进的结合密集块的U型卷积多尺度引导滤波模块的宫颈细胞核分割网络DGU-Net (Dense-Guided-UNet)，所提网络结构可以更完整、精确地分割宫颈细胞核图像。首先，以编码器、解码器结构的U-Net模型作为网络骨干提取图像特征；其次，引入密集块模块连接不同层之间的特征，实现上下文信息的传递，从而增强模型的特征提取能力；同时，在每次下采样后和上采样前引入多尺度引导滤波模块，引入灰度引导图像中明显的边缘细节信息增强图像细节和边缘信息；最后，在每个解码器路径都增加一个侧输出层，融合并平均所有输出的特征信息，从而将不同尺度不同层次的特征信息融合增加结果的准确性和完整性。在Herlve数据集上进行实验，并与U-Net、PGU-Net+(Progressive Growing of U-Net+)和LFANet (Lightweight Feature Attention Network)这3种深度学习模型对比。与PGU-Net+相比，DGU-Net的准确率提升了70%；与LFANet相比，DGU-Net的交并比(IoU)提升了6.75%。实验结果表明，DGU-Net在边缘细节信息处理上更加准确，并在分割指标上普遍优于对比对比实验。

关键词：多尺度引导滤波密集块宫颈细胞核细胞核图像分割 U型网络

基于双编码器双解码器GAN的低剂量CT降噪模型

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计算机应用 2024年

作者：上官宏任慧莹张雄韩兴隆桂志国王燕玲太原科技大学电子信息工程学院山西财经大学信息学院动态测试技术省部共建国家重点实验室(中北大学)

近年，生成对抗网络(GAN)用于低剂量CT(LDCT)图像降噪已经表现出显著的性能优势，成为该领域的研究热点。然而，GAN对LDCT图像中噪声和伪影分布的感知能力不足，导致网络的降噪性能下降，为此，提出了一种基于双编码器双解码器生成对抗... 详细信息

近年，生成对抗网络(GAN)用于低剂量CT(LDCT)图像降噪已经表现出显著的性能优势，成为该领域的研究热点。然而，GAN对LDCT图像中噪声和伪影分布的感知能力不足，导致网络的降噪性能下降，为此，提出了一种基于双编码器双解码器生成对抗网络(DualED-GAN)的低剂量CT降噪模型。首先，提出由一对编解码器构成伪影像素级特征提取通道，用于估计LDCT中的伪影噪声；其次，提出由另外一对编解码器构成伪影掩码信息提取通道，用于估计伪影的强度和位置信息。采用伪影图像质量标签图辅助估计伪影的掩码信息，可以为伪影像素级特征提取通道提供补充特征，进而提高GAN降噪网络对伪影噪声分布强度的敏感性。与次优模型DESD-GAN相比，在mayo测试集中所提模型的峰值信噪比（PSNR）提高了0.3387dB，结构相似性度（SSIM）提高了0.0028。实验结果表明，所提模型在伪影抑制、结构保留与模型鲁棒性方面均有更好的表现。

关键词：低剂量CT 生成对抗网络编码器解码器降噪

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低剂量CT图像全变分深度展开去噪网络

计算机测量与控制 2024年

作者：吴涵张鹏程桂志国刘祎中北大学信息与通信工程学院中北大学生物医学成像与影像大数据山西重点实验室

对低剂量CT图像去噪进行了研究，分析了神经网络去噪在伪影抑制中计算性能低、泛化性不足的问题；采用各向异性全变分深度展开去噪网络，新方法结合图像相邻体素的边缘特性，引入各向异性TV正则项保留图像结构信息，避免各向同性TV导致... 详细信息

对低剂量CT图像去噪进行了研究，分析了神经网络去噪在伪影抑制中计算性能低、泛化性不足的问题；采用各向异性全变分深度展开去噪网络，新方法结合图像相邻体素的边缘特性，引入各向异性TV正则项保留图像结构信息，避免各向同性TV导致的边缘模糊，并通过Chambolle-Pock算法求解数学模型，适配深度展开到卷积神经网络；此外，结合像素注意力机制进行网络优化，捕捉图像中的重要细节；经实验测试，基于Mayo 2016数据集，该方法在图像去噪效果上优于传统方法及其他先进网络模型，在PSNR、SSIM和VIF等指标上表现更优，满足低剂量CT图像高质量重建的需求。

关键词：图像去噪计算机断层扫描原始对偶算法模型驱动注意力机制

AWTV和高斯注意力引导的LDCT图像去噪网络

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计算机工程与应用 2024年

作者：李志媛刘祎张鹏程张丽媛任时磊芦婧桂志国中北大学软件学院中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室中北大学信息与通信工程学院中北大学计算机科学与技术学院

低剂量CT（low-dose CT，LDCT）图像的去噪任务是一个高度复杂且不确定的逆问题。现有的基于CNN的方法虽然有效，但提升空间有限且计算成本高。相比之下，将图像先验知识与模型相结合来辅助图像去噪是一种更有效的方法。本文提出了一种... 详细信息

低剂量CT（low-dose CT，LDCT）图像的去噪任务是一个高度复杂且不确定的逆问题。现有的基于CNN的方法虽然有效，但提升空间有限且计算成本高。相比之下，将图像先验知识与模型相结合来辅助图像去噪是一种更有效的方法。本文提出了一种名为AWTV＿GANet的LDCT图像去噪框架。该框架利用自适应加权总变分（Adaptive Weighted Total Variation， AWTV）展开和高斯注意力引导的方法，通过端到端的CNN模型，将噪声优化模型、边缘检测模型和图像重建模型集成在一起。实验证明，AWTV＿GANet能够准确地去除伪影噪声，并恢复出更精细的结构细节，与其他方法相比具有优异的性能。

关键词：低剂量CT 图像去噪深度学习自适应加权总变分

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基于近红外漫射光谱的离体血氧测量技术研究

中北大学学报（自然科学版） 2024年第3期45卷 348-356页

作者：刘培俊李为龙张睿芝高国雅桂志国尚禹中北大学信息与通信工程学院山西太原030051

基于近红外漫射光谱技术(Near-Infrared Diffuse Optical Spectroscopy,NIRS)和修正的比尔朗伯定律(Modified Beer-LambertLaw,MBLL)提出了一种适用于离体血液的新型氧含量测量方法,同时开发了血氧实时监测系统以实现体外循环血氧参数... 详细信息

基于近红外漫射光谱技术(Near-Infrared Diffuse Optical Spectroscopy,NIRS)和修正的比尔朗伯定律(Modified Beer-LambertLaw,MBLL)提出了一种适用于离体血液的新型氧含量测量方法,同时开发了血氧实时监测系统以实现体外循环血氧参数的连续监测。NIRS利用脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白对两种波长近红外光吸收率的差异来计算组织的吸收和散射系数,朗伯-比尔定律是表征光强衰减与光子传输路径关系的数学表达式,将二者结合可估算血红蛋白的吸收系数;与传统的测量方式不同,本文所提出的透射式测量方法,通过双波长(660~904 nm)光源探头交替切换可获取多参数的光学信号,信号实时上传至采集界面(LabVIEW),经过对数化处理,并结合创新的血氧算法得到血液吸收系数、血氧饱和度与光信号的线性模型。为了验证本文研究方案的可行性,开展了液态仿体实验和离体血溶液实验,以滴入溶液墨水体积(仿体实验)和酵母溶液体积(血溶液实验)为变量,通过调控溶液浓度改变光密度变化幅度,证实二者均与光密度(DO)具有良好的线性关系(r^(2)>0.95,p<0.01)。本研究所提出的新型血氧测量方法和血氧实时监测系统适合于离体血液的血氧测量,数据准确可靠、重复稳定性好。

关键词：近红外漫射光谱技术修正的比尔朗伯定律体外循环血氧饱和度

基于超材料结构的宽频带高频光声信号定向传输模型设计

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科学技术与工程 2024年第21期24卷 9053-9060页

作者：任时磊杨鹏张重庆韩建宁桂志国中北大学生物医学成像与大数据山西省重点实验室太原030051 中北大学计算机科学与技术学院太原030051 东莞西喆电子有限公司东莞523120 山西医科大学附属肿瘤医院太原030051

为了解决高频光声信号在传输过程中存在损耗严重等问题对光声成像技术应用的限制,在声学超材料结构上设计了一种用于实现宽频带高频光声信号定向传输的模型,通过COMSOL Multiphysics软件进行了模型建立,并进行了仿真测试。测试结果表明... 详细信息

为了解决高频光声信号在传输过程中存在损耗严重等问题对光声成像技术应用的限制,在声学超材料结构上设计了一种用于实现宽频带高频光声信号定向传输的模型,通过COMSOL Multiphysics软件进行了模型建立,并进行了仿真测试。测试结果表明模型对200~1000 kHz的高频声波均有良好的定向传输效果,具备良好的宽频带定向低损耗传输特性,可以很好地解决高频声波传输过程中容易产生的声能损耗问题。以700 kHz的光声信号为例,研究了光声信号在模型中的传输特性。研究表明该模型在传输高频声波的过程中,能够达到很好的局域声场增强的效果,该模型可以满足光声成像技术在应用过程中的高频信号传输的需求。

关键词：超材料光声成像光声信号宽频带定向传输

光源探测器阵列密度对近红外漫射光相关断层成像的影响

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测试技术学报 2024年第3期38卷 308-314页

作者：张睿芝桂志国尚禹中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室山西太原030051

近红外漫射光相关断层成像技术(Diffuse Correlation Tomography,DCT)是一种乳腺微血管血流成像的新技术,但成像的空间分辨率不足,高密度光源探测器(Source and Detector,S-D)阵列的布置方式是否可以有效提高DCT空间分辨率目前尚不清楚... 详细信息

近红外漫射光相关断层成像技术(Diffuse Correlation Tomography,DCT)是一种乳腺微血管血流成像的新技术,但成像的空间分辨率不足,高密度光源探测器(Source and Detector,S-D)阵列的布置方式是否可以有效提高DCT空间分辨率目前尚不清楚。为了研究S-D阵列密度对于DCT血流重建图像空间分辨率的影响,设计了3种S-D阵列,密度分别为24、48和96。结合蒙特卡洛仿真和DCT血流图像重建方法,研究了S-D阵列对于2种含有高血流异质物(模拟乳腺恶性肿瘤)的乳腺组织血流重建效果的影响。结果表明,高密度的SD阵列交错排布可以提高DCT血流重建的空间分辨率,可提升临床早期筛查时乳腺恶性肿瘤成像的精确性和稳定性。

关键词：近红外漫射光相关断层成像光源探测器阵列密度血流成像图像重建空间分辨率

基于低秩与全变分联合正则化的低剂量CT图像重建方法

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计算机应用 2024年

作者：刘宇张鹏程张丽媛刘祎桂志国张雪怡朱陈一菲汤豪威生物医学成像与影像大数据山西省重点实验室(中北大学) 中北大学信息与通信工程学院

针对采用全变分(TV)最小化方法在低剂量计算机断层扫描(LDCT)图像重建中易导致图像过平滑和块状效应等问题，提出一种基于低秩与全变分联合正则化LDCT重建的方法，以提升LDCT重建图像的视觉质量。首先，建立一个低秩与全变分联合正则化... 详细信息

针对采用全变分(TV)最小化方法在低剂量计算机断层扫描(LDCT)图像重建中易导致图像过平滑和块状效应等问题，提出一种基于低秩与全变分联合正则化LDCT重建的方法，以提升LDCT重建图像的视觉质量。首先，建立一个低秩与全变分联合正则化重建模型，从而从理论上获得更为精确和自然的重建结果；其次，通过引入具有非局部自相似特性的低秩先验改善和克服仅使用全变分最小化方法存在的局限性；最后，采用Chambolle-Pock(CP)算法优化求解该模型，提高所提模型的求解效率，保证所提模型的有效求解。在3种不同LDCT扫描条件下验证了所提方法的有效性。实验结果表明，与PWLS-LDMM(Penalized Weighted Least-Squares based on Low-Dimensional Manifold)方法、NOWNUNM(Nonlocal Weighted Nuclear Norm Minimization)方法和CP方法相比，在25%剂量下，所提方法的视觉信息保真度分别提升了28.39%、7.66%和2.84%；在15%剂量下，所提方法的视觉信息保真度分别提升了29.96%、13.83%和4.53%；在10%剂量下，所提方法的视觉信息保真度分别提升了30.22%、17.10%和7.66%。所提方法可以在消除噪声和条纹伪影的同时保留更多的细节纹理信息，验证了所提低秩与全变分联合正则化的LDCT重建方法具有较好的噪声伪影抑制能力。

关键词：低剂量计算机断层扫描 Chambolle-Pock算法低秩全变分图像重建