Spiral Scanning and Self-Supervised Image Reconstruction Enable Ultra-Sparse Sampling Multispectral Photoacoustic Tomography

多光谱图像 螺旋(铁路) 计算机科学 人工智能 采样(信号处理) 计算机视觉 迭代重建 生物医学中的光声成像 断层摄影术 立体视 重建算法 光学 数学 物理 数学分析 滤波器(信号处理)
作者
Yutian Zhong,Xiaoming Zhang,Zongxin Mo,Shuangyang Zhang,Wufan Chen,Qi Li
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2404.06695
摘要

Multispectral photoacoustic tomography (PAT) is an imaging modality that utilizes the photoacoustic effect to achieve non-invasive and high-contrast imaging of internal tissues. However, the hardware cost and computational demand of a multispectral PAT system consisting of up to thousands of detectors are huge. To address this challenge, we propose an ultra-sparse spiral sampling strategy for multispectral PAT, which we named U3S-PAT. Our strategy employs a sparse ring-shaped transducer that, when switching excitation wavelengths, simultaneously rotates and translates. This creates a spiral scanning pattern with multispectral angle-interlaced sampling. To solve the highly ill-conditioned image reconstruction problem, we propose a self-supervised learning method that is able to introduce structural information shared during spiral scanning. We simulate the proposed U3S-PAT method on a commercial PAT system and conduct in vivo animal experiments to verify its performance. The results show that even with a sparse sampling rate as low as 1/30, our U3S-PAT strategy achieves similar reconstruction and spectral unmixing accuracy as non-spiral dense sampling. Given its ability to dramatically reduce the time required for three-dimensional multispectral scanning, our U3S-PAT strategy has the potential to perform volumetric molecular imaging of dynamic biological activities.
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