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

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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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