基于观察矩阵的时域扩散光学层析成像方法

荧光极易受到外界因素干扰,影响到光子的输运过程,导致时域扩散光学层析成像效果较差,设计一个基于观察矩阵的时域扩散光学层析成像方法。以光子正常发射的行动轨迹作对照,建立扩散输运模型,使光子在扩散前后能量保持守恒,建立时域稳定条件下重建光子信号方程,计算层析映射率,建立观察矩阵并对观察矩阵中获得的图像小波变换处理,实现基于观察矩阵的时域扩散光学层析成像。实验结果表明,经上述研究的方法成像后,图像的组织体吸收系数、组织体约化散射系数与实际图像曲线基本一致,具有较好的成像效果,满足方法设计需求。

一种基于多级小波域分解的时域扩散光学层析成像方法的研究

面向基于有限差分光扩散模型的平板乳腺扩散光学层析反演问题,提出了一种有效提高图像重建质量的方法。与基于全空间域离散像点的传统重建算法不同,本方法采用小波函数对吸收系数和散射系数在空间域进行多尺度分解,在减少低分辨率重建中光学参量的个数、有效改善重建过程病态性的同时,通过逐级细化分解尺度,最终提高了图像的量化度和空间分辨率。数值模拟表明,该方法可实现目标体边对边4 mm的空间分辨率,量化度明显高于传统算法。

基于图像分割的时域乳腺扩散光学层析成像方法

鉴于乳腺光学层析成像方法中的不适定性严重影响重建图像性能,引入图像分割技术.通过选择合适的图像分割阈值,将基于全域重建的图像分割为背景区域和目标区域,再对得到的"目标区域"进行二次图像重建.数值模拟研究表明,该技术可有效地减小反演变量的维数,提高重建图像的性能.

利用深度学习扩展非接触扩散光学层析成像系统中探测器的动态范围

非接触式扩散光学层析成像(Diffuse Optical Tomography,DOT)技术和传统DOT技术相比具有更高的空间采集密度,系统中探测器的动态范围对实验结果有很大的影响。通过仿真和实验研究了探测器动态范围过小对重建结果的影响,并提出了一种利用深度学习拓展探测器动态范围的方法。在NIRFSAT软件包中设置不同的吸收散射的仿体及入射光场参数,批量生成训练样本,搭建全连接网络进行模型训练,并利用该模型修复仿真和光学实验条件下探测器获得的数据。实验数据修复及重建结果表明,该模型修复了低动态范围探测器获得的数据,将探测器的动态范围从256扩展到109。该方法能够有效地减小探测器动态范围过小带来的重建误差,为使用普通低动态范围探测器进行非接触式DOT提供了一种有效的技术解决方案。

提高时域乳腺光学层析成像质量的方法

时域乳腺光学层析成像技术可以有效重建乳腺组织的光学参数,实现乳腺癌的早期检测.为了提高重建图像的性能,针对图像重建过程中吸收系数和约化散射系数的雅克比矩阵间的量级差异,提出了一种有效的雅克比矩阵标定方法;为了克服不适定性因素对重建图像质量的影响,引入了图像分割技术实现对雅克比矩阵有效降维.实验数据的相关验证表明,上述两种方法可有效提高重建图像的质量.

基于B样条参数化描述的形状扩散光学层析成像方法

为了改善扩散光学层析成像(DOT)逆问题的病态性,本文发展了一种基于B样条参数化描述的形状DOT重建算法.在合理地假设组织体各区域光学参数均匀分布的前提下,通过采用B样条参数化描述复杂区域的边界,将DOT的逆问题从大规模的体元光学参数重建转化为只重建各子区域的一组光学参数和复杂形状参数.在信噪比为35,d B条件下对不同形状模拟异质体的重建结果表明,该算法在不同的光学参数范围、异质体初始形状估计、光学参数初始估计下,均可有效地重建出异质体的形状和光学参数.稳态DOT系统的仿体实验验证表明,背景光学参数和异质体光学参数的重构误差分别小于1.18%和12.00%.该算法将对肿瘤诊断漫射光层析成像的发展具有推动作用.

时域光学干涉层析成像实验系统的研制

设计了时域光学干涉层析成像装置,对平面镜进行了测试,讨论了装置的分辨率;同时对单层透明胶带进行单点轴向扫描,成功探测到胶带的反射界面;最后利用多次测试结果对系统的性能进行了分析.

用于乳腺检测的多通道扩散光学层析成像系统

基于光子计数原理,研发了一套用于乳腺检测的多通道连续光(CW)扩散光学层析成像(DOT)系统。系统采用了“无间歇可调宽度滑动门计数器”以动态记录信息。每个滑动门宽可以从50μs变化到十几秒,相应地,根据预设门的数目,总测量时间跨度为几毫秒至几十秒。数据传输及系统控制应用通用串行总线(USB)2.0接口,增强了系统的可扩展性,可以满足不同空间分辨率的需要。

一种提高乳腺扩散光学层析成像分辨率的方式

目的 扩散光学层析成像(diffuse optical tomography,DOT)在女性大尺寸乳腺检测时因信噪比低,导致其成像分辨率较低。本文基于计算机断层扫描激光乳腺成像系统(computed tomography laser mammography,CTLM),提出一种提高乳腺扩散光学层析成像分辨率的方式。方法 本文首先通过仿体实验探讨仿体直径和目标深度对扩散光学层析成像分辨率的影响;其次,本文使用高透性的光敏树脂通过3D打印制作外壳定位件,在验证其对扩散光学层析成像分辨率无显著影响后,利用外壳定位件对被测物进行约束压缩,以减小被测物直径来提高信噪比,优化扩散光学层析成像分辨率。结果 本文通过仿体实验验证了仿体直径的增加和目标深度的变化均会在一定程度上影响成像分辨率,随着仿体直径的增加,其感兴趣区(region of interests,ROIs)宽轴和长轴半高宽基本属于上升趋势;随着目标深度的增加,也会对ROIs宽轴和长轴半高宽产生影响。同时发现仿体直径对ROIs长轴半高宽有显著影响,目标深度对ROIs宽轴半高宽有显著影响。另外通过仿体实验结果验证了外壳定位件对扩散光学层析成像分辨率无显著影响,利用外壳定位件约束压缩后ROIs长轴半高宽降幅明显,降幅达到30%以上,远大于宽轴半高宽的降幅,达到了提高成像分辨率的作用。结论 本文所提出的方式能够达到提高乳腺扩散光学层析成像分辨率的作用,且所使用的材料和方法简单,具有较强的可实施性,为提高乳腺扩散光层析成像分辨率提供了新思路。

面向乳腺诊断的时域扩散光学层析图像重建方法

为了克服传统的X射线乳腺成像术在灵敏度、特异性、安全性和舒适性等方面存在的重大缺陷,提出了一种面向乳腺成像的时域扩散光学层析(diffuse optical tomography,DOT)图像重建技术.该技术以拉普拉斯变换时域扩散方程的有限元(finite element method,FEM)数值解作为正向模型,采用基于牛顿-拉夫逊迭代格式的逆模型框架.通过对锥形压缩乳房光学层析模式的模拟实验研究表明,该方法可有效重构出乳腺肿瘤组织的吸收系数μa和约化散射系数μs′的层析图像,且成像目标的空间位置准确,具有较高的图像质量.

乳腺扩散光层析成像模体实验研究

目的:通过模体实验验证本文所提时域乳腺扩散光层析成像(DOT)方法的有效性和可行性。方法:利用搭建的多通道时间相关单光子计数技术(TCSPC)的多通道DOT测量系统对圆柱形模体进行实验数据测量,并将测量数据代入本文所提时域扩散光层析成像算法中进行吸收和散射系数图像重建。结果:重建所得吸收和散射系数图像中肿瘤位置与实际相符,但尺寸略大于实际情况。两者的重建值分别达到实际值的50%和30%左右。结论:通过应用自主搭建的TCSPC的DOT测量系统和本文所提算法进行二维实验验证,结果显示可以较好地重建出乳腺肿瘤位置、大小和光学参数值,为进一步的乳腺DOT临床实验打下基础。

非均匀介质下基于区域重建的弥散光学层析成像

传统体素重建方法的弊端是用测量数据重建庞大的光学参量。庞大的数据量一方面加大重建过程中的计算量,另一方面由于测量数据易于受噪音的影响造成结果的不稳定性。因此,本文提出一种基于区域的重建方法,该方法通过找邻近节点确定目标区域。第一步进行体素重建,确定目标个数及其中心点。第二步重建中心点所在的区域。实验中,给出了重建模型吸收系数的重建结果,并引入四个数值指标进一步衡量重建图像质量。实验结果表明:该方法可以有效降低重建系统规模,克服重建病态性,提高重建图像的精确性和对比度。

基于LED照明的时域全场OCT成像系统设计

为了进一步降低成本并提高成像的速度与精度,提出了一种基于发光二极管(LED)照明的全场时域光学相干层析成像技术(OCT)系统。用LED作光源、采用带反馈的闭环四步移相法采集信号,阐述了其成像原理,并进行了系统结构研究、理论分析和实验验证。结果表明,系统的相干长度为23μm,轴向分辨率达到了11.8μm,横向分辨率为19.8μm,单幅图的采集时间为2.15 ms;与以往的OCT扫描方式相比,该方法减小了实现成本,并具有更快的扫描速率以及更高的精度,有着很大的使用价值。该研究为开发超高速、高精度的低成本OCT系统提供了参考。

Monte Carlo方法在扩散光学成像仿真中的应用

综述了描述前向问题的各种模型,包括解析解方法、数值方法和统计方法.特别地,就生物自发光多谱段光源的实例介绍了MonteCarlo方法.在光学成像领域,针对不同的成像模态、对成像质量的要求以及所需要的信息,MC方法有3种主要形式:连续波、时域和频域.不仅揭示了每种形式的基本原理,同时也相应地介绍了其在本领域的典型应用及软件.通过这些应用可以看出,MC方法对于扩散光学成像,特别是最近几年的在体无创实时成像的发展发挥着重要作用.

基于多信息融合和栈式自编码网络的扩散光学层析方法

针对传统扩散光学层析(DOT)成像方法获取的图像精度较低,且主要对规则的圆形异质体进行重建的问题,本文利用解剖图像提供的结构先验信息并结合具有网络模型简单、需要调整的网络参数少、网络训练速度快等优点的栈式自编码(SAE)网络,发展了基于多信息融合和SAE网络的DOT图像重建方法。为验证所提方法的可行性和有效性,进行了一系列的数值模拟和定量评估。实验结果表明,与无先验信息方法相比,该方法可有效提高低吸收对比度(1.5)情况下的图像质量,使得平均绝对误差降低62%,均方误差降低11%,定量重建率值由139%降低为107%更接近100%。对单目标和双目标椭圆形异质体重建时,融合先验信息的方法获得重建图像的位置、尺寸、形状以及吸收系数更接近真实值,与无先验信息方法相比平均绝对误差至少降低8%,均方误差至少降低5%,定量重建率值更接近100%。

基于凸非凸有限元全变差正则的扩散光学层析成像

为避免扩散光学层析成像中L1正则项带来的有偏估计问题,提出一种基于凸非凸有限元的全变差(CNC-FETV)正则重构模型。首先,应用有限元方法将求解域剖分为有限个三角形,用一个连续分段多项式函数逼近每个三角形上的吸收系数值,再对导出的差分矩阵进行逐个单元组装,得到有限元的全变差(FETV)正则表示。然后,利用基于凸非凸稀疏正则的构造方法得到凸非凸有限元全变差正则项,并在理论上证明该非凸正则项在一定条件下可保持目标函数的整体凸性。最后,利用交替方向乘子法求解所提模型。数值实验表明,所提CNC-FETV模型在扩散光学层析成像重构的视觉效果和评价指标值上都要优于已有的Tikhonov和FETV正则模型。

早期骨性关节炎的光学成像检测技术(英文)

介绍了光学相干层析成像技术、扩散光学层析成像技术和光声层析成像技术3种早期骨性关节炎光学成像检测技术.和X线平片常规影像诊断技术相比,光学相干层析成像技术可测量软骨的厚度,检测胶原结构的微小变化;扩散光学层析成像技术能测量软骨、滑液等结构的厚度和相应的吸收系数和散射系数;光声层析成像技术可探测胶原纤维网的恶化、变浑浊的滑液、骨的代谢功能障碍和软骨下骨的代谢过旺.最后对这3种成像检测技术的应用前景及早期骨性关节炎检测方法作了简要展望.

一种无信息丢失的光学相干层析图像校正方法

文章提出一种无信息丢失的图像处理方法,用以校正受到生物组织随机蠕动影响的光学相干层析(OCT)图像。文中首先利用相干增强各向异性扩散算法对原始OCT图像预处理增强层状结构,再利用顺序查找峰值的方法找出某层状结构及其周围层状结构的位置,进而利用异常点去除的方法对该层状结构进行校正,并以校正后得到的该层状结构位置作为基准校正图像。对眼底OCT图像去抖动的实验说明该方法能很好的去除OCT图像中的抖动,从而很好地辅助诊断。

基于水平集的光学层析图像重建

为解决重建图像中异常区域边界不规则这一问题,提出一种基于水平集的光学层析图像重建方法。该方法在背景区域光学参数已知情况下,可以使重建异常目标区域的位置更加接近其真实位置,且实现了异常区域位置和光学参数的同时重建。采用扩散方程作为光子传输模型,基于有限元方法实现正向模型的数值求解,用零水平集曲线表示异常区域边界。实验结果表明,该方法不仅能够更好的实现异常目标区域的定位而且能够方便的追踪目标区域拓扑结构的变化,与传统重建方法相比,极大提高了重建图像质量和重建速度。

基于傅里叶级数参数化描述的形状扩散光学层析成像方法研究

提出了一种形状扩散光学层析成像技术的数值方法,它能同时重建组织器官的边界和器官内的光学参数。假设不同类型的组织器官内具有各异的均匀光学参数,光子传输模型便可由一些耦合的Helmholtz方程描述,并使用边界元法作为正向模型的数值求解方法。区域的复杂光滑边界用傅里叶级数展开参数化方法表示。反演问题采用Levenberg-Marquardt优化算法,并用加入不同噪声水平的模拟数据对算法进行验证。数值模拟结果表明,提出的图像重建算法具有较快的收敛速度和全局收敛性,并能从噪声数据中准确恢复相应区域的形状参数和光学参数。