杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310016
光学层析成像技术由于其非接触性、结构简单、采样率高、安全性高、分辨率高等特性，在工业流体监测以及医学等领域得到广泛应用，同时在学术领域上也具有很高的研究价值。光学层析成像分为扫描阶段和图像重建阶段。在重建过程中，算法的性能往往决定着图像重建的质量。鉴于现有重建算法存在重建速度慢与图像质量不高等问题，提出一种基于预置矩阵的Landweber重建算法。该算法通过引入历史迭代信息、在迭代过程中添加预置矩阵和加速项而加快迭代速度，减小重建图像与真实图像的误差。对圆形测量场内5个特定分布进行实验仿真，对比所提改进算法与传统算法的性能。仿真结果显示，该算法的重建误差在5%左右，同时证实该改进算法相较于传统算法有显著性能提升，重建误差降低48%，图像质量得到显著提升。
光学层析成像 图像重建算法 Landweber算法 预置矩阵 加速项 激光与光电子学进展
2023, 60(16): 1611003
1 长江大学信息与数学学院，湖北 荆州 434020
2 河南师范大学计算机与信息工程学院，河南 新乡 453007
为避免扩散光学层析成像中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。
扩散光学层析成像术 凸非凸稀疏正则 有限元法 交替方向乘子法 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1211001
杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310018
光学层析成像传感器结构由发光元件与感光元件组成，对重建图像的精度有重要作用。鉴于此，对扇形发光与感光元件的分布进行了优化研究。首先，将发光与感光元件的位置信息构建为角度向量。然后，引入灵敏场均匀性参数作为该结构的评价指标，并通过仿真实验验证了该指标的可靠性。最后，基于遗传算法对传感器结构进行优化，将角度向量作为优化对象来确定传感器结构，并将灵敏场均匀性参数作为适应度函数。在所获得的优化结构中，发光与感光单元分布不均匀，均匀性参数为0.288。多种具体分布的图像重建实验表明，该传感器优化结构在重建精度、图像准确性和噪声等方面均优于传统分布和随机分布。
成像系统 配置优化 扇形光束激光器 遗传算法 光学层析成像 Landweber重建算法
光子学报
2022, 51(12): 1217001
杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310018
光学层析成像传感器结构设计对提高重建图像质量、降低结构成本、减少系统复杂度有着重要作用。对不同分布场景、不同传感器结构下的重建图像进行了研究，研究结果表明：分布场景与传感器结构对重建图像质量均有较大影响；某种场景下变换传感器数量得到的参数曲线具有一致性的趋势；30×30的传感器结构在不同分布场景下的重建图像都有较好的表现。根据研究结果并考虑传感器尺寸、成本、可行性等因素，设计了一套30×30的激光器-光电二极管光学层析成像硬件装置，并利用该装置进行了不同分布截面状态的光学层析成像静态实验。实验结果表明，该成像硬件装置可以较为准确地重建不同分布截面状态。
传感器 传感器结构 仿真 光学层析成像 投影 激光与光电子学进展
2022, 59(22): 2228001
1 南开大学 现代光学研究所，天津300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津300350
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。
扩散光学层析成像 深度学习 非接触系统 数据修复 diffuse optical tomography deep learning non-contact system data recovery 光学 精密工程
2021, 29(11): 2529
1 天津工业大学生命科学学院, 天津 300387
2 天津市光电检测技术与系统重点实验室, 天津 300387
扩散光学层析成像(DOT)是一种利用近红外光来探测生物组织光学结构的低成本、无辐射损伤、成像深度深的在体光学功能性成像技术。由于生物组织体自身需满足强散射、低吸收以及成像空间分辨率高等需求,因此DOT重建的逆问题具有严重的病态特性。传统的逆问题解决办法主要是基于代数迭代的重建方法,随着人工智能的发展及大数据时代的到来,深度学习研究掀起了一个新高潮,基于深度学习网络模型的逆问题解决方法逐步被用于DOT重建过程中。通过梳理传统的DOT重建算法,重点综述了最新深度学习用于DOT重建的研究进展,旨在为本领域相关研究团队提供参考。
医用光学 扩散光学层析成像 逆问题 深度学习 激光与光电子学进展
2020, 57(4): 040003
南京理工大学电子工程与光电技术学院， 江苏 南京 210094
内窥光学层析成像术(OCT)是OCT领域的一个重要分支。由于其微米级高分辨率光学断层和非接触式成像能力，内窥OCT已成为内窥医学和OCT技术领域研究的热点。主要阐述了内窥OCT的基本原理和组成，总结了内窥OCT探头的分类；研究了近年来各种内窥OCT探头的设计、尺寸、分辨率和成像速度等关键参数以及不同探头的优劣势和应用场合；简述了医学领域中特异性和灵敏度的概念，重点总结了不同类型的内窥OCT在心血管系统、食道、胃和小肠以及胰腺管等方面的临床应用和以特异性和灵敏度为基础的实验结果的评判，并对未来内窥OCT的发展作简要讨论。
成像系统 光学层析成像 内窥探头 特异性和灵敏度 激光与光电子学进展
2018, 55(7): 070002
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 天津市信息传感与智能控制重点实验室, 天津 300222
4 天津职业技术师范大学 自动化与电气工程学院,天津 300222
首先研究了LOT中光线倾斜角度对光在组织体内分布的影响, 在此基础上设计并完成了压缩倾角薄层光学层析成像(cdaLOT)系统, 提出了矫正扫描振镜枕型畸变的新方法, 并发展了基于虚拟源-扩散近似技术和GPU的LOT快速图像重建算法.光路模拟结果表明, cdaLOT系统可使入射主光线倾角减小为传统LOT系统的1/2.cdaLOT系统将测量值与蒙特卡洛模拟结果的相对误差由传统系统的38%降低为18%, 从而缓解了实际测量方式和正向数学模型的不匹配性.仿体成像实验表明: 重建异质体的吸收系数、位置和形状与真实情况基本相符.
薄层光学层析成像 倾角 图像重建 测量系统 laminar optical tomography dip angle image reconstruction measurement system
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津医科大学肿瘤医院, 天津 300060
3 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
在乳腺扩散光学层析成像中，L1-范数正则化的引入大幅改善了重建图像的质量，但目标函数的不可导性使得最优化过程异常困难。提出了一种新的基于非负约束L1-范数正则化的重建方法。非负先验信息的引入使得目标函数的一阶梯度变得简单易求，最优化过程得以简化和加速。数值模拟和仿体实验均表明，相对于传统正则化重建方法，该方法可简单、快速地获得更高质量的重建图像。
医用光学 乳腺扩散光学层析成像 图像重建 正则化 非负先验信息 光学学报
2016, 36(11): 1117002
