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
光子学报
2022, 51(12): 1217001
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
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
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和仪器重点实验室，天津300072
为增强乳腺扩散光学层析(Diffuse Optical Tomography, DOT)方法的实用性，提出了一套稳态扩散荧光光学联合断层成像系统与算法.系统采用基于光开关切换的串并混合门控光子计数检测模式，可有效实现测量时间、灵敏度和系统性价比之间的平衡；算法以图形处理器加速的蒙特卡洛光子输运模型为基础，采用了荧光DOT“导航”的血氧DOT图像重建策略，通过利用高对比度荧光DOT的先验位置信息，可有效改善血氧DOT图像重建的不适定性.仿体实验结果表明，与单独DOT方法相比，此联合方法可明显提高图像重建的定位准确度和定量性.
生物医学工程 扩散光学层析 稳态测量 乳腺癌诊断 蒙特卡洛模拟 biomedical engineering diffuse optical tomography steady-state measurement breast tumor diagnosis Monte-Carlo simulation
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
当前荧光分子层析(FMT)技术因假设背景光学结构均匀而导致其灵敏度、定量性和空间分辨率等主要指标与实际应用要求存在一定的差距，而基于区域标识的“粗粒度”扩散光学层析成像（区域DOT）重建算法在目标体结构先验信息的支持以及光学特性分区均匀性自然假设下能够有效获取目标体的光学结构，展开了提高FMT技术成像灵敏度的稳态测量模式下区域DOT/FMT混合成像方法的研究。数值模拟中以含有区域标记的光学数字鼠模型为背景，分别在已知数字鼠精确光学结构、利用区域DOT重建算法获取的数字鼠光学结构以及假设数字鼠各区域光学参数均匀三种背景情况下基于FMT技术重建荧光产率图像，并利用简化的仿体模型进行实验验证。结果表明，该区域DOT/FMT混合成像方法使FMT技术成像灵敏度有了显著提高，荧光产率图像具有更好的定位及量化精度。
成像系统 荧光分子层析成像 区域扩散光学层析成像 背景光学结构 荧光产率 光学学报
2013, 33(10): 1011002
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
基于球谐函数参数化描述方法和组织器官光学特性分区均匀性假设，提出了一种稳态测量模式下形状扩散光学层析(DOT)成像方法，它能同时重建组织器官的形状及其内部光学参数。该方法中，正向模型采用扩散方程的边界元数值解法，图像反演则采用Levenberg-Marquardt优化算法。用不同噪声水平下的模拟数据和简化的仿体模型分别进行了模拟和实验验证。重建结果表明，所提出的算法具有较快的收敛速度和较好的全局收敛性，并能有效地恢复目标区域的形状参数和光学参数。
医用光学 形状扩散光学层析成像 边界元法 球谐函数参数化 逆问题
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
为了获得乳腺诊断的功能影像信息，设计了一套面向乳腺肿瘤早期诊断的血氧扩散光学层析(DOT)成像系统。该时域测量系统采用时间相关单光子计数技术，获得溢出目标体表面的光子随时间变化的分布信息，为了兼顾测量时间和系统成本，采用了四通道并行测量模块与光开关相结合的架构，能够降低不同通道之间的性能差异，减少伪像对诊断的干扰。采用基于广义脉冲谱技术的特征数据算法实现了光学参数(吸收系数、约化散射系数)的同时重建。通过仿体实验和初步临床研究对所提出的时域血氧DOT方法进行了验证，结果表明，该方法可以有效重建乳腺组织中光学参数的空间分布，进而获得乳腺组织功能信息，用于乳腺肿瘤的早期检测。
医用光学 成像系统 乳腺肿瘤早期诊断 三维时域扩散光学层析 功能影像重建
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
基于体元的扩散光学层析成像(DOT)重建算法和组织体光学特性分区均匀性自然假设，发展了稳态测量模式下基于区域标识的“粗粒度”扩散光学层析成像重建算法。在60 dB、40 dB和20 dB噪声水平下利用含有区域标记的光学数字鼠模型对该算法进行了模拟验证，实现了对数字鼠各组织区域吸收系数和约化散射系数的重建。利用简化的仿体模型进行实验验证，基本实现对仿体多个区域的光学参数重建。结果表明，提出的重建算法能够大幅度改善基于体元的扩散光学层析成像重建算法反演问题的不适定性，大幅度提高其成像分辨率和量化精度，并基本能从噪声数据中恢复相应区域的光学参数。
成像系统 扩散光学层析成像 区域图像重建 光学参数分区均匀 稳态测量模式
