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光学学报 2019年第4期39卷 136-142页

作者：赵宽心李同心侯茜但迈高峰天津大学天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室天津300072 天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现... 详细信息

基于锁相光子计数技术,提出一种多波长并行检测的单像素空间频率域成像(SFDI)系统。以一个数字微镜器(DMD)为待测多波长漫反射光的调制光源,以另一个DMD为漫反射光采集、编码与会聚设备,使得会聚后的漫反射光通过锁相光子计数技术实现不同波长的解调分离,同时降低了系统成本。引入压缩感知图像恢复理论,有效缩短了多次空间编码引起的单像素成像时间。实验结果表明,所提SFDI系统只需要进行像素总数20%左右的编码,即可准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像。

关键词：成像系统空间频率域成像并行检测锁相光子计数单像素相机

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空间频率域光学拓扑成像的深度学习方法

空间频率域光学拓扑成像的深度学习方法

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作者：刘美慧天津大学

学位级别：硕士

空间频率域(Spatial Frequency Domain,SFD)成像是一种新兴的光学成像技术,能够在大视场范围内实现光学特性的定量测量,其凭借快速、无创、高性价比等优点,近年来受到广泛关注并被应用于生物医学成像领域。然而,SFD成像在实际测量过程... 详细信息

空间频率域(Spatial Frequency Domain,SFD)成像是一种新兴的光学成像技术,能够在大视场范围内实现光学特性的定量测量,其凭借快速、无创、高性价比等优点,近年来受到广泛关注并被应用于生物医学成像领域。然而,SFD成像在实际测量过程中仍面临一些问题。首先,传统SFD成像中测量图像的解调及光学特性重建过程比较耗时,限制了成像的实时性;其次,待测生物组织的形貌会使测量图像的调制特性产生畸变,进而影响光学特性重建的准确性;此外,目前的SFD成像策略普遍将生物组织近似成单层组织进行二维光学拓扑成像(Optical Topography,OT),忽略了组织沿深度方向的非均匀性(光学特性的近似多层分布)。近年来,深度学习技术快速发展并逐步应用于传统成像领域,带来成像速度、精度等多方面优势。本文针对上述问题,将SFD成像与深度学习方法相结合,发展了一套空间频率域光学拓扑成像(SFD-OT)的深度学习方法,旨在改善SFD成像的实时性和定量性,并提高其临床适用性。本文首先针对单层组织的SFD-OT,利用生成对抗网络及反向传播神经网络分别实现幅度解调及快速光学特性重建,在模型性能评估的基础上设计并开展了仿体及在体成像验证实验。结果表明,所发展的深度学习方法针对不同场景均具有良好的准确性及泛化性,相比于传统成像方法大幅度缩短了解调及重建光学特性所需时间,有望实现SFD-OT实时成像应用。针对具有复杂形貌的生理组织,本文发展了基于目标形貌的SFD测量图像校正方法,分别从入射和出射方向对SFD测量图像进行高度及角度相关的光强校正,并使用空间频率插值方法进一步对目标区域进行频率校正。仿体及在体实验结果表明,该方法对具有不同形貌组织光学特性的重建精度均有显著改善,为SFD成像的临床应用提供了可行性方案。在以上方法的基础上,本文进一步研究了面向分层组织SFD-OT的深度学习方法。首先针对人体皮肤结构分别构建了皮肤-皮下和表皮-真皮双层组织模型,利用不同空间频率调制光在组织中穿透深度的差异,通过合理选择空间频率实现多层组织结构光学特性的重建。模拟及实验结果表明,在选取的空间频率下可准确重建厚度为2 mm情况下的顶层光学特性。最后,文章初步探索了面向四层组织吸收系数重建的SFD-OT深度学习方法,为多层组织SFD成像提供思路。

关键词：空间频率域成像光学特性重建深度学习光强校正分层组织

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基于SFDI的非黑色素瘤皮肤癌光动力治疗在体测评方法初探

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作者：赵宽心天津大学

学位级别：硕士

非黑色素瘤类皮肤癌是一类较普遍的恶性皮肤癌疾病。近年来,光动力治疗（photodynamic therapy,PDT）作为非黑色素瘤类皮肤癌疾病新兴的治疗手段,受到广泛关注,但目前仍缺乏一套行之有效的实时无创在体测评方法,治疗效果因人而异。临床... 详细信息

非黑色素瘤类皮肤癌是一类较普遍的恶性皮肤癌疾病。近年来,光动力治疗（photodynamic therapy,PDT）作为非黑色素瘤类皮肤癌疾病新兴的治疗手段,受到广泛关注,但目前仍缺乏一套行之有效的实时无创在体测评方法,治疗效果因人而异。临床上,决定PDT疗效的关键在于病变组织体中毒性单态氧（toxic singlet oxygen,TSO）的产率与治疗时间下的积累量能否满足需求,基于此,本文重点针对TSO产率与积累量的求解,建立了评判PDT疗效的无创在体测评模型。为了求解该模型,首先需要求解组织体中光剂量与光敏剂剂量的在体分布。为此,本文发展了一种基于锁相光子计数检测的单像素空间频率域成像（spatial frequency domain imaging,SFDI）系统,用于获取组织体实时的光学参数信息及荧光产率分布信息的原始数据,以完成对光剂量与光敏剂剂量的求解。系统验证说明了所发展的SFDI系统能同时准确重构多波长下仿体表面漫反射光图像用于光学参数及荧光产率的重建。随后,对所发展的针对TSO产率的精确PDT疗效测评模型进行了初步的模拟探讨,主要是基于正常及癌变皮肤组织光学模拟模型,以临床常用光敏剂剂量初值为例对其进行求解。首先,利用基于网格的微扰-蒙特卡罗（Mento-Carlo,MC）方法求解出了癌变模型中光剂量三维分布结果。该方法在传统MC的基础上提高了光剂量的测评效率并降低了对运算设备的要求。之后再根据光剂量求解结果及光敏剂分布初值,分别求解出了模型中各个时刻下的光敏剂剂量,常态氧量,TSO产率、产量以及积累量,完成了针对TSO的测评。

关键词：光动力治疗毒性单态氧空间频率域成像光剂量光敏剂剂量

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面向复杂形貌组织体的空间频域光学成像系统的研究

面向复杂形貌组织体的空间频域光学成像系统的研究

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作者：戚彩霞天津大学

学位级别：硕士

光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)已经在诸多方面取得了成功应用,例如在鲜红斑痣治疗方面、在消化道癌和皮肤癌的治疗方面。但PDT疗法仍存在一定的局限性,其治疗效果受限于医师的经验和病人的个体差异,缺乏在体的、定量化的剂量定... 详细信息

光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)已经在诸多方面取得了成功应用,例如在鲜红斑痣治疗方面、在消化道癌和皮肤癌的治疗方面。但PDT疗法仍存在一定的局限性,其治疗效果受限于医师的经验和病人的个体差异,缺乏在体的、定量化的剂量定量及测评方法。在研的光学测评技术方法中,空间频率域成像(spatial frequency domain imaging,SFDI)方法可在实现无创、非接触检测、宽场、快速成像的同时提供功能信息,非常适合大面积组织体的PDT(例如鲜红斑痣)在体测评。但由于SFDI依赖于强度的测量,当组织体和参考仿体或组织表面高度不同时,入射光强将不同,从而造成光学参数定量提取上的误差。因此如何在SFDI系统中在体地获得组织的外部形态并结合到后续的方法中是必须解决的问题。本论文设计并搭建了面向光动力治疗在体测评的SFDI系统,并在此基础上提出了一种组织体复杂形貌矫正方法,该方法可以修正复杂形貌组织体表面的光强度信息进而提高光学参数重构的准确度,为PDT剂量测评提供可靠的依据。SFDI系统采用DMD作为空间调制器,实现空间调制光的精准投射,以EMCCD作为探测器用以实现快速高效的信息采样。系统采用基于X86平台的上位机软件对DMD和EMCCD进行控制。根据SFDI系统可以产生正弦调制光的特点,本文选用四步相移法和解包裹处理来获取复杂组织体表面的三维形貌,利用朗伯体公式法矫正因组织体表面复杂形貌而引起的光通量的差异,进而实现对复杂形貌组织体光学参数的准确重建。本文采用一系列实验对系统的性能进行验证,对系统的形貌获取和光学参数重构的能力进行评估。结果表明:由DMD出射的不同频率下的正弦调制光的失真度均小于7.41%,系统对高度测量的最大相对误差为3.57%,均已满足了系统设计要求。在初步的仿体试验中,选择角度在20°内、高度在15mm内变化的固体仿体进行光学参数重构实验,和未经形貌矫正相比,经形貌矫正后的吸收系数的重构相对误差从33%下降到15%,结果表明该系统可用于复杂形貌组织体的光学参数的测量,为实现光动力治疗在体测评打下基础。

关键词：光动力疗法在体测评空间频率域成像三维形貌光学参数

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