基于低秩矩阵填充的背景荧光噪声抑制方法

在面向精准医疗的分子影像领域,荧光分子断层成像(FMT)是当前的研究热点之一。由于FMT逆问题严重的病态性,背景荧光噪声会对重建结果产生严重的负面影响。在深入研究基于有限元的FMT重建方法的基础上,提出利用低秩矩阵填充技术克服背景荧光的方法。该方法将不同激发节点形成的外表面观测组成一个有元素缺失的观测矩阵,利用低秩矩阵填充算法恢复该矩阵的缺失元素,同时抑制观测矩阵含有的背景荧光噪声。利用去噪后的观测矩阵建立了新的FMT逆问题模型,并利用其对荧光目标进行重建。单荧光和双荧光目标重建实验表明:基于去噪后FMT逆问题模型的重建结果获得了显著改善。     

基于随机变量交替方向乘子法的荧光分子断层成像

增加测量信息可以有效降低荧光分子断层成像(FMT)重建的病态性,但随着数据增多,重建耗时也会显著增加。为了降低FMT重建的病态性和提升大规模数据集下的重建效率,结合对偶坐标下降法(DCA)和交替方向乘子法(ADMM)提出了一种改进的随机变量的交替方向乘子法重建优化方法。在原始ADMM方法的基础上,增加了一个随机更新规则,在每次迭代中只需要一个或者几个样本,就可加速收敛,使目标函数快速得到最优解,从而达到快速重建的效果。设计了数字鼠仿真实验和真实鼠实验,实验结果表明,所提方法在保证FMT重建图像精度的同时,显著提高了重建效率。     

基于局部保留投影的荧光分子断层成像快速重建

采用大规模荧光分子断层成像(FMT)投影数据进行重建需要消耗大量的计算内存,花费较长的计算时间.为降低FMT重建的病态性以及加快重建速度,基于流形学习和压缩感知理论,提出了结合局部保留投影(LPP)和稀疏正则化的重建方法,并对原始的多投影荧光数据进行重建.为评估该方法的重建效果和时间,分别设计了非匀质圆柱单、双目标仿真实验和真实小鼠实验.实验结果表明,在保证FMT重建图像精度和分辨率的同时将重建时间大幅度减少.     

结合低秩填充与流形正则的荧光分子重建

荧光分子断层成像技术的逆问题有严重的病态性,对噪声影响非常敏感,为提高荧光基团的重建精度,提出将低秩填充与流形正则模型结合的荧光分子断层重建方法,来抑制噪声对逆问题重建的影响。方法能利用更多的先验信息,在利用荧光基团能量分布的聚集性的基础上,还能够同时利用生物外表面荧光分布的低秩性。通过低秩填充算法对外表面观测矩阵进行抑噪处理,来利用外表面观测矩阵低秩性的先验信息;通过流形正则模型来利用重建光源聚集性的先验信息,最终实现逆问题重建的精度的改善。同时设计了多组数字鼠实验,结果表明结合低秩矩阵填充与流形正则模型的FMT逆问题的重建结果取得了明显的改善。     

用于提高成像灵敏度的区域DOT/FMT混合成像方法EI北大核心CSCD

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。     

时域荧光分子层析图像重建的线性特征数据法

通过扩展用于时域扩散光成像(Diffuse Optical Tomography, DOT)的广义脉冲谱技术,提出了一种用于时域荧光分子层析成像(Fluorescence Molecular Tomography, FMT)的线性特征数据图像重建算法.此算法能够同时重建荧光产率和荧光寿命,并且利用模拟数据对此方法进行验证,证明了算法的有效性.     

荧光分子层析中的全时间分辨图像重建法

在荧光分子层析(Fluorescence molecular tomography,FMT)中.全时间分辨(Time Resolved.TR)测量包含了最多的光子传输信息.基于有限元一有限差分扩散方程的正向模型和Newtown-Raphson的逆向模型,将全时间分辨方法用于时域荧光分子层析中.用模拟数据对算法在空间分辨率、定量性、重建尺寸和灰度的保真度以及噪声稳健性等方面进行了验证.结果表明,此方法能够实时重建荧光产率和荧光寿命图像.与以前发展的基于广义脉冲谱技术(Generalized pulse spectrum technique,GPST)的特征数据法进行图像重建相比较.整体上优于广义脉冲谱技术.     

计算层析成像光谱仪的仿真研究

介绍一种无需时间或空间扫描的新型成像光谱仪计算层析成像光谱仪 (CTIS) ,并对其基本原理进行了详细叙述和方程式表达。系统的投影矩阵是由理论推导得出 ,采用广义矩阵的截断奇异值分解法作为计算机层析成像重建算法。为了便于计算机仿真 ,建立了一种简单的数理模型。仿真实验表明该理论、数理模型和算法准确合理 ,且算法的重建效率高、系统误差小     

基于非凸稀疏正则的荧光分子断层成像

为提高荧光分子断层成像(FMT)的重建精度,将非凸LP(0P1)正则化引入到FMT重建中。为有效求解包含非凸惩罚项的优化问题,结合加权同伦算法(WHA)提出了快速迭代重建算法,将LP正则化问题转化为一系列加权的L1正则化问题求解。异质仿体上的仿真实验表明,LP(0P1)相较L1正则化重建在荧光目标定位和定量方面都有提高。而且通过比较6种不同的正则子,评估了参数P的选择对重建结果的影响,结果表明当1/3≤P≤1/2时,非凸正则子算法可以取得最优的重建结果。     

计算层板成像光谱仪的仿真研究

介绍一种无需时间或空间扫描的新型成像光谱仪－计算层析成像光谱仪（ＣＴＩＳ），并对其基本原理进行了详细叙述和方程式表达。系统的投影矩阵是由理论推导得出，采用广义矩阵的截断奇异值分解法作为计算机层析成像重建算法。为了便于计算机仿真建立了一种简单的数理模型。仿真实验表明该理论、数理模型和算法准确合理，且算法的重建效率高、系统误差小。     

压缩感知光谱测量局部哈达玛矩阵的构造与性能

针对压缩感知光谱测量中随机矩阵作为测量矩阵无法获得高质量重建精度问题,提出了一种测量矩阵构造的新方法。介绍了局部哈达玛矩阵的构造方法,以随机测量矩阵为比较对象,通过仿真实验对局部哈达玛矩阵在压缩感知光谱测量中的性能进行分析。实验结果表明,相对于随机矩阵,新型局部哈达玛矩阵下的重建光谱与原始光谱重合度大大提高,在100%采样率时,定量指标MSE为3.2,实现了光谱的精确重建,25%采样率的MSE指标水平已经与随机矩阵100%采样率时相当,局部哈达玛矩阵可以有效的改善光谱重建的精度;光谱重建时间大约缩短到1/3,系统具有更好的信噪比特性。     

小鼠荧光层析成像系统及数据提取扩展方法

基于电子倍增电荷耦合器件探测器搭建了面向小鼠活体非接触式测量的荧光扩散光层析成像系统,为了避免复杂的焦点矫正计算并降低逆问题的病态性,提出一种新的电荷耦合器件平板探测器信息提取及扩展方法,并根据信息提取方法发展了非接触式荧光扩散光层析成像图像重建算法.通过大量仿体荧光扩散光层析成像实验,证明当提取的信息对应于圆柱域投影的1/2、且将信息提取域分解为3个子域时重建可获得最好的效果.制备了皮下植入荧光目标体的活体小鼠进行荧光扩散光层析成像实验,与显微CT成像结果的对比表明:搭建的系统结合所发展的图像重建算法能够较好地重建出活体小鼠内荧光目标体的位置和浓度,有望应用到小鼠肿瘤模型的荧光层析成像中.     

基于运动控制技术的编码器自动检测系统

为了改进编码器误差检测方法,提高检测效率,基于对光电轴角编码器误差检测现状的分析,设计了一种编码器误差自动检测系统。介绍了自动检测系统的工作原理,系统的硬件设计和软件设计。利用运动和全闭环控制技术,以24位高精度增量式光电轴角编码器为反馈元件,该自动检测系统可自动完成对编码器测试点的定位、数据获取和误差数据分析,定位精度为2″,可以检测18位以下各类光电轴角编码器的误差,检测效率是标准检测装置的6倍。该实验结果验证了方案的可行性。     

多通道光谱采集系统滤光片设计方法研究

普通彩色相机加载宽带滤光片构造的多通道光谱采集系统的光谱重建性能与滤光片的选用密切相关。针对上述问题,提出基于主成分分析法的合成滤光片设计方法,旨在获得具有较高光谱重建性能并对所有图像场景均适用的最优滤光片组合。在收集多个宽带滤光片的基础上,测得其透射率并转换成矩阵形式;采用主成分分析方法提取该矩阵的前2个主成分,标准化处理后的主成分即为所求合成滤光片的透射率。为了验证上述方法获得的滤光片的性能,利用色差和光谱均方根误差2个指标对加载了合成滤光片的仿真采集系统的光谱重建精度进行了评价。实验结果表明:采用该方法得到的滤光片组合优于常用方法得到的滤光片组合, 用其构造的成像系统具有较高的色度重建精度和光谱重建精度,此外,改变目标场景颜色特性,其重建性能保持稳定。     

一种鲁棒性强的OFDM 水声通信系统*

为了在不同衰落水声信道下实现正交频分复用水声通信,该文提出了一种鲁棒性强的正交频分复用水声通信方案,方案包括编码调制、信道估计和多普勒估计等内容。为了使该系统更稳健,整个信道编码分为两个步骤。首先,循环冗余校验编码器和里德-所罗门编码器用于编码整个数据包,然后循环冗余校验编码器和Turbo 编码器用于编码每个数据帧,其中比特交织编码调制技术用来对抗信道的时变特性。为了得到水声信道估计,使用线性最小均方误差估计器来处理导频数据得到信道估计值。多普勒估计包括帧的多普勒估计和符号的多普勒估计。实验结果表明该系统在不同的衰落信道下都能实现正确的跟踪和译码,系统的鲁棒性能优越。此外,该系统算法计算简单,易于实现,具有良好的工程应用价值。     

基于矩阵分析的STR荧光解谱技术

用多种荧光标记物进行STR检测时,由于荧光光谱的谱带展宽特性,各个荧光光谱之间有重叠部分,如何实现将相互重叠的各个波长上的能量有效利用起来,对提高荧光利用效率至关重要。本文给出了一种基于矩阵分析的数据处理方法,该方法在进行荧光探测前首先要对荧光谱进行光谱校正,即要得到每种所用标记染料受激发射荧光的光谱分布,根据光谱分布建立染料组合荧光信号矩阵,然后对矩阵进行归一,利用归一后的矩阵对所探测的荧光谱进行解谱,从而得到所期望的荧光谱图。理论分析和实验结果表明,该方法可以有效的利用各个波长的荧光光谱能量,并实现对不同荧光重叠谱的有效光谱解谱。     

含系统模糊的闪光照相正向成像技术研究及应用

<正>向成像技术是正向计算与反演相结合的密度重建技术的基础。为了正确获取闪光照相面光源下复杂客体的正向计算数值图像,提出了面光源点源化的思想,并用窗口化的探测系统模糊、径迹法等技术得到了更加准确的、含系统模糊的正向投影矩阵以及方程。利用含系统模糊的正向投影方程计算实验客体的正向投影,获得了与实验结果一致的边界信息。含系统模糊的正向投影方程和逆问题求解的约束共轭梯度法合成了整体密度重建方法。整体密度重建方法应用于FTO客体的模拟图像和实验图像,都能够将模糊控制在1~2个像素。     

随机间距稀疏三元Toeplitz矩阵相位掩模压缩成像

压缩成像是一种基于压缩传感(CS)理论的新成像方法,其优点是可以用比传统的Nyquist采样定理所需测量数目少得多的测量值重建原稀疏或可压缩图像。在研究Bernoulli和Toeplitz测量矩阵的基础上,提出一种新的随机间距稀疏三元Toeplitz相位掩模矩阵。实验结果表明,在可压缩双透镜成像系统中,与Bernoulli和Bernoulli-Toeplitz相位掩模矩阵相比,新相位掩模矩阵的成像信噪比与之相当。但是随机独立变元个数和非零元个数显著减少,在数据存储与传输时更具优势,物理上更易实现,甚至重建时间是只有它们的21%～66%。     

基于残差编解码网络的单光子压缩成像

在进行高分辨率成像时,由于需要大量的测量和图像重建计算,单光子压缩成像需要较长的时间。提出了一种采样和重建集成的残差编解码网络SRIED-Net用于单光子压缩成像。将二值化的全连接层作为网络的第一层,并将其训练成二进制的测量矩阵,直接加载到数字微镜阵列上以实现高效压缩采样。除第一层外的其余网络都用于快速重建压缩感知图像。通过一系列的仿真和系统实验比较了压缩采样率、测量矩阵和重建算法对成像性能的影响。实验结果表明,SRIED-Net在低测量率下优于目前比较先进的迭代算法TVAL3,在高测量率下与TVAL3的效果很接近,在所有测量率下都优于目前常见的几种基于深度学习的方法。     

基于穆勒矩阵的模拟溢油样品荧光偏振特性研究

为了对模拟溢油样品在不同偏振态激发下诱导荧光的偏振特性进行研究,借鉴了穆勒矩阵椭偏仪的原理和结构,搭建了基于旋转波片原理的模拟溢油样品激光诱导荧光椭偏实验装置。通过特征值校准方法对该装置进行校准,获得了宽波段下偏振状态调制矩阵W(λ)和偏振状态分析矩阵A(λ)的确切调制状态,并基于荧光光谱强度矩阵Flu(λ)分别建立了轻、中、重质原油样品和柴油样品的荧光穆勒矩阵。通过极化分解方法对荧光穆勒矩阵进行分解后发现,不同样品荧光光谱的退偏振性质差异十分显著。柴油样品荧光穆勒矩阵的退偏振系数Δ(λ)没有明显的波长响应性,在荧光光谱范围内始终保持较高的退偏值,而三种原油样品的退偏系数Δ(λ)则随波长增大逐渐上升,其中,中质原油样品退偏系数随波长的变化幅度小于重质样品,超过轻质样品;就不同样品的退偏值来看,轻质原油样品最高,重质样品最低,中质原油样品介于二者之间,柴油样品的荧光退偏值略低于轻质原油样品,介于轻质和中质原油样品之间。将基于荧光穆勒矩阵极化分解后的结果与线偏振激发下样品荧光光谱的正交偏振实验结果进行对比,发现两种实验方法获得的退偏系数具有较高的吻合程度。实验还发现,四种模拟溢油样品荧光穆勒矩阵所包含的双向衰减和相位延迟性质都很微弱,不具有明显的差异。