Machine learning model with physical constraints for diffuse optical tomography

漫反射光学成像 成像体模 共轭梯度法 衰减系数 迭代重建 计算机科学 重建算法 人工智能 光学层析成像 断层摄影术 对比度(视觉) 相关系数 图像质量 光学 算法 物理 机器学习 图像(数学)
作者
Yun Zou,Yifeng Zeng,Shuying Li,Quing Zhu
出处
期刊:Biomedical Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:12 (9): 5720-5720 被引量:28
标识
DOI:10.1364/boe.432786
摘要

A machine learning model with physical constraints (ML-PC) is introduced to perform diffuse optical tomography (DOT) reconstruction. DOT reconstruction is an ill-posed and under-determined problem, and its quality suffers by model mismatches, complex boundary conditions, tissue-probe contact, noise etc. Here, for the first time, we combine ultrasound-guided DOT with ML to facilitate DOT reconstruction. Our method has two key components: (i) a neural network based on auto-encoder is adopted for DOT reconstruction, and (ii) physical constraints are implemented to achieve accurate reconstruction. Both qualitative and quantitative results demonstrate that the accuracy of the proposed method surpasses that of existing models. In a phantom study, compared with the Born conjugate gradient descent (Born-CGD) reconstruction method, the ML-PC method decreases the mean percentage error of the reconstructed maximum absorption coefficient from 16.41% to 13.4% for high contrast phantoms and from 23.42% to 9.06% for low contrast phantoms, with improved depth distribution of the target absorption maps. In a clinical study, better contrast was obtained between malignant and benign breast lesions, with the ratio of the medians of the maximum absorption coefficient improved from 1.63 to 2.22.
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