基于并行BP神经网络的光学断层成像快速重建及热疗监控初探

摘要

光学断层成像技术（Optical Tomography）是一种以近红外光作为光源的生物组织光学参数（如散射系数和吸收系数）成像技术，由于生物组织光学参数隐含了组织功能信息，所以它是一种组织功能性成像。该技术具有无损、实时在位和轻便等优点，光学断层成像技术逐步应用于许多基础研究中，是目前生物医学光子学的研究热点之一。
　　 本文采用基于并行BP神经网络方法进行快速光学断层成像，有效的克服了Jacobian矩阵的病态性，成像速度能够满足临床实时性要求，并将基于并行BP神经网络的光学断层成像技术应用于生物组织局部热凝固治疗的无损实时监控实验中，得到了具有一定参考价值的结果。
　　 本文主要工作及创新性结论如下：
　　 1. 提出了基于并行BP神经网络求解光学断层成像逆向问题的优化方法。该算法将复杂的多参数模型简化为多个简单的较少参数的模型进行实现，大大减少训练样本的数量，有效的提高了图像重建的速度。训练好的神经网络可以准确的识别生物组织模型的特异区域位置和约化散射系数值；
　　 2.在并行BP神经网络的实现上，定义了平均光学参数，并通过正向模型的Femlab有限元软件仿真验证了平均光学参数定义的正确性和可行性。
　　 3. 利用并行BP神经网络求解光学断层成像技术仿真特异区在受热过程中约化散射系数的变化曲线，得到三个具有识别意义的拐点，验证了该技术对肿瘤热凝固过程无损监测的可行性。仿真分析了训练的网络具有一定的容错性和外推能力。该部分工作还有待进一步的研究；
　　 本文提出的并行BP神经网络可以快速重建组织内部约化散射系数，这种技术是一种有效的肿瘤热疗实时在位评估手段，具有一定的临床医用价值。