博覽：2021 arXiv 利用并行單光子探測對渾濁介質(zhì)下的動態(tài)成像

正文

博覽：2021 arXiv 利用并行單光子探測對渾濁介質(zhì)下的動態(tài)成像

技術(shù)背景：

對動態(tài)的光學散射介質(zhì)內(nèi)部成像(如人體組織)是生物醫(yī)學光學領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。 在過去的幾十年里柳琢，研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的技術(shù)手段來不同程度的應(yīng)對這一挑戰(zhàn)绍妨。其中包括共聚焦和非線性顯微技術(shù)(現(xiàn)在可以以亞細胞分辨率對1毫米深的組織成像)柬脸、新型波前整形他去、飛行時間漫射光學(TOF diffuse optics)、光聲技術(shù)(成像深度擴展到厘米級,分辨率較低)等倒堕。動態(tài)散射樣品(由熱變化和細胞運動引起的微觀運動)的光學散射特征會隨時間快速變化灾测，為有效的活體深層組織成像帶來了挑戰(zhàn)。

一種可行的策略是直接測量散射樣品的內(nèi)部動態(tài)垦巴，利用這些動態(tài)變化來輔助成像媳搪。例如，在此類方法中骤宣，主要目標不是形成基于強度的光吸收或熒光發(fā)射圖像秦爆，而是通過著眼于散射輻射的時域動態(tài)(例如憔披，時域方差或相關(guān))來構(gòu)建快速擾動樣品區(qū)域的空間映射(spatial map)鲜结。許多重要的生物現(xiàn)象導致光場隨時間發(fā)生這種動態(tài)變化，如血流和神經(jīng)元放電事件(neuronal firing events)活逆。目前已經(jīng)開發(fā)了諸如光學相干斷層掃描血管造影術(shù)和激光散斑對比成像等技術(shù)手段來測量靠近組織表面的這種動態(tài)精刷。然而，當檢測在活體組織內(nèi)傳播深度超過幾毫米的光信號時蔗候，光場會迅速衰減并去相關(guān)(decorrelate)怒允，最終通常采取快速單光子敏感(single photon sensitive)檢測技術(shù)，以大約MHz的速率記錄光波動.

漫射相關(guān)光譜 (diffuse correlation spectroscopy, DCS)是一種用于檢測深層組織內(nèi)數(shù)厘米動態(tài)散射的成熟技術(shù)锈遥。這種技術(shù)使用了一個相對簡單的策略：當相干光進入混濁(turbid)介質(zhì)時纫事，它會隨機散射并產(chǎn)生散斑。在給定體積的組織中丽惶，動態(tài)運動（例如炫七，細胞運動或血流）發(fā)生在不同的空間位置。因此钾唬，該組織體積內(nèi)的散射光場將以空間變化的方式與這種動態(tài)相互作用万哪。通過測量組織表面散射光場的時域波動，可以估計去相關(guān)事件的時空映射(spatiotemporal map)抡秆。

當前不足：

雖然DCS被廣泛用于評估深達成人頭骨下方的有限組織區(qū)域的血流變化奕巍，但迄今為止，對混濁介質(zhì)下動態(tài)事件快速形成空間分辨圖像的工作仍然有限儒士，這主要是有三個難題阻礙了深層組織時域動力學成像：

(1) 由于在必要的測量速率下可用光子數(shù)量有限的止，因此信噪比低；

(2) 從散射體表面收集光的探測器數(shù)量有限着撩；

(3) 將獲取的數(shù)據(jù)映射到準確的圖像是一個具有挑戰(zhàn)性的不適定逆問題(ill posed inverse problem)诅福。

文章創(chuàng)新點：

基于此，美國杜克大學的Shiqi Xu(第一作者)和Roarke Horstmeyer(通訊作者)提出一種新的光學系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理技術(shù)路線拖叙，稱為并行漫射相關(guān)成像(parallelized diffuse correlation imaging,PDCI )氓润。可以在數(shù)毫米的去相關(guān)渾濁介質(zhì)下以數(shù)Hz的速率對動態(tài)事件成像憋沿。無需掃描或運動部件，在5-8mm深度處視場達140平方毫米沪猴。

(1) 使用含單光子雪崩二極管(single photon avalanche diode,SPAD)陣列相機的光路解決上述難題1和2；

(2) 使用一種定制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(一種新的映射關(guān)系)解決難題3运嗜。

原理解析：

使用基于物理信息(physics informed)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從測量到的散斑強度自相關(guān)曲線重建深層時域動力學(temporal dynamics)圖像和視頻壶辜。

（1）實驗裝置。使用液體仿體充當組織担租，液體仿體由1um直徑的聚苯乙烯小球溶液置于薄壁透明容器中砸民，用于遮擋目標物體。使用DMD(13.7um*13.7um,768*1024像素)模擬活體組織深層由血流引起的時域擾動變化奋救，即以5-10kHz的速率變化DMD上的空間圖案岭参。670nm二極管泵浦固態(tài)(DPSS)激光耦合進多模光纖用作相干照明光源(相干長度≥10m)，激光強度調(diào)至符合ANSI安全標準尝艘。12條多模光纖以照明光纖為圓心演侯，9mm為半徑均勻分布在圓周上(反射的多散射光在組織的平均穿透深度約是光源和探測器間距離的1/2-2/3，組織仿體的模擬的組織厚度為5-8mm)接收散射光背亥，并經(jīng)過單透鏡成像到SPAD陣列相機(32*32)上秒际。

（2）數(shù)據(jù)采集和處理悬赏。不同光纖的散斑圖成像在SPAD的不同區(qū)域，對每一根光纖的散斑圖的每一個像素記錄其強度隨時間的波動娄徊，如圖3c闽颇。然后求每個像素的自相關(guān)，如圖3b寄锐。最終將每根光纖散斑圖像對應(yīng)的所有像素的自相關(guān)求平均，得出這根光纖的自相關(guān)曲線锐峭，見圖3e中鼠。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由SPAD測得的12條自相關(guān)曲線作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入沿癞，編碼器fθ(·)將輸入壓縮成低維流形(low dimensional manifold)援雇，再由解碼器gθ(·)從低維流形的時域動態(tài)恢復其空間分布。編碼器包含三個全連接層椎扬，并利用跳躍連接(skip connection)使得誤差能夠更容易傳遞惫搏，三個全連接層使用leaky-ReLU激活函數(shù)。當輸入被嵌入到一個低維流形后蚕涤，解碼器使用5個轉(zhuǎn)置卷積層(transposed convolution layers)將其映射到時域動力學的二維空域重建筐赔。(數(shù)學原理見附錄)

參考文獻：S. Xu et al., "Imaging dynamics beneath turbid media via parallelized single-photon detection," arXiv:2107.01422 (2021).

DOI：https://arxiv.org/abs/2107.01422

附錄：

網(wǎng)絡(luò)要求解的問題是

是第i組測量yi的網(wǎng)絡(luò)輸出，M是訓練對的總數(shù)

是數(shù)據(jù)保真項揖铜，訓練網(wǎng)絡(luò)來找到匹配ground truth的預測值

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