全球首次!天津大学科研团队取得重大成果
北京日报客户端 | 记者 白波 通讯员 赵晖

2022-01-23 20:50


天津大学校科研团队利用定量光声深度学习方法实现了活体深层组织的光学功能“真实透视”成像。据悉,这一成果在世界上尚属首次,将为获取活体组织生理病理相关的血氧特性图像提供高空间分辨定量成像方法,可用于肿瘤早期筛查、良恶性诊断以及抗癌药物疗效在体监测与量化评估。

定量光声层析成像深度学习方法的功能效果图

定量光声层析成像是一种新兴的无创生物医学成像技术,可结合传统光学成像的功能性以及传统超声成像的高清晰度等优势,直接获取深层组织光学吸收系数图像,受到国内外研究机构和医疗企业广泛关注。光在组织体内传播过程中的光强逐渐衰减,光声成像受深层组织中光强衰减的限制,无法真实地反映组织光学吸收系数,影响其在深层组织成像中图像准确度和可信度。目前的定量光声层析成像方法需要庞大的计算资源和时间消耗,且还存在稳定性差、先验信息依赖性强及误差大等问题。

传统光声重建(P0)与定量光声重建(μa)图像对比

近年来,深度学习方法进入医学影像学领域。但深度学习想要实现既定功能一般需要两个过程:训练过程以及实际识别过程。想要让深度神经网络充分发挥其学习能力,必须有大量带有标注的真实数据用于其训练过程。然而,在许多生物医学成像中,很难获得深层组织特别是活体组织的真实值(如光学吸收系数),从而很难构建大量带有标注的真实实验数据集,进行深度神经网络的训练,造成深度学习方法在许多生物医学成像领域难以应用推广。

针对上述难题,天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授李娇和教授高峰团队首次提出了无需标注真实数据的定量光声层析成像深度学习方法,实现深层组织吸收系数的准确重建。论文2022年1月6日发表在国际光学顶级期刊Optica上,李娇为第一作者,天津大学副教授孙彪、高峰和慕尼黑工业大学教授Vasilis Ntziachristos为文章的共同通讯作者。

SEED-Net产生“实验数据”与真实实验数据对比

论文创新点之一是解决深度神经网络训练数据问题,利用风格迁移网络(SEED-Net)实现仿真数据与实验数据的无监督自由转换,将丰富的带标注仿真数据转换到实验域,即生成了大量带标注的“实验数据”,用于后续深度神经网络训练。“我们提出的SEED-Net不仅可以解决定量光声层析成像方向缺乏真实数据集的问题,在其他生物医学成像领域例如光学/荧光层析成像中同样受限于缺乏足够的带标注真实实验数据,也可使用该网格通过丰富的仿真数据生成‘实验数据’,进一步发展适用于实际应用的生物医学成像深度学习方法。这一方法具有普遍适用性,适合不同光声成像系统、其他光学成像技术和整个生物医学成像领域的推广及应用。”李娇说。

利用团队自主发展的光声层析成像系统获得测试数据所发展的深度学习方法,成功重建出高空间分辨率的深层组织光学吸收系数定量分布图像。这是首次应用定量光声层析成像深度学习方法实现对活体深层组织光学吸收系数的“真实透视”成像。无标注真实数据情况下深度神经网络的成功应用,也开拓了深度学习方法在生物医学成像方向的发展空间。


编辑:蔡文清


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