圖1. 概述所提方法的框架

近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部研究團(tuán)隊(duì)，提出一種在真實(shí)采樣受限燃燒環(huán)境下三維火焰化學(xué)發(fā)光光譜計(jì)算層析智能重建方案(PIPEN)，相關(guān)研究成果以“Physically enhanced neural network based on projection map synthesis for chemiluminescence tomography reconstruction with limited views”為題發(fā)表于Optics Express。

光學(xué)計(jì)算層析技術(shù)以其非侵入性在生物組織成像、工業(yè)檢測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在通常情況下，獲得投影方向數(shù)的數(shù)量直接決定了后續(xù)算法恢復(fù)所能獲得特征信息的上限，然而在實(shí)際采集中由于成本、速度等限制能夠獲得的投影方向數(shù)是有限的。三維火焰化學(xué)發(fā)光光譜計(jì)算層析因其光學(xué)非侵入性在鍋爐燃燒污染物監(jiān)測(cè)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒診斷等方面得到了充分的關(guān)注。

研究團(tuán)隊(duì)以三維火焰化學(xué)發(fā)光光譜計(jì)算層析為例，開展了采樣受限情況下的層析問題研究。研究使用的網(wǎng)絡(luò)框架分為兩步，如圖1所示。第一步采用一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)視角變換映射，通過此步驟可將采集的有限視圖擴(kuò)充為滿采樣視圖為后續(xù)三維層析重建提供更多可學(xué)習(xí)特征點(diǎn)。第二步將層析成像系統(tǒng)物理模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成在一起，并利用物理一致性損失來指導(dǎo)權(quán)重優(yōu)化，使其成為一個(gè)未經(jīng)訓(xùn)練、可擴(kuò)展可解釋的重建器。

研究重建結(jié)果如圖2所示，在與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集相關(guān)度較高和較低兩類場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明本研究方法相對(duì)于受限采樣下的重建方法在結(jié)果上有較大的提升且網(wǎng)絡(luò)的泛化性極高。本研究在傳統(tǒng)迭代優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)方法之間架起了一座橋梁;為受限采樣下的層析重建問題提供了新思路，為更高性能的成像系統(tǒng)與算法開發(fā)提供了基礎(chǔ)，可在低劑量X射線層析成像、磁共振成像(MRI)和光聲層析成像(PAT)等領(lǐng)域應(yīng)用。

圖2. 網(wǎng)絡(luò)重建結(jié)果。(a)與訓(xùn)練集相關(guān)度較高的數(shù)據(jù)集重建結(jié)果。(b)與訓(xùn)練集相關(guān)度較低的數(shù)據(jù)集重建結(jié)果

相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科技重大專項(xiàng)、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃等基金項(xiàng)目支持。

審核編輯 黃宇