Identification of tissue optical properties during thermal laser‐tissue interactions: An ensemble Kalman filter‐based approach
Identification of tissue optical properties during thermal laser‐tissue interactions: An ensemble Kalman filter‐based approach
复制标题
热激光与组织相互作用过程中组织光学特性的识别：基于集成卡尔曼滤波器的方法
DOI：
10.1002/cnm.3574
复制
发表时间：
2022
影响因子：
2.1
通讯作者：
Fichera, Loris
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Arnold, Andrea;Fichera, Loris
在本文中，我们提出了一个计算框架来估计控制激光照射组织的热响应的物理特性。我们特别关注两个量，即吸收系数和散射系数，它们描述了组织中光的光学吸收，其知识对于正确计划医疗激光治疗至关重要。为了进行估计，我们利用了集成卡尔曼滤波器（EnKF）的实现，这是一种用于数据同化的贝叶斯滤波算法。与之前的方法不同，在这项工作中，我们根据对激光照射的组织热响应的观察来估计组织光学特性。该方法具有在临床设置中直接实施的潜力，因为它只需要一个简单的热传感器，例如小型红外相机。由于组织的光学特性在激光照射过程中可能会发生变化，因此我们采用了一种能够跟踪随时间变化的参数的 EnKF 变体。通过模拟实验研究，我们证明了所提出的技术能够识别组织光学特性并跟踪其在激光照射期间的动态变化，同时跟踪表面下方位置的组织温度变化。我们进一步证明了该框架估计其他未知组织特性（即体积热容和导热率）以及感兴趣的光学特性的能力。
In this article, we propose a computational framework to estimate the physical properties that govern the thermal response of laser‐irradiated tissue. We focus in particular on two quantities, theabsorptionandscatteringcoefficients, which describe the optical absorption of light in the tissue and whose knowledge is vital to correctly plan medical laser treatments. To perform the estimation, we utilize an implementation of the ensemble Kalman filter (EnKF), a type of Bayesian filtering algorithm for data assimilation. Unlike prior approaches, in this work, we estimate the tissue optical properties based on observations of the tissue thermal response to laser irradiation. This method has the potential for straightforward implementation in a clinical setup, as it would only require a simple thermal sensor, for example, a miniaturized infrared camera. Because the optical properties of tissue can undergo shifts during laser exposure, we employ a variant of EnKF capable of tracking time‐varying parameters. Through simulated experimental studies, we demonstrate the ability of the proposed technique to identify the tissue optical properties and track their dynamic changes during laser exposure, while simultaneously tracking changes in the tissue temperature at locations beneath the surface. We further demonstrate the framework's capability in estimating additional unknown tissue properties (i.e., the volumetric heat capacity and thermal conductivity) along with the optical properties of interest.
登录
查看更多内容
结合漫反射和透射光谱获得液体体模的光学特性
DOI：
--
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
--
作者：
Jacqueline E Gunther;Huihui Lu;S. Andersson
通讯作者：
S. Andersson
学习单点 CO$$_2$$2 激光照射期间基于琼脂的模型组织表面的温度动态
影响因子：
3.1
作者：
D. Pardo;L. Fichera;D. Caldwell;L. Mattos
通讯作者：
L. Mattos
实施扩展卡尔曼滤波器，通过时间分辨单距离测量来确定混浊层状介质的光学和几何特性。
影响因子：
3.4
作者：
G. Baez;H. García;D. Grosenick;H. Wabnitz
通讯作者：
H. Wabnitz
DOI：
--
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
--
作者：
W. Vogt;J. Barton;A. Agrawal;T. Pfefer
通讯作者：
T. Pfefer
机器人激光显微手术期间的热监控
DOI：
--
发表时间：
2014
期刊：
5th IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics
影响因子：
--
作者：
D. Pardo;L. Fichera;D. Caldwell;L. Mattos
通讯作者：
L. Mattos