In this paper, we propose a computational framework to estimate the physical tissue properties that govern the thermal response of laser-irradiated tissue. We focus in particular on two quantities, the absorption and scattering coefficients, 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 the observed surface 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, e.g., 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 preliminary evaluation in simulation, 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.


翻译:在本文中,我们提出一个计算框架来估计激光辐照组织热反应的物理组织特性。我们特别侧重于两个数量,即吸收和散射系数,该系数描述组织内光学吸收光线的情况,其知识对于正确规划医疗激光治疗至关重要。为了进行估计,我们采用了一种用于数据同化的一种类型的巴伊西亚过滤算法(Ensemble Kalman过滤算法 ) 。与以前的方法不同,我们在此工作中根据观察到的表面对激光辐照的热反应来估计组织光学特性。这种方法有可能在临床设置中直接实施,因为它只需要简单的热传感器,例如小型红外摄影机。由于组织光学特性在接触激光时可以发生改变,我们采用了一种能跟踪时间变化参数的EKF变体。通过初步的模拟评估,我们证明拟议的技术能够查明组织光学特性,并跟踪激光照射期间的动态变化,同时跟踪地下地点的组织温度的变化。

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