电阻抗断层扫描（EIT）是生物医学成像的有前途的技术。 EIT的强度是它通过辐射安全技术重建人体内部结构图像的能力。 EIT对患者的健康被认为是安全的，目前正在积极研究它。本文研究了深脑刺激（DBS）手术中EIT的应用，作为识别手术目标目标的一种手段。 DBS涉及手术程序，其中将铅或电极阵列植入大脑的特定目标区域。然后，电刺激用于调节目标区域内的神经回路，以减少残疾神经系统症状。进行DBS手术的主要困难是在开始治疗之前将铅精确定位在目标区域。与术前磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）图像相比，DBS手术期间的脑组织移位可能与目标大小一样大。为了解决这个问题，提出了基于开放域EIT的解决方案，以重建DBS手术期间探针周围的图像。进行了数据采集和图像重建，并应用了人工智能来增强所得图像。结果表明，所提出的方法是迅速的，产生了有价值的高质量图像，并且构成了迈向体内研究的第一步。

敏感性张量成像（STI）是一种新兴的磁共振成像技术，它以二阶张量模型来表征各向异性组织磁敏感性。 STI有可能为白质纤维途径的重建以及在MM分辨率下的大脑中的髓磷脂变化的检测提供信息，这对于理解健康和患病大脑的大脑结构和功能具有很大的价值。但是，STI在体内的应用受到了繁琐且耗时的采集要求，以测量易感性引起的MR相变为多个（通常超过六个）的头部方向。由于头圈的物理限制，头部旋转角的限制增强了这种复杂性。结果，STI尚未广泛应用于体内研究。在这项工作中，我们通过为STI的图像重建算法提出利用数据驱动的先验来解决这些问题。我们的方法称为DEEPSTI，通过深层神经网络隐式地了解了数据，该网络近似于STI的正常器函数的近端操作员。然后，使用学习的近端网络对偶极反转问题进行迭代解决。使用模拟和体内人类数据的实验结果表明，根据重建张量图，主要特征向量图和拖拉术结果，对最先进的算法的改进很大六个不同的方向。值得注意的是，我们的方法仅在人体内的一个方向上实现了有希望的重建结果，我们证明了该技术在估计多发性硬化症患者中估计病变易感性各向异性的潜在应用。

许多介入外科手术依赖于医学成像来可视化和跟踪仪器。这种成像方法不仅需要实时能力，而且还提供准确且强大的位置信息。在超声应用中，通常只有来自线性阵列的二维数据可用，并且由于以下三维中的精确位置估计是非微不足道的。在这项工作中，我们首先使用现实的合成训练数据训练神经网络，以估计对象与重建的超声图像中的相关轴向像差的平面外偏移。然后将获得的估计与卡尔曼滤波方法组合，该方法利用先前的时间框架中获得的定位估计来改善本地化鲁棒性并降低测量噪声的影响。使用模拟评估所提出的方法的准确性，并在使用新型光学超声成像设置获得的实验数据上证明了其实际适用性。实时提供准确和强大的位置信息。对于模拟数据的平均误差为0.1mm的平均误差，对于实验数据的平均误差为0.1mm的平均误差，轴向和横向坐标估计。三维定位最精确地高于1mm的高距距离，最大距离为25mm孔径为5mm。

PtyChography是一种经过良好研究的相成像方法，可在纳米尺度上进行非侵入性成像。它已发展为主流技术，在材料科学或国防工业等各个领域具有各种应用。 PtyChography的一个主要缺点是由于相邻照明区域之间的高重叠要求以实现合理的重建，因此数据采集时间很长。扫描区域之间重叠的传统方法导致与文物的重建。在本文中，我们提出了从深层生成网络采样的数据中稀疏获得或不足采样的数据，以满足Ptychography的过采样要求。由于深度生成网络是预先训练的，并且可以在收集数据时计算其输出，因此可以减少实验数据和获取数据的时间。我们通过提出重建质量与先前提出的和传统方法相比，通过提出重建质量来验证该方法，并评论提出的方法的优势和缺点。

信号处理是几乎任何传感器系统的基本组件，具有不同科学学科的广泛应用。时间序列数据，图像和视频序列包括可以增强和分析信息提取和量化的代表性形式的信号。人工智能和机器学习的最近进步正在转向智能，数据驱动，信号处理的研究。该路线图呈现了最先进的方法和应用程序的关键概述，旨在突出未来的挑战和对下一代测量系统的研究机会。它涵盖了广泛的主题，从基础到工业研究，以简明的主题部分组织，反映了每个研究领域的当前和未来发展的趋势和影响。此外，它为研究人员和资助机构提供了识别新前景的指导。

通过动态散射介质进行非侵入性光学成像具有许多重要的生物医学应用，但仍然是一项艰巨的任务。尽管标准弥漫成像方法测量光吸收或荧光发射，但也良好的是，散射的相干光的时间相关性通过组织像光强度一样扩散。然而，迄今为止，很少有作品旨在通过实验测量和处理这种时间相关数据，以证明去相关动力学的深度组织视频重建。在这项工作中，我们利用单光子雪崩二极管（SPAD）阵列摄像机同时监视单photon水平的斑点波动的时间动力学，从12种不同的幻影组织通过定制的纤维束阵列传递的位置。然后，我们应用深度神经网络将所获得的单光子测量值转换为迅速去摩擦组织幻像下散射动力学的视频。我们证明了重建瞬态（0.1-0.4s）动态事件的图像的能力，该动态事件发生在非相关的组织幻影下，并以毫米级分辨率进行重构，并突出显示我们的模型如何灵活地扩展到埋藏的phantom船只内的流速。

尺寸不正确的气球导管可能导致手术后并发症增加，但是即使术前成像，正确的选择仍然是一个挑战。在手术过程中反馈有限，很难验证正确的部署。我们建议使用集成的阻抗测量和电阻抗断层扫描（EIT）成像来评估气球的变形并确定周围腔的大小和形状。以前使用单个阻抗测量值或压力数据和分析模型的工作，同时证明了较高的尺寸精度，已经假设了圆形横截面。在这里，我们通过添加多种电极来检测椭圆形和遮挡的管腔并获得EIT图像以定位变形来扩展这些方法。以14 FR（5.3 mm）导管为例，进行数值模拟，以找到两个相距10 mm的8个电极的两个环的最佳电极构型。模拟预测，可检测到的最大纵横比在30mm时从14mm气球的0.9降低到0.5。实验验证了尺寸和椭圆度检测结果。构建了原型机器人气球导管，以自动膨胀一个兼容的气球，同时记录EIT和压力数据。在复制具有椭圆形和不对称曲线的狭窄血管的实验中收集了数据，并在血管成形术期间的管腔扩大。校准后，该系统能够正确定位闭合和检测为0.75的宽高比。 EIT图像进一步定位了阻塞，并在气球充气期间可视化管腔扩张。

在本文中，我们考虑使用Palentir在两个和三个维度中对分段常数对象的恢复和重建，这是相对于当前最新ART的显着增强的参数级别集（PALS）模型。本文的主要贡献是一种新的PALS公式，它仅需要一个单个级别的函数来恢复具有具有多个未知对比度的分段常数对象的场景。我们的模型比当前的多对抗性，多对象问题提供了明显的优势，所有这些问题都需要多个级别集并明确估计对比度大小。给定对比度上的上限和下限，我们的方法能够以任何对比度分布恢复对象，并消除需要知道给定场景中的对比度或其值的需求。我们提供了一个迭代过程，以找到这些空间变化的对比度限制。相对于使用径向基函数（RBF）的大多数PAL方法，我们的模型利用了非异型基函数，从而扩展了给定复杂性的PAL模型可以近似的形状类别。最后，Palentir改善了作为参数识别过程一部分所需的Jacobian矩阵的条件，因此通过控制PALS扩展系数的幅度来加速优化方法，固定基本函数的中心，以及参数映射到图像映射的唯一性，由新参数化提供。我们使用X射线计算机断层扫描，弥漫性光学断层扫描（DOT），Denoising，DeonConvolution问题的2D和3D变体证明了新方法的性能。应用于实验性稀疏CT数据和具有不同类型噪声的模拟数据，以进一步验证所提出的方法。

癌症是全球死亡的主要原因之一。快速安全的早期，术中和术中诊断可以显着有助于成功的癌症识别和治疗。在过去的15年中，人工智能在增强癌症诊断技术方面发挥了越来越多的作用。这篇评论涵盖了在MRI和CT等良好技术中人工智能应用的进步。此外，它显示出高潜力以及基于光谱的方法，这些方法正在开发用于移动，超快速和低侵入性诊断的方法。我将展示基于光谱的方法如何通过使薄薄或甲莫妥蛋白和欧洲蛋白染色过时来减少组织制备进行病理分析的时间。我将介绍用于快速和低侵入性前和体内组织分类的光谱工具的例子，以确定肿瘤及其边界。另外，我将讨论与MRI和CT相反，光谱测量不需要化学剂来提高癌症成像的质量，这有助于开发更安全的诊断方法。总体而言，我们将看到，光谱和人工智能的结合构成了一个非常有前途且快速发展的医疗技术领域，它将很快增加可用的癌症诊断方法。

电磁源成像（ESI）需要解决高度不良的反问题。为了寻求独特的解决方案，传统的ESI方法施加了各种形式的先验，这些方法可能无法准确反映实际的源属性，这可能会阻碍其广泛的应用。为了克服这一局限性，在本文中，提出了一种新的数据合成的时空卷积编码器网络方法，称为dst-cednet。 DST-CEDNET将ESI作为机器学习问题重新铸造，其中歧视性学习和潜在空间表示形式集成到卷积编码器decoder网络（CEDNET）中，以从测量的电脑摄影/磁脑摄影学（E/MEG）信号中学习强大的映射，大脑活动。特别是，通过纳入有关动态大脑活动的先验知识，设计了一种新型的数据合成策略来生成大规模样本，以有效训练Cednet。这与传统的ESI方法相反，在传统的ESI方法中，通常通过主要旨在用于数学便利的约束来实施先前的信息。广泛的数值实验以及对真实MEG和癫痫脑电图数据集的分析表明，DST-Cednet在多种源配置下稳健估计源信号的多种最新ESI方法的表现。

本文介绍了频率卷积神经网络（CNN），用于快速，无创的​​2D剪切波速度（VS）成像的近表面地质材料。在频速度域中运行，可以在用于生成CNN输入的线性阵列，主动源实验测试配置中具有显着的灵活性，这些配置是归一化的分散图像。与波场图像不同，标准化的分散图像对实验测试配置相对不敏感，可容纳各种源类型，源偏移，接收器数量和接收器间距。我们通过将其应用于经典的近乎表面地球物理学问题，即成像两层，起伏的土壤 - 旁质界面的界面来证明频率CNN的有效性。最近，通过开发一个时间距离CNN来研究这个问题，该问题表现出了很大的希望，但在使用不同的现场测试配置方面缺乏灵活性。本文中，新的频道CNN显示出与时距CNN的可比精度，同时提供了更大的灵活性来处理各种现场应用程序。使用100,000个合成近表面模型对频率速度CNN进行了训练，验证和测试。首先，使用训练集的合成近表面模型测试了提议的频率CNN跨各种采集配置概括跨各种采集配置的能力，然后应用于在Austin的Hornsby Bend在Austin的Hornsby Bend收集的实验场数据美国德克萨斯州，美国。当针对更广泛的地质条件范围充分开发时，提出的CNN最终可以用作当前伪2D表面波成像技术的快速，端到端替代方案，或开发用于完整波形倒置的启动模型。

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

求解电磁逆散射问题（ISP）由于内在的非线性，呈不良和昂贵的计算成本，挑战。最近，深神经网络（DNN）技术已经成功地应用于ISP上，并在传统方法上示出了优异成像的电位。在本文中，我们分析了DNN溶剂和传统迭代算法之间的类比，并讨论了在训练过程中不能有效地纳入重要的物理现象。我们展示了在DNN的学习过程中包括近端前瞻的重要性。为此，我们提出了新的损耗功能设计，其包括基于多散射的近场数量（例如散射场或感兴趣领域内的诱导电流）。使用各种数值实验研究了物理引导功能的影响。总结了调查的ISP求解器的利弊，综述了不同损失功能。

物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。

晚期钆增强磁共振成像（LGE MRI）通常用于可视化和量化左心房（LA）疤痕。疤痕的位置和程度提供了心理生理学和心房颤动进展的重要信息（AF）。因此，LGE MRI的La Scar分段和量化可用于AF患者的计算机辅助诊断和治疗分层。由于手动描绘可能是耗时的，并且经过专家内和专家间变异性，因此非常需要自动化这种计算，这然而仍然仍然具有挑战性和研究。本文旨在为La腔，墙壁，瘢痕和消融差距分割和LGE MRI的定量提供系统审查，以及AF研究的相关文献。具体而言，我们首先总结AF相关的成像技术，特别是LGE MRI。然后，我们详细介绍了四个计算任务的方法，并总结了每个任务中应用的验证策略。最后，概述了未来可能的未来发展，简要调查了上述方法的潜在临床应用。审查表明，该主题的研究仍处于早期阶段。虽然已经提出了几种方法，但特别是对于LA分割，由于与图像采集的高度变化相关的性能问题和图像采集差异有关的性能问题，仍有很大的算法发展。

培训和测试监督对象检测模型需要大量带有地面真相标签的图像。标签定义图像中的对象类及其位置，形状以及可能的其他信息，例如姿势。即使存在人力，标签过程也非常耗时。我们引入了一个新的标签工具，用于2D图像以及3D三角网格：3D标记工具（3DLT）。这是一个独立的，功能丰富和跨平台软件，不需要安装，并且可以在Windows，MacOS和基于Linux的发行版上运行。我们不再像当前工具那样在每个图像上分别标记相同的对象，而是使用深度信息从上述图像重建三角形网格，并仅在上述网格上标记一次对象。我们使用注册来简化3D标记，离群值检测来改进2D边界框的计算和表面重建，以将标记可能性扩展到大点云。我们的工具经过最先进的方法测试，并且在保持准确性和易用性的同时，它极大地超过了它们。

动态MRI可以捕获具有高对比度的软组织器官中的时间解剖变化，但是获得的序列通常遭受有限的体积覆盖，这使得器官形状轨迹的高分辨率重建在时间研究中的主要挑战。由于腹部器官形状的变异性跨越时间和受试者，本研究的目的是朝向3D致密速度测量来完全覆盖整个表面并提取有意义的特征，其特征在于观察到的器官变形并实现临床作用或决定。我们在深呼吸运动期间提出了一种用于表征膀胱表面动力学的管道。对于紧凑的形状表示，首先使用重建的时间体积来使用LDDMM框架建立专用的动态4D网状序列。然后，我们从诸如网格伸长和失真的机械参数执行器官动力学的统计表征。由于我们将器官引用作为非平面，因此我们还使用平均曲率变化为度量来量化表面演变。然而，曲率的数值计算强烈地取决于表面参数化。为了应对这一依赖性，我们采用了一种用于表面变形分析的新方法。独立于参数化并最小化测地曲线的长度，通过最小化Dirichlet能量，它使表面曲线平滑地朝向球体。 eulerian PDE方法用于从曲线缩短流中导出形状描述符。使用Laplace Beltrami操作员特征函数来计算各个运动模式之间的接口，用于球形映射。用于提取用于局部控制的模拟形状轨迹的表征相关曲线的应用演示了所提出的形状描述符的稳定性。

我们提出了一种基于机器学习的新型混合策略，以改善水平集方法中的曲率估计。提出的推理系统伴侣使用标准数值方案增强了神经网络，以更准确地计算曲率。我们混合框架的核心是一种开关机制，依赖于确定的数值技术来衡量曲率。如果曲率幅度大于依赖分辨率的阈值，则使用神经网络来产生更好的近似值。我们的网络是安装在各种配置下由正弦和圆形接口样品组成的合成数据集的多层感知器。为了降低数据集大小和训练复杂性，我们利用问题的特征对称性，并在曲率光谱的一半上构建模型。这些储蓄导致一个强大的推理系统能够仅胜过其任何数值或神经成分。具有固定，平滑接口的实验表明，我们的混合求解器在粗网格和陡峭的界面区域中明显优于常规数值方法。与先前的研究相比，我们已经观察到通过从多个接口类型的数据对训练回归模型后的精确提高，并使用专门的输入预处理转换数据。特别是，我们的发现证实机器学习是减少或消除级别方法中质量损失的有希望的场所。

由于电容层析成像（ECT）应用在几个工业领域的快速增长，因此从原始电容测量中开发出高质量但快速的图像重建方法的需求。深度学习是一种有效的非线性映射工具，用于复杂功能，在包括电断层扫描在内的许多领域都流行了。在本文中，我们提出了一个条件生成对抗网络（CGAN）模型，用于重建电容测量的ECT图像。 CGAN模型的初始图像是根据电容测量构建的。据我们所知，这是第一次以图像形式表示电容测量。我们创建了一个新的大规模ECT数据集，该数据集的320K合成图像测量对进行训练和测试所提出的模型。使用测试数据集，受污染的数据和流动模式评估所提出的CGAN-ECT模型的可行性和概括能力，这些数据集在训练阶段未暴露于模型。评估结果证明，与传统和其他基于学习的图像重建算法相比，提出的CGAN-ECT模型可以有效地创建更准确的ECT图像。 CGAN-ECT达到的平均图像相关系数超过99.3％，平均相对图像误差约为0.07。

Atrial Fibrillation (AF) is characterized by disorganised electrical activity in the atria and is known to be sustained by the presence of regions of fibrosis (scars) or functional cellular remodeling, both of which may lead to areas of slow conduction. Estimating the effective conductivity of the myocardium and identifying regions of abnormal propagation is therefore crucial for the effective treatment of AF. We hypothesise that the spatial distribution of tissue conductivity can be directly inferred from an array of concurrently acquired contact electrograms (EGMs). We generate a dataset of simulated cardiac AP propagation using randomised scar distributions and a phenomenological cardiac model and calculate contact electrograms at various positions on the field. A deep neural network, based on a modified U-net architecture, is trained to estimate the location of the scar and quantify conductivity of the tissue with a Jaccard index of $91$%. We adapt a wavelet-based surrogate testing analysis to confirm that the inferred conductivity distribution is an accurate representation of the ground truth input to the model. We find that the root mean square error (RMSE) between the ground truth and our predictions is significantly smaller ($p_{val}=0.007$) than the RMSE between the ground truth and surrogate samples.