光子计数CT（PCCT）通过更好的空间和能量分辨率提供了改进的诊断性能，但是开发可以处理这些大数据集的高质量图像重建方法是具有挑战性的。基于模型的解决方案结合了物理采集的模型，以重建更准确的图像，但取决于准确的前向操作员，并在寻找良好的正则化方面遇到困难。另一种方法是深度学习的重建，这在CT中表现出了巨大的希望。但是，完全数据驱动的解决方案通常需要大量的培训数据，并且缺乏解释性。为了结合两种方法的好处，同时最大程度地降低了各自的缺点，希望开发重建算法，以结合基于模型和数据驱动的方法。在这项工作中，我们基于展开/展开的迭代网络提出了一种新颖的深度学习解决方案，用于PCCT中的材料分解。我们评估了两种情况：一种学识渊博的后处理，隐含地利用了模型知识，以及一种学到的梯度，该梯度在体系结构中具有明确的基于模型的组件。借助我们提出的技术，我们解决了一个具有挑战性的PCCT模拟情况：低剂量，碘对比度和很小的训练样品支持的腹部成像中的三材料分解。在这种情况下，我们的方法的表现优于最大似然估计，一种变异方法以及一个完整的网络。

近年来，深度学习在图像重建方面取得了显着的经验成功。这已经促进了对关键用例中数据驱动方法的正确性和可靠性的精确表征的持续追求，例如在医学成像中。尽管基于深度学习的方法具有出色的性能和功效，但对其稳定性或缺乏稳定性的关注以及严重的实际含义。近年来，已经取得了重大进展，以揭示数据驱动的图像恢复方法的内部运作，从而挑战了其广泛认为的黑盒本质。在本文中，我们将为数据驱动的图像重建指定相关的融合概念，该概念将构成具有数学上严格重建保证的学习方法调查的基础。强调的一个例子是ICNN的作用，提供了将深度学习的力量与经典凸正则化理论相结合的可能性，用于设计被证明是融合的方法。这篇调查文章旨在通过提供对数据驱动的图像重建方法以及从业人员的理解，旨在通过提供可访问的融合概念的描述，并通过将一些现有的经验实践放在可靠的数学上，来推进我们对数据驱动图像重建方法的理解以及从业人员的了解。基础。

本文解决了利益区域（ROI）计算机断层扫描（CT）的图像重建问题。尽管基于模型的迭代方法可用于此问题，但由于乏味的参数化和缓慢的收敛性，它们的实用性通常受到限制。另外，当保留的先验不完全适合溶液空间时，可以获得不足的溶液。深度学习方法提供了一种快速的替代方法，从大型数据集中利用信息，因此可以达到高重建质量。但是，这些方法通常依赖于不考虑成像系统物理学的黑匣子，而且它们缺乏可解释性通常会感到沮丧。在两种方法的十字路口，最近都提出了展开的深度学习技术。它们将模型的物理和迭代优化算法纳入神经网络设计中，从而在各种应用中均具有出色的性能。本文介绍了一种新颖的，展开的深度学习方法，称为U-RDBFB，为ROI CT重建而设计为有限的数据。由于强大的非凸数据保真功能与稀疏性诱导正则化功能相结合，因此有效地处理了很少的截断数据。然后，嵌入在迭代重新加权方案中的块双重前向（DBFB）算法的迭代将在神经网络体系结构上展开，从而以监督的方式学习各种参数。我们的实验显示了对各种最新方法的改进，包括基于模型的迭代方案，深度学习体系结构和深度展开的方法。

多光谱探测器的进步导致X射线计算机断层扫描（CT）的范式偏移。从这些检测器获取的光谱信息可用于提取感兴趣对象的体积材料成分图。如果已知材料及其光谱响应是先验的，则图像重建步骤相当简单。但是，如果他们不知道，则需要共同估计地图以及响应。频谱CT中的传统工作流程涉及执行卷重建，然后进行材料分解，反之亦然。然而，这些方法本身遭受了联合重建问题的缺陷。为了解决这个问题，我们提出了一种基于词典的联合重建和解密方法的光谱断层扫描（调整）。我们的配方依赖于形成CT中常见的材料的光谱签名词典以及对象中存在的材料数的先验知识。特别地，我们在空间材料映射，光谱词典和字典元素的材料的指示符方面对光谱体积线性分解。我们提出了一种记忆有效的加速交替的近端梯度方法，以找到所得到的Bi-convex问题的近似解。根据几种合成幻影的数值示范，我们观察到与其他最先进的方法相比，调整非常好。此外，我们解决了针对有限测量模式调整的鲁棒性。

在计算机断层扫描成像的实际应用中，投影数据可以在有限角度范围内获取，并由于扫描条件的限制而被噪声损坏。嘈杂的不完全投影数据导致反问题的不良性。在这项工作中，我们从理论上验证了低分辨率重建问题的数值稳定性比高分辨率问题更好。在接下来的内容中，提出了一个新型的低分辨率图像先验的CT重建模型，以利用低分辨率图像来提高重建质量。更具体地说，我们在下采样的投影数据上建立了低分辨率重建问题，并将重建的低分辨率图像作为原始限量角CT问题的先验知识。我们通过交替的方向方法与卷积神经网络近似的所有子问题解决了约束最小化问题。数值实验表明，我们的双分辨率网络在嘈杂的有限角度重建问题上的变异方法和流行的基于学习的重建方法都优于变异方法。

物理驱动的深度学习方法已成为计算磁共振成像（MRI）问题的强大工具，将重建性能推向新限制。本文概述了将物理信息纳入基于学习的MRI重建中的最新发展。我们考虑了用于计算MRI的线性和非线性正向模型的逆问题，并回顾了解决这些方法的经典方法。然后，我们专注于物理驱动的深度学习方法，涵盖了物理驱动的损失功能，插件方法，生成模型和展开的网络。我们重点介绍了特定于领域的挑战，例如神经网络的实现和复杂值的构建基块，以及具有线性和非线性正向模型的MRI转换应用。最后，我们讨论常见问题和开放挑战，并与物理驱动的学习与医学成像管道中的其他下游任务相结合时，与物理驱动的学习的重要性联系在一起。

这项工作与科学机器学习中的以下基本问题有关：基于深度学习的方法是否可以解决无噪声逆问题到近乎完美的准确性？首次提供了积极的证据，重点是原型计算机断层扫描（CT）设置。我们证明，迭代的端到端网络方案可以实现接近数值精度的重建，与经典的压缩传感策略相当。我们的结果是基于我们对最近的AAPM DL-SPARSE-VIEW CT挑战的获胜提交的基础。它的目标是确定用数据驱动技术解决稀疏视图CT逆问题的最新技术。挑战设置的特定困难是，参与者的精确前进模型仍然未知。因此，我们方法的关键特征是最初在数据驱动的校准步骤中估算未知的粉丝几何形状。除了对我们的方法的深入分析外，我们还证明了其在开放式现实世界数据集Lodopab CT上的最先进性能。

Deep neural networks provide unprecedented performance gains in many real world problems in signal and image processing. Despite these gains, future development and practical deployment of deep networks is hindered by their blackbox nature, i.e., lack of interpretability, and by the need for very large training sets. An emerging technique called algorithm unrolling or unfolding offers promise in eliminating these issues by providing a concrete and systematic connection between iterative algorithms that are used widely in signal processing and deep neural networks. Unrolling methods were first proposed to develop fast neural network approximations for sparse coding. More recently, this direction has attracted enormous attention and is rapidly growing both in theoretic investigations and practical applications. The growing popularity of unrolled deep networks is due in part to their potential in developing efficient, high-performance and yet interpretable network architectures from reasonable size training sets. In this article, we review algorithm unrolling for signal and image processing. We extensively cover popular techniques for algorithm unrolling in various domains of signal and image processing including imaging, vision and recognition, and speech processing. By reviewing previous works, we reveal the connections between iterative algorithms and neural networks and present recent theoretical results. Finally, we provide a discussion on current limitations of unrolling and suggest possible future research directions.

传统上，信号处理，通信和控制一直依赖经典的统计建模技术。这种基于模型的方法利用代表基本物理，先验信息和其他领域知识的数学公式。简单的经典模型有用，但对不准确性敏感，当真实系统显示复杂或动态行为时，可能会导致性能差。另一方面，随着数据集变得丰富，现代深度学习管道的力量增加，纯粹的数据驱动的方法越来越流行。深度神经网络（DNNS）使用通用体系结构，这些架构学会从数据中运行，并表现出出色的性能，尤其是针对受监督的问题。但是，DNN通常需要大量的数据和巨大的计算资源，从而限制了它们对某些信号处理方案的适用性。我们对将原则数学模型与数据驱动系统相结合的混合技术感兴趣，以从两种方法的优势中受益。这种基于模型的深度学习方法通​​过为特定问题设计的数学结构以及从有限的数据中学习来利用这两个部分领域知识。在本文中，我们调查了研究和设计基于模型的深度学习系统的领先方法。我们根据其推理机制将基于混合模型/数据驱动的系统分为类别。我们对以系统的方式将基于模型的算法与深度学习以及具体指南和详细的信号处理示例相结合的领先方法进行了全面综述。我们的目的是促进对未来系统的设计和研究信号处理和机器学习的交集，这些系统结合了两个领域的优势。

在本文中，我们回顾了同时正电子发射断层扫描（PET） /磁共振成像（MRI）系统的物理和数据驱动的重建技术，这些技术在癌症，神经系统疾病和心脏病方面具有显着优势。这些重建方法利用结构或统计的先验，以及基于物理学的宠物系统响应的描述。但是，由于正向问题的嵌套表示，直接的PET/MRI重建是一个非线性问题。我们阐明了多方面的方法如何适应3D PET/MRI重建的混合数据和物理驱动的机器学习，总结了过去5年中重要的深度学习发展，以解决衰减校正，散射，低光子数和数据一致性。我们还描述了这些多模式方法的应用如何扩展到PET/MRI以提高放射治疗计划的准确性。最后，我们讨论了遵循物理和深度学习的计算成像和下一代探测器硬件的最新趋势，以扩展当前最新趋势的机会。

最近，由于高性能，深度学习方法已成为生物学图像重建和增强问题的主要研究前沿，以及其超快速推理时间。但是，由于获得监督学习的匹配参考数据的难度，对不需要配对的参考数据的无监督学习方法越来越兴趣。特别是，已成功用于各种生物成像应用的自我监督的学习和生成模型。在本文中，我们概述了在古典逆问题的背景下的连贯性观点，并讨论其对生物成像的应用，包括电子，荧光和去卷积显微镜，光学衍射断层扫描和功能性神经影像。

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.

Low-dose computed tomography (CT) plays a significant role in reducing the radiation risk in clinical applications. However, lowering the radiation dose will significantly degrade the image quality. With the rapid development and wide application of deep learning, it has brought new directions for the development of low-dose CT imaging algorithms. Therefore, we propose a fully unsupervised one sample diffusion model (OSDM)in projection domain for low-dose CT reconstruction. To extract sufficient prior information from single sample, the Hankel matrix formulation is employed. Besides, the penalized weighted least-squares and total variation are introduced to achieve superior image quality. Specifically, we first train a score-based generative model on one sinogram by extracting a great number of tensors from the structural-Hankel matrix as the network input to capture prior distribution. Then, at the inference stage, the stochastic differential equation solver and data consistency step are performed iteratively to obtain the sinogram data. Finally, the final image is obtained through the filtered back-projection algorithm. The reconstructed results are approaching to the normal-dose counterparts. The results prove that OSDM is practical and effective model for reducing the artifacts and preserving the image quality.

Neural networks have recently allowed solving many ill-posed inverse problems with unprecedented performance. Physics informed approaches already progressively replace carefully hand-crafted reconstruction algorithms in real applications. However, these networks suffer from a major defect: when trained on a given forward operator, they do not generalize well to a different one. The aim of this paper is twofold. First, we show through various applications that training the network with a family of forward operators allows solving the adaptivity problem without compromising the reconstruction quality significantly. Second, we illustrate that this training procedure allows tackling challenging blind inverse problems. Our experiments include partial Fourier sampling problems arising in magnetic resonance imaging (MRI), computerized tomography (CT) and image deblurring.

我们提出了一个基于一般学习的框架，用于解决非平滑和非凸图像重建问题。我们将正则函数建模为$ l_ {2,1} $ norm的组成，并将平滑但非convex功能映射参数化为深卷积神经网络。我们通过利用Nesterov的平滑技术和残留学习的概念来开发一种可证明的趋同的下降型算法来解决非平滑非概念最小化问题，并学习网络参数，以使算法的输出与培训数据中的参考匹配。我们的方法用途广泛，因为人们可以将各种现代网络结构用于正规化，而所得网络继承了算法的保证收敛性。我们还表明，所提出的网络是参数有效的，其性能与实践中各种图像重建问题中的最新方法相比有利。

基于深度学习的图像重建方法在许多成像方式中表现出令人印象深刻的经验表现。这些方法通常需要大量的高质量配对训练数据，这在医学成像中通常不可用。为了解决这个问题，我们为贝叶斯框架内的学习重建提供了一种新颖的无监督知识转移范式。提出的方法分为两个阶段学习重建网络。第一阶段训练一个重建网络，其中包括一组有序对，包括椭圆的地面真相图像和相应的模拟测量数据。第二阶段微调在没有监督的情况下将经过验证的网络用于更现实的测量数据。通过构造，该框架能够通过重建图像传递预测性不确定性信息。我们在低剂量和稀疏视图计算机断层扫描上提出了广泛的实验结果，表明该方法与几种最先进的监督和无监督的重建技术具有竞争力。此外，对于与培训数据不同的测试数据，与仅在合成数据集中训练的学习方法相比，所提出的框架不仅在视觉上可以显着提高重建质量，而且在PSNR和SSIM方面也可以显着提高重建质量。

Image reconstruction using deep learning algorithms offers improved reconstruction quality and lower reconstruction time than classical compressed sensing and model-based algorithms. Unfortunately, clean and fully sampled ground-truth data to train the deep networks is often unavailable in several applications, restricting the applicability of the above methods. We introduce a novel metric termed the ENsemble Stein's Unbiased Risk Estimate (ENSURE) framework, which can be used to train deep image reconstruction algorithms without fully sampled and noise-free images. The proposed framework is the generalization of the classical SURE and GSURE formulation to the setting where the images are sampled by different measurement operators, chosen randomly from a set. We evaluate the expectation of the GSURE loss functions over the sampling patterns to obtain the ENSURE loss function. We show that this loss is an unbiased estimate for the true mean-square error, which offers a better alternative to GSURE, which only offers an unbiased estimate for the projected error. Our experiments show that the networks trained with this loss function can offer reconstructions comparable to the supervised setting. While we demonstrate this framework in the context of MR image recovery, the ENSURE framework is generally applicable to arbitrary inverse problems.

双能计算机断层扫描（DECT）已广泛用于需要材料分解的许多应用中。图像域方法直接分解来自高能和低能量衰减图像的材料图像，因此，衰减图像上的噪声和伪影易感。本研究的目的是开发一种改进的迭代神经网络（INN），用于DECT中的高质量图像域材料分解，并研究其性质。我们为DECT材料分解提出了一个新的Inn架构。该建议的Inn Architection在图像精炼模块中使用不同的跨材料卷积神经网络（CNN），并在图像重建模块中使用图像分解物理。独特的交叉材料CNN炼油厂包括不同的编码解码滤波器和跨材料模型，其捕获不同材料之间的相关性。我们研究了具有贴片式重构和紧密框架条件的不同跨材料CNN炼油厂。扩展Cardiacorso（XCAT）幻像和临床数据的数值实验表明，所提出的INN显着提高了几种图像域材料分解方法的图像质量，包括使用边缘保留规范器的传统模型的图像分解（MBID）方法，最近使用预先学习的材料缺口变换的MBID方法，以及非特性深层CNN方法。我们的研究基于补丁的重新制作表明，不同的跨材料CNN炼油厂的学习过滤器可以大致满足紧密框架状态。

We propose a deep learning method for three-dimensional reconstruction in low-dose helical cone-beam computed tomography. We reconstruct the volume directly, i.e., not from 2D slices, guaranteeing consistency along all axes. In a crucial step beyond prior work, we train our model in a self-supervised manner in the projection domain using noisy 2D projection data, without relying on 3D reference data or the output of a reference reconstruction method. This means the fidelity of our results is not limited by the quality and availability of such data. We evaluate our method on real helical cone-beam projections and simulated phantoms. Our reconstructions are sharper and less noisy than those of previous methods, and several decibels better in quantitative PSNR measurements. When applied to full-dose data, our method produces high-quality results orders of magnitude faster than iterative techniques.

在这项工作中，我们提出了一个新的范式，用于使用降低性降低方案（包括Minibatch梯度近似和操作员草图）设计有效的深层展开网络。深度展开的网络目前是成像逆问题的最新解决方案。然而，对于高维成像任务，尤其是X射线CT和MRI成像，由于需要多次计算高维向前和邻接运算符，因此深层展开方案通常在记忆和计算方面效率低下。最近，研究人员发现，可以通过展开随机梯度下降（SGD）来部分解决此类局限性，这受到随机一阶优化的成功的启发。在这项工作中，我们基于最先进的原始偶（LPD）网络，进一步探讨了这一方向，并首先提出了更具表现力和实用的随机原始偶发性展开，也是随机原始的进一步加速 - 双曲线，使用素描技术在高维图像空间中近似产品。操作员素描可以与随机展开共同应用，以获得最佳的加速度和压缩性能。我们对X射线CT图像重建的数值实验证明了我们加速展开方案的显着有效性。