Abstract

We develope a method to optimize the resolution of diffuse optical tomographic instruments. Singular-value analysis of the tomographic weight matrix associated with specific data types, geometries, and optode arrangements is shown to provide a measure of image resolution. We achieve optimization of device configuration by monitoring the resolution measure described. We introduce this idea and demonstrate its utility by optimizing the spatial sampling interval and field-of-view parameters in the parallel-plane transmission geometry employed for diffuse optical breast imaging. We also compare resolution in transmission and remission geometries.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. V. Ntziachistos, A. G. Yodh, M. Schnall, and B. Chance, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 2767 (2000).
    [CrossRef]
  3. D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
    [CrossRef]
  5. M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, and G. Gaida, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6468 (1997).
    [CrossRef]
  6. D. A. Boas, M. A. O’Leary, B. Chance, and A. G. Yodh, Appl. Opt. 36, 75 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. C. L. Matson and H. Liu, J. Opt. Soc. Am. A 16, 455 (1999).
    [CrossRef]
  8. Y. L. Pei, F. B. Lin, and R. L. Barbour, Opt. Express 5, 203 (1999), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
    [CrossRef] [PubMed]
  9. B. W. Pogue, T. O. McBride, U. L. Ostererg, and K. D. Paulsen, Opt. Express 4, 270 (1999), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
    [CrossRef] [PubMed]
  10. S. R. Arridge, Inverse Probl. 15, R41 (1999).
    [CrossRef]
  11. H. W. Engl, M. Hanke, and A. Neubauer, Regularization of Inverse Problems (Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 1996), pp. 117–126.
  12. M. A. O’Leary, D. A. Boas, B. Chance, and A. G. Yodh, Opt. Lett. 20, 426 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. X. D. Li, D. Pattanayak, B. Chance, and A. G. Yodh, Opt. Lett. 22, 573 (1997).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. J. C. Schotland, J. Opt. Soc. Am. A 14, 275 (1997).
    [CrossRef]
  15. An analysis incorporating depth-dependent regularization produced similar results.

2001 (1)

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

2000 (2)

V. Ntziachistos, A. G. Yodh, M. Schnall, and B. Chance, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 2767 (2000).
[CrossRef]

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (5)

1997 (4)

1995 (1)

Arridge, S. R.

S. R. Arridge, Inverse Probl. 15, R41 (1999).
[CrossRef]

Barbour, R. L.

Benaron, D. A.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Boas, D. A.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. A. Boas, M. A. O’Leary, B. Chance, and A. G. Yodh, Appl. Opt. 36, 75 (1997).
[CrossRef] [PubMed]

M. A. O’Leary, D. A. Boas, B. Chance, and A. G. Yodh, Opt. Lett. 20, 426 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Chance, B.

Cheong, W. F.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Colak, S. B.

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

Engl, H. W.

H. W. Engl, M. Hanke, and A. Neubauer, Regularization of Inverse Problems (Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 1996), pp. 117–126.

Fantini, S.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, and G. Gaida, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

Frahm, J.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Franceschini, M. A.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, and G. Gaida, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

Gaida, G.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, and G. Gaida, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

Hanke, M.

H. W. Engl, M. Hanke, and A. Neubauer, Regularization of Inverse Problems (Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 1996), pp. 117–126.

Hintz, S. R.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hirth, C.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hooft, G. W.

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

Hoogengraad, J. H.

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

Kermit, E. L.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kleinschmidt, A.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Kuijpers, F. A.

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

Li, X. D.

Lin, F. B.

Liu, H.

Matson, C. L.

McBride, T. O.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

B. W. Pogue, T. O. McBride, U. L. Ostererg, and K. D. Paulsen, Opt. Express 4, 270 (1999), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef] [PubMed]

Moesta, K. T.

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, and G. Gaida, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

Neubauer, A.

H. W. Engl, M. Hanke, and A. Neubauer, Regularization of Inverse Problems (Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 1996), pp. 117–126.

Ntziachistos, V.

V. Ntziachistos, A. G. Yodh, M. Schnall, and B. Chance, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 2767 (2000).
[CrossRef]

O’Leary, M. A.

Obrig, H.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Osteberg, U. L.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Ostererg, U. L.

Osterman, K. S.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Pattanayak, D.

Paulsen, K. D.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

B. W. Pogue, T. O. McBride, U. L. Ostererg, and K. D. Paulsen, Opt. Express 4, 270 (1999), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef] [PubMed]

Pei, Y. L.

Pogue, B. W.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

B. W. Pogue, T. O. McBride, U. L. Ostererg, and K. D. Paulsen, Opt. Express 4, 270 (1999), http://epubs.osa.org/opticsexpress .
[CrossRef] [PubMed]

Popklack, S. P.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Schnall, M.

V. Ntziachistos, A. G. Yodh, M. Schnall, and B. Chance, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 2767 (2000).
[CrossRef]

Schotland, J. C.

Stevenson, D. K.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

van der Linden, E. W.

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

van der Mark, M. B.

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

van Houten, J. C.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Villringer, A.

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Wells, W. A.

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Yodh, A. G.

Appl. Opt. (1)

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (1)

S. B. Colak, M. B. van der Mark, G. W. Hooft, J. H. Hoogengraad, E. W. van der Linden, and F. A. Kuijpers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 5, 1143 (1999).
[CrossRef]

Inverse Probl. (1)

S. R. Arridge, Inverse Probl. 15, R41 (1999).
[CrossRef]

J. Cereb. Blood Flow Metab. (1)

D. A. Benaron, S. R. Hintz, A. Villringer, D. A. Boas, A. Kleinschmidt, J. Frahm, C. Hirth, H. Obrig, J. C. van Houten, E. L. Kermit, W. F. Cheong, and D. K. Stevenson, J. Cereb. Blood Flow Metab. 20, 469 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Opt. Soc. Am. A (2)

Opt. Express (2)

Opt. Lett. (2)

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2)

M. A. Franceschini, K. T. Moesta, S. Fantini, and G. Gaida, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 6468 (1997).
[CrossRef]

V. Ntziachistos, A. G. Yodh, M. Schnall, and B. Chance, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 2767 (2000).
[CrossRef]

Radiology (1)

B. W. Pogue, S. P. Popklack, T. O. McBride, W. A. Wells, K. S. Osterman, U. L. Osteberg, and K. D. Paulsen, Radiology 218, 261 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Other (2)

H. W. Engl, M. Hanke, and A. Neubauer, Regularization of Inverse Problems (Kluwer Academic, Dordrecht, The Netherlands, 1996), pp. 117–126.

An analysis incorporating depth-dependent regularization produced similar results.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Parallel plane transmission slab geometry. The optode placement sampling interval dxoptode and FOV are shown.

Fig. 2
Fig. 2

(a) First four image space modes (columns of V) for the 1D voxel region in Fig.  1: FOV, 87  mm; dxoptode=3 mm; N=900. (b) Singular-value spectra for --Nsources=8, Ndetector=8, FOV, 21  mm; --Nsources=80, Ndetector=80, FOV, 21  mm; *Nsources=30, Ndetector=30, FOV, 87  mm.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Resolution versus sampling interval. (b) Resolution versus field of view.

Fig. 4
Fig. 4

Comparison of parallel-plane transmission and remission measurement geometries. For both situations, 30 detectors and 30 sources were distributed evenly over a 9-cm FOV with σ0=0.001 and δμa* vol=0.5.

Metrics