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为解决重建图像中异常区域边界不规则这一问题,提出一种基于水平集的光学层析图像重建方法。该方法在背景区域光学参数已知情况下,可以使重建异常目标区域的位置更加接近其真实位置,且实现了异常区域位置和光学参数的同时重建。采用扩散方程作为光子传输模型,基于有限元方法实现正向模型的数值求解,用零水平集曲线表示异常区域边界。实验结果表明,该方法不仅能够更好的实现异常目标区域的定位而且能够方便的追踪目标区域拓扑结构的变化,与传统重建方法相比,极大提高了重建图像质量和重建速度。