数字全息CT技术的发展与应用

数字全息CT技术的发展与应用CTOCTDCTMRI图像反映了某种元素在体内的分布,它可以根据含水量区分不同组织，例如脂肪多的组织含水较少，图像就比较亮，而血管或其他充满液体的部分的图像则呈暗色．所以MRI对于分辨大脑的细节特别有效，并且可以观测到大脑的血液和大脑的活动，即功能核磁共振成像(f—MRI)．MRI:上世纪8O年代初出现的核磁共振成像(MagneticResonanceimaging,MRI)MRI利用强磁场和高频信号导致体内原子共振而发出本身的信息．通过收集和分析这些信号，计算机以一定算法可以重构出三维图像．所需的成像时间在临床中还是难以接受，而且该仪器价格昂贵，从而也限制了它的推广．原理：特点：缺点：CT发展历程X射线CT光学CTOCTMRIDHTCT(ComputedTomography)－计算机断层扫描成像技术(X射线断层扫描+Computer)起源：1917年奥地利数学家J.Radon理论上提出并证明了“二维或三维物体可通过其无限多个投影的集合唯一的重建图像”.1971年英国物理学家Hounfield和神经放射学家Ambrose共同获得第一幅人体头部的CT图像.CT(ComputedTomography)IIIndxdyyxuL0),(数学原理：所谓获得CT断层图像，就是求取能够反映断层内部结构和组成的某种物理参量的二维分布．物理原理：当一束射线穿过物质并与物质相互作用后，射线强度将受到射线路径上物质的吸收或散射而衰减，衰减规律遵循比尔定律。用衰减系数度量衰减程度，设物质为非均匀的，一个面上衰减系数分布为µ(x,y),当射线穿过该物质面，入射强度I0的射线经过衰减后以强度I穿出，射线在面内的路径长度为L，由比尔定律确定的I0,I和µ(x,y)的关系如下:]),(exp[0dxdyyxuIIL物质的衰减系数∝物质的质量密度直接相关断面图像转换物质组成结构关系CT(ComputedTomography)CT技术的基本思路：获得物体投影数据图像重建图像显示数据预处理基本结构：被测物体置与射线源和探测器之间，让射线束穿过断层由探测器测量穿出的射线强度􀀉基本要求：射线束需从不同方向穿过断层，射线束两边缘路径应遍及或包容整个断层，射线束穿过断层的路径互不完全重叠，避免不必要的冗余数据。物体投影数据获取扫描方式：平行束扫描检测模式窄角扇束扫描检测模式宽角扇束扫描检测模式高速性易实现性应用很广CT(ComputedTomography)图像重建算法：迭代法(如ART法)、反投影法(卷积法)，等衰减系数线积分数据集图像重建算法二维分布灰度形式显示断层图像重建图像显示64切CT血管影像单层CT图像应用领域：医学工业无损检测农林业及环境保户地球资源勘探地震预测预报地质构造的确定CT(ComputedTomography)OpticalCT(OpticalComputedTomography)－光学计算机断层扫描成像技术但X射线在生物体内具有直线传播的特点，而光在生物体内传播具有较大的散射，因此必须考虑从透射光中消除散射光的影响．较常用的方法是通过超外差法从透射光中选择性的探测直线传播的光线，再通过CT算法重建断层像．简介：光CT技术(OpticalComputedTomography)－以生物组织透射波长段的长波长光源代替x射线作为发射源，利用与x射线CT技术同样的方法得到断层信息．OCT(OpticalCoherenceTomography)－光学相干断层扫描技术或光学相干层析技术1991年，Science上首次报导了美国MIT的研究小组在OCT上的开创性工作－DavidHuang将低相干迈克耳孙干涉仪与共焦显微镜的原理应用到生物医学断层成像领域中，提出了一种新的层析成像技术——OpticalCoherenceTomography(OCT,光学相干层析术)．OCT是继超声成像、x射线CT、MRI之后的新一代生物医学成像技术起源：最早起源于对光学相干域反射测量术(OpticalCoherenceDomainReflecometry,OCDR)的研究工作.OCT系统探测的是物体的后向散射光，因此不需要作以CT算法为基础的复杂的图像重构计算．针对半透明物体改变参考臂的光程，即通过高精度、高速步进电机驱动参考镜做匀速直线运动，也就是进行纵向扫描(A扫描)，就可以获得样品深度方向的图像．A扫描与B扫描相结合，就可以得到样品组织的断层二维图像乃至三维图像通过每一次纵向扫描完毕，再通过另一个高精度步进电机驱动信号臂沿光轴垂直的方向移动(B扫描)，以实现对待测生物体的横向扫描．原理：OCT(OpticalCoherenceTomography)OCT(OpticalCoherenceTomography)OCT的分辨本领由其纵向分辨率和横向分辨率来衡量，其纵向分辨率取决于OCT系统低相干光源的相干长度．OCT的横向分辨率取决于光束通过焦距为ｆ的透镜聚焦到样品上的光斑直径．人体无害的红外光作光源，不接触，无损伤；利用相干门的原理实现层析，具有很高的分辨率(微米级)；整个系统可以采用光纤化技术做成小型化和便携式的设备；不需要复杂的数学计算和图像重建，可实现快速成像和实时监测优点：已成功应用于：眼底视网膜成像；牙齿断层扫描；血液测速；测量生物组织的折射率或双折射；导管式内窥镜；高分辨率显微镜等方面．物理学、材料科学上最新的应用，例如：著名的Fujimoto研究组开展了对聚合物(如聚丙烯)等材料微结构的探测研究．麻省理工大学研究OCT成像技术的先驱者们的协助下，美国国家标准与技术研究院(NIST)利用OCT技术对碳一纤维等复合材料进行了成像的应用研究．Bashkansky等人将OCT技术运用到检测陶瓷、单晶碳化硅和附有特氟纶的材料上，对次表面的瑕疵进行检测，可得到这些内部瑕疵的空间位置．最新应用：OCT(OpticalCoherenceTomography)国内：清华大学,浙江大学，天津大学，南开大学，华中科技大学，中国科技大学，深圳大学即将孵出的小鸡胚胎OCT(OpticalCoherenceTomography)果蝇(幼虫在植物组织中的孵化)OCT(OpticalCoherenceTomography)DigitalHolographicTomography－数字全息层析技术传统全息CT技术（上世纪80年代）：传统全息图的记录方式（样本旋转或多角度）全息图数字化CT重构算法主要应用于：物理量的瞬态测量，如温度场三维折射率空间分布生物样本的三维结构国内如华中科技大学昆明理工大学浙江大学上海光机所均有开展DigitalHolographicTomography－数字全息层析技术应用举例Softx-rayholographictomographyforbiologicalspecimen样本：大蒜表皮2003年上海光机所和合肥国家同步光源实验室TensGaborin-linehologramswererecordedwith5°stepsizeatdifferentdirections.Typicalphotographsareshowninfigure5(a)-(d).Byanalog-to-digitalprocess,eachhologramwasdigitalizedandtransferredintoprojectiondatebythecomputer.By3DCTreconstructionoftheseprojectiondata,threedimensionaldensitydistributionofthespecimencanbeobtainedasshowninFigure6.DigitalHolographicTomography－数字全息层析技术In-linehologramsReconstructedimagesDigitalHolographicTomography－数字全息层析技术主要应用于：物理参量折射率的分布测量生物样本的内部结构数字记录全息图，数值重构三维结构记录系统多样化重构方式多样化数字全息层析技术近几年开展数字全息层析技术（DigitalHolographicTomography,DHT）概念2005年第一次建立DigitalHolographictomography－数字全息层析技术应用一：DigitalHolographictomographyforamplitude-phasemicroelements2005年波兰华沙理工大学微机械与光子学学院DigitalHolographictomography－数字全息层析技术应用二：样本：USAF标定版生物样本：aporcineeye(一只猪眼)Time-domainopticalcoherencetomographywithdigitalholographicmicroscopy离轴式迈克耳逊干涉系统，分层式记录全息图.2005年瑞士系统分辩率为相干长度的一半x,y方向为1微米，轴向为4微米DigitalHolographictomography－数字全息层析技术USAF标定版aporcineiris(一只猪眼的虹膜)均为强度再现上皮和内皮是每隔8微米采集一幅，基质是每隔40微米采集一幅DigitalHolographictomography－数字全息层析技术应用三：2006年瑞士数字离轴全息显微镜系统样本内置与玻璃瓶，旋转，每隔2°采集一幅全息图CellrefractiveindextomographybydigitalholographicmicroscopyDigitalHolographictomography－数字全息层析技术样本：花粉颗粒重构算法：Filteredback-projectionalgorithm折射率分布DigitalHolographictomography－数字全息层析技术应用四：数字离轴全息显微镜系统样本内置于玻璃瓶旋转，每隔2°采集一幅全息图2006年瑞士Livingspecimentomographybydigitalholographicmicroscopy:morphometryoftestateamoeba重构算法：Filteredback-projectionalgorithmDigitalHolographictomography－数字全息层析技术样本：Hyalospheniapapilio原始像折射率分布－数字全息层析再现DigitalHolographictomography－数字全息层析技术DigitalHolographictomography－数字全息层析技术应用五：Sub-micrometeropticaltomographybymultiple-wavelengthdigitalholographicmicroscopy2006年瑞士马赫－泽德式数字离轴全息系统采集20副不同波长的全息图，数值再现然后线性叠加，获得其强度像DigitalHolographictomography－数字全息层析技术20幅全息图数值再现及线性叠加的强度和相位图DigitalHolographictomography－数字全息层析技术Digitalholographictomographybasedonspectralinterferometry应用六：2007年美国加州大学迈克耳逊全息干涉系统类似于频域相干层析技术相干长度8微米，频谱分辩率为0.12纳米CCD记录的是全息图的频谱图DigitalHolographictomography－数字全息层析技术AccordingtotheprincipleofWSDHM,aholographic3Dobjectvolumewasnumericallyreconstructedfromeachbyuseofadiffractionalgorithm,andallthe3Darraysarenumericallysuperposedt