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文檔簡介
1、數(shù)字全息CT技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用MRI圖像反映了某種元素在體內(nèi)的分布,它可以根據(jù)含水量區(qū)分不同組織,例如脂肪多的組織含水較少,圖像就比較亮,而血管或其他充滿液體的部分的圖像則呈暗色所以MRI對于分辨大腦的細(xì)節(jié)特別有效,并且可以觀測到大腦的血液和大腦的活動(dòng),即功能核磁共振成像(fMRI)MRI:8O年代初出現(xiàn)的核磁共振成像(Magnetic Resonance imaging, MRI)MRI利用強(qiáng)磁場和高頻信號導(dǎo)致體內(nèi)原子共振而發(fā)出本身的信息通過收集和分析這些信號,計(jì)算機(jī)以一定算法可以重構(gòu)出三維圖像所需的成像時(shí)間在臨床中還是難以接受,而且該儀器價(jià)格昂貴,從而也限制了它的推廣原理:特點(diǎn):缺點(diǎn):CT發(fā)
2、展歷程X射線CT光學(xué)CTOCTMRIDHTCT( Computed Tomography)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)(X射線斷層掃描+Computer)起源:1917年奧地利數(shù)學(xué)家J.Radon理論上提出并證明了“二維或三維物體可通過其無限多個(gè)投影的集合唯一的重建圖像”.1971年英國物理學(xué)家Hounfield和神經(jīng)放射學(xué)家Ambrose共同獲得第一幅人體頭部的CT圖像. CT( Computed Tomography)IIIndxdyyxuL0),(數(shù)學(xué)原理:所謂獲得CT斷層圖像,就是求取能夠反映斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成的某種物理參量的二維分布物理原理:當(dāng)一束射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用后,射線強(qiáng)度將
3、受到射線路徑上物質(zhì)的吸收或散射而衰減,衰減規(guī)律遵循比爾定律。用衰減系數(shù)度量衰減程度,設(shè)物質(zhì)為非均勻的,一個(gè)面上衰減系數(shù)分布為(x,y),當(dāng)射線穿過該物質(zhì)面,入射強(qiáng)度I0的射線經(jīng)過衰減后以強(qiáng)度I穿出,射線在面內(nèi)的路徑長度為L,由比爾定律確定的I0,I和(x,y)的關(guān)系如下:),(exp0dxdyyxuIIL物質(zhì)的衰減系數(shù)物質(zhì)的質(zhì)量密度直接相關(guān)斷面圖像轉(zhuǎn)換物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)關(guān)系 CT( Computed Tomography)CT技術(shù)的基本思路:獲得物體投影數(shù)據(jù)圖像重建圖像顯示數(shù)據(jù)預(yù)處理基本結(jié)構(gòu):被測物體置與射線源和探測器之間,讓射線束穿過斷層由探測器測量穿出的射線強(qiáng)度基本要求:射線束需從不同方向穿過斷
4、層,射線束兩邊緣路徑應(yīng)遍及或包容整個(gè)斷層,射線束穿過斷層的路徑互不完全重疊,避免不必要的冗余數(shù)據(jù)。 物體投影數(shù)據(jù)獲取掃描方式:平行束掃描檢測模式 窄角扇束掃描檢測模式 寬角扇束掃描檢測模式高速性易實(shí)現(xiàn)性應(yīng)用很廣 CT( Computed Tomography) 圖像重建算法:迭代法算法:迭代法(如如ART法法)、反投影法、反投影法(卷積法卷積法) ,等,等衰減系數(shù)線積分?jǐn)?shù)據(jù)集衰減系數(shù)線積分?jǐn)?shù)據(jù)集圖像重建算法圖像重建算法二維分布二維分布灰度形式顯示灰度形式顯示斷層圖像斷層圖像重建圖像顯示64切CT血管影像 單層CT圖像應(yīng)用領(lǐng)域:醫(yī)學(xué)工業(yè)無損檢測農(nóng)林業(yè)及環(huán)境保戶地球資源勘探地震預(yù)測預(yù)報(bào)地質(zhì)構(gòu)造的確
5、定 CT( Computed Tomography)Optical CT (Optical Computed Tomography)光學(xué)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)但X射線在生物體內(nèi)具有直線傳播的特點(diǎn),而光在生物體內(nèi)傳播具有較大的散射,因此必須考慮從透射光中消除散射光的影響較常用的方法是通過超外差法從透射光中選擇性的探測直線傳播的光線,再通過CT算法重建斷層像簡介:光CT技術(shù)(Optical Computed Tomography)以生物組織透射波長段的長波長光源代替x射線作為發(fā)射源,利用與x射線CT技術(shù)同樣的方法得到斷層信息OCT (Optical Coherence Tomography)光學(xué)相
6、干斷層掃描技術(shù) 或光學(xué)相干層析技術(shù)1991年,Science上首次報(bào)導(dǎo)了美國MIT的研究小組在OCT上的開創(chuàng)性工作David Huang將低相干邁克耳孫干涉儀與共焦顯微鏡的原理應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)斷層成像領(lǐng)域中,提出了一種新的層析成像技術(shù)Optical CoherenceTomography (OCT,光學(xué)相干層析術(shù))OCT是繼超聲成像、x射線CT、MRI之后的新一代生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)起源:最早起源于對光學(xué)相干域反射測量術(shù)(Optical Coherence Domain Reflecometry,OCDR)的研究工作.OCT系統(tǒng)探測的是物體的后向散射光,因此不需要作以CT算法為基礎(chǔ)的復(fù)雜的圖像重構(gòu)計(jì)
7、算針對半透明物體改變參考臂的光程,即通過高精度、高速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考鏡做勻速直線運(yùn)動(dòng),也就是進(jìn)行縱向掃描(A掃描),就可以獲得樣品深度方向的圖像A掃描與B掃描相結(jié)合,就可以得到樣品組織的斷層二維圖像乃至三維圖像通過每一次縱向掃描完畢,再通過另一個(gè)高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號臂沿光軸垂直的方向移動(dòng)(B掃描),以實(shí)現(xiàn)對待測生物體的橫向掃描原理:OCT (Optical Coherence Tomography)OCT (Optical Coherence Tomography)lOCT的分辨本領(lǐng)由其縱向分辨率和橫向分辨率來衡量,其縱向分辨率取決于OCT系統(tǒng)低相干光源的相干長度 OCT的橫向分辨率取決于光
8、束通過焦距為的透鏡聚焦到樣品上的光斑直徑人體無害的紅外光作光源,不接觸,無損傷;利用相干門的原理實(shí)現(xiàn)層析,具有很高的分辨率(微米級);整個(gè)系統(tǒng)可以采用光纖化技術(shù)做成小型化和便攜式的設(shè)備;不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和圖像重建,可實(shí)現(xiàn)快速成像和實(shí)時(shí)監(jiān)測 優(yōu)點(diǎn):已成功應(yīng)用于:眼底視網(wǎng)膜成像;牙齒斷層掃描;血液測速;測量生物組織的折射率或雙折射;導(dǎo)管式內(nèi)窺鏡;高分辨率顯微鏡等方面物理學(xué)、材料科學(xué)上最新的應(yīng)用,例如:l著名的Fujimoto研究組開展了對聚合物(如聚丙烯)等材料微結(jié)構(gòu)的探測研究l麻省理工大學(xué)研究OCT成像技術(shù)的先驅(qū)者們的協(xié)助下,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)利用OCT技術(shù)對碳一纖維等復(fù)合
9、材料進(jìn)行了成像的應(yīng)用研究lBashkansky等人將OCT技術(shù)運(yùn)用到檢測陶瓷 、單晶碳化硅和附有特氟綸的材料上,對次表面的瑕疵進(jìn)行檢測,可得到這些內(nèi)部瑕疵的空間位置最新應(yīng)用:OCT (Optical Coherence Tomography)國內(nèi):清華大學(xué), 浙江大學(xué),天津大學(xué),南開大學(xué),華中科技大學(xué),中國科技大學(xué),深圳大學(xué)即將孵出的小雞胚胎OCT (Optical Coherence Tomography)果蠅(幼蟲在植物組織中的孵化)OCT (Optical Coherence Tomography)Digital Holographic Tomography數(shù)字全息層析技術(shù)傳統(tǒng)全息CT技
10、術(shù)(上世紀(jì)80年代):傳統(tǒng)全息圖的記錄方式(樣本旋轉(zhuǎn)或多角度)全息圖數(shù)字化CT重構(gòu)算法主要應(yīng)用于:主要應(yīng)用于:物理量的瞬態(tài)測量,如溫度場三維折射率空間分布生物樣本的三維結(jié)構(gòu)國內(nèi)如華中科技大學(xué)昆明理工大學(xué)浙江大學(xué)上海光機(jī)所均有開展Digital Holographic Tomography數(shù)字全息層析技術(shù)應(yīng)用舉例Soft x-ray holographic tomography for biological specimen樣本:大蒜表皮2003年上海光機(jī)所和合肥國家同步光源實(shí)驗(yàn)室Tens Gabor in-line holograms were recorded with 5step size
11、 at different directions. Typical photographs are show n in figure 5(a)-(d). By analog-to-digital process, each hologram w as digitalized and transferred into projection date by the computer. By 3D CT reconstruction of these projection data, three dimensional density distribution of the specimen can
12、 be obtained as shown in Figure 6.Digital Holographic Tomography數(shù)字全息層析技術(shù)In-line hologramsReconstructed imagesDigital Holographic Tomography數(shù)字全息層析技術(shù)主要應(yīng)用于:主要應(yīng)用于:物理參量折射率的分布測量生物樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字記錄全息圖,數(shù)值重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)記錄系統(tǒng)多樣化重構(gòu)方式多樣化數(shù)字全息層析技術(shù)近幾年開展數(shù)字全息層析技術(shù)(Digital Holographic Tomography, DHT)概念2005年第一次建立Digital Holographic
13、tomography數(shù)字全息層析技術(shù)應(yīng)用一:Digital Holographic tomography for amplitude-phase microelements2005年波蘭華沙理工大學(xué)微機(jī)械與光子學(xué)學(xué)院Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)應(yīng)用二:樣本:USAF標(biāo)定版 生物樣本:a porcine eye(一只豬眼)Time-domain optical coherence tomography with digital holographic microscopy離軸式邁克耳遜干涉系統(tǒng),分層式記錄全息圖.2005年瑞士系統(tǒng)分辯率為相干長度的
14、一半x,y方向?yàn)?微米,軸向?yàn)?微米Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)USAF標(biāo)定版 a porcine iris(一只豬眼的虹膜)均為強(qiáng)度再現(xiàn)上皮和內(nèi)皮是每隔8微米采集一幅,基質(zhì)是每隔40微米采集一幅Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)應(yīng)用三:2006年瑞士數(shù)字離軸全息顯微鏡系統(tǒng)樣本內(nèi)置與玻璃瓶,旋轉(zhuǎn),每隔2采集一幅全息圖Cell refractive index tomography by digitalholographic microscopyDigital Holographic tomography數(shù)
15、字全息層析技術(shù)樣本:花粉顆粒重構(gòu)算法:Filtered back-projection algorithm折射率分布Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)應(yīng)用四:數(shù)字離軸全息顯微鏡系統(tǒng)樣本內(nèi)置于玻璃瓶旋轉(zhuǎn),每隔2采集一幅全息圖2006年瑞士Living specimen tomography by digital holographic microscopy: morphometry of testate amoeba重構(gòu)算法:Filtered back-projection algorithmDigital Holographic tomography數(shù)
16、字全息層析技術(shù)樣本:Hyalosphenia papilio原始像折射率分布數(shù)字全息層析再現(xiàn)Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)應(yīng)用五:Sub-micrometer optical tomography by multiple-wavelengthdigital holographic microscopy2006年瑞士馬赫澤德式數(shù)字離軸全息系統(tǒng)采集20副不同波長的全息圖,數(shù)值再現(xiàn)然后線性疊加,獲得其強(qiáng)度像Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技
17、術(shù)20幅全息圖數(shù)值再現(xiàn)及線性疊加的強(qiáng)度和相位圖Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù)Digital holographic tomography based on spectral interferometry應(yīng)用六:2007年美國加州大學(xué)邁克耳遜全息干涉系統(tǒng)類似于頻域相干層析技術(shù)相干長度8微米,頻譜分辯率為0.12納米CCD記錄的是全息圖的頻譜圖Digital Holographic tomography數(shù)字全息層析技術(shù) According to the principle of WSDHM, a holographic 3D object volume was numerically recon
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