数字全息CT技术的发展与应用

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数字全息,CT,技术的发展与应用,CT OCT DCT,MRI,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,(fMRI),MRI:,上世纪,8O,年代初出现的核磁共振成像,(Magnetic Resonance imaging, 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,CT,OCT,MRI,DHT,CT( Computed Tomography),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( Computed Tomography),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,(x,y),当射线穿过该物质面，入射强度,I,0,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,I,0,I,和,(x,y),的关系如下,:,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( Computed Tomography),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( Computed Tomography),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( Computed Tomography),Optical CT (Optical Computed Tomography),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,(Optical Computed Tomography),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 (Optical Coherence Tomography),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,David Huang,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,Optical Coherence,Tomography (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,(Optical Coherence Domain Reflecometry,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 (Optical Coherence Tomography),OCT (Optical Coherence Tomography),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,Bash,kansky,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 (Optical Coherence Tomography),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 (Optical Coherence Tomography),果蝇,(,幼虫在植物组织中的孵化,),OCT (Optical Coherence Tomography),Digital Holographic Tomography,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,Digital Holographic Tomography,数字全息层析技术,应用举例,Soft x-ray holographic tomography for biological specimen,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,Tens Gabor in-line holograms were recorded with 5step size 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 be obtained as shown in Figure 6.,Digital Holographic Tomography,数字全息层析技术,In-line holograms,Reconstructed images,Digital Holographic Tomography,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（,Digital Holographic Tomography, DHT,）概念,2005,年第一次建立,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,应用一：,Digital Holographic tomography for amplitude-phase microelements,2005,年波兰华沙理工大学微机械与光子学学院,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,应用二：,样本：,USAF,标定版 生物样本：,a porcine eye(,一只猪眼,),Time-domain optical coherence tomography with,digital holographic microscopy,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,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,USAF,标定版,a porcine iris(,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,Digital Holographic tomography,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,Cell refractive index tomography by digital,holographic microscopy,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,样本：花粉颗粒,重构算法：,Filtered back-projection algorithm,折射率分布,Digital Holographic tomography,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,Living specimen tomography by digital holographic microscopy: morphometry of testate amoeba,重构算法：,Filtered back-projection algorithm,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,样本：,Hyalosphenia papilio,原始像,折射率分布数字全息层析再现,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,应用五：,Sub-micrometer optical tomography by multiple-wavelength,digital holographic microscopy,2006,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,Digital Holographic tomography,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,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,Digital holographic tomography based on spectral interferometry,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,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,According to the principle of WSDHM, a holographic 3D object volume was numerically reconstructed from each by use of a diffraction algorithm, and all the 3D arrays are numerically superposed together, resulting in an accumulated field distribution that represents the 3D object structure.,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,本实验拟研究的两种基本思路,数字同轴全息层析技术,Digital Holographic tomography,数字全息层析技术,本实验拟研究的两种基本思路,数字同轴全息层析技术,