數(shù)字全息C技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

數(shù)字全息CT技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用CTOCTDCTMRI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對于分辨大腦的細節(jié)特別有效，并且可以觀測到大腦的血液和大腦的活動，即功能核磁共振成像(f—MRI)．MRI:上世紀8O年代初出現(xiàn)的核磁共振成像(MagneticResonanceimaging,MRI)MRI利用強磁場和高頻信號導(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，計算機以一定算法可以重構(gòu)出三維圖像．所需的成像時間在臨床中還是難以接受，而且該儀器價格昂貴，從而也限制了它的推廣．原理：特點：缺點：CT發(fā)展歷程X射線CT光學(xué)CTOCTMRIDHTCT(ComputedTomography)

－計算機斷層掃描成像技術(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(ComputedTomography)

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：當一束射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)相互作用后，射線強度將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，一個面上衰減系數(shù)分布為μ(x,y),當射線穿過該物質(zhì)面，入射強度I0的射線經(jīng)過衰減后以強度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μ(x,y)的關(guān)系如下: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(ComputedTomography)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度基本要求：射線束需從不同方向穿過斷層，射線束兩邊緣路徑應(yīng)遍及或包容整個斷層，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現(xiàn)性應(yīng)用很廣CT(ComputedTomography)

圖像重建算法：迭代法(如ART法)、反投影法(卷積法)

，等衰減系數(shù)線積分數(shù)據(jù)集圖像重建算法二維分布灰度形式顯示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)報地質(zhì)構(gòu)造的確定CT(ComputedTomography)OpticalCT(OpticalComputedTomography)

－光學(xué)計算機斷層掃描成像技術(shù)但X射線在生物體內(nèi)具有直線傳播的特點，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)(OpticalComputedTomography)－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(OpticalCoherenceTomography)

－光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)或光學(xué)相干層析技術(shù)1991年，Science上首次報導(dǎo)了美國MIT的研究小組在OCT上的開創(chuàng)性工作－DavidHuang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)——OpticalCoherenceTomography(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)(OpticalCoherenceDomainReflecometry,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、高速步進電機驅(qū)動參考鏡做勻速直線運動，也就是進行縱向掃描(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，再通過另一個高精度步進電機驅(qū)動信號臂沿光軸垂直的方向移動(B掃描)，以實現(xiàn)對待測生物體的橫向掃描．原理：OCT(OpticalCoherenceTomography)OCT(OpticalCoherenceTomography)OCT的分辨本領(lǐng)領(lǐng)由其縱向向分辨率和和橫向分辨辨率來衡量量，其縱向向分辨率取取決于OCT系統(tǒng)低相干干光源的相相干長度．．OCT的橫向分辨辨率取決于于光束通過過焦距為ｆ的透鏡鏡聚焦到樣樣品上的光光斑直徑．．人體無害的的紅外光作作光源，不不接觸，無無損傷；利用相干門門的原理實實現(xiàn)層析，，具有很高高的分辨率率(微米級)；整個系統(tǒng)可可以采用光光纖化技術(shù)術(shù)做成小型型化和便攜攜式的設(shè)備備；不需要復(fù)雜雜的數(shù)學(xué)計計算和圖像像重建，可可實現(xiàn)快速速成像和實實時監(jiān)測優(yōu)點：已成功應(yīng)用用于：眼底視網(wǎng)膜膜成像；牙牙齒斷層掃掃描；血液液測速；測測量生物組組織的折射射率或雙折折射；導(dǎo)管管式內(nèi)窺鏡鏡；高分辨辨率顯微鏡鏡等方面．．物理學(xué)、材材料科學(xué)上上最新的應(yīng)應(yīng)用，例如如：著名的Fujimoto研究組開展展了對聚合合物(如聚丙烯)等材料微結(jié)結(jié)構(gòu)的探測測研究．麻省理工大大學(xué)研究OCT成像技術(shù)的的先驅(qū)者們們的協(xié)助下下，美國國國家標準與與技術(shù)研究究院(NIST)利用OCT技術(shù)對碳一一纖維等復(fù)復(fù)合材料進進行了成像像的應(yīng)用研研究．Bashkansky等人將OCT技術(shù)運用到到檢測陶瓷瓷、單晶晶碳化硅和和附有特氟氟綸的材料料上，對次次表面的瑕瑕疵進行檢檢測，可得得到這些內(nèi)內(nèi)部瑕疵的的空間位置置．最新應(yīng)用：：OCT(OpticalCoherenceTomography)國內(nèi)：清華大學(xué),浙江大學(xué)，，天津大學(xué)學(xué)，南開大大學(xué)，華中中科技大學(xué)學(xué)，中國科技大大學(xué)，深圳圳大學(xué)即將孵出的的小雞胚胎胎OCT(OpticalCoherenceTomography)果蠅(幼蟲在植物物組織中的的孵化)OCT(OpticalCoherenceTomography)DigitalHolographicTomography－數(shù)字全息層層析技術(shù)傳統(tǒng)全息CT技術(shù)（上世世紀80年代）：傳統(tǒng)全息圖圖的記錄方方式（樣本本旋轉(zhuǎn)或多多角度）全息圖數(shù)字字化CT重構(gòu)算法主要應(yīng)用于于：物理量的瞬瞬態(tài)測量，，如溫度場場三維折射率率空間分布布生物樣本的的三維結(jié)構(gòu)構(gòu)國內(nèi)如華中中科技大學(xué)學(xué)昆明理理工大學(xué)浙浙江大學(xué)學(xué)上海光光機所均均有開展DigitalHolographicTomography－數(shù)字全息層層析技術(shù)應(yīng)用舉例Softx-rayholographictomographyforbiologicalspecimen樣本：大蒜表表皮2003年上海光機所所和合肥國家家同步光源實實驗室TensGaborin-linehologramswererecordedwith5°stepsizeatdifferentdirections.Typicalphotographsareshowninfigure5(a)-(d).Byanalog-to-digitalprocess,eachhologramwasdigitalizedandtransferredintoprojectiondatebythecomputer.By3DCTreconstructionoftheseprojectiondata,threedimensionaldensitydistributionofthespecimencanbeobtainedasshowninFigure6.DigitalHolographicTomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)In-linehologramsReconstructedimagesDigitalHolographicTomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)主要應(yīng)用于：：物理參量折射射率的分布測測量生物樣本的內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)字記錄全息息圖，數(shù)值重重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)構(gòu)記錄系統(tǒng)多樣樣化重構(gòu)方式多樣樣化數(shù)字全息層析析技術(shù)近幾年年開展數(shù)字全息層析析技術(shù)（DigitalHolographicTomography,DHT）概念2005年第一次建立立DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)應(yīng)用一：DigitalHolographictomographyforamplitude-phasemicroelements2005年波蘭華沙理理工大學(xué)微機機械與光子學(xué)學(xué)學(xué)院DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)應(yīng)用二：樣本：USAF標定版生生物樣樣本：aporcineeye(一只豬眼)Time-domainopticalcoherencetomographywithdigitalholographicmicroscopy離軸式邁克耳耳遜干涉系統(tǒng)統(tǒng)，分層式記記錄全息圖.2005年瑞士系統(tǒng)分辯率為為相干長度的的一半x,y方向為1微米，軸向為為4微米DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)USAF標定版aporcineiris(一只豬眼的虹虹膜)均為強度再現(xiàn)現(xiàn)上皮和內(nèi)皮是是每隔8微米采集一幅幅，基質(zhì)是每隔40微米采集一幅幅DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)應(yīng)用三：2006年瑞士數(shù)字離軸全息息顯微鏡系統(tǒng)統(tǒng)樣本內(nèi)置與玻玻璃瓶，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，每隔2°采集一幅全息息圖CellrefractiveindextomographybydigitalholographicmicroscopyDigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)樣本：花粉顆顆粒重構(gòu)算法：Filteredback-projectionalgorithm折射率分布DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)應(yīng)用四：數(shù)字離軸全息息顯微鏡系統(tǒng)統(tǒng)樣本內(nèi)置于玻玻璃瓶旋轉(zhuǎn)，，每隔2°采集一幅全息息圖2006年瑞士Livingspecimentomographybydigitalholographicmicroscopy:morphometryoftestateamoeba重構(gòu)算法：Filteredback-projectionalgorithmDigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)樣本：Hyalospheniapapilio原始像折射率分布－－數(shù)字全息層層析再現(xiàn)DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)應(yīng)用五：Sub-micrometeropticaltomographybymultiple-wavelengthdigitalholographicmicroscopy2006年瑞士馬赫－澤德式式數(shù)字離軸全全息系統(tǒng)采集20副不同波長的的全息圖，數(shù)數(shù)值再現(xiàn)然后后線性疊加，，獲得其強度度像DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)20幅全息圖數(shù)值值再現(xiàn)及線性性疊加的強度度和相位圖DigitalHolographictomography－數(shù)字全息層析析技術(shù)Digitalholographictomo