连续波THz-CT在医学成像中的应用研究

太赫兹已经被用于对三维物体进行计算机辅助层析成像,但具有很高的折射损耗。设计了基于耿氏二极管和返波振荡器的连续波断层成像实验装置,对聚四氟乙烯模型进行扫描获得投影数据,然后利用滤波反投影算法对投影数据进行重建得到断面图像,用于研究折射对投影及图像的影响。最后对人体牙齿样本进行扫描和重建,探讨THz-CT在医学成像特别是牙齿等骨骼成像中应用的可行性和前景。     

基于面阵式探测器连续太赫兹波三维层析成像

太赫兹波层析成像技术是利用太赫兹波的穿透性对样品进行旋转投影数据采集,通过层析重建算法获得样品的二维横截面图,并实现样品的三维内部结构图的重构。本文介绍了基于面阵式探测器连续太赫兹波层析成像系统。该成像系统的优势在于利用了面阵式探测器记录二维投影数据,相比扫描层析成像系统,提高了投影采集速率。为了获得高精确度的二维投影数据,利用角谱衍射传播算法将二维投影图传播至样品后表面,实现抑制太赫兹波在物体外部衍射效应,最终利用滤波反投影算法重建出高保真的样品三维内部结构图,并进一步探索了基于面阵式探测器的连续太赫兹波层析成像技术在无损检测和安全检测上的可行性。     

太赫兹计算机辅助层析图像重构算法仿真研究

由于太赫兹波具有独特的性质,使得太赫兹成像技术成为目前的研究热点。太赫兹层析成像可以获得物体横截面的分布信息并可获得物体的三维重构图像,因此也受到了广泛关注。文中对连续太赫兹层析成像进行了仿真研究。分别使用滤波反投影算法（FBP）和改进的联合代数重建算法（MSART）进行图像重构,并且分析比较了高斯低通滤波（GLPF）以及数学形态学等数字图像处理方法对改善重构图像质量的效果。仿真结果表明:在文中的仿真条件下,使用MSART算法及相应的图像处理方法所需的最少投影方向数可以达到9,与真实成像实验结果相吻合。     

连续波太赫兹成像系统的单幅图像超分辨重建

针对现有的太赫兹成像系统所需硬件设备复杂且昂贵的问题,设计了基于单幅图像超分辨重建的连续波太赫兹成像系统,降低设备复杂度和硬件成本。通过对该成像系统生成的太赫兹图像进行双维度预处理,降低图像处理的占用内存,提高后续处理速度。引入限制对比度自适应直方图均衡方法对太赫兹图像进行分区域对比度提升,有效解决太赫兹图像对比度低的问题。利用稀疏表示和字典学习实现太赫兹图像的超分辨重建,提出了反余割拟牛顿平滑零范数的算法解决零范数优化问题,提高了重建精度。通过对该成像系统采集的单幅太赫兹图像进行超分辨重建,在边缘强度上提高了3.232,在平均梯度对比中提高了0.300,验证了对单幅太赫兹图像超分辨重建的有效性与优越性。     

脉冲太赫兹波成像与连续波太赫兹成像特性的比较

对脉冲太赫兹(THz)波成像和连续波太赫兹成像进行了对比研究.在两个系统下分别进行实验,对两个成像系统的成像机理、系统分辨率、系统噪声、成像速度、信息量、价格、复杂性、便携性及其应用进行多方面的比较.研究结果表明,脉冲系统可以获取更多信息,连续波系统简单便捷,两者在应用上具有各自的特点,同时又有很好的互补性.另外,就脉冲太赫兹波成像的多波长特点,探讨了太赫兹波多光谱成像识别方法.     

基于点探测器和柱面源双位置扫描的直接体积CT的研究

目前直接体积CT主要存在两大困难:一是如何获得三维图像精确重建所需的投影数据,包括扫描方式的可实现性;二是如何尽量避免康普顿散射对重建图像质量的影响.针对这些问题,本文提出一种新型的直接体积CT成像模式,即采用X线栅形扫描的柱面源、一组分布在大圆和垂直圆弧上的多个点状探测器采集数据,通过柱面源的一次旋转即可得到完全的投影数据.本文对该扫描装置的结构中X线柱面源的形状和尺寸、探测器的个数和位置分布进行了详细的说明,并对该装置的完全性条件进行论证.然后结合此扫描结构的特点,给出一种三维图像重建算法.计算机仿真实验的结果表明,该扫描结构在保证投影数据完全的条件下,实现了机械转动次数最少、有效抑制康普顿散射、提高三维图像重建速度和精度的目的,使直接体积CT的成像速度和重建精度比现有模式大大提高.     

BWO连续太赫兹波成像检测

返波管（BWO）连续太赫兹波成像方法是一种新的无损检测方法。实验过程中把样品放在X-Z二维电控平移台上进行扫描成像,透过样品的太赫兹波强度信息由热释电探测器接收,再经由电脑成像。该文给出了应用0.71 THz的连续太赫兹波对打孔铝板、公交卡、校园卡的内部结构和对隐藏在信封内硬币等物体和信封内纸片上的铅字迹的成像实验研究事例,并且测知该系统能够分辨出最小直径为1.5 mm的小孔。并且对成像图像进行了数字图像处理,结论表明,优化处理后的图像更加直观明显,提高了连续波成像的应用能力。揭示了BWO连续太赫兹波成像系统在无损检测和安检领域是实际有效的。     

太赫兹成像检测算法研究

由于太赫兹波所处波段位置特殊性以及现阶段太赫兹成像系统性能的限制等,太赫兹波成像质量低,无法满足可视化效果,限制了其发展和应用。结合太赫兹图像模糊特征和灰度信息提出利用灰度特征对太赫兹图像进行图像分割来提高太赫兹图像质量,抑制太赫兹图像背景噪声,保留太赫兹图像目标重要信息,实现太赫兹成像目标检测。实验结果与其他太赫兹图像处理方法结果对比表明,基于灰度特征的图像处理算法可以提高图像清晰度和对比度,实现精确分割,为太赫兹成像在安全检查和医学成像等应用中实现快速检测和提取目标奠定基础。     

太赫兹被动成像系统性能研究

太赫兹被动成像技术具有很多独特的优势,已经成为安全检查领域的重要研究方向。为了进一步提高太赫兹被动成像系统的成像性能和实用性,研究了实验室自研的一套基于光机扫描的太赫兹被动成像系统的性能。通过探索不同系统参数和实验条件,包括成像距离、成像速度以及探测器状态,对背景噪声以及分辨率等图像性能的影响,获得了系统优化的性能参数,同时探究了该系统探测人体隐藏物品的能力,说明该系统可以有效地对人体进行安全检查。实验结果表明:该太赫兹被动成像系统的成像距离在机器前面1.5~2.5 m的范围内,即在大约1 m的景深内,能够显示清晰的太赫兹图像;该系统的成像速度为每帧1~2 s;探测器工作电平和增益对图像清晰度和系统噪声有较大的影响,存在一个优化的探测器工作状态,在该条件下可以获得清晰的太赫兹图像。在各项参数优化的条件下,该太赫兹成像系统可以达到的目标分辨率为1.5~2 cm,能够清晰地探测隐藏在人体衣服之下的金属物品和对太赫兹波有较强吸收的物质。     

太赫兹计算层析成像研究进展（特邀）

太赫兹波作为一种穿透性强、具有非电离性和惧水性的电磁波,可以穿透多种非金属、非极性介质材料。太赫兹计算层析成像技术基于傅里叶中心切片定理和直线传播模型,通过记录不同投影角度下的强度数据,采用滤波反投影等重建算法获得样品三维吸收系数分布和内外部结构信息分布。随着太赫兹成像器件的不断发展和应用场景的拓展,已发展出多种照明模式、成像光路和重建算法,并已在文物保护、骨密度测量和无损检测领域开展了应用探索。概述太赫兹计算层析技术的基本原理,并从提高重建质量、分辨率和采集效率三方面具体介绍太赫兹计算层析成像技术的最新研究。     

Elimination of Fresnel Reflection Boundary Effects and Beam Steering in Pulsed Terahertz Computed Tomography

For the past few decades there has been tremendous innovation and development of Terahertz (THz) science and imaging. In particular, the technique of 3-D computed tomography has been adapted from the X-Ray to the THz range. However, the finite refractive index of materials in the THz range can severally refract probing THz beams during the acquisition of tomography data. Due to Fresnel reflection power losses at the boundaries as well as steering of the THz beam through the sample, refractive effects lead to anomalously high local attenuation coefficients near the material boundaries of a reconstructed image. These boundary phenomena can dominate the reconstructed THz-CT images making it difficult to distinguish structural defect(s) inside the material. In this paper an algorithm has been developed to remove the effects of refraction in THz-CT reconstructed images. The algorithm is successfully implemented on cylindrical shaped objects.     

Microwave-tomographic imaging of the high dielectric-contrast objects using different image-reconstruction approaches

Microwave tomography is an imaging modality based on differentiation of dielectric properties of an object. The dielectric properties of biological tissues and its functional changes have high medical significance. Biomedical applications of microwave tomography are a very complicated and challenging problem, from both technical and image reconstruction point-of-views. The high contrast in tissue dielectric properties presenting significant advantage for diagnostic purposes possesses a very challenging problem from an image-reconstruction prospective. Different imaging approaches have been developed to attack the problem, such as two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D), minimization, and iteration schemes. The goal of this research is to study imaging performance of the Newton and the multiplicative regularized contrast source inversion (MR-CSI) methods in 2-D geometry and gradient and MR-CSI methods in 3-D geometry using high-contrast, medium-size phantoms, and biological objects. Experiments were conducted on phantoms and excised segment of a pig hind-leg using a 3-D microwave-tomographic system operating at frequencies of 0.9 and 2.05 GHz. Both objects being of medium size (10-15 cm) possess high dielectric contrasts. Reconstructed images were obtained using all imaging approaches. Different approaches are evaluated and discussed based on its performance and quality of reconstructed images.     

On the sensitivity and the resolution of microwave imaging using ART

The feasibility of using the presently available linear reconstruction techniques in microwave (MW) imaging was suggested and numerically demonstrated in a recent communication [1]. It was shown that although such techniques neglect reflection and refraction effects, they still can be used to obtain suitable MW images. This letter presents some calculated microwave images of phantoms simulating biological objects. These images were obtained using the algebraic reconstruction technique (ART) that was originally used in X-ray and ultrasound computerized tomographic imaging. The resolution and sensitivity of the microwave images are examined and suggestions for improvements are discussed.     

数字合成X线体层成像中轴向强度衰减的校正

作为新型医学成像技术,数字合成X线体层成像(DTS)技术有助于分辨重叠的成像组织并精确定位组织病变。DTS技术采用重建速度快、图像质量高的滤波反投影算法重建出冠断面的断层图像。但由于DTS投影数据集的不完整性,因此利用滤波反投影算法重建出的图像其强度在旋转轴方向上存在着类似帽状衰减现象。分析了X线源锥束角度对DTS图像中轴向强度衰减的影响,在此基础上引入了一种反余弦加权的强度衰减的校正方法。为验证校正方法对降低DTS图像中轴向强度衰减的效果,利用搭建的DTS系统在不同的X线源锥角下对乳房仿体进行了实验。结果表明,该校正方法能有效地降低DTS重建图像中的轴向强度衰减程度。     

数字全息多平面成像技术研究

提出了一种新的数字全息多平面成像技术:将非共轭二次扭曲位相因子作用于实验记录的数字全息图,只需一次菲涅尔衍射便可同时对多个成像平面进行重建。首先介绍了非共轭二次扭曲位相因子多平面成像原理,然后开展实验验证了方法有效性。此方法只需记录一幅处于多个不同平面物体的数字全息图,依据该理论选择合适参数,可在任意位置重建多个平面再现像。采用均方根误差(RMSE)与峰值信噪比(PSNR)作为图像质量评价标准,比较了不同再现距离的成像质量。文中提出方法在无需对光路进行对称设计的前提下,可同时对多个平面进行数字聚焦,延拓了菲涅尔数字全息重建图像的焦深。     

投影数据预处理三维CT重构算法研究

大面积非晶硅平板探测器在工业透射射线成像领域得到越来越多的应用.基于FPD的圆轨道FDK型三维计算机层析成像技术(3D-CT)检测速度快,但成像质量不及2D-CT.为发挥3D-CT速度优势,抑制噪声,同时提高图像重建的质量,以由平板探测器得到的二维投影数据为研究对象,提出了一种对投影数据进行小波分解,分别对高频和低频进行两次滤波的投影预处理方法,然后将分别重建的图像叠加,最终得到高质量的重建图像.算法的仿真实验结果表明,重建图像质量得到明显改善,系统噪声得到抑制.     

Three-dimensional visualization of partially occluded objects using integral imaging

A three-dimensional (3-D) scene may contain foreground objects which partially occlude background objects. In this paper, we present experiments on reconstruction of the unobstructed view of the background objects from a partially occluded 3-D scene using an integral imaging system. We have reconstructed images of the scene at various distances of interest through computational and optical integral imaging reconstruction in order to obtain images of the occluding foreground objects and partially occluded background objects.     

前向调制散斑偏振关联成像技术研究

近年来,关联成像成为光学成像领域的前沿和热点研究之一,它是一种新型的成像技术,具有广泛的应用价值和前景。偏振探测技术可以提升系统探测识别能力,且具有对不同材质物体的分类能力。将关联成像技术与偏振探测技术相结合,固定探测端偏振配置,使用Hadamard模式照明散斑,对照明散斑进行分时偏振调制,搭建了前向调制偏振关联成像系统。利用该系统对含有多材质物体的场景进行了偏振探测成像实验,利用探测信号与照明散斑计算出了场景的强度和偏振信息。使用演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对场景信息进行了复原,在12.5%的采样率下获取了场景清晰的强度和偏振信息。     

Reconstructing arbitrarily focused images from two differently focused images using linear filters.

We present a novel filtering method for reconstructing an all-in-focus image or an arbitrarily focused image from two images that are focused differently. The method can arbitrarily manipulate the degree of blur of the objects using linear filters without segmentation. The filters are uniquely determined from a linear imaging model in the Fourier domain. An effective and accurate blur estimation method is developed. The simulation results show that the accuracy and computational time of the proposed method are improved compared with the previous iterative method and that the effects of blur estimation error on the quality of the reconstructed image are very small. The method performs well for real images acquired without visible artifacts.