光学CT技术

南京理工大学课程考核论文课程名称：图像传感与测量论文题目：光学CT技术及其发展姓名：陈静学号：314101002268成绩：任课教师评语：签名：年月日光学CT技术及其发展一、引言光学CT技术（ComputerizedTomography）是建立在激光测量和计算机信息处理及图像显示这两个现代高技术基础上的一项新型的计算机断层成像技术。它采用激光对透明介质的某一断面进行多方位扫描测量，通过计算机信息处理后，将这一断面的物理量图像显示出来。其突出的优点是在不干扰被测场分布的情况下，高精度地测量出某一层面的瞬态物理量分布，并将其直观地显示出来。正因为如此，光学CT技术越来越受到广泛的重视，在许多领域中具有非常广泛的应用前景[1]。光学CT技术是由医学CT技术即X射线断层扫描计算机成像技术发展而来的，是光学测量技术与层析技术相结合的重要产物。在一些物理量（如温度、密度等）的测量中，传统的方法是采用接触法（如用热电偶测量温度）来获取所需信息，但是这一方法会干扰原场分布，响应速度慢，而且只能实现点测量，难以实现场分布的瞬态测量[2]。在生物医学研究方面光学测量技术具有明显的优点，已经发展了多种测量方法，例如：X射线成像、核磁共振成像、X射线计算机断层扫描、超声波及放射性同位素成像等。这些技术虽然都克服了干扰原场的缺点，但它们在实际应用中仍然有不同的局限性。X射线成像或其他方法对早期肿瘤无法进行精确探测，无法区分良性与恶性肿瘤，此外，用X射线经常做常规检查可能对组织产生电离，形成潜在的伤害；放射性同位素的应用有限，身体接触会形成长久伤害；超声波对线性尺寸小于几毫米的物体的分辨率较差，而且长时间的超声波检测至少对正在生长的细胞有一定程度的热效应或结构损伤；核磁共振可达到次毫米级空间分辨率，但其应用时需要超导磁，所以核磁共振使用成本较高。人们在研究这些测量技术的基础之上，逐步形成、发展和完善了光学CT技术，其应用近红外或红外波段作为成像源进行断层成像，是一种无损检测方法，引起了许多学者的重视及研究。二、主要内容1.光学CT技术的原理CT是“计算机层析成像技术”的简称，其理论基础是根据投影重建图像，即根据几何光学的投影原理，在不同方向上取得物体横截面的一系列投影数据，经过计算机处理后得到物体横截面的图像[3]。2.光学CT技术的测量方法光学CT技术的扫描测量方法大致可以分为三大类：相位测量、吸收测量和发射测量。（1）相位测量法相位测量方法适合于任何位相型物体。当探测光波通过相位场时，受到待测场的调制而携带其折射率变化信息，由多方向的探测光所携带的信息就可以重建出各层面的折射率分布，而流场的温度、密度、压力和速度等空气动力学和热力学量都和折射率有关，从而可以求出所需的物理量。相位测量有多种，常用的有全息干涉测量、光束偏转测量等。全息干涉测量利用全息干涉法对物场拍摄全息图，再对全息图进行多方位投影扫描测量，就可以重建出物场某一层面的折射率分布，由此即可得到与相位有关的其他物理量的场分布[4]。全息干涉测量可以采用多光束一次测量，这种方法采集数据所用的时间很短，可以实现快速测量，提高了时间分辨率，其中火焰、流体等因波动较大，特别适宜采用这种测量方法，但是，它需要条纹计数。光束偏转测量是指扫描激光光束通过介质时，因折射率的不均匀性会引起光束的偏转，采用莫尔偏转测量、纹影照相、阴影照相及偏转函数成像技术测量出偏转角，从而重建出折射率及其相关的物理量场分布。光束偏转测量方法简便，不需要条纹计数，减少了数据的模糊性，增加了动态测量范围，更适用于光纤一类的固体介质。（2）吸收测量法吸收测量方法是在多角度吸收光谱测量基础之上发展起来的，它能够实现温度和浓度等物理量场分布的快速、高精度、无干扰瞬态测量，其直接测量量是原子或分子的某吸收光谱强度。早在20实际70年代国外就开展了吸收光谱法的研究，并且取得了较好的成果。但是这一方法要求采用双波长，并且两波长的间隔要尽可能大；另一方面双波长的提供采用了两台激光器或染料激光调谐。若采用两台激光器，则输出的两个波长均与两条特征谱线重叠，实际上有困难，往往只是近似重迭，而且整个装置显得过于庞大；若采用染料激光调谐，由于染料激光器调谐时间的限制，要使两个波在两次测量时是同一个状态是很困难的，这就使测量精度大大降低。2002年华中科技大学本在“差分吸收光谱CT诊断新技术及其实验验证”中提出了差分吸收光谱技术。所谓差分吸收光谱就是一个波长与被测分子的一条特征谱线重迭产生共振吸收，另一个波长则刚好移出被测分子的特征谱线而不产生共振吸收，两波长相差极微，只要测量这两个波长的吸收光谱强度就可以得到该分子的积分浓度，同时进行多方位差分吸收光谱测量，并运用CT技术就可得到该分子的浓度场。采用固体调谐激光器，利用波长快速切换技术，可以在数十毫秒内进行两个波长的吸收光谱测量，这样就可以认为所测量的状态是“冻结”的，因此测量方法得到了改善，大大提高测量结果的精度[5]。（3）发射测量法发射测量方法是通过测量介质中某种分子或基团的发射谱线强度来重建待测物理量场分布，其定量测量不需要调谐激光器作光源。在光学发射CT测量技术建立之前，这一技术已在医学（如正电子发射层析技术）和微观成像领域得到了成功的应用。光学发射CT技术主要用于等离子体和火焰等介质的温度场、折射率场和密度场的研究，其基本思想是利用激发态的反应机理（包括CH基的产生）强烈地依赖于介质温度的这一特点，将CH基作为火焰阵面的指示器，这很适合于爆炸的监视、发现以及燃烧过程的研究。3.光学CT技术的应用（1）光学CT技术用于大坝垂线坐标的检测变形是监控大坝安全的主要技术指标，垂线是监测大坝变形的重要观测设备。CT理论的基础是投影重建图像，可通过光学CT技术得到垂线的断层面图像。把光学CT技术应用于大坝变形垂线坐标的测量，研制了用阵列光源和电荷耦合器件CCD线阵构成的一种新型垂线坐标仪[6]。该坐标仪具有观测精度高、稳定可靠并能自动化监测的优点，对大坝变形坐标仪的性能提高有较大的使用价值。（2）光学CT技术用于三维辐照剂量检测放射治疗已经发展到3D适形和调强阶段，使得剂量不但具有3D空间分布而且随时间变化，传统的3D水箱的静态测量方式已经不能满足剂量验证的要求。人们综合考虑辐射效应探测、效应信息保持和信息量值检出，设计成功辐射敏感的组织等效模体（Phantom），作为效应探测和效应信息保持介质，实现辐照剂量信息（图像）稳定和准确地保持，而后完成立体分布的剂量值的测量——光学CT技术[7]。这种新型剂量技术能适合3D立体剂量确认和评定的需要，保证高精确放射治疗技术可靠用于临床并保证治疗质量[8]。（3）光学CT技术用于火焰温度场的测量温度是研究燃烧机理时的一个非常重要的热力学参数。近年来，人们对火焰或燃气的温度分布有很大兴趣，在测量方面做了许多工作。提出了一种用于测量火焰二维温度分布的新型测量系统，该系统结合了双色法测温技术和光学CT技术[9]，专门为测量封闭燃烧室内瞬态火焰的温度分布而设计的，成功测出了封闭容弹内的火焰温度分布。4.光学CT技术的发展光学CT技术随着多个相关学科的发展取得了长足的进步，在信号采集、投影数据提取、图像重建等方面都有很多可喜的成果，但遗憾的是至今还未形成如医学CT那样的成熟的仪器化的光学CT诊断技术,其原因在于实测复杂场的光学CT比医学CT有更高的难度。在基函数的选择上，光学CT技术获得了较大进展。最初的算法基函数取零，后来由于MART和MENT中函数不能为零，故令基函数取投影数据的平均值或简单取1，现在有望以精度不高的快速算法的结果作为基函数，可大大提高传统算法的收敛速度和精度。此外，对于更复杂的非完全数据问题，有人提出将不同手段得到的测量结果进行信息融合重建的思想，如风洞中的温度、用皮托管测得的气压等，将这些点测量值融合到光学CT重建中去，以修正非完全数据造成的不精确。同时，还可以将先验知识如对流场数值计算的结果，融合进重建迭代过程，从整体上改进重建结果[10]。总之，在不久的将来，一定会出现对瞬态场真正能做到实时测量的智能化、实用化的诊断仪器，促进光学CT技术再上一个新台阶。三、总结阐述了光学CT技术的基本原理及其测量方法，总结了该测量技术的应用领域。光学CT技术是建立在激光测量和计算机信息处理这两个现代高技术基础上的一项新的测量显示技术。它能测量某一层面的物理量的场分布这一独特的优点是其他技术无可替代的。光学CT技术应该朝着研制测量瞬态场的智能化、实用化的诊断仪器的方向努力，促进该技术再上一个新台阶。四、参考文献[1]是度芳.一种新颖的诊断技术——光学层面分析[J].物理,1990，19(9):543-547.[2]杨国光.近代光学测试技术[M].北京：北京机械工业出版社,1986.[3]徐友仁，唐洪武，杨健生，王淑云.光学CT方法用于大坝垂线坐标的检测[J].激光杂志,1999,20(4):27-28.[4]ShaohuaChen,SuyiHuangandDufangShi.Orthographicdouble-beamholographicinterferometryforlimited-viewopticaltomography[J].Appl.Opt,1995,34(27):6282～6285.[5]李春芳，是度芳，李云山.光学CT技术的研究进展[J].咸宁师专学报,2002,22(6):19-25.[6]胡铁力，徐友仁.光学CT技术在大坝位移自动检测中的应用研究[J].应用光学,1995,16(6):30-39.[7]王培玮，王贤刚，徐沔.一种用于三维辐照剂量检测的光学CT技术[J].CT理论与应用研究,2009,18(1):63-68.[8]杜乙，王贤刚.基于光学CT的三维凝胶剂量验证技术的研究进展[J].原子能科学技术,2014,48(8):1527-1533.[9]是度芳.光学CT技术测量火焰温度场的几个物理问题[J].量子电子学,1991.[10]严惠民，沈红锋，金国峰，潘建根.一种用于火焰温度分布测量的光学CT系统[J].仪器仪表学报,1995,16(1):53-56.