成像技术原理

成像技术原理（精选九篇）

成像技术原理 篇1

关键词：锐影扫描成像技术,CT,对比噪声比,X射线剂量

0 前言

CT技术的发展已经进入了低剂量成像时代。目前CT低剂量成像技术已经覆盖了CT成像的整个影像链,即从病人扫描环节(如自动毫安技术)到图像重建环节(如迭代算法)到图像后处理环节(如4D降噪技术)。但任何一种CT低剂量技术无论在哪个环节发挥作用,其降低、优化剂量的最终实现还是在病人扫描环节。因此,如果有一种CT低剂量技术能够在病人扫描环节实现扫描辐射剂量的最优化降低,则构建了使用各种CT低剂量技术实现整个CT影像链的辐射剂量最优化降低的基础。本文介绍了目前在CT扫描环节较为先进的辐射剂量优化降低技术——锐影扫描成像技术。

与传统的扫描环节的低剂量扫描成像技术——自动管电流调节技术不同,锐影扫描成像技术根据检查目的和受检者的体型大小,首先自动调节对辐射剂量大小影响权重最大的管电压,然后对管电流进行自动调节,从而使得扫描获得的图像在获得最佳图像质量的同时,可以实现辐射剂量的降低。可以说锐影扫描成像技术实现了降低辐射剂量同时提高图像质量。本文在下面将对锐影扫描成像技术的原理和应用进行分别介绍,期待读者能够对这一全新的低剂量扫描成像技术有一了解。

1 锐影扫描成像技术原理

让我们首先了解图像质量和管电压、管电流的关系,见图1。评估CT图像质量的参数有很多,其中比较重要的参数是对比度和噪声。图1A显示在曝光剂量保持一定的前提下,图像的对比度随着管电压的减少而增加,管电压越低,则增强对比度越高,这是因为管电压越低则X射线辐射能量频谱的平均能量越靠近碘元素的k值(33.2 keV)。图像的对比度随着受检者的体型变瘦而增加。图1B则显示在相同的曝光剂量条件下,对于体型较瘦的受检者,随着管电压的减小,图像噪声几乎没有变化,而对于体型较胖的受检者,随着管电压的降低,则图像的噪声变大。从图1A和1B得知,在保持相同的曝光剂量时,降低管电压,图像的对比度增加,噪声几乎不变(受检者体型较瘦)或增加(受检者体型较胖)。增加图像中不同组织、病变的对比度是医生们诊断所期望的,而噪声的增加则是不需要的。因此,为了综合评判图像质量的变化,业界使用对比噪声比(Constrast-Noise Ratio,CNR)这个参数来定量综合评估图像质量的变化。其定义一般为:

图1C则显示在相同的曝光条件下,图像的对比噪声比随着管电压的减少而增加,随着受检者体型的变瘦而增加。同时,根据医学核物理原理我们知道,X射线的辐射剂量和管电流成线性关系,跟管电压的平方成线性关系,即管电压的降低能够降低更多的辐射剂量。比如,在其它曝光条件不变的前提下,管电压从120 kV降低到100 kV时,辐射剂量可以降低48%;降低到70 kV时,则辐射剂量可降低80%。据上所述,如果以保证图像的对比噪声比不变或增加为标准,在尽可能降低管电压的同时,适当增加管电流,则我们可以实现明显降低辐射剂量的同时提高图像质量(对比噪声比)的目的[2~6]。

锐影扫描成像技术依据上述原理,能够根据CT检查目的和受检者的体型自动确定最优化的管电压和管电流,实现最优化降低检查剂量的同时提高图像质量。其工作过程是:(1)首先扫描方案根据检查需求明确检查目的,见图2,然后只需根据一张定位像即可自动确定受检者的体型大小;(2)根据医生预先要求的图像质量水平(预设的k V和m As值,或由CT系统自动确定),CT系统根据检查目的和受检者的体型,自动计算出不同管电压下(70 kV,80 kV,100 kV,120 kV和140kV)所需的管电流的基准值和变化曲线,同时计算出CT剂量指数CTDIvol进行比较。然后从低到高依次选择管电压,如果CT的球管系统硬件允许(主要是对管电流大小的要求),则选择最低的管电压进行曝光扫描,否则,选择次低的管电压进行曝光扫描。比如,如果70 kV对应的管电流未超出球管限制,则选择70 kV的管电压进行扫描曝光,如超出球管限制,CT系统则自动考虑次低的80 kV曝光条件进行选择判断,见图3[7,8]。需要强调的一点是在使用锐影扫描成像技术过程中,当管电压变化时,管电流的变化基准值也会随之自动变化,这和传统的自动管电流调节技术不同,传统的自动管电流调节技术不但管电压固定不可变,并且管电流的调节只能在预设的基准值的基础上进行变化,这里预设的基准值是不能够变化的[9,10]。而锐影扫描成像技术不但管电压能够自动调节,管电流的基准值也随着管电压的变化而变化。

锐影扫描成像技术还提供了“Semi”功能,使得医生在期望获得某个kV值时同时无需摸索尝试相应的mA值,CT系统会自动确定最佳mA值,使医生省去了繁琐的计算和对扫描经验的依赖,见图4。锐影扫描成像技术还提供了“Group”功能专门针对多期相或复查的检查,以保证其管电压一致,从而保证不同期相或复查前后的图像CT值具有可比较性,既保证了不同期相或复查的管电压的一致性,同时又降低了剂量。

需要特别指出的是,锐影扫描成像技术中包含了可选的、到目前为止业界唯一的70 kV技术——70 kV超高对比度扫描技术,扩展了管电压的变化选择范围。实现了超高对比度和超低剂量的完美统一。特别适合对瘦体型人群和辐射剂量敏感人群,尤其是儿童。如果以120 kV为比较标准,则体型越瘦的受检者,锐影扫描成像技术的使用可以使得辐射扫描剂量越小,最多可减少60%的辐射剂量,见图5。

70 kV管电压技术之所以能够在CT成像系统中使用,主要得益于西门子5070球管的三个技术优势:

(1)先进的球管电子束控技术。球管阴极的热电子在较低管电压条件下,在传统的电子束控技术(阴极热电子在管电压作用下经过集射罩聚焦后再在偏转线圈的作用下进行方向控制和轰击阳极靶面)下会发散(电子具有相互排斥的属性),从而不能够很好聚焦和产生能够用于图像重建的X射线。而5070球管改进了集射罩和偏转线圈的设计,即使在70 kV的条件下,阴极电子束也能够象在120 kV管电压条件下能够更好的聚焦并产生可用于图像重建的X射线。

(2)5070球管业拥有大热容量性能。在较低管电压模式下,为了确保有足够的X射线光子数产生从而保证图像质量,球管的管电流必须能够在高管电流模式持续工作。而传统的球管受限于热容量的限制,无法实现高管电流模式下的持续工作。而5070球管的业界最大热容量设计能够确保在70 kV管电压模式下球管能够在高管电流条件下持续工作。

(3)改进的、业界独有的全球管油冷技术。5070球管的业界独有的全球管油冷技术较西门子之前的零兆球管有了较大的改进,提高67%的球管热容量,达到50M热容量。

70 kV管电压技术已经经过了中国SFDA认证和美国的FDA认证,可以根据检查类型和检查目的应用于临床实践。基于70 kV管电压技术具有的超高对比成像和超低剂量扫描的特点,相关的科研文献已有发表[11]。虽然70 kV管电压产生的X射线辐射能量频谱与120 kV管电压产生的X射线辐射能量频谱比较,射线的平均能量减小,但是70kV管电压产生的X射线并不会导致人体实际接受的辐射剂量增加,主要有以下三个原因:

(1)CT的X射线与人体作用时主要是康普顿效应为主,在70~140 kV管电压范围内变化时,仍然是康普顿效应为主。随着管电压的下降,确实X射线与人体反应的光电效应比例有所增加,但是总体上看仍然是康普顿效应为主,光电效应的增加比例是很小的,这与普放软组织成像中的光电效应为主是不同的。而医用诊断用X射线的生物损伤主要是光电效应导致的,而不是康普顿效应。

(2)X射线辐射剂量的变化和kV的变化的平方是线性关系,即kV的下降会导致辐射剂量的明显下降。管电压从120 kV下降到70 kV,辐射剂量可下降80%,而从80 kV下降到70 kV,辐射剂量可下降30%。

(3)CT的X射线辐射能量频谱中能量低于30 keV的软X射线部分,即会和人体发生光电效应的软射线部分都已经在球管处过滤掉了。

综合上述三个原因,可知使用70 kV管电压技术可以明显减少受检者接受的辐射剂量。

综上原理介绍,锐影扫描成像技术具有的根据CT检查目的和受检者的体型尺寸自动选择最佳kV和mA值,及独有的可选70 kV管电压技术,能够确保在获取最佳图像质量的同时降低辐射剂量。

2 锐影扫描成像技术的应用

锐影扫描成像技术的应用主要体现在两个方面:一是优化降低了受检者的检查辐射剂量;二是同时可以获取最佳对比度的CT图像质量,有利于医生诊断过程中对病变的检出和鉴别诊断。使用了锐影扫描成像技术的头部CTA图像,在相同的VRT显示条件下,血管显示得更亮,远端的细小血管显示得更多,见图6,同时辐射剂量可以下降58%。

A常规CT成像技术B锐影扫描成像技术

在使用同一浓度的350 mg/mL造影剂时,在相同的注射速率和注射总量条件下,锐影扫描的70 kV与传统的80 kV扫描技术图像对比,见图7。锐影扫描成像技术具有更低的辐射剂量的同时使得图像的对比度增加57.3%,CT值可高达818.7 HU。

一位乳腺癌患者术后分别采用上述的两种方式复查的腹部图像,见图8。与常规CT扫描技术相比,锐影扫描成像技术可以将图像的对比噪声比提高230%,非常有利于对微小病灶的检出;或可以在保证CT图像质量相同的条件下降低60%的辐射剂量。

综上所述,锐影扫描成像技术的问世和使用(尤其是70 kV-超高对比度扫描技术可以应用于临床检查)使得CT检查的辐射剂量优化个性化制定水平向前前进了一大步,极大地降低了广大的CT受检者和放射科医务工作者所接受的X射线辐射剂量水平的同时又提高了图像质量。同时还可以知道,使用锐影扫描成像技术同时也可以减少造影剂的使用量、浓度和注射速率,从而降低使用造影剂的风险。

参考文献

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成像技术原理 篇2

拍过照片的朋友都知道，诞生了一幅完美的图画，必须要经过一个复杂的过程。图像的形成过程，可以这样说：

1、曝光摄影的工作人员必须是第一，风光，多彩的风景在电影里面安装摄像头，通过摄像机的镜头记录如画。这一步就是通常所说的曝光，是摄影的整个过程中不可缺少的一部分。片中有无形肉眼图像被称为“潜伏”，顾名思义是“潜影”。

2、负冲洗拍摄电影必须经过处理后可潜伏图像转化为可见光图像。冲洗的电影作品，可以完成专业的影响扩大店铺，而且他们自己去完成。如果您使用的是彩色负片，可以看到显影后，漂白，定影过程中，电影，留下了原始场景的亮度对比，通常是互补色图像，我们把这个形象，被称为“负面”。随着一负的电影称为“电影”。这里要提醒朋友们注意了：电影是一种特殊的记录材料是不同的画家，作家，各类纸张，

加工后的情况下，该材料是在明亮的房间打开，再打开也看不到任何图像。但是，如果你打开​​墨盒，使您的拍摄结果有一天被摧毁!不要小看小片，但它的质量好，图像可以很好。 好电影，你必须保持清洁，防止沾上灰尘和划痕。因此，在干燥过程中湿膜，冷却在一个干净的环境，不能让灰尘附着的电影，但不会轻易用手或布将他的电影，在影片中那么容易留下指纹或划痕，开发薄膜还没有暴露于外部，应安装在特殊的薄膜袋保存，以避免灰尘。因为一旦胶片划痕，会在左边的照片是黑暗的道路，在胶片上的灰尘，会留下白色的影像对应的照片。

3、印刷或放大看到负的最终目标不是摄影，希望看到原始场景的亮度和颜色一致的图像，仍然需要通过放大机镜头，有点负负放大尺寸，打印，彩色打印纸暴露。扩增，可切割的图片上，可以校准颜色，可以多个副本，你也可以复制成不同的尺寸。

成像技术原理 篇3

随着现代航天技术的不断发展,对遥感用光学系统的分辨率要求越来越高。光学成像系统的衍射分辨率主要取决于系统孔径的大小。光学系统口径增大受光学材料、加工等条件的制约,同时空间光学系统还受飞行器有效载荷舱体积和发射质量的限制[1]。为了克服上述问题,人们开始寻求新的方法和途径。

合成孔径系统是用多个子孔径按一定规律排列组合在一起,用来代替整个一个大孔径区域,获得和大孔径光学系统相当的空间分辨率[2]。由于各个子孔径的口径比整个大口径变小,从而克服了由于光学系统口径太大所带来的一系列困难。

但由于合成孔径系统的通光面积比全孔径系统减小了,光学系统的调制传递函数(MTF)必然有所下降,成像清晰度跟着下降,因此,图像复原是合成孔径系统极其重要的一个环节。本文从信息传递的角度,应用傅里叶光学,对光学合成孔径的成像原理及图像复原技术进行了分析。

1 光学合成孔径系统的成像原理

根据傅立叶光学成像理论,我们可以将光学系统看成一个低通滤波器,入射光波经过光学系统滤波以后出射成像,等效光路如图1所示。图中,∑为物平面;P为通光孔径,用来模拟光瞳;∑′为像平面。在空域,用点扩散函数(PSF)反映光学系统的成像性能;在频域,用传递函数(OTF)反映;这两者之间成傅里叶变换关系[5]。

由于光学系统的传递函数由光瞳函数决定,通过改变系统的光瞳函数,即采用合成孔径技术,通过改变各个子光瞳的大小和相对位置,便可得到与全孔径系统相当的成像效果。

从信息传递的角度来看,如果光学合成孔径系统的截止频率与单个大孔径系统的相同时,光学合成孔径系统就可以等效为单个大圆形孔径系统。

在全孔径成像系统中(如图1所示),假设光瞳为圆形,直径为D,则光瞳函数为:

由傅立叶光学可以求出此圆形孔径系统的点扩散函数:

其中,,i为透镜的焦距,为入射光波长。

对此函数仿真的结果如图3、图4所示。

在光学合成孔径成像系统中(如图2所示),光瞳P不再是单一一个圆形,而是由若干个小圆排列组合在一起。此时,系统的光瞳函数为[5]:

其中,为第n个小孔径系统光瞳函数的中心坐标,P0(x,y)为系统的子孔径的光瞳函数,一般为半径为α的圆域函数:

我们仿真由三个子孔径组成的环状合成孔径,其各项参数和光瞳示意图分别如下:子孔径数目:3个;子孔径直径:50mm;等效孔径直径D:150mm;准单色光中心波长λ:0.5μm;像平面焦距f:1m。

仿真得到此光学合成孔径系统的点扩散函数立体图和截面图如图6、图7所示。

比较全孔径和合成孔径系统的仿真结果,可以看出二者点扩散函数的中央主峰变化不大,只是图6主峰稍稍变细,但仍然可以获得相当的分辨率;图6与图3相比,次峰数量和峰值都大大增加,影响了成像质量。

我们还可以看到,合成孔径系统的光学传递函数的幅值在中高频范围比单个大圆形孔径系统光学传递函数的幅值小得多,这是由于光学合成孔径系统的光瞳只是对其等效的单个大圆形孔径系统的部分填充,这将使得光学稀疏孔径系统对遥远物体直接所成的像非常模糊,必须对此模糊图像进行复原处理,以获得与单个大圆形孔径系统相当的清晰图像。

2 光学合成孔径系统的图像重构

在光学合成孔径系统成像过程中,不可避免的会引入各种噪声,通常假设为遍历性并与遥远物体光强分布无关的加性噪声n(xi,yi)。

根据傅立叶光学理论,光学系统的成像公式可表示如下:

其中,f(xi,yi)为目标物,PSF(xi,yi)为点扩散函数,符号*代表卷积,f(xi,yi)为系统所成的像。对上式求傅立叶变换,在频域内得下式:

其中,和分别为和的归一化频谱,为系统对应的光学传递函数,为噪声的功率谱,其随频率变化的趋势要比典型的图像功率谱要慢得多。

我们想设计一个既去卷积又抑制噪声的滤波器,用它和卷积,以得到与目标物非常接近的复原图像,其示意如图8所示。

如果以复原图像与遥远物体之间的均方误差作为复原滤波器优劣的标准,则可以推导出光学稀疏孔径系统的最优复原滤波器的传递函数[3],在频域表示为:

式中,是的复共轭,。令,则是是噪声功率谱和原始信号功率谱的比值。在实际系统中,是未知的,我们在进行滤波时,根据某种先验知识适当确定一个常数代替值。于是上式就变成:

此滤波器即为维纳(Wiener)去卷积滤波器。

3 光学合成孔径系统的计算机模拟

我们利用图5所示的合成孔径系统对图9所示的遥远目标成像进行仿真实验,并在像平面上叠加了均值为0、方差为0.01的高斯噪声,其成像结果为图10。图11是直径为150 mm的单孔径系统所成的像。

用维纳去卷积滤波算法对图10进行图像复原,可以复原出较清晰的目标图像如图12。对比图11和图12可以看出,由小孔径成像系统组成的合成孔径系统配上合适的图像复原算法能够大大改进成像分辨率,达到与大孔径成像系统相近的分辨率。

4 结论

从信息传递的角度,介绍了光学合成孔径成像技术的原理,应用傅立叶光学,通过对光学传递函数进行仿真,分析了光学合成孔径成像技术,指出了单纯使用光学合成孔径成像技术的缺陷,介绍了使用维纳滤波算法进行图像复原的方法,并对光学合成孔径系统的成像和图像复原处理进行了计算机仿真实验。实验结果表明,用光学合成孔径系统再配以合适的图像复原技术可以大大改进成像分辨率,达到比较满意的观测效果。

参考文献

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阿贝成像原理与空间滤波实验报告 篇4

【实验目的】

1．了解阿贝成像原理，懂得透镜孔径对成像的影响．

2．了解透镜的傅里叶变换功能及空间频谱的概念．

3．了解两种简单的空间滤波．

4．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴．

【实验仪器】

光具座，氦氖激光器，溴钨灯(12V，50W)及直流电源，薄透镜若干，可变狭缝光阑，可变圆孔光阑，调制用光阑，光栅(一维、正交及调制各一)，光学物屏，游标卡尺，白屏，平面镜．

【实验原理】

阿贝在1873年为德国蔡斯工厂改进显微镜时发现，大孔径的物镜能导致较高的分辨率，这是因为较大的孔径可以收集全部衍射光，这些衍射光到达像平面时相干叠加出较细的细节．例如，用一定空间频率的光栅作为物，并且用单色光加以照明，物后的衍射光到达透镜时(这里先考虑±1级衍射)，当O级与级衍射光到达像平面时，相干叠加成干涉条纹，就是光栅的像；如果单色光波长较长或者L孔径小，只接收了零级光而把级光挡去，那么到达像平面上的只有零级光，就没有条纹出现，我们说像中缺少了这种细节．根据光栅方程，不难算出，物体上细节d能得以在像平面有反映的限制为

(1)

为透镜半径对物点所张的角．换句话说，可分辨的空间频率为

(2)

物平面上细节越细微、即空间频率越高，其后衍射光的角度就越大，更不可能通过透镜的有限孔径到达像平面，当然图像就没有这些细节．透镜就成像光束所携带的空间频率而言，是低通滤波器，其截止频率就是(2)式所示的，．瑞利在1896年认为物平面每一点都发出球面波，各点发出的波在透镜孔径上衍射，到达像面时成为爱里斑，并给出分辨两个点物所成两个模糊像——两个爱里斑的判据．其实阿贝与瑞利两种方法是等价的．

波特在1906年把一个细网格作物(相当于正交光栅)，但他在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点(即夫琅和费衍射花样)进行阻挡或允许通过时，得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为，那么与空间频率相应关系为

(3)

(这适用于角度较小时，为焦距，)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总的亮度(称为直流分量)，焦平面上离中央亮点较近(远)的光强反映物平面上频率较低(高)的光栅调制度(或可见度)．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直流分量产生位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜．为此他在1993年获得诺贝尔奖．在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点(傅里叶光学)与新技术(光学信息处理)就此发展起来．

物的内容中如含周期性结构，可以看成是各种频率的光栅组合而成，用数学语言讲就是把物展开成空间的傅里叶级数．如物的内容不是周期性的，在数学上就要作傅里叶变换，在物理上可由透镜来实现．可以证明，由于透镜作为位相变换器能把平面波转换为球面波，当单色平面波照射在透明片上[其振幅透射率为]时，如图1中光路所示，透镜后焦平面上光场复振幅分布即为其傅里叶变换

(4)

图1

式中，实际上这也就是的夫琅和费衍射．当不在透镜前焦面上时，后焦面上仍为其傅里叶变换，但要乘上位相弯曲因子．当入射的不是平面波，而是球面波(发散、会聚均可)，则在入射波经透镜(甚至不经透镜)后形成的会聚点所在平面上也是傅里叶变换，只是也附加上了位相弯曲因子．傅里叶变换的例子如函数，函数，函数函数及许多性质的标度、卷积定理都可以由此在物理上演示出来．

如图2所示，在透镜后再设一透镜，则在Q面上的复振幅分布又经过一次傅里叶变换，(5)

物函数的倒置也就是的像．前述在平面波照射下在前焦平面上的时，在照明光会聚点有其傅里叶变换，但要加上位相弯曲因子，该位相弯曲相当于会聚球面波照在傅里叶变换上，到达该球面波会聚点所在平面Q时，也是完成第二次傅里叶变换，只是标度有变化，即像是放大或缩小的．因此从波动光学的观点来看，正是透镜的傅里叶变换功能造成了其成像的功能．这样，就用波动光学的观点叙述了成像过程．这不但说明了几何光学已经说明的透镜成像功能，而且还预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这后者是无法用几何光学来解释的．前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子．除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及调制等较简单的滤波特例外，还进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛．

图2

【实验内容】

共轴调节．首先，要调激光束平行于光具座（图3），并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。

在做以下几个实验时，都要用透镜，在加入透镜L后，如激光束正好射在L的光心上，则在屏Q上的光斑以0为中心，如果光斑不以O为中心，则需调节L的高低

图3

及左右，直到经过L的光束不改变方向(即仍打在0上)为止；此时在Ls处再设带有圆孔P的光屏，从L前后两个表面反射回去的光束回到此P上，如二个光斑套准并正好以P为中心，则说明L的光轴正好就在P、O连线上．不然就要调整L的取向．如光路中有几个透镜，先调离Ls最远的透镜，再逐个由远及近加入其他透镜，每次都保持两个反射光斑套准在P上，透射光斑以O为中心，则光路就一直保持共轴．

1．阿贝成像原理

(1)按图4布置光路．G是空间频率为每毫米几十条的光栅，在实验中作为物．L是焦距为10cm的透镜，移动L使光栅在3m处白屏上成放大的像(也可以用平面镜把光束反射到实验桌上的自屏上，但要用涂金属的那面，不要用玻璃面去反射，为什么?可以试试．)

(2)用白纸插入G之后的光路中并从G处移到L可看到G后

图4

衍射光束逐步分开；再从L移到P处，可看到光束又逐步合到一起，形成光栅像．

(3)在L前设可变圆孔光阑P；在逐步减小光阑时在L后用白纸检查光束被挡去情况，如有三束光通过，则Q上仍有条纹；如仅有一束光通过，Q上就无条纹，也就是不能分辨这个空间频率的细节了(P不一定紧贴在L之前)．

(4)使P上某一圆孔刚能容纳三束光通过，测量G、P距离及圆孔半径，估算G的空间频率．并估算能分辨此频率的最小透镜孔径．

2．波特实验

仍然使用图4中光路，但改为到L的焦平面F上来改变像的空间频率结构．

把毛玻璃放在F面处可看到一系列光点，它们相应于物光栅夫琅和费衍射的0，±1，±2，…级的衍射极大值．用直尺或游标卡尺测出各衍射级离中央亮点的距离，把透镜焦距、所用激光波长与代入(3)式，算出这些亮点对应的空间频率，并与通过物像关系算出的光栅空间频率进行比较(由物距、像距，像上条纹宽度计算)，说明物理意义．利用可变狭缝光阑及小磁块，挡去某些衍射级，观察像屏S上图像的变化情况，并作出解释(可以从傅里叶光学与光波干涉两种观点来解释)．

3．透镜的傅里叶变换功能

按图5(a)布置光路，L1、L2构成扩束准直系统，扩束后光束截面直径增大(倍数为两透镜焦距之比)．输入至输出共距四倍焦距，故可称为系统，是典型的光束信息处理光路，能进行二次傅里叶变换．

用系统直接观察傅里叶变换，有时感到花样较小，不易看清，图5(b)光路中的物屏可放在位置1到2之间，在照明光的会聚点上都可以看到它的夫琅和费衍射，或者说傅里叶变换．自己选择一个位置(在2处，物离Q远，则花样分布较大，便于观察)，先后插入圆孔、双缝、单缝，观察其傅里叶变换光强分布情况并对傅里叶变换的标度性质、卷积定理作出物理解释．设此时P、Q距离为z，则Q空间频率标度为．

图5

4．空间滤波实验

(1)低通滤波

前述阿贝--波特实验中狭缝起的是方向滤波器的作用，可以滤去图像中某个方向的结构．而圆孔可作低通滤波器，滤去图像中高频成分，只让低频成分通过．

①按图6布置好光路，先放人L2，再放入L1，每次都调共轴，经L1扩束后光斑应打在L2中央．放人物屏P后注意P、Q的物像关系，在照明光会聚点设圆孔滤波器F．

图6

本实验物屏中央是透光的“光”字与细网格叠加在一起，网格空间频率约为10条／mm，调P、Q位置，使Q上有清晰的放大像，能看清其网格结构．

②观察F面上频谱分布，可以看到排成十字形的点阵．改变F上圆孔，逐步缩小，在圆孔直径≥lmm时(可以通过多个光点)，仍可看到像中有网格结构，而换到O．5mm直径圆孔时，只允许中央亮点通过，则在Q面上看到了没有网格的“光”字．这是因为“光”的空间频率低，就集中在光轴附近很小范围内．可见小圆孔起到只通过低频的作用．

在更换圆孔时，要特别细心，光轴必须严格穿过小圆孔圆心，才能有良好的实际效果，否则可能“光”字不完整．如试验一段时间未能奏效，可以改用下法：把字屏P移走，把F屏上O．5mm圆孔移在中央，然后细心地用手上下移动圆孔，左右调节滑块座上微动螺旋及前后推移滑块位置，同时观察Q上衍射花样以决定如何移动小圆孔，直到最后出现大而均匀的光斑，再插入物屏P，像屏Q上必有清晰字样(不带网格)．因为此时光束会聚点正好在小圆孔圆心上．

把小圆孔移到中央亮点以外的亮点上，在Q屏上仍能看到不带网格的“光”字，只是较暗淡一些．这说明当物为“光”与网格的乘积时，其傅里叶谱是“光”的谱与网格的谱的卷积，因此每个亮点周围都是“光”的谱，再作傅里叶变换就还原成“光”字．这就演示了傅里叶变换的乘积定理．

(2)用调制产生假彩色

①类似于通信技术中把信号与载波相乘以调制振幅与位相，便于发送；光学信息处理中把图像(信号)与空间载频(光栅)相乘，也起到调制作用，便于进行处理．

本实验中所用的物是由方向不同的一维光栅组合而成的(图7)．用激光束照射不同部位，就可在其后看到不同取向的衍射光线．光栅空间频率约为100条／mm，三组光栅取向各相差600。

图7

②按图8(a)布置光路，S为溴钨灯，L1起聚光作用，在L1后聚光亮点处设滤波器F，注意使S、L1距离大于L1、F距离，以获得较小的亮点．物P紧靠在L1后，F后设L2，L2把P的像成在Q屏上，为了得到较亮的像，最好P、L2距离大于或等于L2、Q距离．

③观察F面频谱的特点：第一，由于输入图像由三个取向不同的光栅构成，每组光栅对应一个衍射方向，衍射光线所在平面垂直于光栅的取向．如把该方向频谱全部挡去，则输出面上相应区域光强就转为零，例如把水平方向的频谱挡去，可以看到像上天空呈黑暗．其余类推．第二，由于照明光是白光，根据光栅方程，每组频谱零频的各色光衍射角均为0，各色光的零级叠加在一起就呈白色；而在其余±1，±2，…级上，波长长的色光衍射角大，因此各级均呈现从紫(在内)到红(在外)的连续的光谱色．

图8

④如图9所示，再次仔细调整共轴，使白光亮点恰好射在滤波器中央F透光处，而六条光谱带恰好从六条狭长孔中穿过．然后用带有铜片的小磁块在屏上移动，使铜片上小孔处在一级谱的某种颜色上，该色光得以通过．使孔1、孔通过黄光，输出平面上天空部分就呈蓝色，同理让孔2与孔通过红光，孔3与孔通过绿光，相应就在输出像中出现红色的房子与绿色的草地．

图9

⑤用白纸在F屏后由近到远移动，观察各衍射级光点的颜色及光斑形状的变化情况，再次思考输入以上光栅取向、频谱面上变色光分布及所携带信息及输出谱形之间的关系．

⑥重新调整滤波孔位置，改变输出图像的色彩，这说明色彩是人为指定的而非天然色．

在实验过程中还有两点须注意：

第一，溴钨灯额定电压为12V，因此为延长使用寿命在调整光路时电压只放在6V左右，在上述第3项调整成功后，才把电压调整到lOV，以观察输出彩色效果，观察后随即把电压调低至6V然后再关电源．电压始终不得超过12V，并不准在12V时关掉电源，否则下次开电源的瞬间，极易烧断灯丝．

第二，光源S的开孔较大，射出的灯光经过光具座的反射，易在输出面Q处增添杂散光，干扰对彩色像的观察，可在P、F各屏的下方用黑纸挡去这些杂光．

【复习思考题】

1．从阿贝成像原理出发，要获得较高的成像分辨率可以采用什么办法?如在照明光波长、物镜孔径已确定后，增大目镜的放大率能否提高分辨率?

2．用惠更斯原理解释低通空间滤波实验中频谱上各次极大亮点均带有“光”字的频谱．在本实验中如滤波孔直径从0.5减小到5，试设想输出图像是什么样的?

3．在调制实验中，物面上没有光栅处原是透明的，像面上相应部位却是暗的，为什么?如果要让这些部位也是亮的，该怎么办，此时还能进行假彩色编码吗?

磁共振水成像技术的原理和运用 篇5

关键词：磁共振水成像,磁共振胆胰管成像,扫描序列,泌尿系水成像

磁共振水成像技术代表着先进的技术手段和具有无创性的特点已为国内外医师所关注,属于非侵袭性检查,既无放射性损伤,又无需插管和注射造影剂,具有安全可靠,患者无痛苦的优势,深受病人的欢迎。

1 磁共振水成像技术的病理、生理基础

磁共振水成像技术的原理非常简单,主要是利用水具有长T2弛豫时间的特性,人体的所有组织中,水样成分(如脑脊液、淋巴液、胃肠液、胆汁、尿液等)T2值远远大于其他组织。如果采用T2权重很重T2WI序列,即选择很长的TE,其他组织的横向磁化矢量几乎完全衰减,因而信号强度很低甚至几乎没有信号,而水样结构由于T2值很长仍保持较大的横向磁化矢量,所采集的图像上信号主要来自水样结构。

磁共振常用水成像扫描序列和参数有:快速自旋回波(FSE)序列、单次激发的FSE(SSFSE)序列、三维True FISP序列,根据不同部位不同组织适当选择,灵活运用,再将采集的水成像原始图像进行后处理重建,常用的后处理技术包括:最大强度投影(MIP)、容积再现(VR)和仿真内窥镜(VE)等,最终获得临床满意的图像。

2 水成像技术的临床应用

2.1 磁共振胆胰管成像(MRCP)

MRCP是目前临床上最常用的水成像技术,也是一种安全、有效的胆胰管系统疾病的诊断方法,MRCP可提供良好的胆胰系整体图像,以多角度、立体、全面的展示扩张胆胰管的形态、范围、程度,梗阻的程度、平面及梗阻端的形态特征有助于胰胆管系统良、恶性梗阻的鉴别。恶性梗阻端常呈截断状、鸟嘴状或腔内不规则充盈缺损;良性则管腔呈逐渐狭窄,病变范围较广,近端胆道不扩张或轻度扩张,局部胆管壁无明显增厚,无软组织影。胆结石在MRCP上表现较具特征,表现为在高信号胆汁衬托下的低信号充盈缺损,但有时单凭MRCP很难判断梗阻的良恶性,此时,则须与MRI常规扫描相结合,因为MRI能反映梗阻端周围软组织的病理信号特点。这样MRCP和MRI结合能够大大提高诊断的准确率。

目前临床上最佳使用的几种序列及参数:

(1)横断位T2加权半傅立叶采集单次激发快速自旋回波(HASTE)序列重复/回波时间73ms/1000ms、激励角150°、FOV 350mm、矩阵256×256、层厚8mm、扫描时间15s。

(2)冠状位T2加权TrueFisp序列重复/回波时间2.15ms/4.3ms、激励角80。、FOV为350mm、矩阵256×256、层厚4mm、扫描时间14s。

(3)TurboSE MRCP序列重复/回波时间985 ms/4500ms、激励角150°、FOV为350 mm、矩阵256×256、层厚60mm～80mm、加脂肪抑制技术、扫描时间5s、根据需要作不同方位3次以上扫描。

(4)HASTE MRCP重复/回波时间105ms/1900ms、激励角125°、FOV为350mm、矩阵516×516、层厚4mm、加脂肪抑制技术、扫描时间20s、根据需要删除部分与所需器官重叠的结构,采用(MIP)3D进行观察。

2.2 磁共振泌尿系水成像(MRU)

MRU是临床上较为常用的水成像技术,非常适合尿路梗阻病变的诊断,对其梗阻部位、程度的判断具有高度的敏感性和准确性。这为肾功能差或丧失而造成IVP时尿路不能显影,或需延迟很长时间才能确定梗阻平面的患者提供了一个快捷的确定尿路梗阻部位的方法,具有较高临床应用价值。对肾功能丧失者同样具有很高的诊断价值。MRU可清晰,准确,立体直观地显示梗阻位置水平,健康人的输尿管不显示或呈细线状结构,如显示输尿管扩张管腔超过5mm或肾小盏杯口成圆球状,可认为有梗阻存在。良性狭窄表现为一段的渐进性狭窄,梗阻呈鸟嘴状,漏斗状边缘光滑,近端尿路扩张;恶性狭窄表现为扩张的输尿管突然截断,狭窄段形态不规则并可见不规则充盈缺损;输尿管结石为梗阻端低信号充盈缺损,边缘光滑。增强MRU可以评价肾脏功能,水成像MRU和MRI相结合,可以清晰显示梗阻情况,病变定性及正确评价肾功能,是泌尿系最佳的检查方法。

MRU常规使用冠状位HASTE T2WI,二维(2D)数据采集成像技术。TR 11.9 ms、TE 95.0 ms、回波链长度(ETL)128、翻转角(FA)150°、视野(FOV)400mm、MRU为高分辨率图像、矩阵240×256、层厚4 mm、无间隔、连续层面(20～30)层、激发次数(NEX)1。预饱和范围包括上下、左右及前后方向,加脂肪抑制技术。

2.3 内耳水成像

磁共振内耳水成像为内耳结构的直观影像学显示打开了一扇窗口,使复杂的内耳迷路结构立体地呈现出来,这为研究内耳迷路的结构、形态以及发现迷路的畸形提供了依据。有文献报道,水成像技术能准确地显示Mon2dini畸形及其伴随的其他膜迷路畸形,而Tanioka等则证实美尼尔病病例组的内淋巴管和淋巴囊显示率明显低于正常对照组,Harnsberger和Dahlen等则报道了3例CT显示前庭导水管扩张者而磁共振则显示其内淋巴囊不张,1例CT显示前庭导水管不扩大而磁共振显示其内淋巴囊大。由于空间分辨率和信噪比的限制,磁共振内耳迷路的水成像对单独区别膜迷路尚存一定的困难,因膜迷路被内、外淋巴液包绕,因此它只能和骨迷路同时显示。

目前临床上最常使用的几种序列及参数:

(1)3D/FSE序列TR4000 ms、TE250 ms、层厚0.7mm、无间距连续扫描、FOV130 mm、距阵256×256。

(2)高分辨三维True FISP序列TR=6ms、TE=2ms、矩阵256×256。

2.4 磁共振脊髓水成像(MRM)

MRM在临床上的应用逐渐增多,因为MRM检查安全,简便,快捷实用,可以多方位,多角度立体呈像,对脊髓自身病变及周围组织病变致使其形态走行发生变化非常具有敏感性,表现为椎管部分或全部截断,椎管增粗,椎管局部或多处受压等。主要适应症包括:椎管内肿瘤、椎管畸形、脊神经鞘袖病变、脊柱退行性病变、脊柱外伤等。MRM与MRI检查结合即可对病变做出定位定性诊断,现在已经基本取代了脊髓碘油造影术。

MRM最常使用冠状位T2加权TrueFisp序列重复/回波时间2.15ms/4.3ms、激励角80°、FOV350mm或450mm、矩阵256×256、层厚4mm、快速自旋回波(FSE)序列TR大于3000ms、TE=500ms～1000ms、ETL=20～60、三维采集MIP后处理。

3 磁共振水成像技术的临床发展

磁共振水成像技术临床即将开展磁共振小肠、结肠注水成像、磁共振输卵管成像、磁共振精囊曲管成像等,作为一种安全无创伤的影像学检查方法,操作简便,扫描时间短,已逐步取代了碘油造影术和相应部位的CT扫描及部分镜检术。随着磁共振成像技术的日益完善,设备及硬软件的更新和我们诊断经验的提高,磁共振水成像技术已成为最有价值的检查手段之一,具有较高的临床应用价值,为患者的及时准确诊断和治疗赢得宝贵时间。

参考文献

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[2]韩希年,李惠民,刘光华,等.磁共振成像胰胆管疾病中的应用[J].中国计算机成像杂志,2000,(6):320-323.

[3]倪萍,等.MRI临床应用新进展[J].医疗设备信息,2006,(9):43-45.

[4]黄嵘,刘鹏程,方玲,等.磁共振成像在诊断胰胆管疾病中的价值[J].放射学实践,2003,(8):65-67.

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[6]Hattery RR,King BF,Technique and application of MR urogra phy[J].Radiology,1995,(1):25-27.

成像技术原理 篇6

1 物理原理

随着计算机技术和电子电路技术的发展,逐渐形成了一种生物磁学核自旋成像技术,即核磁共振成像,其利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核发生弛豫,产生射频信号,经过计算机处理成像。原子核在进动中,遇到与原子核进动频率相同的射频脉冲时,射频脉冲的能量将传递给原子核,原子核发生共振吸收,去掉射频脉冲之后,原子核又把所吸收的能量中的一部分以无线电波的形式发射出来,称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程即为核磁共振[3]。核磁共振成像的核是指氢原子核,由于人体有70%是水,MRI即依赖水中氢原子。在磁场中放置物体,用适当的无线电波照射,使其共振,然后对其释放的无线电波进行分析,就可得知构成这一物体的原子核的位置和种类,据此绘制物体内部的精确立体图像。

2 核磁共振成像的优点

相较于计算机层析成像技术,核磁共振成像技术具有一系列优点,其不会对人体造成任何危害,比较快速和准确,因此核磁共振成像技术已被广泛应用到医学领域内,具体包括如下内容:①可有效分辨软组织,相对于CT来讲,可以更好地检查膀胱、直肠、子宫、阴道和肌肉等部位。②可以多参数成像,不同成像参数能够提供丰富的诊断信息,从而提升医疗诊断的质量,更好地研究人体内代谢和功能。如肝炎和肝硬化的T1值变大,而肝癌的T1值更大,作T1加权图像可以区别肝部良性病变和恶性病变。③通过调节磁场,可以对所需剖面自由选择:对于部分部位,其他成像技术可能无法接近或难以接近,而借助核磁共振成像技术则可以有效完成。如椎间盘和脊髓等,通过矢状面、冠状面及横断面成像,可以观察神经根、脊髓及神经节等;而CT技术获得的均为垂直于人体长轴的横断面。

3 核磁共振技术的缺点

虽然本技术不会致命性地损伤患者,但还是会让患者感受到一些不适,因此在利用核磁共振成像技术之前,就需要采取一些必要措施,以最大限度地降低本技术的负面影响[4]。核磁共振成像技术主要有如下缺点:①与CT一样,NMRI技术也属于解剖性影像诊断,若仅仅依据NMRI检查,依然无法确诊诸多疾病;而内窥镜获得的诊断则包括影像和病理两个方面。②在肺部检查方面,与X射线和CT检查相比并不具有优势;在检查肝脏、胰腺、肾上腺等方面,与CT技术相比亦不具有优势,且价格较高。③在检查胃肠道病变方面,没有内窥镜效果好;有着较长的扫描时间,却无足够的空间分辨力。

另外,在有铁磁性物质存在的情况下,不管是埋植在患者体内还是在磁场范围内,均可能为危险因素;随时间变化的梯度场可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标,在足够强度下可以产生外周神经兴奋,甚至引起心脏兴奋或心室振颤。还有射频场的致热效应,在MRI检查过程中所用到的射频脉冲,其辐射量在患者组织内转化为热能,升高组织温度。在MRI运行过程中会有各种噪声产生,有可能损伤患者的听力。

4 核磁共振成像技术在医学上的应用

由于氢核系统宏观弛豫的强度与氢核密度成正比,因此在核磁共振图像中,借助质子密度的不同,即可有效区分各种组织;另外,宏观弛豫的不同表现,首先是在人体的不同组织中有着差异化的核磁弛豫时间;其次是有较大的差别存在于病变组织和正常组织的和之间[5]。因此,通过测量弛豫时间即可判断病变及其发展情况,从而可以从核磁共振图像中检测人体的病变组织。在检查颅脑时,人体大脑灰质和白质有着较为接近的密度,采用CT技术无法有效分辨,而在核磁共振图像中灰质的宏观弛豫时间大于白质,在T2加权图像上灰质信号强度高于白质,而T1加权图像上灰质信号强度则低于白质,两者可有效分辨。

心血管系统检查时,流动的液体无法获得信号称之为流空效应,这对心血管核磁共振成像具有重要意义。在心脏MRI检查时,肺部含有大量气体,质子密度低呈黑色,与心脏有很好的对比;心脏里的血液由于流空效应而无信号产生,因此可以清晰看到心肌、房室间隔、心脏及主要血管。若应用心脏门腔核磁共振技术,则可对心脏收缩和舒张末期的图像进行分别摄取,不仅可以观察心脏系统的血液动力学变化,还可提供心肌机能方面的信息。

如今,核磁共振波谱技术也主要利用氢原子核,对于人体来讲,探索磷(P)原子核的成像在医学上具有重要意义。由于磷是高能分子三磷酸酯苷和磷肌酸的主要成分,而这两种分子能够调节组织细胞的能量转移,因此通过对磷的高分辨谱测量,核磁共振波谱技术就可以对组织及内脏器官的代谢情况进行判断。

5 小结

综上所述,随着时代的进步和科学技术的发展,逐渐出现了核磁共振成像技术,其相较于CT技术具有一系列优势,可以对人体各个部位成像,更好地判断病变情况,因此核磁共振成像技术在医学领域内已得到了较为广泛的应用,对医学事业发展起到了一定程度的推动作用。但同时亦发现,核磁共振成像技术还存在一些不足,需要进一步研究,以便更好地应用核磁共振成像技术。

摘要：目的:对核磁共振成像技术的原理和应用等问题进行分析。方法:分析核磁共振成像优缺点及其物理原理,探讨其医学上的应用。结果:核磁共振成像技术是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核发生弛豫,产生射频信号,经过计算机处理成像,具有可对软组织予以有效分辨、多参数成像、可自由选择所需剖面等优点,同时也存在一定缺点。结论:核磁共振波谱技术可判断组织及内脏器官的代谢情况,优点明显,在临床中具有较高的应用价值。

关键词：核磁共振成像,技术原理,应用

参考文献

[1]杨艳梅,王永生.FLAIR序列的技术原理及在脑磁共振成像中的应用[J].肿瘤影像学,2011,2(10):123-125.

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[3]王吉福.核磁共振成像原理及临床应用分析[J].按摩与康复医学,2011,2(26):188-189.

[4]黄伟.功能磁共振成像视网膜脑图技术的原理、方法及应用[J].临床放射学杂志,2008,2(3):155-157.

实时超声弹性成像原理与方法 篇7

生物组织的病变在很大程度上会伴随着其硬度属性的改变,比如硬化型乳腺癌,动脉粥样硬化等。然而在某些情况下,如果肿块较小,或者位置距离体表较深,用传统的触诊方式很难检测出。一般来说,用传统超声回波成像的方式,也并不一定能检测出这些癌变组织,因为虽然他们的硬度属性差别较大,但是声学性质有可能很相近。比如,对于前列腺或者乳腺肿瘤来说,他们用传统超声成像很难发现病变,但是他们的硬度属性和周围正常组织明显不同。所以组织硬度信息对于临床诊断而言同样具有重要的参考意义。超声弹性成像就是根据组织的硬度属性不同进行成像的一种新型的超声成像方式[1]。根据激励的时间特性,现有的基于超声检测的弹性成像可以分为三类:采用静态或准静态力的施压式弹性成像、采用低频瞬时振动的瞬时弹性成像和采用低频简谐波的震动声弹性成像。实际上,弹性成

1. 技术原理

准静态超声弹性成像的实现方法如图1。

用超声探头对受检体施加一个外部的压力,接收同一个位置在施压前和施压后的两组回波信号。其中压缩后的信号可以视为压缩前信号的压缩和时延,如公式(1)所示[3]。

对同一个位置压缩前、后回波信号进行分析,得到应变分布;最后再用不同的灰阶值或者伪彩色等将组织应变的二维分布转化为二维的灰度或者伪彩色图像(strain-based elastography),其像(Elastography)一词,最早是1991年美国德州大学Ophir教授等人提出[2],因此狭义上的弹性成像指的就是这种静态或准静态力施压式弹性成像。和其他两类相比较,准静态弹性成像具有技术原理简单,实时性好等优点,引起了很多研究组的兴趣,所以近几年得以迅速发展。本文重点在于介绍实时准静态超声弹性成像的原理与方法,同时还对模量重建的方法及其必要性进行了论述,最后讨论了评估一种新的弹性成像算法常用的验证方式。在下面的章节里,如无特殊说明,所提到的弹性成像均指准静态超声弹性成像技术。图像成为应变分布图(strain elastogram)。该方法中假设组织内部应力均匀分布,但对于血管等圆周应力分布明显不均匀的情况误差较大。另一种方法根据组织的力学特性以及求解出来的应变进行模量重建,根据杨氏模量或剪切模量进行成像(model-based elastography)[4]。

根据应变计算方法的不同可以概括为两类:基于梯度的方法,和直接计算应变;

1.1 直接法:

直接法中,直接通过对组织压缩系数进行计算得到应变。可以通过对压缩后的RF信号设置一个初始伸展系数,然后求解相关性函数,或者计算相关相位。根据计算结果修正伸展系数,直到达到所期待的相关性[5],或者相移接近于零[6]。也可以通过最优化的方式,在代价函数里将伸展系数作为未知变量,通过最小化代价函数求的伸展系数[7,8]。根据伸展系数来求得应变。这种方法对信号相关性要求较高,而且对系统噪声比较敏感,所以较少采用。

1.2 基于梯度的方法:

基于梯度的方法首先计算回波信号压缩前、后在时域上的相对位移;根据相对位移利用差分的方法求出组织应变。

基于梯度的方法中,从压缩前后的RF信号估计组织运动是最核心的部分,大多数的位移估计算法重点都是在轴向位移估计,尽管轴向压缩组织会产生三个方向的形变(轴向、侧向、和梯度方向),在一般应变成像中,只需要轴向位移就足够了。尽管也会考虑侧向和梯度方向,但仅限于帮助提高侧向位移估计的精度。侧向应变成像可以帮助重建泊松比等参数,但是远没有轴向应变更重要[9],所以在本文中不做过多讨论。

本文重点介绍基于梯度的方法原理以及在准静态超声弹性成像中的应用。首先介绍常用的位移估计基本算法,并介绍目前常用的对于基本算法的改进方式。然后介绍从位移中提取组织应变的原理和方法,并对模量重建的方法以及必要性进行了讨论,最后列出了对于一种新的算法一般采取的几种验证方式。

2. 位移估计基本算法

现有的位移估计算法中,几乎所有的方法都用到了块匹配或者窗匹配。匹配的相似性准则包括:互相关,绝对差分和,平方差分和,相关相位等。窗匹配一般可以通过插值达到亚采样点精度;匹配可以在整个搜索区域内进行搜索,也可以通过相邻窗的连续性约束,减少搜索范围。可以通过定义一个全局代价函数,一次性求解位移场分布,也可以分块独立进行搜索跟踪。可以单层穷尽搜索,也可以分层从粗到细搜索。可以在整个平面两维搜索,也可以在轴向和侧向分别搜索[9]。

另外对现有位移估计算法进行严格划分是不科学的。很难把他们归结为某一种特定的方法名称里面。但通常所采用的基本技术主要包括几下几种:

2.1 一维时域互相关

一维互相关是计算时延常用的方法,通过对两段信号计算互相关函数,公式如(2)所示,当互相关函数取最大值时,τ所代表的值就是两段信号的时延[2,10,11,12,13]。

2.2 相关相位

超声射频信号不仅包含幅度信息,通过希尔伯特变换或者正交解调即可得到含有相位信息的解析信号或者是基带信号。在时域,时延对应着相位变化,如果信号频率已知,就可以根据计算相移直接得到相对应的时延[14~17]。

首先对于压缩前、后超声回波信号分别进行建模如公式(3),A(t)是包含人体信息的包络信号,w0是探头的中心频率,t是时间[14]。

这两个复数信号的互相关表达式可以表示为公式(4)

其中

是包络的自相关函数。所以通过互相关函数的相位就可以直接估计出两段信号的时延(公式(6))。

2.3 块匹配

块匹配的基本原理是对于感兴趣区域区内的一个特定大小的区块,在一个设定的搜索区域内根据一定的匹配准则寻找与它最佳匹配的区域。根据最佳匹配区域所在的位置来计算相邻两帧图像的局部位移[18~20]。

根据匹配准则的不同,可以分为:二维标准互相关,快速互相关,绝对差分和等。以二维互相关为例,其互相关函数定义为:

当上述函数取最大值时对应的u,v的值,即是所定义区块中心位置的局部位移.

2.4 光流

光流法给空间每一个像素点赋予一个速度矢量,并假设空间任意一点随时间变化该像素点的亮度不变[19,21]。即有下列等式:

经过泰勒公式展开并去掉高阶部分可以得到:

这就是光流的基本方程,实际应用中一般还要加上其他的约束条件,共同求解每个像素点的速度矢量(u,v)。根据外加约束条件的不同衍生出了不同的光流法。

2.5 最优化

最优化算法的基本原理是首先设计一个代价函数,通常是块匹配中几种匹配准则中的其中一种,或者加入另外的约束条件,组成复合的代价函数;其中代价函数所包含的未知参数通常就是所求的位移,甚至可以是应变。然后通过某种最优化算法如动态规划等进行求解[22~28]。最常见的代价函数具有以下形式:

其中CID表示图像相似性,通常指定为块匹配准则中的某一项,CR表示另外的约束项,比如平滑约束或者位移连续性约束等。α表示权重系数,通过调整α可以调整每一项在代价函数中的权重。

对于检测信号相似性或者时延来说,互相关或者块匹配是非常精确的技术。即使应变很小的情况下,也可以精确追踪运动,并且对于噪声的鲁棒性较好。然而应变估计会受到各种因素的影响,包括探头下压过程的横向位移导致其不同平面运动造成的信号去相关,声场不均匀特性,非刚性组织形变等[21],导从而导致运动估计错误。另一方面,基于相位的方法是效率最高的,但是当时延大于半个波长的时候就会出现相位混叠,而且必须知道探头的中心频率,否则只能通过迭代来求解。光流暗含的假设信息是在连续记录的图像强度保持不变,然而在弹性成像过程中,散射点受压之后脉冲响应会发生变化。所以在光流法中通过局部信息约束进行求解是不科学的。一般会通过加入另外的全局约束信息来进行求解。另外基于相位的方法以及一维互相关方法只能在轴向进行追踪,当组织侧向位移较大时,会出现比较明显的位移估计错误。

上述基本算法除了基于相位的算法以外(依赖相位信息),其他所有算法都可以用三种信号来进行(RF信号,包络信号,B超信号)。包络信号可通过RF信号正交解调得到,对包络信号进行对数压缩,去噪等处理就可以得到B超信号。RF信号的信息量最大,同时数据量也最大。B-mode数据信息量和数据量都最小。随着弹性成像算法的不断发展,改进算法的速度越来越快对于精度和分辨率的要求越来越高。目前准静态超声弹性成像大部分都是用RF信号来计算的。

3. 改进算法

由于人体组织的复杂性,以及超声图像本身所含的噪声等因素,单纯的采用上述基本算法,很难得到满意的结果。现有的方法中对于超声准静态弹性成像算法主要有两个思路:一种是基于其中一种算法,然后进行改进;另一种思路是集合两种或者以上的算法,形成一种新的算法框架,结合了各自的优势,同时克服了各自的不足。但无论是采用那一种思路,所进行的改进主要针对两个方面:速度和准确性(包括计算精度,和鲁棒性)。目前的改进技术主要包括以下几种:

3.1 时域伸展

基于梯度的算法一般都假设压缩后的信号是压缩前信号的时延,而忽略了形变(压缩)。所以当信号形变较大时,会出现比较严重的去相关[29]。Bai等人,通过采用多尺度(multi-scale)的方式,采用不同长度的窗进行相关并求平均的方式进行改善[30]。通过自适应方法来计算局部压缩系数,可以降低信号去相关的影响,同时精度有所提高[5~28]。还可以通过扩张的方式在计算相关函数之前对信号进行调整,对压缩或者时延在同一个平面内进行调整,尽量恢复信号相关性[31]。但是,对于压缩的调整并不是自适应的,而是全局的。

3.2 插值

对于精确的应变估计,需要得到亚采样点间隔的位移场。一般通过对RF信号进行插值,或者对相关函数进行插值,或者是假设峰值处形状,根据计算公式直接来得到。对RF信号进行插值在很大程度上增加了运算量,对相关函数插值同样增加不小的计算量,常用的方法包括抛物线插值,余弦函数差值等[32]。而假设峰值处形状基本可以达到与差值RF信号或相关函数同样的效果[33]。

3.3 先验估计或约束

由于信号的去相关,从信号直接求解位移分布可能会出问题,对于解决这种大的估计误差通常有两种途径[34]:运动约束或者先验搜索。

先验估计,也可以称为指导搜索,其基本原理是由周围已知点的位移值作为当前值的先验估计,相邻的点可以是相邻行的点,称为行引导,也可以是相邻列的点,称为列引导。也可以通过预先估计的方式来获得,一般通过由粗到细的方式来实现。根据先验估计可以缩小搜索范围,不但大大提高了计算速度,而且还在一定程度上减少了假的相关峰(当信号去相关比较严重时,峰值处的相关系数偏低,可能会出现另一处峰值并且相关系数大于真正的峰值,称为假峰)造成的估计错误。但是这种指导搜索有一个潜在的问题,就是如果有一个点估计错误,则基于该点作为先验值的所有位置都会产生错误估计。所以要通过某些机制来对估计结果进行验证,对于错误的点,通过周围点插值来替代。

运动约束也是目前比较常用的一种改进策略,主要是基于运动连续的假设[35]。一般是设计一个目标函数并添加约束项,然后通过最优化算法来最小化目标函数的方式来求解位移。由于运动约束把相邻点的位移值联系起来组成代价函数,所以单独分块进行估计显然达不到要求,一般通过全局最优化的方式来实现。

3.4 粗到细

由粗到细的原理是:首先选择一种鲁棒性较好的算法对复杂的位移场进行预估,估计结果作为另外一种鲁棒性较差但是精确度较高算法的先验值,或者初始值[9,19,27,36,37]。这样通过两步或者是几步迭代的方法同时满足了鲁棒性好,精确度高的要求。

在两步算法中,可以选择不同的基本算法,比如第一步选用块匹配,第二步采用光流[19];也可以采用同样的方法,但是不同的参数[37],比如两步都采用BMA方法,但是第一步选择较大的窗和搜索范围,第二部选择较小的窗和较小的搜索范围。甚至两步里可以选择不同的信号,比如:第一步用B-mode信号,第二部选择RF信号。或者采用金字塔算法,从最底层到最高层依次降采样处理,减少数据量,通过某种算法得到位移场(BMA或者图像配准)然后插值到与上一层相同的数据量,作为先验值,指导上一层在一个较小的范围内进行搜索[27,36]。

上述改进方法中,时域伸展技术可以解决信号压缩造成的信号去相关,但是对于其他原因的噪声,比如系统噪声或者非刚性形变造成的去相关没有效果,而约束和先验值对此则有比较明显的效果。插值主要是为了提高估计精度和质量,而由粗到细的策略是先验估计方法的一种具体实现方式。粗估计的结果作为细估计的先验值,从而使得速度和鲁棒性以及精确性都有较大的提高,所以这种方法也是最常用的一种方法。

4. 应变

位移和应变的关系可以描为数值差分的过程。对于理想的全通差分器的频率响应,随着频率增大而线性增大,简单的差分过程会放大高频噪声。在应变求解过程中,应该设计一种低通的数字差分器,而不是全通的[38]。目前采用较多的最小二乘法也可以视为一种特殊的低通差分器[39,40]。

最小二乘法的原理是通过对位移场进行分段线性拟合来求出应变。计算公式如公式[39]:

其中y表示深度,u是位移,a,b是待估计的常量,其中,a表示局部应变。

采用低通数字差分器,应变值可以表示为位移场与特定冲击响应的卷积[40]:

另一种比较常用的差分器是Savitzky–Golay(SG)平滑数字差分器。根据拟合的阶数不同可以分为SG-I和SG-II。以SG-I为例,其输入输出关系为[38]:

其中滤波器的长度为2M+1

确定滤波器的长度之后,就可以根据上述差分方程得到冲击响应h,h与位移u进行卷积就可以得到应变分布,最小二乘法也可以转化为上述形式。最小二乘法通过增加窗长以达到平滑的效果。较大的窗长可以得到比较好的SNR,但同时会造成边缘模糊。所以在实际运用的时候需要选择合适的窗长和窗之间的重叠率,以达到期待的效果。一般来讲为了平衡SNR和CNR,推荐使用较长的滤波器长度以及较高的重叠率(90%以上)。对于不同数字差分器频率响应分析,与滤波器长度的关系,以及对应变估计的影响可参考文献[38]。

由于上述方法计算速度较快,是现有方法中计算应变较多采用的方法。然而,如果位移场估计不准确,应变估计会有较大噪声。Rivaz等人,利用应变分段连续的特性,利用卡尔曼滤波器,来提高应变估计的质量[26]。Yuan等人也采用了基于无网格的技术,在保持图像分辨率不变的前提下,对噪声进行抑制[41]。

5. 杨氏模量

如果组织内部应力分布是常量,应变图像可以直接被解释为模量图像(杨氏模量或者剪切模量)。在实际情况下,内部应力分布并不均匀,所以当应变被解释为模量的过程中,会出现伪影,从而需要进行模量重建。模量重建可以根据计算的位移或者应变通过方程直接求解[42],也可以通过迭代的方式来进行求解。

比较常用的是通过模型迭代的方法来求解逆问题。该过程可以描述为参数最优化问题,通过最小化一个代价函数来得到参数最优解。其中代价函数通常定义为测量位移和通过给定参数由有限元模型正向求解的位移差。通过对未知的杨氏模量给定初始值,然后以迭代的方式计算出代价函数最小时候杨氏模量的分布。

通过逆问题求解在一定程度上可以减少伪影,但是由于逆问题本身病态的特性,所以有可能增加新的伪影。当边界条件较简单时,逆问题求解对结果去除伪影的帮助并不大[43]。另一方面,逆问题求解通常需要通过反复迭代,很难达到实时。所以

6. 评价方法

对于一种新的弹性成像算法,如何评价其性能,有一些常用的方法。

6.1 数值仿真

用经过数值仿真产生的RF信号来计算组织的应变分布,并将计算结果与有限元软件输出的应变分布作定量比较。仿真的方法如下

其中,x,z分别表示侧向和纵向,I(x,z)表示RF信号,h(x,z)表示点扩散函数,m(x,z)表示声阻抗矩阵,A为常量,λ为发射脉冲波长,σx,σz分别为脉冲的宽度和长度。

在弹性成像中,对比度噪声比通常用来表征病变组织的可探测性。

其中e和σ分别是均匀弹性组织应变图中的应变均值和应变标准方差。

eb,ei分别是应变图中背景和包含物的应变均值,σb2,σi2分别是背景和包含物的应变方差。

6.2弹性体模:

在弹性成像算法开发的初始阶段,体模实验是不可或缺的。首先,较好的弹性体模可以在声学和力学特性都和人体组织有较好的相似性。目前商用体模比较好的有CIRS公司的Model049,以及Model059。其中,Model049是在一个均匀的背景区域包含了8个硬度和大小不同的小球,可以对弹性的分辨率和信噪比等参数做量化分析。

7.处理和显示

上述两种评价方法可用于算法研究人员在开发阶段作为参考。但是准静态超声弹性成像用于临床引用会出现各种复杂的问题:首先,对于医生的手法要求较高,很容易出现out-of-plane现象;另一方面,病变组织的复杂程度远高于弹性体模所以在算法真正实现的过程中一般还要经过一些处理。最常用的是进行归一化处理[44]。

ŝ(x,y)是归一化系数,最简单的方式是设为常量,取图像中的最大应变值,从而消除不同的应变率对显示结果的影响。对于内部应力分布不均(随着深度降低,或者探头表面压力不均造成)对应变的影响,可以设置整个平面随位置变化的归一化系数。归一化系数通过对位移场或者应变进行平面拟合的方式求解。

由于在临床操作中,应变大小控制、探头偏移等问题,采用两帧信号得到的应变图信噪比通常不高。所以在临床使用过程中,通常会用相邻的应变图像拟合成一幅高质量的图像进行显示。这种拟合可以是简单的平均[45],也可以根据应变图中每个点的估计质量来进行加权合成[4,44]。

8. 总结

成像技术原理 篇8

关键词：光电成像原理,教学内容,教学手段

引言

《光电成像原理》是光信息科学与技术等专业的一门专业选修课。专业选修课程是以学科专业基本知识学习为基础, 对其专业面进行扩展、对专业知识进一步深入的有效途径。《光电成像原理》是一门研究光电成像转换、存储、传输的学科[1,2,3]。利用光电成像技术, 可以有效地扩展人类的视觉功能, 通过本课程的学习, 可以使学生了解和掌握光电成像技术的基础理论及其器件的工作原理, 并对光电成像特性进行分析。一方面使学生对专业相关的技术研究方向的多个方面有一定程度的了解, 能够拓展学生知识的知识广度;另一方面, 它是基础知识的深入、专业知识的进一步细化和应用, 是学生对专业知识的理解更深一步。

因此, 《光电成像原理》课程既要把课程特点和专业性质结合起来, 将理论基础和实际应用结合起来, 注重培养学生的学习兴趣, 在传授给学生书本知识的同时, 也更应努力培养学生自主学习新知识的能力和方法, 提高学生的主观能动性和学习的能力, 为今后的进一步深造走上专业学术道路或是走上工作岗位面对实践应用打下一个全面、坚实的基础。

1 教学内容的合理安排

结合学生的专业特点、学习基础和学习时间合理安排教学内容是关键第一步。课程安排在第七学期进行, 共32个学时, 并且是一周4学时, 半个学期8周结束。第七学期意味着是本科期间的倒数第二个学期, 这是一个关键的学期, 很多同学面临着继续深造或是踏上工作岗位的困难抉择。一方面学生的心态和学习积极性会有所变化, 另一方面学习时间的分配也会有所调整。同一门课程, 放在不同的院系专业, 因专业的不同、基础课程的安排不同, 所讲授的内容、重点、难点和特点都会有所不同。不同的学校、不同的院系、不同的年级, 学生们的知识储备、学习态度、主观能动性以及解决问题的能力都是不一样的, 对于这样的情况需要因材施教, 对教学内容中知识点的重点和难点也应合理分配灵活处理。

因此, 选取一本合适的教材十分重要, 教材中内容章节的筛选更是重中之重, 根据课程特点合理安排各个内容的讲授顺序、详略、深浅关乎最后的教学效果。

1.1 教材的选取

获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需要, 人眼获取信息量占总量的80%以上, 但仍有很多限制, 于是人类就需要借助于科学和器件来克服自身的限制满足各种需要, 光电成像技术便出现并飞速发展起来。光电成像技术可以扩展人类的视见灵敏度、扩展视见光谱域、扩展人们细节的视见能力、扩展空间限制和时间的限制。光电成像技术涵盖的内容相当丰富、应用领域十分广泛、涉及的知识和技术方方面面, 并且以日新月异的速度不断地发展和进步。根据这个领域的特点, 教材的选取就显得颇为重要, 一方面要能够从理论上讲述清楚其中的原理、过程;另一方面也要体现出这个领域的发展, 让学生们了解新进展和新应用。

早些年, 院系选取的教材是1997年北京理工大学出版社出版的由邹异松等编著的《光电成像原理》, 并对其内容进行选编。该教材的基本原理和物理过程讲述得非常详细, 应用部分也举例介绍了一些。但该教材出版的时间比较早, 该领域的新进展、新应用都不可能涵盖其中。因此, 教师用书上我选择了2006年出版的由白廷柱等编著的《光电成像原理与技术》, 从书名上就可以直观了解到, 在内容中不仅详细的阐述了光电成像的原理和物理过程部分, 而且还介绍并扩展了技术部分, 也就是具体应用部分。一方面理论的部分保持详细和准确, 另一方面把这几年内的新技术、新进展和新应用也囊括到书本中, 使得书中内容更加的丰满、生动, 将理论知识与实际应用密切结合。

1.2 教学内容的筛选

考虑到学生的专业特点、先修课程、课程时间安排和容量因素, 教学内容不可能把书中所有知识点都讲到, 因此学生用书仍旧是使用院系选编教材。选编教材包含了课程计划中的大部分知识点, 特别是理论原理部分, 对于技术进展和扩展内容, 将以课件演示的形式展示给学生, 以课后讲义的形式补充给学生。这样既可以降低教材购置成本, 又满足了教学的需要, 一举两得。

对于本科生的教育, 一方面要着重打好基础, 另一方面也要介绍相关具体应用, 扩展知识面, 对未来的职业规划起到指导作用。

在教材中选取了下面几个主要章节:绪论、直视型光电成像器件、辐射图像的光电转换、电子图像的成像理论、电子图像的发光显示、电视型电真空成像原理、红外探测器以及电荷耦合器件。

绪论的部分看似简单, 但其实十分重要, 其内容可以引起学生的学习兴趣, 对整个课程的内容及相关研究领域的发展历史有一个大体的宏观的了解。这一部分的课程介绍对于学生的学习热情和学习态度有着较大的决定作用。

在整个内容中, 根据原理和方式特点, 主要介绍4大类器件, 分别是:直视型光电成像器件、电视型电真空成像器件、红外探测器及电荷耦合器件。这四大类基本上囊括了光电成像技术中所涉及到的主要类型。而原理的方面, 针对直视型光电成像器件的成像原理的三个步骤做了详细具体的介绍。三个过程中涉及三种完全不同的物理过程, 其中运用到的知识非常丰富, 有些比较抽象, 有些难度。这部分对于学生们巩固以往的知识基础, 并将其应用到具体问题有很强的促进作用, 需要详细具体深入浅出的讲述给学生。而后面电视型、红外探测器及电荷耦合器件所涉及的物理原理和过程很多都可以借鉴直视型光电成像器件中所介绍的物理图像, 从而实现举一反三。相应的部分就以具体的过程和应用为重点, 物理机制的介绍相对简洁明了。这样的内容安排也符合学习的一般规律, 先复习巩固以往知识, 并深入学习新的知识, 结合新旧知识应用于实践, 提高学生理论联系实际的能力。

2 教学内容的适度拓展

教材的内容毕竟是有限的, 不会自动更新, 也不够灵活生动。对于大四的学生而言, 他们已具备较为丰富的专业基础知识, 因此, 作为专业选修课, 不仅仅只是传授给学生教材上的知识, 更重要的是让学生了解相关的研究进展、具体应用, 拓展学生的知识面, 并将该课程与其他领域的知识相结合, 使得整个课程更加生动、完整和具体。

学生用教材更加注重原理讲解和理论推导, 把已经学过的知识, 包括光学、半导体学、光电子学、电磁学等课程的知识贯穿到教学内容中, 但是比较抽象不够具体。

绪论的部分, 教材上的介绍就非常简短, 不够引起学生的兴趣, 也不能够全面系统的让学生了解到这个领域的基本情况。因此, 首先在绪论的部分加以丰富生动的拓展是十分比较的。例如, 光电成像技术对人类视见能力的很多方面起到了扩展作用, 在这个部分, 列举生活中所能用到见到的器件, 会大大地引起学生的注意, 如数码相机、复印机、夜视仪等等。光电成像技术的研究领域涉及很多方面, 其应用范围也很广泛。学生对这些很好奇, 但是又不太了解, 利用一些图片, 介绍一些在医学、军事或工业生产等的具体应用, 会使他们的好奇心更进一步。

在后面课程的具体内容中, 每一个部分其实都能搜集很多具体的器件来介绍, 一方面使得物理过程更加形象具体, 另一方面也使学生了解到更多应用, 扩展其知识面。如介绍直视型光电成像器件的时候, 比较分析微光夜视仪和红外夜视仪可以使其对两种不同波段的像管成像过程的原理和区别理解更加深刻。电子图像的发光显示的部分, 加入现代现实技术的内容, 比较不同显示原理的显示特点, 可以使学生几种显示方式的原理、特性及发展趋势都有一个具体深入的理解和了解。电子耦合器件的部分, 加入现代数码摄像器件的介绍, 使得学生们了解到电子耦合器件的具体应用领域, 抽象的概念得到具体和形象化。

因此, 教学内容的适当拓展, 不仅可以提起学生的学习兴趣, 更可以加深其对学习知识的巩固和理解, 并且拓展了其知识面。

3 教学手段的灵活应用

本课程的特点是学时少、知识点多、综合性强、应用性强, 基本概念、基本原理与基本过程需要教师利用课堂时间详略得当的讲授, 并且还要形象生动的适当补充课外知识。因此, 在教学过程中“填鸭式”的教学方式是不可取的, 要注重引导性教学, 发挥学生的积极性和主观能动性, 启发学生去思考问题, 由问题带动教学方法将实际问题与理论知识联系起来。例如, 微光夜视仪和红外夜视仪所获取的原始辐射图像对应不同的波段, 那么这两种器件分别对应于什么像管, 各自有何特点?解决这样一个问题, 学生不仅能够了解到像管的分类、相应的物理过程以及具体的应用, 更重要的是, 经过自己的思考, 印象深刻, 能够举一反三。

考虑到大学生学习的特点, 课后复习基本上是少数现象, 结合教育心理学, 上课刚开始的几分钟也不太适合传授新知识。因此, 每次课的前十分钟左右, 把上次课的主要知识点、重点和难点回顾复习一下很有必要, 一方面帮助学生们复习, 另一方面为本次新课做好铺垫。在这几分钟的复习过程中, 观察学生们的表情和反应就能看出来, 是否知识点已被唤起, 是否真的理解了。

关于学习, 还有个说法, 自己看一遍不如听一遍, 听一遍不如说一遍。结合这个规律, 作业的布置、习题的讲解很重要, 学生自己的复习和老师的讲解相结合, 能够进一步巩固理解。在最后习题课上, 推荐几名学生上讲台讲解, 自己说一遍能够使得理解更加深刻, 并且学生间的相互影响, 会使得集体效应内共同进步的作用发挥得更充分。

学生学习每一门课的最终都是以培养学生的学习能力、创新能力、理论联系实际能力以及独立分析解决问题能力为目的和目标。基于这个想法, 这门课程的有些讲述不是很详尽的内容作为小论文的形式布置给大家。学生可以根据自己的兴趣选择不同的话题, 到参考书、文献杂志以及网络上搜集相关的内容信息, 最后归纳成文。看似简单的一个过程, 锻炼了学生寻找信息的能力、书写具有完整格式论文的能力, 并且还拓展了自己感兴趣的这一话题的知识面。这些对于未来的发展都很有益处。

4 结语

在南京邮电大学光电工程学院“光电成像原理”课程教学过程中, 通过摸索和实践, 不断地调整教学内容、改进教学方法、灵活应用教学手段, 目的不仅在于提高本课程的教学质量, 更在于提高本专业学生的各方面能力。这个领域的新理论、新技术、新应用在未来会更多、更迅速的涌现出来, 因此教师的知识结构、授课内容也需去粗取精、与时俱进。该课程的全面建设还在继续, 今后应更加完善和提高。

参考文献

[1]宋丰华.现代光电器件技术及应用.国防工业出版社, 2004

[2]缪家鼎.光电技术.浙江大学出版社, 2005

成像技术原理 篇9

1 成像流程

CR系统的工作流程分为:信息采集、信息转换、信息处理、信息的存储与输出等。图像的形成:利用传统X线装置曝光, X线穿透被照体后与暗盒内的IP发生作用, 形成潜影;潜影由激光扫描进行读取, IP被激光激励后, 以紫外线形式释放出存储的能量;发出的荧光被集光器收集后送到光电倍增管, 由光电倍增管将其转换成电信号;经A/D转换成数字信号完成图像信息读取与数字化;数字信号被送入计算机的数字图像处理系统, 最终形成屏幕上的可见图像并被储存。

2 CR系统较传统X线摄影技术的优点

2.1 剂量比常规X线摄影显著降低。

2.2 CR可通过改变特性曲线斜率来改变影像的对比, 通过移动曲线的位置改变影像的光学密度, 所以曝光宽容度大, 克服了曝光不足和过度的限制。

2.3 可与原有的X线摄影设备匹配工作, 放射技师不需要特殊训练即可操作。

2.4 具有多种后处理功能, 如测量 (大小、面积、密度) 、局部放大、对比度转换、对比度反转、影像边缘增强、双幅显示和减影等, 满足多种诊断要求。

2.5 显示的信息易为诊断医生阅读、理解, 且质量更易满足诊断要求。

2.6 可数字化存贮, 利于并入网络系统, 节省部分胶片, 节约片库占用的空间及经费, 实现平片数字化, 可与RIS和PACS兼容, 将图像传输到本院临床科室或异地。

2.7 通过调节空间频率, 可提高图像中高频成分频率响应, 增加该部分的对比, 达到边缘增强的效果。

3 故障检修与处理

3.1 故障现象:

图像阅读仪在读口腔全景暗盒时, 报Cassette Identification Error Pass√remove and identify错误。

检修处理:根据提示是说摄影胶卷暗匣识别错误。按√键取出暗盒, 打开仪器外表面有一条半圆型的弧线的一块小板, 清除内部的积灰。将暗盒打号后, 再次插入图像阅读仪进行图像处理, 仪器无故障报错。

3.2 故障现象:

处理完图像后, 当要退出暗盒时仪器提示Erasure Lamp 4 Defective Pass√to complete, IP is not erased错误。

检修处理:根据提示是说第4个删除灯有错误, 按√键完成, IP没有清除。首先介绍AGFA的IP板, 它是采用柔性IP板并使用弹性荧光材料涂层, 轻巧柔软可随意弯曲。柔性IP板简化了成像板扫描仪的传输系统, 结构较为简单, 使得扫描速度较快。IP板是有使用寿命的, 应当好好维护, 使用中应避免擦伤。IP在每次使用前, 需用光照射消除潜影。根据上述故关机打开侧面板, 取出吸IP板装置。可以发现并排10个卤素灯泡, 从左至右1-10, 用万用表检查第4个灯泡, 发现电阻无穷大, 检查灯座端电压为直流24V正常, 判断为灯泡损坏。灯泡也是有使用寿命的, 差的只有50小时, 好的一般为500小时, 当电压和编号都一样, 维修人员买的时候要切记。更换新灯泡装上吸IP板组件, 盖上外盖板后开机, 插入暗盒测试无故障报错。

3.3 故障现象:

打印出来的每一张胶片影像上有一条横向伪影。

检修处理:如果是胶片有纵向条纹伪影, 可以判定大部分为激光相机故障;如果是横向条纹伪影, 则大部分考虑图像阅读仪故障。再查看打号台的图像, 发现打号电脑上的图像也是有横向条纹的伪影, 判定为图像阅读仪故障。打开图像阅读仪两侧及正面外壳, 在正面下端找到一根铁丝, 他是用来清除图像阅读仪激光部分灰尘的, 取下铁丝后向内插入, 再用力拔出去除灰尘, 依次数次后即可。盖上外盖板开机, 插入拍片后的暗盒, 经图像阅读仪处理读取数据并产生图像, 图像上无横向伪影, 故障排除。

4 小结

CR在X线检查中, 不管是处理速度还是图像质量等方面都充分发挥了其优势;同时通过硬盘或光盘刻录等数字存储方式将图像存储归档, 这样既可节省图像存储管理的成本和空间, 也提高了图像归档、检索的效率。数字化医疗设备是医院发展的趋势, 有助于医院医疗诊断水平的提高。同时我们技术人员也要了解其原理、结构、特点, 有助于简单故障的分析处理与维修。

参考文献

[1]宋世祥, 陈锡贤, 李伟.AGFACR系统常见故障分析[J].医疗设备信息, 2007第12期

[2]张志强, 孙刚庆.AGFAADCSOLOCR机的保养与维护[J].医疗设备信息, 2006第10期

[3]孙刚庆, 韩志强.CR系统的保养与维护[J].中国医学影像学杂志, 2007第6期