CN104013387A - 一种太赫兹快速断层成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗成像和公共安全技术领域，具体而言，涉及一种太赫兹快速断层成像系统及方法，包括激光发射系统、传输光路及其控制系统、载物台、圆弧形光导天线阵列、太赫兹探测阵列、数据采集传输系统以及计算机处理系统。本发明由于采用了旋转激光束激发圆弧形光导天线阵列，太赫兹源在成像过程中不需要做机械运动。此外，由于本发明中太赫兹波覆盖了整个载物平台的范围，载物平台也不需运动，所以实现了发射源和载物平台在成像过程中均静止。因此，在成像过程中太赫兹发射源是静止的，载物平台也是静止的，这样避免了过多的引入机械误差，提高了扫描质量。

Description

一种太赫兹快速断层成像系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗成像和公共安全技术领域，具体而言，涉及一种太赫兹快速断层成像系统及方法。

背景技术

目前断层扫描成像技术主要采用的是X射线CT技术和核磁共振技术。X射线CT技术作为一种成熟的成像手段，具有很高的密度分辨率，但是其缺点也十分显著。X射线能量高，照射人体或生物组织时，会与机体细胞、体液等物质发生相互作用，引起物质分子或原子的电离，直接破坏机体内的大分子如蛋白质、DNA、RNA和一些重要的物质代谢酶，甚至直接损坏细胞结构，引起细胞癌变。对于生殖细胞的损伤，主要是染色体畸变和基因突变等，会影响个体的后代从而产生严重的遗传效应。另外射线还可以通过电离机体内广泛存在的水分子，形成自由基，通过自由基来来间接损伤机体。所以X射线对人体和生物组织电离损伤和辐射损害很大，有较大的危险性和副作用，不适宜频繁使用。核磁共振成像技术是将人体至于特殊的磁场中，用无线电脉冲激发人体内氢原子和，引起氢原子共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子按特定的频率发出电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外接收器记录，经过计算机处理获得断层图像。核磁共振有很多优点，不会产生CT检测中的伪影，不需造影剂，无电离辐射，但是它的缺点也存在不足，成像时间长，空间分辨率低，带有铁等某些金属的部位不能进行核磁共振检测；核磁共振仪对环境要求高，运营成本高，这也极大地限制了它的应用范围。

太赫兹波波长介于3毫米(0.1THz)和30微米(10THz)之间，在医学成像领域有很高的应用前景。安全性方面，频率为1THz的电磁波的光子能量只有大约4.1meV，对人体的辐射量只是X射线的一百万分之一，反复照射也无伤害，也不会因为辐射电离而损伤被检测的机体和组织，因此用于医学成像具有很高的安全性。灵敏度方面，位于远红外区域的太赫兹波比核磁共振技术具有更高的灵敏度。同时，很多生物大分子如蛋白质、DNA、RNA，它们振动和转动能级均位于太赫兹波段，所以太赫兹波可以用于针对靶物质实现特异性成像，利用太赫兹快速断层成像技术可以更加快速准确的实现癌症等疾病的诊断。

然而，在目前的太赫兹断层成像技术都是通过待成像的样本放到旋转平移扫描台上来实现的。这样需要让旋转平台以一定角度间隔逐步转动来实现多角度扫描，扫描时间长，容易产生运动伪影，无法对心脏等器官进行成像，而且扫描平台的机械转动和平移或给系统带来更多的误差，旋转平移扫描台在实用过程中也不方便，人要和扫描台一起旋转平移，舒适性和精确性无法得到保障。所以，开发一套快速高精准度的太赫兹断层成像技术具有极高的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹快速断层成像系统及方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种太赫兹快速断层成像系统，包括激光发射系统、传输光路及其控制系统、载物台、圆弧形光导天线阵列、太赫兹探测阵列、数据采集传输系统以及计算机处理系统；

激光发射系统产生激光束，传输光路及其控制系统包括分束器、激光偏转器以及控制电路，分束器将激光发射系统产生的激光束分为第一激光束和第二激光束，第一激光束通过激光偏转器后成为旋转激光束，控制电路控制激光偏转器用于调整旋转激光束的旋转角度；

圆弧形光导天线阵列接收旋转激光束产生太赫兹波，太赫兹波在扫描过载物台上被测样品后被太赫兹探测阵列所吸收，数据采集传输系统采集接收第二激光束以及扫描被测样品后的太赫兹波的数据，采集到的数据经过光电转化、锁相放大并数字化之后，由计算机处理系统进行计算处理。

激光发射系统包括飞秒激光器、放大器以及温度控制器，飞秒激光器用于产生激光束、放大器将激光束功率放大，温度控制器用于调节激光束的输出光谱的位置。

圆弧形光导天线阵列包括固定的圆弧装置、若干设置在圆弧装置上的光导天线。

设置在圆弧装置上的光导天线的数量为40-50个。

还包括与光导天线相配合的超半球衬底透镜和会聚透镜，光导天线产生的太赫兹波通过超半球衬底透镜和会聚透镜后成为锥形太赫兹波。

太赫兹探测阵列包括第一探测器环和第二探测器环，第一探测器环与第二探测器环的半径和弧度均相同，在第一探测器环内设置有若干ZnTe晶体探测器，其中一半的ZnTe晶体探测器延伸到第二探测器环上。

数据采集传输系统包括若干光电二极管，光电二极管通过电路连接到前置放大器上。

在本发明的实施例中还提供了一种太赫兹快速断层成像方法，包括：

激光发射系统产生激光束；

激光束在经过传输光路及其控制系统后产生第二激光束与旋转激光束；

圆弧形光导天线阵列接收旋转激光束产生太赫兹波；

太赫兹波在扫描过载物台上被测样品后被太赫兹探测阵列所吸收；

数据采集传输系统采集接收第二激光束以及扫描被测样品后的太赫兹波的数据；

采集到的数据经过光电转化、锁相放大并数字化之后，由计算机处理系统进行计算处理。

计算机处理系统进行计算处理的过程包括：

采集到的数据进行存储；

图像重建并重建算法；

图像显示和分析。

重建算法的公式表示如下：

$\tilde{p}(\mathrm{\β},a,b)=(w(a,b)\·p(\mathrm{\β},a,b))*g\left(a\right),$

$f_{\mathrm{FDK}}(x,y,z)={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{R^2}{U{(x,y,\mathrm{\β})}^2}\tilde{p}(\mathrm{\β},a,b)\mathrm{d\β},$

I_VP＝I_D*S(κ，γ)*L(r)；

其中， $\mathrm{\ω}(a,b)=\frac{R}{\sqrt{R^2+a^2+b^2}}=\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\κ},$

U(x，y，β)＝R+xcosβ+ysinβ，g(a)为常用的Ramp滤波函数，R为圆轨道的半径，γ为扇形角，κ为锥角，I_D为太赫兹探测阵列探测到的太赫兹波强度值，I_VP为虚拟平面上的太赫兹波强度值，S(κ，γ)圆弧面到虚拟平面的映射函数，L(r)为能量衰减因子，r为传播距离。

图像显示的形式为电影模式、时间密度曲线、特异性物质密度曲线、距离测量、多平面重建、兴趣区域的测量、图像放大中的一种或多种。

本发明上述实施例的一种太赫兹快速断层成像系统及方法，由于采用了旋转激光束激发圆弧形光导天线阵列，太赫兹源在成像过程中不需要做机械运动。此外，由于本发明中太赫兹波覆盖了整个载物平台的范围，载物平台也不需运动，所以实现了发射源和载物平台在成像过程中均静止。因此，在成像过程中太赫兹发射源是静止的，载物平台也是静止的，这样避免了过多的机械误差的引入，提高了扫描质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中提供的一种太赫兹快速断层成像系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中扫描区的结构示意放大图；

图3为本发明一个实施例中一种太赫兹快速断层成像方法的流程框图；

图4为本发明一个实施例中计算机处理系统进行计算处理的流程框图；

图5为本发明一个实施例中传统的平板探测器落在旋转轴上的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种太赫兹快速断层成像系统包括激光发射系统1、传输光路及其控制系统2、载物台13、圆弧形光导天线阵列17、太赫兹探测阵列20、数据采集传输系统8以及计算机处理系统9；

激光发射系统1产生激光束，传输光路及其控制系统2包括分束器3、激光偏转器11以及控制电路12，分束器3将激光发射系统1产生的激光束分为第一激光束和第二激光束，第一激光束通过激光偏转器11后成为旋转激光束，控制电路12控制激光偏转器11用于调整旋转激光束的旋转角度；其中，第一激光束和第二激光束分别到达激光偏转器11和数据采集传输系统8之前均通过传输光路4。

圆弧形光导天线阵列17接收旋转激光束产生太赫兹波，太赫兹波在扫描过载物台13上被测样品19后被太赫兹探测阵列20所吸收，数据采集传输系统8采集接收第二激光束以及扫描被测样品19后的太赫兹波的数据，采集到的数据经过光电转化、锁相放大并数字化之后，由计算机处理系统9进行计算处理。其中，计算机处理系统9包括数据存储5、图像重建6、图像显示和分析7三个部分。

本发明上述实施例的一种太赫兹快速断层成像系统及方法，由于激光发射系统1产生的激光束在通过传输光路及其控制系统后产生了旋转激光束，通过这种旋转激光束激发圆弧形光导天线阵列17产生太赫兹波，太赫兹源在成像过程中不需要做机械运动。因此，在成像过程中太赫兹发射源是静止的，这样避免了过多的机械误差的引入，提高了扫描质量。

在本发明的一个实施例提供的太赫兹快速断层成像系统中，激光发射系统1包括飞秒激光器、放大器以及温度控制器，飞秒激光器用于产生激光束、放大器将激光束功率放大，温度控制器用于调节激光束的输出光谱的位置。在本发明中，通过温度控制器控制激光束的输出光谱的位置，这样使得激光发射系统1能够输出稳定的波长激光束，实现了激光束的准确、稳定输出。

如图2所示，在本发明的一个实施例提供的太赫兹快速断层成像系统中，圆弧形光导天线阵列17包括固定的圆弧装置、若干设置在圆弧装置上的光导天线14。其中，圆弧装置半径为1米，弧度为220度，此外，该圆弧装置的弧度可以根据旋转激光束的照射弧度来确定。在本发明的一个优选实施例中，光导天线14的数量一般为40-50个。通过位于圆弧装置上的多个数量的光导天线14形成的太赫兹波可以多角度，多方位的对被测样品的扫描，这样能够提高扫描的分辨率，保证了图像的质量。

如图1和图2所示，在本发明的一个实施例提供的太赫兹快速断层成像系统中，还包括与光导天线14相配合的超半球衬底透镜15和会聚透镜16，光导天线14产生的太赫兹波通过超半球衬底透镜15和会聚透镜16后成为锥形太赫兹波18。在本发明中，圆弧形光导天线阵列17在经过旋转激光束激发后形成太赫兹波，此时的太赫兹波为发散式的，该太赫兹波首先经过超半球衬底透镜15后形成辐射准直的太赫兹波，然后经过会聚透镜16后形成锥形太赫兹波18对被测样品进行扫描。其中，超半球衬底透镜的材料可以是折射率为3.418的高阻硅。在图2中，虚线部分均为光导天线14、超半球衬底透镜15和会聚透镜16的结构。

如图1和2所示，在本发明的一个实施例提供的太赫兹快速断层成像系统中，太赫兹探测阵列20包括第一探测器环21和第二探测器环22，第一探测器环21与第二探测器环22的半径和弧度均相同，在第一探测器环21内设置有若干ZnTe晶体探测器23，其中一半的ZnTe晶体探测器23延伸到第二探测器环22上。其中，在本发明的一个优选实施例中，在第一探测器环21内设置有110个ZnTe晶体探测器23，其中55个ZnTe晶体探测器23延伸到第二探测器环22上。在本发明中，由于采用了两层分立式的探测器环能够使得每次成像的层数翻两倍，所以本发明提供的一种太赫兹快速断层成像系统具有很快的扫描速度，能够在1秒内完成对样品的60层扫描。此外，这么多数量的探测器能保证本发明具有很高的分辨率。

在本发明的一个实施例提供的太赫兹快速断层成像系统中，数据采集传输系统8包括若干光电二极管，光电二极管通过电路连接到前置放大器上。光电二极管的数量与第一探测器环21内设置的ZnTe晶体探测器23的数量相同，光电二极管用于接收ZnTe晶体探测器23采集到的数据。

在本发明提供的一种太赫兹快速断层成像系统中，大孔径光导天线14电极间的光激区域尺寸远大于辐射波长，由于受激面积大，在高DC偏置电压和放大式飞秒激光脉冲的作用下，而且无需机械斩波，减少了噪声来源，所以提高了信噪比。

如图3所示，在本发明的实施例中还提供了一种太赫兹快速断层成像方法，包括：

激光发射系统产生激光束；

激光束在经过传输光路及其控制系统后产生第二激光束与旋转激光束；其中传输光路及其控制系统包括分束器、激光偏转器以及控制电路，分束器将激光发射系统产生的激光束分为第一激光束和第二激光束，第一激光束通过激光偏转器后成为旋转激光束，控制电路控制激光偏转器用于调整第一激光的旋转角度。

圆弧形光导天线阵列接收旋转激光束产生太赫兹波；

太赫兹波在扫描过载物台上被测样品后被太赫兹探测阵列所吸收；

数据采集传输系统采集接收第二激光束以及扫描被测样品后的太赫兹波的数据；

采集到的数据经过光电转化、锁相放大并数字化之后，由计算机处理系统进行计算处理。其中如图4所示，计算机处理系统进行计算处理的过程包括：

采集到的数据进行存储；

图像重建并重建算法；

图像显示和分析。图像显示的形式为电影模式、时间密度曲线、特异性物质密度曲线、距离测量、多平面重建、兴趣区域的测量、图像放大中的一种或多种。

在本发明的实施例中还提供了一种太赫兹快速断层成像方法，其中，重建算法是基于三维锥束CT的FDK重建算法。

传统的FDK算法是二维扇束重建算法的推广，包括投影数据的预加权、一维滤波和反投影三个步骤：

首先利用类似余弦的函数对投影数据进行预加权，适当地修正体素到源点的距离和角度差；

对不同投影角度的数据进行水平方向上的一维滤波；

沿太赫兹射线方向进行三维反投影，重建的体素值是通过该体素的所有投影角度的射线贡献之和。

如图5所示，对于传统的平板探测器落在旋转轴上，p(β，a，b)表示投影数据，其中β表示源的位置，也即投影角度，(a，b)表示探测器阵列的坐标，相应的FDK算法用公式表示如下：

$\tilde{p}(\mathrm{\β},a,b)=(w(a,b)\·p(\mathrm{\β},a,b))*g\left(a\right),$

$f_{\mathrm{FDK}}(x,y,z)={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{R^2}{U{(x,y,\mathrm{\β})}^2}\tilde{p}(\mathrm{\β},a,b)\mathrm{d\β},$

其中， $\mathrm{\ω}(a,b)=\frac{R}{\sqrt{R^2+a^2+b^2}}=\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\κ},$

U(x，y，β)＝R+xcosβ+ysinβ，g(a)为常用的Ramp滤波函数，R为圆轨道的半径，γ为扇形角，κ为锥角。

但由于该太赫兹快速断层成像系统结构的特殊性以及FDK算法本身的局限性，所以本系统对FDK算法做了两点改进：

首先，由于本系统的探测器是是圆弧形的，所以要将圆弧形探测器探测到的太赫兹波强度值I_D转化为虚拟平面上的I_VP，定义从圆弧面到虚拟平面的映射函数为S(κ，γ)，太赫兹波在通过虚拟平面后的传播距离r中能量衰减因子为L(r)，在前有FDK算法的基础上有：

I_VP＝I_D*S(κ，γ)*L(r)；

其次，FDK算法是一个近似算法，当锥角增大时，在Radon空间丢失的数据会增多，因此图像重建的质量会变差。所以，本系统采用改变圆弧形光导天线阵列上会聚透镜的位置从而改变会聚透镜与衬底透镜之间的距离，从而改变圆轨道的半径并通过分立式的两排ZnTe晶体探测器来构成不同半径的双圆轨道。这个改进能够修正FDK算法在锥角增大时产生的误差，利用不同圆轨道重建结果的差异估计出重建值和真实值的差异，通过线性外推补全Radon空间中缺失的数据，对重建结果进行修正。

本发明提供的一种太赫兹快速断层成像系统与方法与现有技术相比较，具有以下优点：

发射源和载物平台均静止；由于现有太赫兹断层技术大多采用太赫兹逐线扫描，载物平台需要旋转和平移，太赫兹源也要移动。而本发明采用了旋转激光束激发光导天线阵列的方法，太赫兹源在成像过程中不需要做机械运动。相比于线状扫描，本发明采用锥形太赫兹辐射，覆盖了整个载物平台的范围，载物平台也不需运动，所以实现了发射源和载物平台在成像过程中均静止。

扫描时间短，时间分辨率高；由于采用了旋转激光束激发光导天线阵列的方法，太赫兹源在成像中不需转动，两层分立式的太赫兹探测阵列能够使每次成像的层数翻两倍，所以本发明扫描速度很快，能够在1秒内完成对样品的60层扫描，可以对心脏、肺部血管等运动样本进行探测。

机械原因引入的误差小；成像过程中太赫兹发射源是静止的，载物平台也是静止的，避免了过多的机械误差的引入。

扫描质量高；太赫兹探测阵列的应用保证了本发明具有很高的分辨率，增多探测器的数量可以使扫描的分辨率更高。扫描速度快，也使得运动伪影出现的可能性大大降低，保证了图像的质量。

实用性；静止的载物台设计使得本发明更具实用性，如果是旋转平移载物台上，将其应用于人体检测，人要随着载物台一起旋转和平移，这会大大降低舒适性，同时运动过程中由于惯性的作用，难免会产生运动伪影，所以图像质量也很难保证，所以静止的载物平台是走向实际应用的一个很重要的改进。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，包括激光发射系统、传输光路及其控制系统、载物台、圆弧形光导天线阵列、太赫兹探测阵列、数据采集传输系统以及计算机处理系统；

所述激光发射系统产生激光束，所述传输光路及其控制系统包括分束器、激光偏转器以及控制电路，所述分束器将所述激光发射系统产生的激光束分为第一激光束和第二激光束，所述第一激光束通过所述激光偏转器后成为旋转激光束，所述控制电路控制所述激光偏转器用于调整所述旋转激光束的旋转角度；

所述圆弧形光导天线阵列接收所述旋转激光束产生太赫兹波，所述太赫兹波在扫描过载物台上被测样品后被所述太赫兹探测阵列所吸收，所述数据采集传输系统采集接收所述第二激光束以及扫描被测样品后的太赫兹波的数据，采集到的数据经过光电转化、锁相放大并数字化之后，由所述计算机处理系统进行计算处理。

2.根据权利要求1所述一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，所述激光发射系统包括飞秒激光器、放大器以及温度控制器，所述飞秒激光器用于产生激光束、所述放大器将所述激光束功率放大，所述温度控制器用于调节激光束的输出光谱的位置。

3.根据权利要求2所述的一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，所述圆弧形光导天线阵列包括固定的圆弧装置、若干设置在所述圆弧装置上的光导天线。

4.根据权利要求3所述的一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，设置在所述圆弧装置上的光导天线的数量为40-50个。

5.根据权利要求4所述的一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，还包括与所述光导天线相配合的超半球衬底透镜和会聚透镜，所述光导天线产生的太赫兹波通过超半球衬底透镜和会聚透镜后成为锥形太赫兹波。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，所述太赫兹探测阵列包括第一探测器环和第二探测器环，所述第一探测器环与所述第二探测器环的半径和弧度均相同，在所述第一探测器环内设置有若干ZnTe晶体探测器，其中一半的所述ZnTe晶体探测器延伸到第二探测器环上。

7.根据权利要求6所述的一种太赫兹快速断层成像系统，其特征在于，所述数据采集传输系统包括若干光电二极管，所述光电二极管通过电路连接到前置放大器上。

8.一种太赫兹快速断层成像方法，其特征在于，包括：

激光发射系统产生激光束；

激光束在经过传输光路及其控制系统后产生第二激光束与旋转激光束；

圆弧形光导天线阵列接收旋转激光束产生太赫兹波；

太赫兹波在扫描过载物台上被测样品后被太赫兹探测阵列所吸收；

数据采集传输系统采集接收第二激光束以及扫描被测样品后的太赫兹波的数据；

采集到的数据经过光电转化、锁相放大并数字化之后，由计算机处理系统进行计算处理。

9.根据权利要求8所述的一种太赫兹快速断层成像方法，其特征在于，所述计算机处理系统进行计算处理的过程包括：

采集到的数据进行存储；

图像重建并重建算法；

图像显示和分析。

10.根据权利要求9所述的一种太赫兹快速断层成像方法，其特征在于，所述重建算法的公式表示如下：

$\tilde{p}(\mathrm{\β},a,b)=(w(a,b)\·p(\mathrm{\β},a,b))*g\left(a\right),$

$f_{\mathrm{FDK}}(x,y,z)={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\frac{R^2}{U{(x,y,\mathrm{\β})}^2}\tilde{p}(\mathrm{\β},a,b)\mathrm{d\β},$

I_VP＝I_D*S(κ，γ)*L(r)；

其中， $\mathrm{\ω}(a,b)=\frac{R}{\sqrt{R^2+a^2+b^2}}=\cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\κ},$

U(x，y，β)＝R+xcosβ+ysinβ，g(a)为常用的Ramp滤波函数，R为圆轨道的半径，γ为扇形角，κ为锥角，I_D为太赫兹探测阵列探测到的太赫兹波强度值，I_VP为虚拟平面上的太赫兹波强度值，S(κ，γ)圆弧面到虚拟平面的映射函数，L(r)为能量衰减因子，r为传播距离。

11.根据权利要求10所述的一种太赫兹快速断层成像方法，其特征在于，所述图像显示的形式为电影模式、时间密度曲线、特异性物质密度曲线、距离测量、多平面重建、兴趣区域的测量、图像放大中的一种或多种。