CN1361452A - 层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法 - Google Patents

Abstract

一种层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法,将原层析照片多次曝光两步彩虹全息方法记录;沿纵向分割为横向的窄条记录区域;将原层析照片按体内相对位置分别记录在每一区域内,成为一张单元主全息图;再将所有层析照片再现,再现实像同时记录在第二全息图上;第二全息图用白光可再现立体效果,特点是不需使用特殊记录材料,成本低,质量高,不需要色散补偿装置,体积小。不需要消色光路,光路简单。不会产生光强的尺度分布畸变,因而分辨率高,视角大,立体感强。

Description

层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法

本发明属于光学全息三维立体合成方法，特别涉及一种医学层析图像光学全息三维立体合成中的“纵向面积循环分割纪录技术”即层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法。

将由层析图像仪(CT或MR)输出的一系列垂直或平行于体轴的多幅二维层析图像纪录在一张全息图上，可实现多幅层析图像的光学合成和白光三维立体显示。方法是采用多次曝光两步彩虹全息术将层析图片按原排列顺序依次记录在主全息图上，从而在最后的白光再现中可将全部层析图像同时依原位置再现并综合成三维立体图像。本技术在主全息图的记录过程中使用“纵向面积循环分割纪录技术”在记录介质上形成狭缝区域，可在白光再现时得到单色再现像。与传统的横向分割纪录技术相比，光强及尺度分布逼真无畸变，视角增大，立体感强。目前原有的技术由于层析图像可以观测物体内部某一断层面的二维信息，因此近年来在对心血管病及肿瘤等重大疾病的诊断中逐渐成为一种不可替代的重要手段，在工业无损探测中的作用也日益明显。但由于层析图像显示的只是垂直于体轴的某一平面上的二维灰度分布，缺少三维结构信息；现有的螺旋CT图像仪使用的计算机三维合成也只能显示不同投射角度的二维投影图像，不是真正的三维图像。本技术涉及的不是将CT图像用计算机方法合成三维图像，而是用全息方法合成真正的三维立体图像。目前，世界上只有两家国外的公司，即美国的Voxel公司及日本的一公司(与东京大学合作)研究二维层析图像的三维光学立体显示技术，并有关于样机的报道。估计其产品会在数年后进入国内市场。美国Voxel公司的技术采用非相干重复纪录，需使用特殊的纪录材料和色散补偿装置，由于纪录材料是消耗品，该材料只有该公司生产且技术保密，引进美国的产品会形成对其材料的依赖；而日本的技术采用传统的横向分区方法并采用消色角的方法纪录主全息图，由于纪录时要有消色光路及受分区方向的影响，使再现视角及立体感区受到限制。

本发明的目的是提供一种层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法，克服现有技术的缺点和不足。

本发明的目的是这样实现的：

技术过程：

纪录条件：纪录全息图在光学防震平台上完成，记录光源为氦氖激光器或氩离子激光器，被纪录的层析照片为多幅CT(计算机层析图)或MR(核磁共振层析图)，记录介质为普通全息干板。

纪录方法：采用多次曝光两步彩虹全息方法进行纪录。即首先将纪录干版上沿纵向分割为横向的窄条纪录区域。将原层析照片按体内的相对位置分别纪录在每一区域内，成为一张单元主全息图。在第二步的纪录中，将主全息图纪录的所有层析照片再现，并将所有再现的实像同时纪录在第二全息图上。

横向与纵向的区别：纵向指物光零级衍射方向与纪录参考光方向所在共同平面的法线方向(见图一中X方向)；横向指与该法线方向及与物光零级衍射方向都垂直的方向(见图一中Y方向)。

再现方法：将第二全息图用白光再现，则原层析照片可按体内的相对位置同时被再现出来，并可观察到合成的三维立体效果。

光路安排：主全息图纪录光路：使用分束镜将激光束分为物光和参考光两部分。用物光照射—漫散射板及层析照片，并将主全息图纪录干板置于垂直于层析照片的透射光零级衍射和参考光所在平面的平面上。每一窄条纪录区域记录一张层析图。改变层析照片及纪录区域时，光路不变。

第二全息图纪录光路：使用分束镜将激光束分为物光和参考光两部分。用物光照射主全息图，得到所有层析照片的再现实像。将第二全息图纪录干板置于中心实像所在平面，并用参考光照射，得到第二全息图。

白光再现光路：用非相干白色平行光照射第二全息图，可同时得到所有层析照片的三维立体合成像。

横向和纵向纪录面积分割方法的分析：

在将记录介质分割为多个狭缝区的记录多幅断层图片的多次曝光二步彩虹全息术中，我们采用了沿纵向分割记录介质的方法记录多个单元主全息图，如图一(a)所示。即x-y平面为主全息图H₁所在平面，平行参考光R₁与x轴垂直，并与z轴存在一夹角θ。在记录介质前放置一个可沿x方向移动的狭缝S，狭缝的短边与x轴平行，层析图物片紧贴毛玻璃漫散射板D放置且与记录介质平面平行。用平行光沿z方向照射物片形成漫射物波场。这样，在记录多幅断层图片的过程中，每换一幅断层图，狭缝沿x方向移动一个狭缝的距离，可得到一个新的单元主全息图。依此顺序可将多幅断层图片记录在同一主全息图H₁的不同狭缝区域的记录介质上。在第二步记录全息图的过程中，采用与原记录参考光共轭的再现平行参考光再现主全息图，并仍用平行记录参考光将全部狭缝及其内部单元主全息图的衍射光波记录在全息图上，该全息图位于原物片组的中心图片的再现实像面处。因此，记录的是原物片的像面及近像面全息图。

一般传统的沿横向分割记录介质记录主全息图H₁的光路如图一(b)所示。较之图一(a)，不同之处仅在于取狭缝的长边与x轴平行，这相当于将狭缝的方向转了90°。每换一张断层图片，狭缝沿y方向移动一个狭缝的距离，并曝光一次，则得到一个新单元全息图。依此顺序可将多幅断层图片记录在同一主全息图H₁的沿横向分布的不同狭缝区域的记录介质上。第二步记录全息图的过程与采用纵向分割方法的相应记录过程一致。

技术原理：

由于在上述两种记录主全息图的光路安排及实验中，取按横向分割的主全息图上的狭缝宽度及按纵向分割的主全息图上的狭缝长度均远小于物片距主全息图的距离，因此可认为物光场的基频和零频部分相似，主要是沿z轴方向传播至主全息图。其狭缝区低频干涉条纹的空间基本取向均近似沿x方向。所以使用这两种分割方法拍摄的主全息图上狭缝区的干涉条纹的基频取向主要取决于参考光与物波场的平均夹角θ。根据同样的分析，在将主全息图H₁再现并记录在第二步全息图上的过程中，全息图上的干涉条纹的基频取向亦主要取决于记录平行参考光与再现物波场的平均夹角。因此，最后用白光再现应用横向及纵向分割方法的彩虹全息图时，狭缝组的实像及相应的原断层图片组的虚像及实像均沿y方向色散，呈彩虹分布。

观察用白光再现的应用横向分割方法的彩虹全息图时，由于色散方向与狭缝排列顺序的方向一致，则在某一特定位置观察全息图时，将会通过不同颜色的狭缝实像看到对应的不同景深处物体的再现像以与狭缝像相同的颜色出现，即再现的合成三维图像的不同层次呈彩虹分布，即色彩的差异。除在尺度上产生畸变外，还会由于人眼对不同波长光的视觉明度的差异，使不同景深的断层面的灰度产生畸变。而观察纵向分割的彩虹全息图的白光再现像时(图二(b))，由于其色散方向与狭缝排列顺序的方向基本垂直，因而观察者可以在某相同视角观察到同一色散角度的相同颜色的不同断层图像的准单色再现像，而且也避免了尺度上的畸变。与使用横向分割方法相比，除可实现准单色或消色像再现外，还增加了再现像的亮度和垂直视角，使再现像的立体感，亮度和分辨率都得到提高。

本发明的优点及技术的特色是：

1)与计算机提取层析图像信息进行计算后显示的不同投射角度的二维投影图像不同，本课题使用的是光学全息方法，可将层析图像的二维信息综合为真正的三维图像。

2)观察者可不借助任何眼镜或辅助目镜直接观察到具有景深的光学再现三维图像的细节，便于对位置错综复杂的内部组织或构件进行直观的比较和判断，提高诊断水平。

3)在国际上首次采用纵向循环分割记录方法，可得到单色再现像，与传统的横向方法相比，光强及尺度分布逼真无畸变，视角和立体感都得到增强。

4)与目前国际上仅有的其他两种光学全息三维合成技术相比，我们的技术的优势为：

a.不需要使用特殊的纪录材料，只需通用型全息纪录材料，我国可大量生产，成本低，质量高，能保证技术的推广。b.不需要色散补偿装置就能保证白光再现像的单色性。c.制造工艺简单，体积较小。d.再现像分辨率高。e.不需要消色光路，纪录光路简单。f.不会产生光强的尺度分布畸变，因而分辨率高。g.再现像视角大，立体感强。

本技术的技术特点：

本技术采用多次曝光两步彩虹全息术，将层析图片按原排列顺序依次记录在主全息图上，在最后的白光再现中将全部层析图像同时依原位置再现并综合成三维立体图像。本技术在主全息图的记录过程中使用了“纵向面积循环分割纪录技术”，即将记录介质沿纵向分成若干循环的纪录区域，每一区域分成水平的纪录狭缝，分别纪录每一张单元主全息图。与目前国际上仅有的其他两种光学全息三维合成技术相比，我们的技术特点：1与美国的技术相比：a不需要使用特殊的纪录材料：由于纪录材料是消耗品，该材料的结构及性能参数对外保密，且只有该公司生产，引进美国的产品会形成对其材料的依赖。本技术只需通用型全息纪录材料，我国可大量生产，成本低，质量高，能保证技术的推广。b不需要色散补偿装置：由于美国的技术采用非相干重复纪录，因此再现时必须使用色散补偿装置。该装置制造工艺复杂，体积较大。设备成本高。本技术由于使用相干非重复纪录，不需要色散补偿装置就能保证白光再现时再现像的单色性。c再现像分辨率高：由于美国技术采用的是非相干纪录方法，因此必须采用色散补偿装置得到消色像。由于白光再现的消色像为多色像的合成，故不同色像的尺度会有细微的差别，会造成尺度畸变或降低分辨率。而应用本技术得到的白光再现像为单色像，故再现像不会产生光强的尺度分布畸变，因而分辨率高。2与日本使用的传统的横向分割纪录技术相比：a不需要消色光路：日本技术采用的横向分割纪录方法，会在白光再现时产生色模糊，为此必须采用消色角的方法纪录主全息图。这会使纪录光路复杂化。由于本技术采用纵向分割纪录方法，故无须采用消色角的方法纪录主全息图，使纪录光路简化。b再现像分辨率高：由于日本技术采用的是横向分割纪录方法，因此必须采用消色角的方法纪录主全息图。由于白光再现的消色像为多色像的合成，故不同色像的尺度会有细微的差别，会造成尺度畸变或降低分辨率。而应用本技术得到的白光再现像为单色像，故再现像不会产生光强的尺度分布畸变，因而分辨率高。c再现像视角大，立体感强：由于日本技术采用的是横向分割纪录方法，受分区方向的影响，使再现视角及立体感区受到限制。而本技术采用了纵向分割纪录方法，白光再现时增加了再现像的垂直视角和立体感。

下面结合附图说明实施例：

图1是层析图像横向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法光路示意图

图2是层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法光路示意图

图3是使用该技术用多幅层析照片合成的光学全息三维立体白光再现像。

图4是使用该技术用多幅层析照片合成的光学全息三维立体白光再现像。

应用举例：由于层析图像可以观测物体内部某一断层面的二维信息，因此近年来在对心血管病及肿瘤等重大疾病的诊断中逐渐成为一种不可替代的重要手段，在工业无损探测中的作用也日益明显。但由于层析图像显示的只是垂直于体轴的某一平面上的二维灰度分布，缺少三维结构信息。在医院的临床诊断中，待测部位的三维分布情况最终还要靠医生的解剖学或结构学知识及经验进行推测。因此在对形状及相对位置复杂的结构进行准确可靠的判断方面具有一定的局限性。光学全息的三维合成可使观察者不借助观测眼镜或目镜对待测物体的内部结构直接进行观察，通过观察角度和位置的变化及人眼聚焦状态的变化从不同的方位观察特定目标的结构分布及相对位置，进行准确的比较和分析，提高诊断水平。因此，光学全息三维合成技术的实用化将会逐渐使其成为一种不可替代的重要的辅助医疗诊断手段。

Claims (2)

1、一种层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法，其特征为：

纪录条件：纪录全息图在光学防震平台上完成，记录光源为氦氖激光器或氩离子激光器，被纪录的层析照片为多幅CT计算机层析图或MR核磁共振层析图，记录介质为普通全息干板；

纪录方法：采用多次曝光两步彩虹全息方法进行纪录；即首先将纪录干版上沿纵向分割为横向的窄条纪录区域；将原层析照片按体内的相对位置分别纪录在每一区域内，成为一张单元主全息图；在第二步的纪录中，将主全息图纪录的所有层析照片再现，并将所有再现的实像同时纪录在第二全息图上；纵向指物光零级衍射方向与纪录参考光方向所在共同平面的法线方向，座标图中的X方向；

2、根据权利要求1所述的层析图像纵向面积循环分割的光学全息三维立体合成方法，其特征为：再现方法：将第二全息图用白光再现，则原层析照片可按体内的相对位置同时被再现出来，并可观察到合成的三维立体效果；

光路安排：主全息图纪录光路：使用分束镜将激光束分为物光和参考光两部分。用物光照射—漫散射板及层析照片，并将主全息图纪录干板置于垂直于层析照片的透射光零级衍射和参考光所在平面的平面上。每一窄条纪录区域记录一张层析图。改变层析照片及纪录区域时，光路不变；

第二全息图纪录光路：使用分束镜将激光束分为物光和参考光两部分。用物光照射主全息图，得到所有层析照片的再现实像。将第二全息图纪录干板置于中心实像所在平面，并用参考光照射，得到第二全息图；

白光再现光路：用非相干白色平行光照射第二全息图，可同时得到所有层析照片的三维立体合成像。

Images