太赫茲層析成像技術(shù)

太赫茲層析成像技術(shù)

太赫茲層析成像技術(shù)類似于基于X射線的層析成像。通過利用太赫茲波的特性，例如對(duì)電介質(zhì)的穿透性，并使用層析重構(gòu)算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維和三維成像。利用強(qiáng)度和延遲時(shí)間不相同的太赫茲波發(fā)射脈沖，使用層析成像可以使得物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀的顯現(xiàn)出來。

在2002年，張希成等人率先將CT技術(shù)引入到太赫茲成像的研究中，并**次報(bào)道了太赫茲層析成像的裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與X射線相比，太赫茲波CT技術(shù)不但可以獲得物體的斷層成像，還可以結(jié)合太赫茲光譜技術(shù)獲得成像物體的光譜信息，從而分析了物體的組成成分。此外，在獲得物體吸收率的分布的同時(shí)還可以獲得物體的折射率的分布。

圖1 太赫茲CT成像系統(tǒng)示意圖
圖1是該團(tuán)隊(duì)搭建的基于太赫茲透射式成像技術(shù)的CT成像系統(tǒng)。泵浦光束觸發(fā)偏置的寬孔徑天線產(chǎn)生太赫茲脈沖波，經(jīng)過離軸拋物鏡聚焦在被測(cè)物體上，通過一個(gè)4mm厚的ZnTe光電探測(cè)器記錄并獲得由被測(cè)物體所透射的太赫茲波形。被測(cè)物體放置在一個(gè)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)x-y面上的平移或旋轉(zhuǎn)，使太赫茲波以不同位置和不同角度穿透被測(cè)物體，通過采用濾波反投影算法對(duì)透過被測(cè)物體的太赫茲波進(jìn)行分析，以重構(gòu)樣品的三維結(jié)構(gòu)圖。圖2展示了該團(tuán)隊(duì)利用該成像系統(tǒng)重構(gòu)的骨頭圖像。

圖2 骨頭三維重構(gòu)圖
但是，這種技術(shù)仍然需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，比如測(cè)量100×100像素大小的圖像就需要超過1個(gè)小時(shí)。此外，從圖2中可以明顯看出，樣品的外輪廓較為清晰，內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻不能較好地呈現(xiàn)，這可能是由于太赫茲波較X射線長(zhǎng)，不能簡(jiǎn)單近似的為直線傳播，樣本散射、折射、衍射較明顯。

太赫茲CT的應(yīng)用主要受以下三個(gè)因素限制：成像速度慢、成像裝置較復(fù)雜且成本高和成像物體折射率一般需低于1.5。迄今國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)已在太赫茲CT成像機(jī)理和重構(gòu)方法兩方面進(jìn)行了提高成像速度的研究。*快成像時(shí)間可達(dá)6s，但成像區(qū)域僅為平方厘米量級(jí)。成像裝置復(fù)雜且成本高的主要原因是太赫茲輻射源的選擇。目前主要采用飛秒激光器觸發(fā)光電導(dǎo)開關(guān)、量子級(jí)聯(lián)激光器和耿式二極管。利用飛秒激光器實(shí)現(xiàn)脈沖太赫茲層析成像可以獲得振幅、峰值時(shí)間和材料的光譜特性等投影信息，不僅獲得物體的吸收系數(shù)，還可得到折射率及材料的三維分布。另外，可利用多峰值平均處理，降低由折射引起的太赫茲輻射偏折對(duì)層析成像的影響；可通過提高物體轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)快速二維層析成像。但是總的說來，此類成像系統(tǒng)較為復(fù)雜，體積較大，成本高。量子級(jí)聯(lián)激光器構(gòu)成的成像系統(tǒng)體積較小，但一般需要制冷。耿氏二極管成像系統(tǒng)易于操作，成本較小，但由于輸出波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此分辨率較低，一般在1.5mm左右。CO2泵浦連續(xù)太赫茲氣體激光器較飛秒激光器輻射源功率高、易于操作、成本低，且分辨率較耿氏二極管高。

截至目前，只有利用飛秒激光器的太赫茲CT在成像物體折射率限制上找到了一種解決措施，但尚未從根本上解決。這是制約太赫茲CT應(yīng)用推廣的瓶頸，是今后研究的重中之重。另外，面陣成像系統(tǒng)和三維重構(gòu)算法也將是研究的重點(diǎn)。http://fstuhe.cn/cewenyi_Affiche_8571556.html