連續(xù)波THz－CT在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用研究

郭風(fēng)雷，張明月，肖 征，李向軍，劉建軍

(1.中國計量學(xué)院信息工程學(xué)院，太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所，浙江杭州310018;2.南京軍區(qū)杭州療養(yǎng)院海勤療養(yǎng)區(qū)，浙江杭州310002)

1 引言

X射線計算機(jī)斷層成像(Computed Tomography)技術(shù)(X－CT)是醫(yī)學(xué)成像中應(yīng)用最普遍的手段。X－CT是X射線照相術(shù)與計算機(jī)信號處理方法結(jié)合的產(chǎn)物，在許多科學(xué)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了人類觀察物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力。特別在醫(yī)學(xué)研究診斷中，它被用來作為一種獲取人體內(nèi)部信息的有效手段。

CT的工作原理就是投影圖像重建，一般指從一個物體的多個(軸向)投影圖重建目標(biāo)圖像的過程。透射斷層成像系統(tǒng)中，從發(fā)射源射出的X射線穿透物體到達(dá)接收器。射線在通過物體時被物體吸收一部分，余下部分被接收器接收。接收器獲得的射線強(qiáng)度實(shí)際上反映了物體各部分對射線的吸收情況。由于接收器接收到的模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，把代表著不同角度下的投影數(shù)據(jù)送給計算機(jī)，它再運(yùn)用數(shù)學(xué)方法重建出物體截面的圖像。在醫(yī)學(xué)上它主要針對骨質(zhì)成像。

但是X射線會引起生物組織電離，對人體有害，有些情況下是不適宜使用的。而太赫茲(THz)射線也可以完成類似的功能，已經(jīng)被用于光譜分析和成像。太赫茲是頻率介于微波和紅外線之間的電磁波，頻率范圍一般為0.1～10 THz。太赫茲具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，例如可以用于無創(chuàng)和無損檢測、對很多物質(zhì)透明或有足夠的透射深度［1］，低散射和寬頻等，而且對人體無害［2］。這些特性適合用于無損檢測、違禁藥物檢測［3］、爆炸物檢測［4］、藝術(shù)品保護(hù)［5］、醫(yī)學(xué)檢測［6］等方面。已經(jīng)出現(xiàn)多種成像技術(shù)，可以對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維物體進(jìn)行成像。例如，利用太赫茲脈沖的飛行時間成像技術(shù)，可以獲得多層物體的結(jié)構(gòu)。這種方法的深度分辨率可以達(dá)到1 μm［7］。但是，如果被檢測物體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對太赫茲射線的多重反射和折射使回波信號很難被檢測。在這種情況下，更好的解決方法是利用CT技術(shù)。

THz－CT也是利用同樣的方法獲得斷面圖像。但是直到現(xiàn)在，大部分用于THz－CT成像實(shí)驗(yàn)的樣本是聚四氟乙烯(PTFE)等折射率不太高的物質(zhì)構(gòu)成的。一旦樣本的折射率大于1.5，對太赫茲射線的折射就很強(qiáng)烈，以至于透射信號很難被檢測到［8］。

THz－CT要求太赫茲源有足夠的功率使透射波被檢測到。目前基于耿氏二極管和返波振蕩器(BWO)的單頻連續(xù)波(CW)太赫茲源及熱釋電等探測器件組成的系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，包括信噪比高、裝置簡單可靠、體積?。?］、成本也具有較大優(yōu)勢。而且，獲取掃描數(shù)據(jù)的時間也大大縮短［10］。本文介紹利用基于CW系統(tǒng)的THz－CT實(shí)驗(yàn)平臺對樣本進(jìn)行掃描，并利用濾波反投影(FBP)算法重建圖像的方法。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

CT掃描裝置如圖1所示。太赫茲源是基于BWO的連續(xù)波太赫茲源，輸出0.3 mW、240 GHz的波束，由一個準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)。然后波束用一個PTFE透鏡聚焦到樣本上，樣本置于一個二軸電動平臺(分別包括x、θ兩個方向的運(yùn)動)。探測由熱釋電傳感器完成，波束被斬波器調(diào)制成20 Hz。透過樣本的太赫茲波束被鎖相放大器獲得。用半高寬度發(fā)測得波束直徑2 mm，這表明波長為毫米級的斷層成像掃描裝置的空間分辨率被限制在幾毫米。

首先在x方向以一定步長對樣本進(jìn)行掃描，然后樣本旋轉(zhuǎn)一個角度θ后，再重復(fù)x方向的掃描。這個操作從θ=0°到θ=180°重復(fù)進(jìn)行，得到一組投影。從所有的投影數(shù)據(jù)，我們可以提取一個正弦圖，對于一個給定的水平截面，它表征透射太赫茲波的強(qiáng)度，它是旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)。最后通過FBP算法可以重建出樣本斷面圖像。

圖1 THz－CT實(shí)驗(yàn)平臺

3 結(jié)果和討論

首先采用PTFE圓柱體模型進(jìn)行測試。其橫截面直徑為10 mm，如圖2所示。首先用太赫茲波對樣本在x方向上進(jìn)行掃描，步長0.2 mm，然后旋轉(zhuǎn)θ=5°(0°≤θ≤175°)后重復(fù)x方向上的掃描。圖3是其中一次x方向掃描得到的投影，實(shí)心點(diǎn)為理論仿真值，空心點(diǎn)為實(shí)際測量值。如果太赫茲射線沒有被圓柱體樣本阻擋，相對于在空氣中傳播。當(dāng)射入樣本的時候，理論上強(qiáng)度會有8%的菲涅爾損耗(兩個界面分別為4%)，并且隨著在圓柱體內(nèi)傳播距離的增加而遞減。但實(shí)際結(jié)果和理論值有些不同，比較圖3的理論值和實(shí)測值(以0～5 mm為例)可以看出，在靠近圓柱體邊緣的地方(3～5 mm)太赫茲射線透射率明顯低于理論值，這是因?yàn)樵谶吘壐浇渚€入射角較大，經(jīng)過入射界面和出射界面兩次折射，射線會偏離原來的傳播方向。在4 mm附近和理論值偏離最大，這是由于透射的深度比邊緣增加迅速，吸收損耗加上折射偏離的綜合作用造成的。在2 mm附近測量值接近理論值，因?yàn)楸容^靠近中心，入射角比較小，折射引起的射線偏離減弱至最小。靠近中心的地方，雖然入射角很小，但由于太赫茲波束直徑至少2 mm，通過圓柱中心附近時就像通過一個柱狀透鏡，致使被探測射線的焦點(diǎn)偏離探測器所處的位置，所以探測到的強(qiáng)度比理論值低。圖4(a)是由投影數(shù)據(jù)得到的正弦圖，圖4(b)是利用反投影算法重建的樣本斷面圖像，圖4(c)是利用濾波反投影算法重建的斷面圖像。

圖2 圓柱體橫截面

圖3 THz在x方向不同位置的透射率

圖4 圓柱體樣本重建圖像

從重建結(jié)果來看，樣本邊緣比較模糊，這是因?yàn)閺牟ㄊ吘壗佑|樣本到整個波束被樣本遮擋的過程有2 mm的距離，這個過程中波束因被遮住的部分越來越多而到達(dá)探測器的強(qiáng)度隨之遞減，造成邊緣模糊。斷面內(nèi)部圖像也因?yàn)橹胺治鲞^的折射誤差而呈現(xiàn)密度不均勻的情況。

然后對不透明的U形金屬物體(圖5(a))進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，對其兩個截面為矩形的立柱進(jìn)行掃描。從反投影重建結(jié)果(圖5(b))看，效果并不理想，而濾波反投影重建結(jié)果(圖5(c))雖然有改善，但也不符合矩形的形狀。這是因?yàn)閺牟ㄊ佑|樣本邊緣到整個波束被樣本擋住有2 mm(波束直徑)的行程，實(shí)際每次掃描應(yīng)該計算波束中心接觸樣本到離開樣本的過程，這個過程應(yīng)該是完全透射不過去的，所以我們以波束中心接觸和離開樣本為界對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化后進(jìn)行反投影重建，得到圖5(d)的結(jié)果，可以看出基本符合樣本界面的形狀，但不完全是矩形，這是因?yàn)樯渚€在入射角很大的情況下照射樣本的界面時會有部分反射射線到達(dá)探測器，造成偽影的結(jié)果。這個實(shí)驗(yàn)說明當(dāng)知道成像的物體中有不透明的部分時，可以對該部分的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，可以得到更符合實(shí)際的結(jié)果。

圖5 U形樣本重建圖像

最后我們對人體骨骼——牙齒進(jìn)行成像，探討THz－CT在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用前景。牙冠上的牙釉質(zhì)折射率最高，為1.62［11］。對太赫茲的折射會比較強(qiáng)烈。圖6(a)是牙齒照片，已經(jīng)去除了牙髓。圖6(b)、圖6(c)分別是牙冠部分的反投影和濾波反投影重建圖像。圖6(d)、圖6(e)分別是是牙頸部分的反投影和濾波反投影重建圖像?？梢钥闯鲅拦诓糠盅烙再|(zhì)對太赫茲的吸收和折射比較嚴(yán)重，重建圖像不能準(zhǔn)確反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而中部牙骨質(zhì)折射率略低，為 1.54［11］，而且厚度比較小，重建圖像可以看見內(nèi)部除去牙髓的髓腔，可以大致反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但分辨率較低。

圖6 小臼齒樣本徑向斷面重建圖像

圖7是一枚大臼齒的照片和牙頸重建圖像，隱約可以看見內(nèi)部兩個空腔結(jié)構(gòu)，但分辨率和精度有限，這是因?yàn)闃颖倔w積比較大，透射的太赫茲波比較微弱，而且受到的折射比較強(qiáng)烈。

圖7 大臼齒樣本徑向斷面重建圖像

圖8(a)是一枚軸向切割的牙齒的的照片，對其剖面附近進(jìn)行掃描重建，可以看到髓腔結(jié)構(gòu)。但同樣因?yàn)檎凵涞挠绊懚炔桓撸鐖D8所示。

圖8 牙齒樣本軸向斷面重建圖像

4 結(jié)論

本文用連續(xù)波THz－CT對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的樣本進(jìn)行分析，這些樣本具有較高的折射率，對太赫茲波有很大的折射損耗。折射使太赫茲射線偏離原來的方向，不能被探測器正確探測，用傳統(tǒng)反投影法和濾波反投影法重建圖像不能準(zhǔn)確反映樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對于人體骨骼特別是牙齒等折射率高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣本，重建結(jié)果只能反映大致結(jié)構(gòu)，由于折射和太赫茲波長的限制對細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨率不足，而且透射深度有限。下一步工作將集中在下面幾個方面:合理設(shè)計光路，將折射影響降低到最小;提高太赫茲頻率，增加分辨率;改進(jìn)重建算法，對圖像進(jìn)行校正。主要是提高分辨率，增強(qiáng)對比度，消除折射或者衍射造成的偽影，以適應(yīng)醫(yī)學(xué)成像的需求。

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