專利名稱：層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)全息三維立體合成方法，特別涉及一種醫(yī)學(xué)層析圖像光學(xué)全息三維立體合成中的“縱向面積循環(huán)分割紀錄技術(shù)”即層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法。
將由層析圖像儀(CT或MR)輸出的一系列垂直或平行于體軸的多幅二維層析圖像紀錄在一張全息圖上，可實現(xiàn)多幅層析圖像的光學(xué)合成和白光三維立體顯示。方法是采用多次曝光兩步彩虹全息術(shù)將層析圖片按原排列順序依次記錄在主全息圖上，從而在最后的白光再現(xiàn)中可將全部層析圖像同時依原位置再現(xiàn)并綜合成三維立體圖像。本技術(shù)在主全息圖的記錄過程中使用“縱向面積循環(huán)分割紀錄技術(shù)”在記錄介質(zhì)上形成狹縫區(qū)域，可在白光再現(xiàn)時得到單色再現(xiàn)像。與傳統(tǒng)的橫向分割紀錄技術(shù)相比，光強及尺度分布逼真無畸變，視角增大，立體感強。目前原有的技術(shù)由于層析圖像可以觀測物體內(nèi)部某一斷層面的二維信息，因此近年來在對心血管病及腫瘤等重大疾病的診斷中逐漸成為一種不可替代的重要手段，在工業(yè)無損探測中的作用也日益明顯。但由于層析圖像顯示的只是垂直于體軸的某一平面上的二維灰度分布，缺少三維結(jié)構(gòu)信息；現(xiàn)有的螺旋CT圖像儀使用的計算機三維合成也只能顯示不同投射角度的二維投影圖像，不是真正的三維圖像。本技術(shù)涉及的不是將CT圖像用計算機方法合成三維圖像，而是用全息方法合成真正的三維立體圖像。目前，世界上只有兩家國外的公司，即美國的Voxel公司及日本的一公司(與東京大學(xué)合作)研究二維層析圖像的三維光學(xué)立體顯示技術(shù)，并有關(guān)于樣機的報道。估計其產(chǎn)品會在數(shù)年后進入國內(nèi)市場。美國Voxel公司的技術(shù)采用非相干重復(fù)紀錄，需使用特殊的紀錄材料和色散補償裝置，由于紀錄材料是消耗品，該材料只有該公司生產(chǎn)且技術(shù)保密，引進美國的產(chǎn)品會形成對其材料的依賴；而日本的技術(shù)采用傳統(tǒng)的橫向分區(qū)方法并采用消色角的方法紀錄主全息圖，由于紀錄時要有消色光路及受分區(qū)方向的影響，使再現(xiàn)視角及立體感區(qū)受到限制。
本發(fā)明的目的是提供一種層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的技術(shù)過程紀錄條件紀錄全息圖在光學(xué)防震平臺上完成，記錄光源為氦氖激光器或氬離子激光器，被紀錄的層析照片為多幅CT(計算機層析圖)或MR(核磁共振層析圖)，記錄介質(zhì)為普通全息干板。
紀錄方法采用多次曝光兩步彩虹全息方法進行紀錄。即首先將紀錄干版上沿縱向分割為橫向的窄條紀錄區(qū)域。將原層析照片按體內(nèi)的相對位置分別紀錄在每一區(qū)域內(nèi)，成為一張單元主全息圖。在第二步的紀錄中，將主全息圖紀錄的所有層析照片再現(xiàn)，并將所有再現(xiàn)的實像同時紀錄在第二全息圖上。
橫向與縱向的區(qū)別縱向指物光零級衍射方向與紀錄參考光方向所在共同平面的法線方向(見圖一中X方向)；橫向指與該法線方向及與物光零級衍射方向都垂直的方向(見圖一中Y方向)。
再現(xiàn)方法將第二全息圖用白光再現(xiàn)，則原層析照片可按體內(nèi)的相對位置同時被再現(xiàn)出來，并可觀察到合成的三維立體效果。
光路安排主全息圖紀錄光路使用分束鏡將激光束分為物光和參考光兩部分。用物光照射—漫散射板及層析照片，并將主全息圖紀錄干板置于垂直于層析照片的透射光零級衍射和參考光所在平面的平面上。每一窄條紀錄區(qū)域記錄一張層析圖。改變層析照片及紀錄區(qū)域時，光路不變。
第二全息圖紀錄光路使用分束鏡將激光束分為物光和參考光兩部分。用物光照射主全息圖，得到所有層析照片的再現(xiàn)實像。將第二全息圖紀錄干板置于中心實像所在平面，并用參考光照射，得到第二全息圖。
白光再現(xiàn)光路用非相干白色平行光照射第二全息圖，可同時得到所有層析照片的三維立體合成像。
橫向和縱向紀錄面積分割方法的分析在將記錄介質(zhì)分割為多個狹縫區(qū)的記錄多幅斷層圖片的多次曝光二步彩虹全息術(shù)中，我們采用了沿縱向分割記錄介質(zhì)的方法記錄多個單元主全息圖，如圖一(a)所示。即x-y平面為主全息圖H1所在平面，平行參考光R1與x軸垂直，并與z軸存在一夾角θ。在記錄介質(zhì)前放置一個可沿x方向移動的狹縫S，狹縫的短邊與x軸平行，層析圖物片緊貼毛玻璃漫散射板D放置且與記錄介質(zhì)平面平行。用平行光沿z方向照射物片形成漫射物波場。這樣，在記錄多幅斷層圖片的過程中，每換一幅斷層圖，狹縫沿x方向移動一個狹縫的距離，可得到一個新的單元主全息圖。依此順序可將多幅斷層圖片記錄在同一主全息圖H1的不同狹縫區(qū)域的記錄介質(zhì)上。在第二步記錄全息圖的過程中，采用與原記錄參考光共軛的再現(xiàn)平行參考光再現(xiàn)主全息圖，并仍用平行記錄參考光將全部狹縫及其內(nèi)部單元主全息圖的衍射光波記錄在全息圖上，該全息圖位于原物片組的中心圖片的再現(xiàn)實像面處。因此，記錄的是原物片的像面及近像面全息圖。
一般傳統(tǒng)的沿橫向分割記錄介質(zhì)記錄主全息圖H1的光路如圖一(b)所示。較之圖一(a)，不同之處僅在于取狹縫的長邊與x軸平行，這相當于將狹縫的方向轉(zhuǎn)了90°。每換一張斷層圖片，狹縫沿y方向移動一個狹縫的距離，并曝光一次，則得到一個新單元全息圖。依此順序可將多幅斷層圖片記錄在同一主全息圖H1的沿橫向分布的不同狹縫區(qū)域的記錄介質(zhì)上。第二步記錄全息圖的過程與采用縱向分割方法的相應(yīng)記錄過程一致。
技術(shù)原理由于在上述兩種記錄主全息圖的光路安排及實驗中，取按橫向分割的主全息圖上的狹縫寬度及按縱向分割的主全息圖上的狹縫長度均遠小于物片距主全息圖的距離，因此可認為物光場的基頻和零頻部分相似，主要是沿z軸方向傳播至主全息圖。其狹縫區(qū)低頻干涉條紋的空間基本取向均近似沿x方向。所以使用這兩種分割方法拍攝的主全息圖上狹縫區(qū)的干涉條紋的基頻取向主要取決于參考光與物波場的平均夾角θ。根據(jù)同樣的分析，在將主全息圖H1再現(xiàn)并記錄在第二步全息圖上的過程中，全息圖上的干涉條紋的基頻取向亦主要取決于記錄平行參考光與再現(xiàn)物波場的平均夾角。因此，最后用白光再現(xiàn)應(yīng)用橫向及縱向分割方法的彩虹全息圖時，狹縫組的實像及相應(yīng)的原斷層圖片組的虛像及實像均沿y方向色散，呈彩虹分布。
觀察用白光再現(xiàn)的應(yīng)用橫向分割方法的彩虹全息圖時，由于色散方向與狹縫排列順序的方向一致，則在某一特定位置觀察全息圖時，將會通過不同顏色的狹縫實像看到對應(yīng)的不同景深處物體的再現(xiàn)像以與狹縫像相同的顏色出現(xiàn)，即再現(xiàn)的合成三維圖像的不同層次呈彩虹分布，即色彩的差異。除在尺度上產(chǎn)生畸變外，還會由于人眼對不同波長光的視覺明度的差異，使不同景深的斷層面的灰度產(chǎn)生畸變。而觀察縱向分割的彩虹全息圖的白光再現(xiàn)像時(圖二(b))，由于其色散方向與狹縫排列順序的方向基本垂直，因而觀察者可以在某相同視角觀察到同一色散角度的相同顏色的不同斷層圖像的準單色再現(xiàn)像，而且也避免了尺度上的畸變。與使用橫向分割方法相比，除可實現(xiàn)準單色或消色像再現(xiàn)外，還增加了再現(xiàn)像的亮度和垂直視角，使再現(xiàn)像的立體感，亮度和分辨率都得到提高。
本發(fā)明的優(yōu)點及技術(shù)的特色是1)與計算機提取層析圖像信息進行計算后顯示的不同投射角度的二維投影圖像不同，本課題使用的是光學(xué)全息方法，可將層析圖像的二維信息綜合為真正的三維圖像。
2)觀察者可不借助任何眼鏡或輔助目鏡直接觀察到具有景深的光學(xué)再現(xiàn)三維圖像的細節(jié)，便于對位置錯綜復(fù)雜的內(nèi)部組織或構(gòu)件進行直觀的比較和判斷，提高診斷水平。
3)在國際上首次采用縱向循環(huán)分割記錄方法，可得到單色再現(xiàn)像，與傳統(tǒng)的橫向方法相比，光強及尺度分布逼真無畸變，視角和立體感都得到增強。
4)與目前國際上僅有的其他兩種光學(xué)全息三維合成技術(shù)相比，我們的技術(shù)的優(yōu)勢為a.不需要使用特殊的紀錄材料，只需通用型全息紀錄材料，我國可大量生產(chǎn)，成本低，質(zhì)量高，能保證技術(shù)的推廣。b.不需要色散補償裝置就能保證白光再現(xiàn)像的單色性。c.制造工藝簡單，體積較小。d.再現(xiàn)像分辨率高。e.不需要消色光路，紀錄光路簡單。f.不會產(chǎn)生光強的尺度分布畸變，因而分辨率高。g.再現(xiàn)像視角大，立體感強。
本技術(shù)的技術(shù)特點
本技術(shù)采用多次曝光兩步彩虹全息術(shù)，將層析圖片按原排列順序依次記錄在主全息圖上，在最后的白光再現(xiàn)中將全部層析圖像同時依原位置再現(xiàn)并綜合成三維立體圖像。本技術(shù)在主全息圖的記錄過程中使用了“縱向面積循環(huán)分割紀錄技術(shù)”，即將記錄介質(zhì)沿縱向分成若干循環(huán)的紀錄區(qū)域，每一區(qū)域分成水平的紀錄狹縫，分別紀錄每一張單元主全息圖。與目前國際上僅有的其他兩種光學(xué)全息三維合成技術(shù)相比，我們的技術(shù)特點1與美國的技術(shù)相比a不需要使用特殊的紀錄材料由于紀錄材料是消耗品，該材料的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)對外保密，且只有該公司生產(chǎn)，引進美國的產(chǎn)品會形成對其材料的依賴。本技術(shù)只需通用型全息紀錄材料，我國可大量生產(chǎn)，成本低，質(zhì)量高，能保證技術(shù)的推廣。b不需要色散補償裝置由于美國的技術(shù)采用非相干重復(fù)紀錄，因此再現(xiàn)時必須使用色散補償裝置。該裝置制造工藝復(fù)雜，體積較大。設(shè)備成本高。本技術(shù)由于使用相干非重復(fù)紀錄，不需要色散補償裝置就能保證白光再現(xiàn)時再現(xiàn)像的單色性。c再現(xiàn)像分辨率高由于美國技術(shù)采用的是非相干紀錄方法，因此必須采用色散補償裝置得到消色像。由于白光再現(xiàn)的消色像為多色像的合成，故不同色像的尺度會有細微的差別，會造成尺度畸變或降低分辨率。而應(yīng)用本技術(shù)得到的白光再現(xiàn)像為單色像，故再現(xiàn)像不會產(chǎn)生光強的尺度分布畸變，因而分辨率高。2與日本使用的傳統(tǒng)的橫向分割紀錄技術(shù)相比a不需要消色光路日本技術(shù)采用的橫向分割紀錄方法，會在白光再現(xiàn)時產(chǎn)生色模糊，為此必須采用消色角的方法紀錄主全息圖。這會使紀錄光路復(fù)雜化。由于本技術(shù)采用縱向分割紀錄方法，故無須采用消色角的方法紀錄主全息圖，使紀錄光路簡化。b再現(xiàn)像分辨率高由于日本技術(shù)采用的是橫向分割紀錄方法，因此必須采用消色角的方法紀錄主全息圖。由于白光再現(xiàn)的消色像為多色像的合成，故不同色像的尺度會有細微的差別，會造成尺度畸變或降低分辨率。而應(yīng)用本技術(shù)得到的白光再現(xiàn)像為單色像，故再現(xiàn)像不會產(chǎn)生光強的尺度分布畸變，因而分辨率高。c再現(xiàn)像視角大，立體感強由于日本技術(shù)采用的是橫向分割紀錄方法，受分區(qū)方向的影響，使再現(xiàn)視角及立體感區(qū)受到限制。而本技術(shù)采用了縱向分割紀錄方法，白光再現(xiàn)時增加了再現(xiàn)像的垂直視角和立體感。
下面結(jié)合


實施例
圖1是層析圖像橫向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法光路示意2是層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法光路示意3是使用該技術(shù)用多幅層析照片合成的光學(xué)全息三維立體白光再現(xiàn)像。
圖4是使用該技術(shù)用多幅層析照片合成的光學(xué)全息三維立體白光再現(xiàn)像。
應(yīng)用舉例由于層析圖像可以觀測物體內(nèi)部某一斷層面的二維信息，因此近年來在對心血管病及腫瘤等重大疾病的診斷中逐漸成為一種不可替代的重要手段，在工業(yè)無損探測中的作用也日益明顯。但由于層析圖像顯示的只是垂直于體軸的某一平面上的二維灰度分布，缺少三維結(jié)構(gòu)信息。在醫(yī)院的臨床診斷中，待測部位的三維分布情況最終還要靠醫(yī)生的解剖學(xué)或結(jié)構(gòu)學(xué)知識及經(jīng)驗進行推測。因此在對形狀及相對位置復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進行準確可靠的判斷方面具有一定的局限性。光學(xué)全息的三維合成可使觀察者不借助觀測眼鏡或目鏡對待測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接進行觀察，通過觀察角度和位置的變化及人眼聚焦狀態(tài)的變化從不同的方位觀察特定目標的結(jié)構(gòu)分布及相對位置，進行準確的比較和分析，提高診斷水平。因此，光學(xué)全息三維合成技術(shù)的實用化將會逐漸使其成為一種不可替代的重要的輔助醫(yī)療診斷手段。
權(quán)利要求
1.一種層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法，其特征為紀錄條件紀錄全息圖在光學(xué)防震平臺上完成，記錄光源為氦氖激光器或氬離子激光器，被紀錄的層析照片為多幅CT計算機層析圖或MR核磁共振層析圖，記錄介質(zhì)為普通全息干板；紀錄方法采用多次曝光兩步彩虹全息方法進行紀錄；即首先將紀錄干版上沿縱向分割為橫向的窄條紀錄區(qū)域；將原層析照片按體內(nèi)的相對位置分別紀錄在每一區(qū)域內(nèi)，成為一張單元主全息圖；在第二步的紀錄中，將主全息圖紀錄的所有層析照片再現(xiàn)，并將所有再現(xiàn)的實像同時紀錄在第二全息圖上；縱向指物光零級衍射方向與紀錄參考光方向所在共同平面的法線方向，座標圖中的X方向；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法，其特征為再現(xiàn)方法將第二全息圖用白光再現(xiàn)，則原層析照片可按體內(nèi)的相對位置同時被再現(xiàn)出來，并可觀察到合成的三維立體效果；光路安排主全息圖紀錄光路使用分束鏡將激光束分為物光和參考光兩部分。用物光照射—漫散射板及層析照片，并將主全息圖紀錄干板置于垂直于層析照片的透射光零級衍射和參考光所在平面的平面上。每一窄條紀錄區(qū)域記錄一張層析圖。改變層析照片及紀錄區(qū)域時，光路不變；第二全息圖紀錄光路使用分束鏡將激光束分為物光和參考光兩部分。用物光照射主全息圖，得到所有層析照片的再現(xiàn)實像。將第二全息圖紀錄干板置于中心實像所在平面，并用參考光照射，得到第二全息圖；白光再現(xiàn)光路用非相干白色平行光照射第二全息圖，可同時得到所有層析照片的三維立體合成像。
全文摘要
一種層析圖像縱向面積循環(huán)分割的光學(xué)全息三維立體合成方法,將原層析照片多次曝光兩步彩虹全息方法記錄;沿縱向分割為橫向的窄條記錄區(qū)域;將原層析照片按體內(nèi)相對位置分別記錄在每一區(qū)域內(nèi),成為一張單元主全息圖;再將所有層析照片再現(xiàn),再現(xiàn)實像同時記錄在第二全息圖上;第二全息圖用白光可再現(xiàn)立體效果,特點是不需使用特殊記錄材料,成本低,質(zhì)量高,不需要色散補償裝置,體積小。不需要消色光路,光路簡單。不會產(chǎn)生光強的尺度分布畸變,因而分辨率高,視角大,立體感強。
文檔編號G03H1/24GK1361452SQ0013666
公開日2002年7月31日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者翟宏琛, 楊保和, 王明偉, 母國光 申請人:南開大學(xué)