成像技术范文

成像技术范文（精选11篇）

成像技术 第1篇

1 超声多普勒诊断的发展历史

医学超声多普勒技术的研究始于20世纪50年代中期,在20世纪70年代得到了应用上的承认,并迅速地发展起来。在从连续式非方向性多普勒系统到连续式方向性脉冲距离选通式多普勒系统的发展过程中,利用超声多普勒技术的成像系统在功能上也迅速得到了完善。20世纪70年代出现了双功脉冲多普勒系统。该系统使用同一探头可以得到扇形扫查的B型声像图和图像中任意采样点的多普勒信息。将B型显示和多普勒技术相结合,即可避免仅仅使用多普勒超声所产生的盲目取样问题,从而可以获得确切部位的血流运动信息。20世纪80年代初,又出现了彩色编码多普勒血流成像技术,可以在实时B型图像中显示心脏或采样区域中细小血管中的血液流动情况,并以彩色来显示血液流动的方向及紊乱程度,使超声诊断从形态学进入了与血流动力学相结合的“形态生理学”诊断阶段。采用曲线、声谱图和彩色血流编码显示多普勒频移信息是该类系统的一大特点。

1842年,奥地利科学家C.J.Doppler发表了题为《双子星座及其某些天体的光波》的论文。文中报告了他发现天体运动中双子星座发出的光波趋向红色。作者认为,这是由于行星和观察者之间存在相对运动,使得观察到的频率发生变化而引起了色彩的变化。多普勒效应(Doppler Effect)因此而得名。其后不久,B.Ballo将此现象引入到声学领域,阐明了声源与观察者之间出现相对运动时,观察者听到声调变化的原因。20世纪以来的很长一段时间里,超声医学领域并没有重视多普勒效应的临床应用价值。

日本的里村茂夫采用超声多普勒效应研究心脏的运动,对来自心脏和瓣膜以外的“特殊”信号作了分析,建议可以采用此信号测量血流。这实际上就成了临床医学上应用多普勒信号的开始。1962年,Kato证明了该特殊信号是由血液中红细胞的背向散射产生的。1964年,Baker首次研制成功了体外检测人体血流速度的多普勒仪器。该仪器对临床医学中诊断浅表血管疾病和监听胎儿情况有很大帮助,同时也为科研人员研究循环系统提供了帮助,但它的缺点是不具备测定血流方向的能力。1969年和1971年,Mcleod和Pourcelot分别用鉴向器区分正负多普勒频移信息,制成了测向多普勒频移设备,但是它们还不能测量不同深度的血流速度,即没有距离分辨能力。1966年,R.Peronneau研制出了距离选通式多普勒系统,使检查者能够选择某一深度取样容积内的血流进行探测。20世纪70年代出现了双功脉冲多普勒系统,使多普勒血流测量和B型超声图像相结合,其中B型用于解剖结构的定位,声谱技术用于血流参数测量。

1980年挪威学者B.J.Angelsen从理论上和实验上研究了血流中红细胞对超声的背向散射问题,建立了血流超声回波信号的理论模型[2]。之后,彩色血流成像技术得到了承认并迅速发展了起来。1981年,B.J.Angelsen又提出了用自相关方法估计血流的瞬时多普勒频率、平均频率和平均速度方差的理论。1982年,日本的Namekawa等人提出了一种新的二维实时多普勒成像系统[3],这个系统可以提供血流速度分布的高分辨率图像。采用这种成像系统可以观测到血流的方向,平均速度的空间成像图以及血流中的湍流情况。随后,日本的尾本良三在临床上证实了此项技术对先天性心脏病,瓣膜病的诊断有很大的实用价值。

日本的Aloka公司在世界上率先将彩色血流成像(Color Flow Mapping,CFM)技术进行商品化,于1983年研制成功了世界上第一台彩色血流成像系统SSD-880。此后,世界各大公司,如日本的Toshiba,美国的HP、GE、ATL,德国的Siemens,韩国的Medison等,都相继推出了自己的彩色血流成像产品。它们的工作原理基本相同,但实现技术各不相同。

2 超声多普勒成像系统主要内容

(1)图谱多普勒对多普勒血流信号作动态功率谱分析,即频域分析,以速度图谱方式显示的多普勒血流仪具有广泛的临床应用价值。显示速度谱的多普勒血流仪也称为频谱多普勒,速度图谱也称为声谱图。显示时,横坐标代表时间,纵坐标代表频率或速度,功率谱密度用灰阶表示。

多普勒信号频率(即频移)与速度之间由系数cosθ相关联。一般情况下cosθ是未知的,因此总是根据血管的走向人为给定θ一个合理值。这样做虽然不够精确,但使用速度标定毕竟比用频率定更符合医生的习惯。

(2)彩色血流成像利用多普勒回波的幅值包络可以得到表示肌肉的B型黑白图像,而利用回波的频移信息可以测得血流速度。对处理后的血流信号进行彩色编码,得到显示人体二维血流特性的图像,包括血流的方向、平均速度、分散程度(也称方差)和血细胞的散射功率,将它们实时地叠加在二维黑白解剖图像上,就得到了彩色血流图像。每个像素点的血流速度决定了该点的成像颜色。由于取样容积内的血流不是一个红细胞,因此彩色血流成像所显示的血流速度,为取样区域内所有红细胞的平均流速[4]。和图谱多普勒显示不同的是,CFM并不显示取样容积内的血流速度分布,而仅显示取样容积内的血流平均速度及其偏离平均流速的程度和能量。

(3)彩色能量成像彩色能量成像(Color Power Angio,CPA)又称多普勒能量成像(Doppler Power Imaging,DPI)。它主要是显示血流的存在与否,并不关心血流的方向及湍流等参数。实际上CPA是对血流中红细胞的密度成像,而不是CFM中对血流的速度(平均速度及方差)成像。CPA成像关心的是产生散射的红细胞密度,大幅度的信号将被赋予亮的彩色而弱信号则被赋予暗的彩色。

3 利用多普勒效应进行血流测量的方法

利用多普勒效应进行血流测量一般有两种方法:连续波多普勒(Continue wave,CW)和脉冲波多普勒(Pulse Wave,PW)。

采用CW方法,探头的发射阵元和接收阵元必须分开,即用一个或一组阵元发射,而用另一组阵元接收,发射阵元发射恒定不变的连续的超声波,接收阵元恒定不变地接收血细胞的散射回波信号。由于它是连续发射和接收超声波,沿超声束的血流和组织运动的多普勒频移信号能够完全被检测并显示出来。利用CW方式进行工作时,理论上不受高速血流的限制,再高的血流速度也可以用频谱图显示出来,这是CW方式的最主要优点。CW方式的缺点是不能提供距离信息,当声束经过的路径上存在着两个以上的运动目标时,所测得的信号将是所有动目标信号的混合,这就限制了有选择地探测人体内某一深度处的血流状况。连续波的发射采用专用Doppler探头,也可以使用相控阵探头或微凸阵探头。

PW方法具有距离选通能力,可测量人体内不同部位的血流信息。PW方式有一项重要参数,就是脉冲重复频率,它的上限受最大探测深度的制约。脉冲波的发射可以采用普通的线阵或凸阵探头。

4 多普勒血流信号的解调和抽取

血管中的血流速度不是均匀的,而是有一个较大的分布范围,管壁处为零,管心处最大,其间速度均不相同。利用超声多普勒检测血流时,一般都要对血流取样[3]。不管取样容积多小,其内都含有许多红细胞,它们的速度各不相同,一种速度对应一个频移,因此,返回的超声多普勒信号不是一个单频信号,而是包含各种不同频率的复杂信号。我们对这些不同频率的信号进行一定的处理,分成单个频率分量,并让它们显示出来,才有可能对取样部位的血流速度和血流性质做出正确判断[5]。正交相位解调是目前广泛采用的一种处理多普勒信号的方法,其基本原理如图1所示(图中LP是low pass的简写,即低通滤波器)。

正交解调器有两个通道,通常又称之为I、Q双通道处理。两个通道上的参考信号为正交的本振信号,它们之间有90°的相位差。由于相位差90°的两个参考信号的频率与发射超声波的射频脉冲的频率是相等的,所以经低通滤波后的输出就是多普勒频移信号的同相分量和正交分量。

在实际系统中,对信号进行解调后,还要进行抽取。从提高系统精确性的角度考虑,通常所用的40MHz的采样频率过高,通过抽取来降低数据采样频率,之后才能对得到的信号进行后续处理。

5 血流速度与多普勒频移的对应关系

人体组织中的许多回声源都是运动的,其中血流的速度最快,可达1m/s。血管壁和其它脏器也是运动的回声源,但速度较慢。运动回声源的速度信息反应在回声的多普勒效应上。

速度为v的回声源,其回声频率的多普勒频移fd为k Hz量级,由文献[6]:

由上式可得出血流速度与多普勒频移的确定对应关系:

这里f0表示探头的发射频率,c表示超声波在人体软组织中传播的速度,θ表示超声波传播方向与血流速度方向的夹角。

6 关于参数估计

自相关估计算法作为一种成熟的估计血流速度和方差的算法被广泛地应用于目前的彩色超声多普勒成像系统中。但是,在20世纪80年代末期,90年代初期人们开始探讨把现代谱估计方法应用于超声多普勒信号处理[7,12]。1990年,L.Thanasise把AR谱分析技术应用到彩色血流成像中,取得了较好的结果[11]。1991年,A.B.Young提出用二阶AR模型估计超声信号的平均频率和方差的方法[12],也得到了较好的结果。但上述方法都存在实际运算复杂,对噪声敏感等问题,因此限制了它们在实际设备中的应用。随着电子技术和数字信号处理技术的飞速发展,这些问题逐步都将会解决。近年来,不断有新的现代谱估计的方法被应用到血流信号的测量中,大大提高了测量精度和准确性[13,20]。在近年来发展起来的可用于血流速度估计的时域分析法中[21]提出了一个新的途径。即利用相关系数来跟踪相同的一组红细胞。

7 彩色血流成像技术原理

彩色血流成像可以检测出二维图像上各点血液的流动情况。它的成像扫查方式既不同于一般的B型模式,也不同于脉冲多普勒模式,而是两者相结合的产物。

具体方法是在每一个扫查方位角θ上发射N个脉冲,4!N!16,然后换一个方位角θ+Δθ,再发射N个脉冲,直到把一个扇形断面扫查完毕。这种扫查过程如图2所示。

对于每一个角度的扫查线,同时存在两个采样过程,一个是时间采样,另一个是空间采样。

时间采样是指每一次脉冲发射后,接收系统对正交解调后的回波信号所进行的连续采样过程。

设时间采样频率为fs,那么相邻两个采样点所表示的距离分辨力为:

式中,Δs表示距离分辨力,c表示声波在人体内的传播速度。

所以时间采样所获得的信息包含了距离分辨信息,它相当于脉冲多普勒技术中的距离选通门,本质上和多通道脉冲多普勒成像原理相似,此时采用一个数据处理通道进行时分多路复用,从而可节省大量数据通道。

空间采样是利用脉冲的重复发射,对各条扫查线上的时间采样点进行重复采样的过程,因此空间采样频率就是脉冲重复发射频率PRF。空间采样的点数也就是同一角度上脉冲发射的次数N。空间采样的实质是对纵向的时间采样信号进行横向的空间分组。相邻两组空间采样的数据便是用于进行自相关运算的数据。如果时间采样点数为n,那么这些数据一共分成n组空间采样数据,每一组由N个采样数据组成,它包含了所对应的特定距离上的多普勒血流信息。

8 彩色血流成像系统原理

彩色血流成像是一种复杂的信号处理技术,为了实时显示彩色血流,它要求仪器在30mm内必须分析15000个以上采样点的多普勒信号。一般彩色血流成像仪的工作过程如图3所示:解调抽取后的I、Q信号经壁滤波器滤波,去掉血管、瓣膜等产生的低频分量后,送入自相关器作自相关检测。

壁滤波器是低频抑制滤波器,它抑制了从静止的或慢速运动的肌肉或组织所反射回来的大幅度回波信号,这些信号具有很小的多普勒频移。自相关估计器的输出送至速度计算器和方差计算器,分别计算多普勒频移信号的平均值和方差,其结果存入数字扫描变换器(DSC)中。另外由常规B超获得的B型图像也存入到DSC中。后续编码和显像模块将存贮在DSC中的血流数据变换为色度信号。当显示血流速度时,用7bit二进制数作为对平均速度v!和方差σ2的编码,当显示功率(即能量图CPA)时,用6bit二进制数作为对的编码。这些编码作为三基色(Red and Green and Blue,RGB)数据表的地址。

如果v!>0,则彩色变换器给出红色,这表明多普勒频移为正,因此血流流向换能器(即探头)。如果v!<0,则彩色变换器给出蓝色,这表明多普勒频移为负,因此血流流离换能器。血流速度越大,相应的彩色就越亮。其次考虑方差值σ2。血流速度存在方差,表明有湍流存在,用第三基色绿色表示方差,其值越大,绿色的亮度也越大。这样用三基色及其亮度就可表示血流的方向、湍流程度(即湍流程度)及速度大小三个参数。如果流向换能器的血流存在湍流,将出现红色加绿色所形成的黄色;如果流离换能器的血流出现湍流,将出现蓝色加绿色而形成的青色。

彩色血流成像系统在设计时采用高速相控阵扫描头进行平面扫查,将二维彩色血流信息重叠显示于同一监视器的二维黑白回声结构图像的相应区域内,从而实现解剖结构与血流状态两种图像互相结合的实时显示。其发射过程与普通B型超声相似。但接收时过程有所不同。提取到的信号被分为两路:一路经放大处理后按回声强弱形成二维黑白解剖图像;另一路则对扫查线全程作多点取样,进行多普勒检测,信号经自相关技术处理,并用红、绿、蓝三原色进行编码,显示血流频移信号。这种彩色血流信号显示在相应的二维黑白图像的隐性暗区内,即成为既能探测解剖形态大小,又能观察其内血流活动状态的彩色多普勒血流。

摘要：本文详细论述了基于多普勒成像的彩色血流成像技术,对于彩超的研制有着重要指导意义。

四维超声成像技术与方法 第2篇

作者：魏晓光

来源：安太医院

近年来计算机技术革命化的进步被融入超声诊断系统，使得三维容积成像的速度在短短的几年时间里得到了极大提高，目前已经发展到能够进行动态的四维成像。

高分辨的二维超声和彩色多普勒超声的技术进步是超声诊断学发展的重要里程碑，尤其是在妇产科的应用，成为无可替代的非侵入性的诊断工具。近年来四维超声技术的发展和进步，为非侵入性的诊断技术又开辟了一个新的领域。

四维超声技术能够克服二维超声空间显像的不足，成为二维超声技术的重要辅助手段。四维超声的进步体现在能够迅速地对容积图像数据进行储存、处理和动态显示其三维立体图像，并且能够得到多平面的图像，而这一功能以往只有CT和MRI技术才具备。目前四维超声尚不可能完全替代二维超声，但它的确为一些复杂声像结构的判断提供了大量辅助信息，并对某些病变的诊断起到二维超声无法替代的作用。它的应用潜能正随着经验的积累被逐步开发出来。

一、四维超声技术简介

三维超声是将连续不同平面的二维图像进行计算机处理，得到一个重建的有立体感的图形。早期的三维重建一次必须采集大量的二维图像(10～50幅)，并将其存在计算机内，进行脱机重建和联机显示，单次三维检查的图像数据所需的存储空间达数十兆字节，成像需要数小时甚至数天时间。近年来三维超声与高速的计算机技术的联合使其具备了临床实用性。三维表面成像在80年代首次应用于胎儿；90年代初期开始了切面重建和_一个互交平面成像；容积成像则开始干1991年；1994发展了散焦成像；1996年开始了实时超声束跟踪技术，而最新发展的真正的实时三维超声可以称作四维超声(four—dimensional ultrasound)，数据采集和显示的速率与标准的二维超声系统相接近，即每秒15～30帧，被称作高速容积显像(high speed ultrasotlnd v01umetri clmaging，HSUVI)。真正实现实时动态三维成像，将超声技术又提高一个台阶。新景安太医院拥有4台四维彩超，专业的四维彩超检查医生，此技术已经在我院临床使用4年多，有非常丰富的经验。

四维超声成像方法有散焦镜法、计算机辅助成像和实时超声束跟踪技术。

(一)散焦镜方法(defoctJsi rlg lens metriod)也称厚层三维图像，方法简单，费用低。装置仅需在凸阵或线阵探头上套上一个散焦镜。用此方法可以对胎儿进行实时观察，然而胎体紧贴宫壁时图像就会重叠，使胎儿图像辨别困难。

(二)计算机辅助成像 是目前首选的三维成像方法，成像处理过程包括：获取三维扫查数据；建立三维容积数据库；应用三维数据进行三维图像重建。

(三)实时超声束跟踪技术 是三维超声的最新技术，其过程类似于三维计算机技术但可以立即成像。仅仅需要定下感兴趣部位的容积范围就可以住扫查过程中实时显示出三维图像，可以提供连续的宫内胎儿的实时三维图像，例如可以看到胎儿哈欠样张口动作等。

二、四维超声成像方法

四维超声的临床实用性很大程度上取决于操作人员对此技术掌握的熟练程度。只有了解四维超声的基本原理和概念，熟练掌握四维超声诊断仪的操作方法和步骤，才能充分发挥三维超声的最大作用。

(一)四维成像的主要步骤与成像模式 常规四维成像包括以下步骤：

1．自动容积扫查 以三维容积探头进行扫查，获取三维数据。三维数据是通过超声探头扫查平面的移动而获取的大量连续二维断面图。现有的三维探头都配有内置的凸阵或扇形探头，探头内电磁感应器可以感应出每一断层的相对位置和方向。每一断面的二维图像信息连同其空间方位信息都被数字化后输入电脑。实时二维扫查是基础，根据感兴趣区域的空间范围，任意调节断面的角度、扫查深度和扫查角度，确定三维容积箱(volume box)的位置和大小后进行扫查。任扫查时可以根据感兴趣区的回声和运动特征调整扫查速度。对运动的目标可选用快速扫查，但获得的图像空间分辨力低；低速扫查图像分辨力最高，但易受运动影响；正常速度扫查的空间分辨力介于两者之间。

2．三维数据库的建立 探头扫查获得的数据是由许许多多的断面组成的合成数据，作为三维数据库输入电脑，可以通过滤过干扰信息改善数据的质量。三维数据库包含一系列的体积像素，每一体积像素既是灰度值也是亮度值，见图1—2一l。

3．三维图像重建应用三维数据库可以重建出各种图像，包括三维切而重建和立体三维的观察。

(1)切面重建：成像最简单，通过旋转三维数据库可以选定任意一个平而的二维图像，进行多平面图像分析。尽管得到的是断面图，有时对诊断却非常有用，冈为许多平面(例如子宫的冠状面)是二维超声难以观察到的。

(2)容积成像(volLime rendering)：是一种基十体积像素(voxel)的三维数据库的视觉工具。一个像素(pixel)是二维图像的最小的图像信息单位，一个体积像素则是三维容积数据中最小的图像信息单位。在二维的有立体感的图像L的每一个像素都代表着一组三维体积像素，沿着投射线的多个体积像素经过分析处理后

1)表面成像模式：采用此方法能够建立组织结构的表而立体图像。通过旋转三维立体数据库选择感兴趣区域进行成像，非感兴趣区可以去除；采用合适的滤过功能，可以滤过周围低回声，使图像突出，例如去除羊水内的低回声，突出眙儿表面高回声，滤过高时还可以突出胎儿骨骼结构，显示出高回声结构的立体图像；应用图像自动回放的旋转功能，可以从不同角度观察立体图像；另外还可以调节图像的明亮度和对比度，使图像立体感更强。

2)透明成像模式：将实质性的组织结构的所有三维回声数据投射到一个平面上，选择性地显示出高同声或低回声结构的特征。采用这种模式要求感兴趣结构的回声特征较周围组织回声高或低，例如骨骼、血管或囊性结构。此模式能够产生类似x线照片的效果，但与x线照片不同的是，可以通过回放旋转功能从各个角度来观察图像。

3)彩色模式：在扫查中采用多普勒方式，可以进行血管内彩色血流三维重建。三维多普勒能量图不但能够观察组织结构内的血流情况，还可以提供一定容积内血细胞量的间接资料，三维血管成像方法能够跟踪血管走向，区分重叠血管，见图2一l一

10、图2一l一19等。三维彩色直方图是最近开发出来的能够客观定量分析血流的一个新指标，是指单位体积内代表血管化程度的彩色成分的百分比和代表血流量的平均彩色幅度值，它为定量评估生理和病理情况卜的血管生成提供了一个非常重要的手段。

(二)容积成像的步骤与方法 在数秒钟内完成扫查和建立三维数据库后，可以立即进行容积成像操作，也可以把数据储存入仪器内，过后再调出分析。容积成像的基本步骤

(1)确定成像范围：在所扫查的三维容积资料中选定出感兴趣区域(即容积箱)，任容积箱外的结构将不会被成像。

(2)选择成像模式：根据感兴趣区域的回声特征合理选择成像模式，以能够突出病灶特征为原则。

(3)图像的滤过处理：表面成像时利用滤过功能对周围低回声结构进行适当的抑制，以突出表面结构特征。

(4)旋转三维图像：进行图像定位，使立体图像处于最佳显示角度，从而得出最佳三维图像。

(5)立体电影回放：采用电影回放的功能可以从不同角度动态地观察图像，立体感更强。

(6)电子刀的选择：利用电子刀的功能能够去除与感兴趣结构表面无关的立体回声结构，以及不规则的周边，使图像从任何角度上看都更为清晰、重点突出。

三、四维技术的优点

最新四维超声系统在妇产科应用的主要优势在于四维容积扫查方式的进步和四维数据处理方式的进步。

四维成像技术的优点主要有以下几点：

1．能够获得任意平面的图像，并标明其在空间的方向和位置，有利于对图像进行仔细分析，减少主观因素干扰。

2．具有精确的体积计算功能。常规的二维超声只能获取一个组织结构的三个切面，通过三个切面的径线粗略地估测体积，当目标形态不规则时则无法估计。三维超声可处理多平面资料，模拟出组织的形状，利用特定的容积计算公式得出体积大小，使体积的测量更为精确，尤其对不规则形器官或病灶体积的测量更具优越性。新近应用的在体器官计算机辅助分析技术(virtual 0rgan compute卜aidedanalysis，VOCAL)具有自动测最各种形态结构之体积的功能，能够描画和显示任何形态的组织器官外形特征，并计算出其体积，为不规则形结构的体积估计提供了最佳的手段。

3．能够对感兴趣结构重建三维立体图像，使结果直观。清晰的立体图像可以产生以下效果：

(1)对胎儿异常的观察更为细致，对了解病变的全貌优干二维超声检查，例如对胎儿唇裂的诊断等。

(2)对初学超声诊断者，有助于培养空间思维能力和理解图像的能力。

(3)胎儿异常的三维立体成像使母亲及其家属容易理解，避免医务人员解释不清所造成的不便。

4．四维扫查在瞬间完成，获得的容积数据可以全部被储存起来，数据可以在患者离开后随时调出来进行研究分析，评价存储数据，由此带来的优点是：

(1)不必匆忙对疑难病例下定论，可以在充分讨沦后得出更准确的判断。

(2)减少了病人因检查时间长而造成的不适，降低了超声检查时间长对胎儿的可能损害。

拓宽视野成像新技术 第3篇

【关键词】 超声； 拓宽视野成像； 全景超声成像；

【中图分类号】R445.1 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2015）03-0490-01

90年代以来，由于电子计算机容量和功能的提高，数字化技术的引入，以及各种信号处理、图像处理和控制技术的应用，医学超声成像新技术、新设备、新方法层出不穷。这里就主要新技術的物理声学基础、临床应用现状及发展前景等问题作一简要阐述。

一超声弹性成像

超声弹性成像作为一种新的超声成像方法，它通过获取有关组织弹性信息进行成像，弥补了X射线、超声成像（Us）、磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）等传统医学成像模态不能直接提供组织弹性的不足，具有无创、简单、便宜、容易应用等优点，被广泛应用于临床，成为目前医学弹性成像的一个研究热点。

弹性成像（elastography）一词最初出自静态/准静态压缩的超声弹性成像，狭义的弹性成像就仅指这种成像方式，其基本原理为对某一组织施加一个内部（包括自身的）或外部的、动态或静态/准静态的激励：在弹性力学、生物力学等物理条件下，组织将产生一个响应。例如位移、应变与速度的分布：弹性模量较大即较硬的组织应变较小，或者振动的幅度和速度较小：利用超声成像或磁共振成像等方法，结合数字信号处理或者数字图像技术，可估计出组织内部的位移、应变等参数，从而间接或直接反映其弹性模量等力学属性的差异根据组织激励方式的不同。

超声弹性成像主要包括静态准静态压缩的弹性成像、血管弹性成像、心肌弹性成像、低频振动激励的声弹性成像、基于脉冲激励和超快速超声成像系统的

瞬时弹性成像或者脉冲弹性成像、声辐射力激励的声辐射力脉冲成像、辐射力成像、剪切波弹性成像和超音剪切成像、利用超声激励的声发射技术的振动声成像和简谐运动成像等。

二谐波成像

谐波成像是一项超声诊断新技术，是近年来非线性领域的一项重大突破，这一技术的开发和应用使许多疾病的诊断范围和诊断水平得到拓展。在二维及彩色多普勒超声检查中应用谐波成像极大地提高了信噪比，更清晰地显示被检脏器的图像和血流状态，这一技术被认为是超声技术发展过程中的又一里程碑。

近十年来，经周围静脉使用的超声微泡造影剂的研制取得了快速的发展，而微泡造影剂与谐波技术的联合应用更为超声成像带来新的进展。声波在介质中传播以及在反射和散射时，都具有非线性效应，导致产生谐波。滤去基波，利用谐波的信息去进行成像，称为谐波成像。谐波成像主要分为两大类：组织谐波成像和对比谐波成像。

1.组织谐波成像

组织谐波成像是利用声波在组织中产生的谐波进行成像。为了在自然组织中产生丰富的谐波信号，发生声波的声压常较大。国内外的研究表明，组织谐波成像与传统超声相比有一定的优势：提高心内膜显示能力：提高肝硬化背景下的占位性病灶的检出率：清晰显示胰头区的复杂解剖关系，改善肥胖患者盆腔脏器的显示效果：改善肥胖、肋间隙狭窄、胸廓畸形、肺气肿及高龄患者心肌与心内膜的显示效果等。

组织谐波成像改善图像质量的技术基础为：①近场处谐波能量很少，不易产生伪像。常规超声图像的大部分伪像来源于胸壁和腹壁的反射和散射，这些伪像含有极少的谐波频率，因此近场伪像被消除：②有利于消除旁瓣伪像。基波频率能量和谐波频率能量呈非线性关系，能量较高的基波产生相当大的谐波能量，而弱的基波几乎不产生谐波频率能量。因旁瓣能量比主波低得多，产生的二次谐波很低，不足以形成图像，因此消除了旁瓣的干扰：③谐波波长较短，可以提高轴向分辨力。频带较窄，提供较佳的侧向分辨力。频率比基波高1倍，所以其检测低速血流速度的阈值为基波的1/2，即对低速血流的检测更灵敏：④提高远场的图像质量。组织谐波成像一般使用穿透力高的低基波频率，且由于谐波非线性效应，在某一深度范围，谐波的能量明显增强，有力地提高该深度范围的声噪比，明显提高了超声图像的质量。

2.对比谐波成像

对比谐波成像是利用超声造影剂的谐波进行成像。对比谐波成像的效果和质量与造影剂及相应的对比谐波成像技术有关。

微泡造影剂在超声声场中的行为与微气泡的大小、外壳的机械特性及入射声波的声压有关：当外加声压较弱时，主要呈现线性背向散射：随着外加声压的增加，微泡产生丰富的二次谐波，其幅度接近基波，比人体组织的二次谐波强1000倍以上，利用这一特点可进行二次谐波成像：再提高声压，微泡破裂，气体溢出，呈现瞬间高强度信号散射，称为“受激声波发射”。新型的穿微循环声学造影剂（微泡直径小于8μm，可以通过肺毛细血管进入体循环）可分为两代：第一代包括利声显（Levovist）、Albunex、Echovist：第二代包括Optison、SonoVue、Definity、Sonazoid、Imagent、PESDA、Aerosomes、Quanfism等。与微泡内所含气体为空气的第一代造影剂不同，第二代造影剂所含气体绝大多数为高分子量、低溶解度、低扩散度的氟碳气体，故性质更为稳定。

三三维成像

在医学临床影像诊断中，仅通过观察二维切片图像，很难准确确定病变体的空间位置、大小、几何形状和与周围生物组织的关系。本世纪七十年代由计算机控制的超声CT技术开始兴起，将超声诊断水平提高到一个新的高度，并有助于分子生物学和生物物理学的发展。近十几年随着计算机技术的飞速发展，推动了三维超声成像技术的研究和应用。

与二维成像相比，三维超声成像技术具有图像显示直观、可精确测量结构参数、可辅助治疗等许多优势，但由于超声图像自身获取技术上的固有缺陷，造成超声图像清晰度较差，较难对二维图像进行必要的预处理，而在超声图像获取过程中组织器官自身的运动以及人体呼吸心跳的影响也都会导致获取的序列二维图像之间存在可能会影响重建精度的差异，并且三维重建过程中运算量较大，如何能够加快重建速度却又不损失重建结果的真实度也是一个亟待解决的问题

四总结

今后三维超声成像仪的发展有着十分广阔的发展前景。在进一步提高计算机微处理器的运算速度后，可以使动态三维图像准实时显示并能显示体内器官的实时剖切图像（四维超声成像）。另外，如果在提高成像装置质量和改进操作方法的基础上，还可获得几乎能与光学内窥镜相媲美的动态三维图像。最近还出现了将彩色多普勒信号重建为动态三维彩色多普勒血流图的技术，除能观察血流部位、途径、范围、轮廓与起止点之外，尚可判断其方向与流速并清晰分辨血流信号与其旁侧的心壁和瓣膜。Acuson彩色多普勒血流仪就可显示冠状动脉的主干及其分支。除此之外，在动态三维超声显示的立体图像上，通过计算机处理，可根据需要切割并除去浅层组织的回声，有利于对欲实施手术病灶的细致分析，可用于模拟手术。

参考文献

[1]罗建文， 白净. 超声弹性成像的研究进展[J]. 中国医疗器械信息 ， 2014，（05）

[2] 徐智章， 俞清. 超声弹性成像原理及初步应用[J]. 上海医学影像 ， 2013，（01） .

[3] 罗葆明. 乳腺肿瘤超声鉴别诊断新方法——超声弹性成像[J]. 中国医疗器械信息 ， 2006，（09） .

成像技术 第4篇

1 资料与方法

1.1 实验对象:

2014年12月2015年8月期间, 实验对象为10名男性健康志愿者, 此类患者群体中均为右利手, 文化程度均在大学学历以上, 志愿者年龄在20~32岁。在实验操作之前需要签订知情同意书, 对志愿者进行简单训练与任务分配。

1.2 实验方法:

试验对象需平躺在磁共振检查床上, 志愿者需要将手放在身体两侧, 使得自身处于放松状态, 液晶眼镜需要选取人体神经功能刺激专用设备, 根据眼镜屏幕指示动作信息在扫描过程中保持头部位置不变。科学进行刺激程序编写, 软件以Presentation为主, 试验模式为信息提示-任务执行模式, 首先对外呈现准确CUE信号信息, 预示准备运动应该开始, 在一定时段延迟后则可呈现准确GO信号信息, 试验对象应按照CUE提示信息进行拇指和四指对指运动, 在对指运动过程中, 依次包含了左手准备内容、右手准备内容和左手运动内容以及右手运动内容, 相邻刺激间隔时间相对比较具有随机性, 一般在为3~7 s。

1.3 图像后处理过程与融合过程:

将图像进行PC导出, 而后处理环节中应运用AFNI软件和FSL软件以及AMIDE软件进行相关细节信息处理, 上述三种软件均可在互联网中进行免费下载。

1.3.1 基本功能图像分析:

首先运用AFNI软件进行FMRI操作分析, 其先后处理内容共分为头动伪影矫正内容、空间平滑内容和去除头皮内容以及颅外影像内容, 之后在此基础上依次进行反卷积运算分析操作和多重线性回归分析操作等, 以此完成统计参数图信息获取。需要预先设定阈值F值, 其为2.5, 而其自身对应P值应为2.0×10-4, 对相关初级运动区和辅助运动区F检验激活图内容信息进行合理提取, 得出最终结果。

1.3.2 纤维束追踪分析:

追踪软件以FSL软件为主, FS软件中联通性概率指数算法为主要跟踪手段, 追踪模式路径追踪模式主要范围为双感兴趣区域, 第一步就是按照解剖标志对大脑脚区域和M1区域以及SMA区域等加以划分, 将大脑脚作视为基本种子区域, 之后追踪过程中则会陆续经过M1区纤维和SMA区纤维。应该了解到, 双感兴趣区域限制状态下, 在同时经过目标区域和对应种子区域状态下才能将所需纤维要素追踪出来。

1.3.3 图像空间标准化和图像空间平均分析:

由于被试验人员身体性质各异, 不同人员自身大脑形状和相关扫描层面均存在不同点, 所以平均图像操作初始阶段需要对个体图像内容分别进行空间标准化处理。将TI作为具体加权图像的标准模板, 对单体被试人员图像均进行对应标准空间位置匹配, 在标准化操作完成后, 原定体素规格为1 mm×1 mm×1 mm, 之后将AFNI用于实际操作, 分别对被试者群体自身信息图像加以算术平均, 算术平均环节结束后获取功能激活图像信息内容和纤维束平均图像信息内容。

1.3.4 图像融合:

三维解剖图内容和功能激活图内容, 此时需要合理运用AMIDE软件对二者进行融合, 而融合对象即为两种运动纤维图, AMIDE软件优异性尤为明显, 其可对图像逐体素加以叠加, 而后续叠加空间位置则应按照之前原始图像基础性空间信息而获取。需要注意的是, 在T1加权图像中, 需要对不同种类被试激活图内容和M1区范围内纤维图内容以及对应SMA区范围内纤维图内容进行读入, 最后才是叠加, 当叠加操作完成之后, 应按照图像种类的不同而设置不同种类的伪彩, 只有这样才能在一定程度上进行多平面重建和三维重建。

2 结果

试验个体脑激活图像、白质纤维束图像和脑解剖图像的融合图像最终形成, 试验过程中的志愿者平均图像均得以合理生成, 通过平面重建方案和三维重建模式, 自愿者本体皆会观察M1区激活和SMA区激活, 处在两侧区域内M1区激活位置一般情况下都处于中央前回位置处和中央沟中部位置处, 被激活区域范围内两侧可以明显观察到下行传到纤维。需知, 原有M1区纤维束呈细小状态, 其发散位置主要为中央前回偏内侧位置处, 再而就是途经半卵中心位置和对应内囊后肢位置处, 最后才能达到大脑脚位置。与前者不同, SMA区激活主要由第一额回内侧开始, 从此类区域外侧处进行下行纤维发送, 一般呈绿色, 其形状狭窄宽长, 通常位于半卵圆中心M1区纤维的正前方位置, 基底层面则需整体贯穿, 主要分为内囊膝部和前后肢, 之后才是大脑脚, 并不断前移直至M1纤维腹内侧位置。SMA区纤维核心段始终处于纤维正前方位置, 上述两种纤维路径行走过程中绝大部分存在一定轻度重叠。

3 讨论

因为AMIDE软件针对纤维图融合模式和激活图融合模式采用的简单叠加方案, 所以融合图像最终准确性和融合图像最终可靠性等均在一定程度上取决与FMRI激活可靠与否以及DTI追踪效果。应该了解到, SMA区域和M1区域二者均会发出纤维汇入锥体束, Morecraft运用神经示踪法进行皮层运动研究, 其发现M1区范围内纤维呈弓形态势, 之后再半卵圆中心逐渐向壳核位置递进, 下行方位中会进行内囊后肢过度, 范围限制标准为2/4~3/4。纤维下降行为进行过程中会有序越过对应尾状核头, 最后则需合理穿过内囊前肢位置和对应膝部位置。

SMA区和M1区实际上归属于初级运动皮质范畴之内, 并与运动准备关系和运动执行关系尤为密切。此次试验手指运动任务为运动皮层激活, 而不同位置的手指运动皆与本次研究结果达成较高吻合。本次研究追踪信息均源自M1区线性纤维两侧中央前回内侧位置处, 也就是我们通常所说的脚对应区, 但是手对应区纤维发出结果并不能正确显示。此种情况产生的主要原因是由于手对应区纤维与纵束之间呈垂直交叉态势, 当前DT1追踪算法中, 基础性较差纤维追踪效果仍旧不尽人意。还有就是此次试验磁共振机规格类型为1.5T, 扩散方向数量为6, 加之前运动区汇入椎体束纤维数量相对较少, 因此前运动区下行传到纤维追踪效率不佳, 所以此时我们只对效果相对良好的M1区和SMA区进行整体纤维融合内容信息显示。

参考文献

[1]崔世民, 韩彤, 刘力, 等.应用扩散张量和功能磁共振成像技术探讨皮质脊髓束与肌力的相关性[J].中国现代神经疾病杂志, 2005, (3) :

[2]麦筱莉.手运动相关脑功能皮层功能磁共振成像原理及临床应用[J].中国医学影像技术, 2004, (2) :

[3]顾云, 臧玉峰, 翁旭初, 等.次级运动区参与外源性触发的利手和非利手单指运动[J].科学通报, 2003, (10) :

光显微成像系统自动对焦技术的研究 第5篇

自动对焦技术是精密光学仪器中的关键技术。随着科学技术的发展和应用要求的提高，对具有精度高、速度快和稳定性好的自动对焦技术的需求越来越迫切。针对以上问题，基于显微镜系统简要介绍自动对焦技术，并提出一种快速离焦深度计算方法，不但减少了估计离焦量的计算量而且不需改变光学系统内部参数，尤其适合显微对焦系统。同时还提出结合型的对焦新方法，实现高效率、高精度的对焦。

关键词：

显微镜； 自动对焦； 离焦量估计

中图分类号： TG 115.21文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.010

Abstract：

Autofocusing is the key technologies of precision optical instrument. With the continuous development of science and technology and improved application demands， it is more and more urgent to develop an autofocusing with high precision， fast speed and good stability. This paper introduces the autofocus techniques based on microscope and proposes a fast depth from defocus （DFD） method which reduces the computation. And the method doesn’t need to change the intrinsic parameters of the optical systems， which is especially suitable for microscope systems. And the paper comes up with a new combined method， which can realize autofocusing with high efficiency.

Keywords： microscopes； autofocusing； estimation of defocus distance

引言

显微镜是景深很小的一类光学系统，快速准确地实现自动对焦有很大的难度。随着科学技术的不断发展和应用要求的不断提高，进一步研究自动对焦技术，提高精度、效率和稳定性，有着非常重要的现实意义。1993年，Subbarao等发表了Focusing Techniques一文，其在自动对焦领域有着很大的影响，为对焦评价函数研究奠定了理论基础[1]。目前形成的主要方法有测距法、焦点检测法、基于图像处理的自动对焦方法。测距法[2]主要有红外线测距法和超声波测距法[34]，焦点检测法主要运用于单反相机，其中最后一种自动对焦方法包括对焦深度法（depth from focus，DFF）和离焦深度法（depth from defocus，DFD）。山东大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等也对自动对焦系统进行了深入的研究[57]，并且开发的自动对焦技术在实际中，如投影系统[8]、红外成像系统[9]得到了应用。本文主要介绍基于图像处理的方法，并结合上述两个方法的优缺点提出一种全新的算法，使自动对焦技术的性能得以优化[10]。

1对焦深度法

对焦深度法主要包括三个核心问题：对焦评价函数的选取，对焦窗口的选择和搜索算法的布置。

在对焦系统中，对焦程度越高图像的清晰度越清晰，反之则模糊。空间域上表现为相邻像素的特征值变化较大，频率域上表现为图像频谱的高频分量多，数学统计角度上表现为图像像素的方差较大。理想的对焦评价函数应满足以下特点：单峰值性、单调性、斜率绝对值较大以及计算量小。常用的评价函数有梯度评价函数、频谱评价函数和统计学评价函数。梯度函数用来提取图像的边缘信息，对焦程度高的图像更清晰，呈现出更明显的尖锐边缘，图像具有更大的梯度函数值，常用梯度函数有Brenner函数、Tenengrad函数、拉普拉斯算子函数和能量梯度函数；频谱评价函数中给出了离散余弦变换和傅里叶变换两种函数，提取出图像中的高频分量作为评价函数；统计学评价函数中主要有Masgrn函数、Range函数、Menmay函数以及应用最为广泛的图像灰度方差函数。

对焦窗口直接影响对焦算法的计算量、复杂和精确度。对焦窗口过大则计算量大，而且会包含过多的背景信息；若对焦窗口过小，虽然计算量小但容易受到噪声的影响，并且包含的图像信息量过少也不能达到评价效果。最合适的窗口应该是使对焦评价函数满足单峰值性且有一定斜率大小的最小的窗口。当对焦评价函数出现两个或两个以上的峰值时，很容易导致对焦失败，这时可采用多个对焦小窗口。首先把整幅图像按一定规则分成多个图像块，然后从众多的小窗口中识别出干扰区域，选出最合适的一个或几个小窗口作为最终对焦窗口。同时考虑到对焦精度，也可选择多个对焦评价函数值相对较大的小窗口作为对焦窗口。

搜索算法用于找到质量最好的图像。常用的是“盲人”爬山算法，即：首先设置一个较大的搜索步长，然后通过比较在两点的评价函数值确定搜索方向，直至越过曲线最高点；若当前获取的图像评价函数值小于前一幅图像的，则第一轮搜索结束。改变搜索方向，按同样的程序进行第二轮搜索。如此，进行几轮搜索过程后便可找到评价函数曲线的最大值。但固定步长搜索易受到局部峰值的影响，也容易降低对焦的精度。新提出的四分搜索算法策略，搜索步长随着搜索位置靠近评价函数峰值位置而减小，不但缩短了搜索次数，而且可以一定程度上避免局部峰值的影响，也提高了对焦稳定性。

2离焦深度法

离焦深度法是一种从离焦图像中获取目标物体在光学系统中深度信息的方法。

在离焦成像系统中，如图1所示，光学系统的离焦量和圆孔衍射效应以及成像传感器效应决定了图像的模糊程度。光学系统的点扩散函数[13]就是综合这几点影响因素而形成的，它描述了点光源在成像传感器平面上的成像函数，比较常用的有圆柱形点扩散函数和二维高斯点扩散函数。

对于仅改变镜头成像平面的距离获得的不同图像，对应点的模糊参数之间是线性关系的，因此若求得两幅图像之间的模糊差异，也可求出物体的深度l。

目前离焦量的计算有好几种方法。其中冯华君[4]提出了两种离焦量计算方法：第一种方法是先检测出离焦图像的模糊边缘，根据模糊边缘的变化求得模糊参数σ，进而利用前面所述原理求得物体深度；第二种方法是通过比较两幅离焦图像中对应区域离焦程度的变化，进而求得物体的深度。另外，也可用多项式来近似描述聚焦图像，求出一幅离焦图像的模糊参数σ，进而求出物体的深度信息[5]。但此方法涉及对图像进行微分和高阶矩的计算，对噪声比较敏感，因此鲁棒性不高。而且图像不一定都能用三阶多项式来近似，必须先对图像进行相应的滤波处理，这样也会降低算法的精确性。

本文提出了一种快速离焦深度计算方法，通过改变物距和像距来实现自动对焦，不涉及复杂运算，减少运算时间的同时提高了运算效率。

3结合对焦深度和离焦深度的自动对焦

由于对焦深度法对评价函数的要求很高，同时离焦深度法的精度较低，故结合这两种方法的优点，提出一种新的具有高精度高效率的对焦方法，即：利用离焦深度法可先确定对焦范围，再利用对焦深度法保证最终的对焦精度。整个过程分为两个阶段：粗对焦和细对焦。粗对焦过程中首先利用离焦深度法计算目标物体当前的离焦量，然后把这个离焦量作为参考依据设计搜索步长，搜索过程直至估计的离焦量小于预先设定的阈值为止，粗对焦过程结束。接着采用对焦深度法进入细对焦过程。结合型方法中，首先采用大步长搜索，大大减少搜索次数，提高了对焦效率，而且大步长的搜索策略还可避免评价函数局部峰值的影响；其次，靠近对焦位置区域采用精度高的对焦深度法进行对焦，也保证了该方法的精度。

4结论

本文对显微系统的自动对焦技术进行了概括和总结，并提出了一种快速离焦深度计算方法和新型自动对焦技术，并对此方法进行了实验。结果发现，对于不同目标物体，估计值非常接近，说明该法通用性好，可适用不同的目标物体；而且离焦量估计值随真实值增大而增大，两者之间近似呈线性关系，说明该方法在定性分析上的正确性，为实现快速自动对焦提供了可能性。

参考文献：

[1]SUBBARAO M，CHOI T，NIKZAD A.Focusing techniques[J].Journal of Optical Engineering，1993，32（11）：28242836.

[2]王兆远.照相机：原理、结构、设计基础[M].北京：机械工业出版社，1991：293313.

[3]冯华君，王兆远.红外能量法二点式自动对焦系统[J].现代照相机，1992（4）：17.

[4]冯华君.反射能量法测距聚集系统及其重叠设计法[J].光电工程，1998，25（2）：4853.

[5]刘煜.高分辨率CCD卫星相机自动调焦的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，1993.

[6]冯华君，毛邦福，李奇，等.一种用于数字成像的自动对焦系统[J].光电工程，2004，31（10）：6972.

[7]杨少波，谢铁邦.曲面成像的自动聚焦方法研究[J].计量技术，2004（9）：1619.

[8]邱胜根，周杰，刘旭，等.阵列像素器件投影显示系统中自动对焦评价函数研究[J].光学学报，2004，24（4）：460464.

[9]李文恩，陈海清等.红外导引头成像光斑图像处理及自动聚焦[J].量子电子学报，2003，20（3）：364369.

[10]马鹏川，杨波，唐舰.一种自动对焦算法的优化[J].光学仪器，2013，35（2）：2631.

红外偏振成像技术研究 第6篇

关键词：红外,偏振成像,目标探测

红外成像技术由于具有被动工作、目标识别能力强、全天候工作等特点,应用广泛。目前大部分红外成像技术是通过探测目标与背景的红外辐射及反射,实现目标的识别和探测。

红外偏振成像技术除利用目标场景的辐射及反射强度信息外,还利用目标景物辐射及反射的偏振度信息,提高成像系统在复杂背景下目标的探测和识别能力。通常,人造物体具有不自然的光滑表面,它们辐射及反射的偏振特征性能较强,自然背景表面粗糙,辐射及反射的偏振比较弱。红外偏振成像探测可利用人造目标与自然目标的红外辐射偏振特征的差异来提高目标识别效果。使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检出有用的信号,以成像方式显示隐藏的人造物体,可应用于人造目标的探测识别,具有广阔的应用前景[1-3]。

1 基本原理

红外偏振成像是在红外热成像的基础上,利用光的偏振特性获取景物(目标与背景)红外偏振图像的。描述光波偏振态的方法有两种:一种是琼斯矢量表示法;另一种是斯托克斯矢量(Stokes)。前者不适用描述光的任意偏振态,而后者可描述完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光,采用斯托克斯参量表示如下

式中,s0,s1,s2,s3为斯托克斯矢量符号表示,下脚标RCP表右旋圆偏振,LCP表左旋圆偏振;s0为入射总光强;s1为水平方向的线偏振分量;s2为45°方向的线偏振分量;s3与左右旋的圆偏振有关。由于斯托克斯参量表示法有四个独立的参量,最少需要四个方程才能解出目标点的斯托克斯参数。但在自然界,目标场景的圆偏振分量很小,所以通常假定s3=0。因此实际测量时,只需要测出三个不同角度的线偏振分量光强,即可解得Stokes参量和偏振状态。光学元件对光偏振性的改变可用穆勒矩阵表示。理想的线偏振器的透过轴与X轴成θ方位角,出射光的斯托克斯矢量S'可由偏振器件的穆勒矩阵左乘入射光的斯托克斯矢量S得到,即

出射光强表示为

所以通过对目标测量三次(不同偏振角)得到三个方向(如0°、60°、120°三个偏振角)的线偏振光强度Iθ,即可计算得到Stokes的三个分量,从而得到整个目标的偏振度和偏振角,表征目标的特性[4,5,6]。

偏振度、偏振角可用Stokes参量表示如下

对目标场景光波的偏振态分解、扫描、角度编码后,从探测器每个像元的光强响应中,可解算出景物光波的偏振信息,形成Stokes参量图像,即S0图像、S1图像、S2图像,进而得到描述景物偏振态的P图像和θ图像。

2 红外偏振成像装置实验系统

偏振成像系统对目标探测识别研究主要集中在三个方面:(1)采用偏振片或其他方法对目标偏振态进行分解、扫描、角度编码;(2)从探测器的光强响应中解算出目标的偏振信息,将偏振信息可视化;(3)偏振图像(融合)处理,提取目标特征。

偏振探测方法有多种,目前较常用的主要有:旋转偏振片型、分振幅(波前)型、液晶调制型等。分振幅(波前)型光路调节困难,偏振微透镜阵列制作难度高;液晶调制型对光的损耗大(尤其对红外)、电调制噪声大。因此,对于目标偏振探测技术研究,目前最常用的方法是旋转偏振片型方法。

红外偏振成像系统主要由望远物镜、红外偏振片、红外滤光片、聚焦透镜、驱动电机、红外焦平面成像器件(FPA)、计算机控制与图像采集系统等构成,如图1所示。

红外偏振成像系统的工作过程如下:通过计算机发送指令给驱动电机,由驱动电机带动红外偏振器和红外滤光片旋转到指定位置,目标图像经过望远镜、红外偏振片、红外滤光片、聚焦透镜聚焦到探测器上。红外偏振片需要旋转4个偏振态位置,对4个位置分别成像,通过数字图像处理,解算出目标的偏振信息,提取目标的红外辐射特性,实现红外场景目标的偏振成像探测[7,8]。

3 红外偏振成像的特点

红外偏振成像与红外热成像比较, 其优势主要有:(1)偏振成像利用偏振度与偏振角进行识别,偏振度是不同偏振态的辐射强度值之比,无需准确的辐射量校准就可以达到相当高的精度。在传统的红外热成像中, 定标对于红外热成像的测量准确度至关重要;(2)红外偏振成像识别地物背景中的车辆目标具有明显的优势。研究表明,自然环境中地物背景的红外偏振度非常小, 而金属材料的红外偏振度相对较大, 因此以金属为主体的车辆的偏振度和地物背景的偏振度差别较大, 这有利于提高目标与背景的对比度;(3)通常的红外防护对于红外偏振成像侦察失效。红外防护主要是制造复杂背景,使红外系统无法从背景中区别目标, 但是这种杂乱的热源和目标的偏振特性存在差异,无法达到红外防护的目的;(4)对于辐射强度相同的目标和背景,红外成像无法区别,而红外偏振成像可以很好地区别。

尽管红外偏振成像技术有诸多优点,它也存在部分问题需要深入研究:(1)通过偏振片的目标场景红外辐射能量存在很大损失,损失的红外辐射对系统成像质量、成像灵敏度、探测距离等的影响有多大,以及如何采取措施尽量消除或减小这一影响;(2)系统加上偏振片以后,以及在偏振片同步旋转过程中,会在一定程度上影响到目标温度场的分布以及对探测器温度稳定带来一定影响,并最终影响到系统成像质量。因此,在红外偏振成像技术研究过程中,必须考虑如何解决这些问题[9]。

4 红外偏振成像的国内外研究现状

国内外进行了热红外偏振成像的理论和大量的实验研究。美国BAE Systems高级技术中心对偏振成像探测技术的应用开展了许多研究工作,取得了大量试验数据。2005年美国研制了分振幅(波前)型的偏振成像仪,它是偏振探测的新技术代表;英国Thales光学有限公司开展了红外偏振成像探测研究,利用长波偏振热成像仪与普通热成像仪进行了比对试验研究。

随着红外热像仪的发展,近年来国外红外偏振成像设备都采用了面阵红外成像器件(如图2)。测量不同偏振方向红外偏振辐射的方法有两种,一种是直接旋转偏振片;另一种是偏振片固定,旋转1/4波片。

美国的Cooper等人进行了舰船目标和海面背景的成像试验,发现目标与背景的水平偏振度的对比,在长波红外波段远强于中红外波段。Y Aron等人将红外偏振成像应用到了红外前视仪中, 提高了前视仪的信噪比。他们对车辆和帐篷进行了野外实验。图3是试验得到的红外图像与红外偏振图像,成像效果差异非常明显,在红外偏振图像中,目标的边缘和细节特征更加突出[10,11]。

近年来,国内一些研究机构,如中科院上海技物所、中科院安徽光机所、西安应用光学研究所等,跟踪国外偏振成像技术的发展,研制了相关产品,如偏振成像仪、三通道航空偏振成像仪等用于航空航天遥感探测。作为近十年来发展起来的一项新的成像技术,对伪装及隐身目标探测的研究刚刚起步,目前国内文献报道还较少。

5 结 论

医学超声成像前沿技术述评 第7篇

近年来, 随着计算机、信息技术、电子技术、新型压电材料等高科技的迅速发展和临床诊断及治疗的需求增加, 医学超声成像新技术层出不穷, 医学超声成像系统向更高层次发展, 图像品质日趋完美。本文将讨论医学超声成像系统中若干前沿技术。

1 数字化波束形成技术

波束形成器是超声成像系统中的关键部件, 其性能直接影响成像的质量。波束形成技术一直是超声成像领域研究的热点问题。上世纪90年代, 由于高速、高分辩率ADC和VLSI技术的快速发展, 数字波束形成技术在实时超声成像系统中实用化并很快占据主导地位, 使医学超声成像技术跨进全数化时代。

数字波束形成技术以数字延时替代模拟式波束形成器中的LC延时线来实现波束聚焦, 即以数字延时补偿替代模拟延时补偿[1,2]。数字延时不仅能实现精确延时补偿, 实现所谓逐点跟踪式动态聚焦, 还能方便地实现动态孔径、动态变迹控制, 克服模拟式延时补偿存在的诸多固有缺点, 通道数增加不受限制, 使图像品质 (包括空间分辩率、时间分辩率、对比分辩率和信噪比等) 得以全面提高。

图1是广泛使用的基于均匀采样的一种采样-延时-求和数字式波束形成器。这个方案要求有足够高的数据采样率, 至少是发射声波频率的8倍, 最好是发射频率的16倍或32倍, 并要求ADC有足够高的分辩率, 如10 bit或12 bit以上。高采样率、高分辩率的ADC不仅价格昂贵, 同时导致数字延时存储器的速度与容量相应增加。

一种改进的方案是采用基于基带解调的波束形成器, 就是先用Hilbert变换将射频回声信号解调为基带信号, 再作数字延时。这个方案容许数据采样率降低至发射频率4倍, 其代价是每个通道必须进行复杂的信号处理 (用Hilbert变换实现解调和用CORDIC算法实现精确的相位旋转, 以满足数字延时精度要求) 。

以上两种常用方案均要求每一通道需要有一只高bit ADC、数字延时存储器和一个插值器 (或相位旋转处理电路) 。这类方案硬件的复杂性使得其不适用于轻便型的超声成像系统或多维阵列系统 (配置二维阵列探头的成像系统) 。

之后出现了多种降低硬件复杂性的技术方法, 如稀疏-阵列 (Sparse-Array) 技术、合成-孔径聚焦 (Synthetic-Aperture Focusing) 技术、∑-△调制 (SigmaDelta Modulation, SDM) 技术等。其中最受关注并应用于多维阵列系统的是∑-△调制技术 (也称∑-△采样) [3]。

图2是基于SDM技术的波束形成器。该技术采用时钟率非常高的1bit∑-△A/D转换器, 即采用过采样技术, 时钟速率通常是发射中心频率的32倍至64倍, 也就是在400MHz以上。基于∑-△采样技术的波束形成器具有以下优点:过采样∑-△A/D转换器采用过采样技术与∑-△调制器的噪声整形技术可对量化噪声进行双重抑制, 使基带内信噪比大为提高;高速率的采样能够获得更为精确的聚焦延时;1 bitA/D与SDM信号处理能由简单的硬件实现, 能将通道数非常大的波束形成器以及其他的数字处理电路集成在一只芯片上, 极大地提高了系统的集成度和稳定性。现已出现多种提高或改善基于∑-△采样技术的波束形成器性能的技术方法, 如基于块处理技术的SDM波束形成器。

2 实时三维 (3D) 超声成像技术

三维超声成像经历了从静态三维–动态三维–实时三维的发展历程。实时3D是超声技术领域的新突破, 已证明其在心脏、妇产科等方面有非常重要的临床应用价值。

实时3D成像处理的关键技术是高速数据采集和超大数据量的高速运算能力。容积探头是解决高速数据采集的重要途径[4]。要达到实时显示三维超声图像的目的, 每秒钟最少应获取16个以上的金字塔形三维图像数据, 而每个金字塔形三维图像数据至少应由6030条扫描线的数据构成, 即每个金字塔内有30个扇形切面, 每个切面至少应有60条扫描线。因此, 要求每秒钟最少要获取28800条扫描线的数据。这是实现实时3D成像最大的难题[5]。

二维阵列探头 (矩阵型排列换能器) 是解决高速数据采集的重要途径。目前已有9696个正方形阵元组成的容积探头在临床中应用, 探头内有150多个微型电路板来控制这种多阵元的工作并实现同系统的连接, 采用16条声束同时在不同方位进行发射, 实现多波束发射与接收的金字塔形容积扫描。配置此容积探头的系统的关键部件是基于∑-△采样技术的1280通道数字波束形成器。

最近, 一种用纯净波晶体矩阵阵列做成的经食道的容积探头已进入临床应用, 在超声波诊断史上首次让人们见到实时的三维心脏图像。实时三维经食道成像法可让外科医生直接观察活动中的心脏图像, 这对于心脏手术方案的决定, 对于心脏治疗中、手术中的监视, 对于治疗、手术后的评价能够提供更加精确的帮助和支持[6,7]。

配置矩阵阵列容积探头的系统价格昂贵。一种较低成本的电子–机械复合扫描型容积探头 (如图3所示) 目前已被更广泛的应用。这种解决方案对三维数据的采集是在Z方向用机械方式使电子扫描的一维阵列探头作机械扫查来实现的。机械扫查所需的各种机构全部安装在探头中, 由系统对机械扫查进行精确控制。临床证明这类系统的实时三维图像清淅、无畸变, 三维位置与体积测量准确。

3 超声弹性成像

弹性成像是一种新的超声成像模式, 它不同于B型成像或彩色多普勒血流成像模式, 这些模式显示的是组织解剖结构信息或血流动力学信息。弹性成像显示组织的弹性 (硬度) , 即用图像显示出伴随病变发生的组织硬度变化。

对组织施加一个内部 (包括自身的) 或外部的动态/静态/准静态的激励, 在弹性力学、生物力学等物理规律作用下, 组织将产生一个响应, 导致描述组织弹性的物理量发生一定改变, 通过检测这些变化了的物理量, 可以估计出反映组织内部弹性属性的弹性模量等差异, 并以图像显示。

超声弹性成像已经经历两代发展历程:

第一代:静态方法, 属于压迫性弹性成像

通过给生物组织施加一定压力, 比较组织受压前后的变化得到一幅相关的压力图或应变图。有手动加压, 血管弹性成像与心脏弹性成像等类型。

第二代:动态方法, 动态超声弹性成像有两种类型。 (1) 外加低频振动源通过在体外施加一个低频振动源, 使生物组织内产生瞬时剪切波, 使用互相关方法估计剪切波传播的横向位移和纵向位移。

(2) 利用超声辐射力利用声学射频压力诱发局部内部振动并追踪组织运动。有以下不同的技术方法。

①剪切波弹性成像 (SWEI) , 成像参数:剪切系数。

②声辐射力激励成像 (ARFI) , 成像参数:组织轴向位移;剪切波速度。

③超声剪切成像 (SSI) , 成像参数:剪切波速度。

临床应用证明, 利用超声辐射力方法的超声弹性成像适用于乳房、前列腺、甲状腺、肝肿瘤良恶性辨别、动脉粥样斑块、心肌动力学以及高强度聚焦超声与射频消融引起的损害的检测与评估。

超声弹性成像正在发展成为继B型成像 (上世纪60年代出现) 、彩色多普勒血流成像 (上世纪80年代初出现) 之后第三种用于临床诊断的超声成像模式[8]。

4 其他新技术

4.1 谐波成像技术

同传统的超声波成像 (基波成像) 相比, 谐波成像具有便于无回声组织 (如心腔, 胆囊) 的成像, 皮下脂肪层造成的伪像小, 肋骨狭窄引起的伪像小等突出优点, 因而特别适用于某些由于肥胖、肺气过多、肋间间隙狭窄、腹壁过厚造成的困难成像病人的成像, 扩大了超声临床诊断应用范围[9]。

从成像技术上看, 已商品化的组织谐波成像方法有滤波法、脉冲倒相法 (也称相位反转法) 、新功率调制法 (也称谐波增强法) 、差分组织谐波成像法、单脉冲消除法等。

4.2 编码激励成像技术

数字编码超声技术是对超声脉冲进行编码和解码, 从而将数字化进一步前推到超声收/发前端。以编码发射替代传统的简单的脉冲发射方式, 可以克服传统发射方式所存在的某些问题, 如脉冲峰值功率高、信噪比低、穿透力差等。这些问题的解决不仅提高了B型成像和彩色多普勒血流成像的图像质量, 并使某些成像方式成为可能, 如B型血流成像。

已有多种二进制编码的编码激励在B型血流成像和彩色多普勒血流成像系统中获得应用, 如Barker码和Golay码。

4.3 实时复合成像技术

实时复合成像是指通过多次发射不同方向、或改变接收方向、或发射多个不同频率的声波, 然后对接收到的回波数据以某种规则加以融合的超声成像技术。实用的实时复合成像技术有以下方法: (1) 改变发射与接收传播路径; (2) 改变接收方向; (3) 改变发射频率; (4) 空间复合成像。

实时复合成像技术使成像视野扩大, 可减小斑点噪声和伪像, 提高图像清晰度, 提高对比分辩率。

4.4 B型血流成像技术

B型血流成像是最近出现的新的血流成像方法, 它是一种非多普勒血流成像技术, 因而它不存在像彩色多普勒血流成像 (CFM) 那样的一些缺点。

B型血流成像利用脉冲编码发射技术和组织均衡技术增强血管中血流回波信号的信噪比, 以提取微弱的血流信息, 并对血管壁的强回波信号进行均衡处理, 使血流和组织的显示灰度处于同一水平, 能同时对两者进行观察。目前的B型血流成像既能显示静脉血流, 也能显示动脉血流。

5 新型超声材料与超声换能器技术

5.1 新材料

新材料的研究与开发一直受到高度重视, 它是开发高品质探头的基础[11]。

压电复合材料具有声阻抗低、横向耦合弱、机电耦合强等突出优点。高性能探头正愈来愈多地用压电复合材料替代传统的压电陶瓷材料PZT。现在1-3连接和2-2连接的复合压电材料已广泛使用[9,10]。

近年来, (1-x) Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-xPbTiO3弛豫铁电单晶 (缩写成PMNT) 的成功制备为制造新一代高性能医用超声诊断仪的实现提供了可能。PMNT单晶比较均匀, 很少缺损和缺漏, 也没有粒子界面。对于这种晶体进行任意方向的极化时, 双极子的取向几乎完全一致 (接近100%) , 使得机电特性得到飞跃式提高。由于PMNT单晶的结构更为均匀, 其压电系数d33高达2000pC/N, 机电耦合系数k33高达94%, 而PZT的压电系数d33约为600pC/N, 机电耦合系数k33约为70%。电能转化为机械能的变换效率与传统的PZT陶瓷比较, 提高了80%以上, 其应变 (加电场时厚度的变化) 提高了10倍, 频带宽度有了大幅度的扩展。

PMNT弛豫铁电单晶被称为纯净波晶体, 采用纯净波晶体材料制成的探头称纯波探头。纯净波晶体技术飞跃性地提高探头的效率、灵敏度和频带宽度。PHILIPS公司最早采用纯波探头, 在其高端产品iE33上配置了纯波探头S5-1, 使得其超声图像质量有了突破性提高。目前PHILIPS公司有三个高端产品 (HD15、iE33、iU22) 配置了纯波探头, 其第五代纯波探头是经食道的矩阵阵列探头X7-2t, 能获得实时三维心脏图像。

此外, 一种全新的探头技术–电容性超微细加工超声波探头c MUT作为下一代探头备受瞩目。c MUT是利用最先进的半导体加工技术在硅片上通过纳米级空隙形成许多超微细振动膜, 在硅片和振动膜里独立地埋入电极, 在两电极间加电压, 使空隙内产生静电场。由于c MUT利用静电场进行机电能量转换, 称为静电容量型探头。c MUT具有良好的超微细结构与宽频带特性, 可将各种电路与探头做成一体化, 并可望获得更高的图像质量, 更易于做出高性能的矩阵阵列探头。

5.2 超声换能器技术

超声换能器设计与制造技术在以下方面也取得快速发展: (1) 宽频带、高密度探头技术; (2) 高频探头技术; (3) 多维阵列探头技术。

参考文献

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[2]孙建东, 周西峰, 郭前岗.基于DSP与FPGA的双核型高性能超声探伤仪.微计算机信息, 2010 (17) :55-56。

[3]Ho-San Han, et al.Hardware-Efficient Methods forElimination of Signal Distortion in Sigma-Delta-BasedUltrasound Beamforming, ULTRASONIC IMAGING31, 2009

[4]王新房, 实时三维成像-超声技术领域内的新突破, 中华超声影像学杂志, 2003年第12卷第一期

[5]斎藤雅博, バーチャルパルペーション (VirtualPalpation:仮想触診) , 超音波検査技術, Vol.33 (2008) No.6 pp.659-665

[6]嶋田都, PureWaveクリスタル.テクノロジー2DからLive3Dへ, 超音波検査技術, Vol.33 (2008) No.5 pp.565-571

[7]小笠原正文, 3D/4Dの最新技術動向，超音波検査技術, Vol.30 (2005) No.7 pp.594-598

[8]秋山真樹，超音波医学，Vol.30 (2003) No.4 pp.505-510

[9]町山晃, ハーモニック画像技術:組織ハーモニックと造影ハーモニック, 超音波検査技術, Vol.27 (2002) No.7 pp.495-501

[10]池嶋弘晃, ハーモニックイメージング (コントラストエコー法, ティッシュハーモニック) の新技術, 超音波検査技術, Vol.27 (2002) No.6 pp.425-428

全场流和震动成像技术 第8篇

该技术可用于石油天然气和矿产加工产业、水处理工程、食品与饮料、混合流体、汽车与航空以及微机械等领域。

该技术已经获得英国和PCT专利为诺丁汉大学所有, 希望寻求商业化合作伙伴和技术再开发伙伴。

技术成熟度:实验室成果

外方提议合作方式:技术转让、合作生产

(资料来源:中国国际科技合作网)

太阳光混合照明系统

由于建筑结构的设计局限和自然太阳光照角度的不断变换, 一般来说, 在有太阳的白天, 大楼房间内不同位置的光线不是太强, 就是太暗, 很难做到均匀照明。很多情况下仍然需要打开电灯才能满足人们工作或学习的需求。加拿大不列颠哥伦比亚大学物理系教授Lorne Whitehead开发了太阳光聚集和折射装置, 将太阳光均匀导入室内, 使得有太阳的白天, 室内不需要再打开电灯。如果没有太阳, 光照强度不够时, 该系统将自动打开电灯。太阳光聚集器由太阳能微型马达驱动, 不需额外电力, 且可随太阳角度的变换而转动。

通过示范项目的测算, 在温哥华3万平方英尺的建筑面积一年可节省3.6万度电。采用该技术每平米建筑面积仅增加1.5美元, 远比在设计上改造传统建筑, 增加白天采光效果, 而使每平米建设成本增加25美元要少得多。

根据测算, 晴天的比率在40%以上的地区就可安装该设备, 视不同地区晴天比率和电价不同, 投资回收年限为3-10年不等。

目前, 该技术由一外国公司买断使用权。该公司2010年获得加拿大可持续发展技术基金640万加元的拨款, 在全国兴建6个示范项目, 有2个已经建成。该公司希望寻找合适的、值得信赖的中国伙伴, 尽快将该技术商业化。

磁共振成像技术新进展 第9篇

关键词：磁共振成像,多源发射,多对比成像

磁共振成像设备自20世纪80年代初进入临床，走过了从理论到实践、从形态到功能、从宏观到微观的发展历程。其在中枢神经系统中的临床应用已成为疾病诊断的金标准，在骨关节、软组织病变的诊断中也有其独到之处。近年来，超高场磁共振成像设备的产生使磁共振脑功能成像、频谱成像、白质纤维束成像、心脏检查、冠心病诊断、腹部盆腔检查等都得到了突飞猛进的发展。磁共振新技术成像主要围绕磁体系统、梯度系统、射频系统及计算机及图像重建系统4大硬件系统及软件技术发展。

1 磁体

磁体是磁共振的核心部件之一，目前向着高场强、短腔磁体、开放式及专用机发展。2000年，美国FDA已批准全身3 T系统用于临床，4 T系统已得到FDA无明显危险的许可。7 T、9.4 T、12 T的磁共振成像设备已用于动物实验，目前1.5 T的磁共振系统最短磁体长度仅为1.2 m，超导开放式磁体的场强已达到1.0 T，基本所有超导磁体均为零液氦消耗。高场系统近年来占据的份额正在逐步提高。随着高、中场设备的技术不断移植到低场开放型设备，低场设备的功能与图像质量也在不断改善，成为MR设备中具有较高性价比的主流机型。各公司用于关节、心脏、乳腺、血管(特别是肢体血管)等部位的专用MR设备已陆续上市，MR设计理念不断更新，更多的专用MR陆续亮相，如适合特体肥胖患者检查的大孔径MR、肿瘤放疗专用MR、儿童专用MR、术中专用MR、超声专用MR及PET/MR等。降噪问题已成为所有厂家在磁体设计时普遍关注的问题，通过在磁体内置真空层、减少涡电流及应用缓冲材料，大多数设备的噪声水平可降至以往的40%左右。

2 梯度系统

高性能的全身梯度能够确保任意扫描野、任意序列启动最高梯度性能，是高性能磁共振成像系统的核心[1]。近年来梯度技术也有明显的发展，使用级联脉宽调制(PWM)功率级构成的增强梯度放大器可提供2 000 V输出电压，500 A输出电流，支持任意形状的梯度脉冲波形及各种高速、实时应用。使用目标场设计方法对梯度线圈电感进行优化，可实现高速通断、幅度更高的梯度线圈。对于全身应用，其梯度强度达到45mT/m，爬升时间升至200μs，切换率达到200 mT/(mms)。随着对梯度线圈更高的性能要求，对梯度线圈的长度、功率损耗、缓解刺激神经末梢及声学噪声等方面提出了更高的要求，采用智能化线圈控制、自动检测线圈位置、激活相应线圈，给临床应用带来了方便。

3 射频系统

(1)磁共振系统中的射频系统作为磁共振信号的激励和采集系统，对于磁共振技术的发展至关重要，是提高图像质量的关键系统[1]。磁共振图像质量的提高和很多因素有关，较直观的是主磁场强度的提高，通过提高B0来提升图像的信噪比，磁共振主磁场强度从0.15 T一直发展到目前的3.0 T、7.0 T，从理论上来说信噪比可以成倍的提升，但事实并非如此。由于射频系统的制约，高场强磁共振在发展初期就遇到了射频系统并不能很好地匹配的问题，使得图像质量的提高并不能达到设计期望，因此研发人员开始研制专门与3.0 T高主磁场强度所匹配的射频系统，该系统称之为RF-SMART或True form或OPTIX。不同的公司对其赋予了不同的商品名，但归根结底，其目的都是使B1场更均匀，SAR值更低。其主要技术为：采用短的发射体线圈设计，使B1场的发射效率提高，SAR值下降50%;全方位应用并行采集技术，使采集速度加快;不依赖于回波链的延长，扫描时间缩短，使整体SAR下降;使用脂肪抑制序列SPAIR和采集中的信号均匀技术CLEAR，使大范围的体部扫描图像信号更均匀。另外还有FAS技术，它是从射频翻转角入手，采用逐渐变化的射频翻转角，使整体SAR值下降。采用这些技术以后，使体部的图像得到了很大改观。

(2)射频系统的发展历程是一次和主磁场更好地匹配的发展过程，而射频通道平台及相应的接收线圈是图像质量和应用的保障。射频系统的线圈技术经历了线性极化线圈、圆形极化/正交线圈、相控阵线圈及全景化一体线圈(total imaging matrix,Tim)技术几个阶段。Tim技术的线圈单元如图1所示。多元阵列式全景线圈的发展十分迅速，支持并行扫描的线圈技术发展也很迅速，目前支持最优化的4、8、16、32、64个接收通道配置的多通道接收线圈，且支持3～4倍的图像采集加速、3 MHz带宽/通道的射频系统，模数转换器(ADC)速度极大提高，可进行全数字化采集(混频-滤波-模拟处理环节)。高性能的射频系统使得MRI图像的分辨率、扫描速度与对比度有了前所未有的质的飞跃。

(3)单源时代的3.0 T磁共振对射频系统进行了很多的技术改进，但由于单源正交发射的2个单元相位差是固定的，两者的功率、波形等都不能自由调整，所以目前的改进有一定局限性。多源发射技术解决了这一难题，从多个相位给予射频激励，其相位差可以是任意角度的，每个独立的射频发射源可以独立调整参数，根据患者实际情况智能化地调整各自的发射功率和波形，实现以患者个体为导向的射频发射模式，有效地解决了3.0 T固有的抗电效应和SAR问题，其结果是使图像质量更佳、速度更快，为乳腺和肝脏成像提供了更好的诊断图像。图2为2个发射源的射频发射架构。

4 计算机系统

4.1 采集技术

目前在1.5 T的磁共振设备上已配置真正的64位CPU及4CPU的阵列处理器;重建CPU阵列“引擎”最大可配置12 CPU系统，图像存储硬盘达到1.9 TB;DVD存储，单碟容量达到9.4 GB;256256矩阵，全视野采集，采集速度达到4 000幅/s。在3.0 T以上的高场磁共振设备上，其采集技术的发展更快。

4.2 重建系统

MRI系统技术的改进、系统实时能力的提高使现在MRI扫描采集和重建的数据量大幅度增加。现代脉冲序列和扫描技术设计集中于更高采集效率的方法。近年来，非线性K空间轨迹技术、K空间数据共享技术、不完整数据的采集及与并行成像技术有关的重建方法已广泛应用于临床。随着计算机技术的迅猛发展，目前重建速度已达到了4 000幅/s，实现了在线处理。

5 临床应用软件技术

随着磁共振成像系统硬件的发展，各种新软件层出不穷，充分显示了MRI在提前预知疾病、及早发现疾病、全面评估疾病、进行疾病治疗等全方位应用上的优势。

实时MR-DSA对全身任何部位的血管都能获得分辨率高于DSA的血管增强信息，实现超早期乳腺微小病变的诊断和鉴别诊断[2,3]。LAVA(VIBE、THRIVE)技术实现了腹部三维容积超快速多期动态增强检查，从而可敏感地发现早期微小病灶。磁共振频谱成像(MRS)已应用于临床的有31P、3He、7Li、13C、19F、129Xe、23Na频谱等。扩散张量成像增加了采集方向(55～256个方向)，主要用于脑白质三维的白质束成像。fMRI已经在高场设备上普及，可实时、多层显示脑功能性成像。MR心肌灌注成像(含应力性灌注成像)也在临床上广泛应用，采用K-空间螺旋采集的MRA可获得极好的冠状动脉显示。

实时-空间标记反转脉冲(time spatial labeling inversion pulse,Time-SLIP)测量技术可无损伤、较精确地研究人体脑脊液的流动，对脑脊液循环障碍疾病进行定量研究，如对脑积水疾病、ChiariI畸形等诊断具有非常的临床意义。

全身扩散加权成像(diffusion-weighted Imaging in the body,DWIBS)技术使病变与正常组织形成强烈对比度，可早期、全面地反映病变情况。其对于良、恶性肿瘤的区分、肿瘤与肿瘤性病变及肿瘤内坏死组织三者间的鉴别、转移瘤和淋巴结的筛查等具有重要的诊断价值。目前，DBIBS技术广泛应用于肿瘤筛查、肿瘤治疗疗效评估及肿瘤分期等。

磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)[4,5]对于微小的磁场非均匀性具有极高的敏感性，这种非均匀性主要来自去氧血红蛋白、血代谢产物、微量铁沉积等。相对于常规序列，SWI在实现高分辨三维成像的同时，对早期或微小的病变具有重要的诊断价值。其在临床上主要可用于微量急性脑出血、静脉系统高分辨成像、脑梗死区或脑肿瘤内的静脉及出血、神经退行性病变内铁的沉积(如Alzheimer病)等。

SPACE(sampling perfection with application optimized contrasts using different flip angle evolutions,SPACE)技术是使用高达200的加速因子,以相当于二维采集的超快速度进行三维采集,获得对比度极好的三维各向同性图像,并可通过重建,在任意层面方向上进一步显示,实现磁共振成像的容积扫描。SPACE为临床提供了前所未有的3D-T2WI和黑水成像,使解剖结构复杂的脊柱、内耳、骨盆等部位通过三维各向同性模式得以成像,对于消除金属植入物所引起的磁敏感伪影同样具有显著的作用。

多对比度成像是磁共振成像的另一种新技术，一次容积采集可完成4种不同图像对比的成像，包括磁共振水像、脂像、同相位像和反相位像，多对比度成像大大增加了磁共振成像在影像诊断中的应用价值。

6 结束语

磁共振成像新技术围绕磁体的开放度、成像范围，梯度的静音度、快速切换能力，射频系统线圈单元密度、并行采集能力和计算机后处理能力4个方面发展。随着这些硬件系统的发展，磁共振成像软件技术层出不穷，充分显示了MRI在提前预知疾病、及早发现疾病、全面评估疾病、早期治疗疾病中的优势。

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成像技术 第10篇

摘要：随着科学技术的不断进步与发展，3D成像技术在影视界已经炙手可热，这也使得3D成像技术的发展如日中天。而在3D成像技术不断发展的今天，3D电视、3D电影等都已逐步融入我们的日常生活，消费者们对3D成像技术产物的关注度也越来越高。这里根据3D成像技术的设计特点将其与传统招贴设计相结合，以此增强招贴的视觉冲击，达到更好的宣传效果。

关键词：招贴设计；3D成像；创意思路；表现方式

一、引言

（一）研究背景

招贴设计是当下各个行业都有涉及的一个大领域，户外广告牌、宣传海报、企业形象宣传招贴等都离不开招贴设计的应用。招贴设计的关键——创意思维与视觉表现，这些都是招贴设计中不可缺少的元素，根据这样的设计基础，加上创意表现，就能使其具有更强的传播力和感染力。20世纪90年代开始，3D成像技术就被运用于许多领域，如军事、医疗、模型制作等。直至2009年电影《阿凡达》的热映，3D成像技术才真正为社会大众所熟知，3D成像技术一跃成为受众眼中的焦点并不断发光发热。据美国消费电子协会及南加利福利亚大学娱乐及技术中心的一项联合调查显示，消费者对于3D立体视频的关注度正在日趋增长。调查结果显示，将近41%的观众都有观看3D电影的经历，在这41%的观众中有40%的观众承认，相比于2D平面电影，他们更倾向于观看3D立体电影，另外，超过半数的被调查者表示，必须佩戴专用眼镜来观看3D图像不会影响他们购买3D产品。3D成像技术的产物也越来越受到关注，3D电视、3D电影等已逐步融入大众的日常生活，越来越多的人开始追捧这个时代发展背景下的新兴产业。

（二）研究目的

21世纪是信息化、数字化不断发展的新时代，各行各业都需要与时俱进、不断创新。在设计领域，由于受众的喜爱，3D成像技术正在不断地被应用。招贴设计因制作简单、价格低廉、效果尚佳等特点成为大众日常生活中不可缺少的宣传手段，普遍被应用于各种场合。但是，招贴设计也存在着诸如表现方式缺乏多样性等问题，所以本文试图将3D成像技术应用于传统招贴设计，达到高科技与传统相结合的招贴展示的目的，以期给受众带来独特的视觉体验。

在本次招贴设计中，选用了中华文化的传统元素——脸谱、皮影、木偶及人形剪纸，希望能够挖掘及传达中华文化的博大精深。本设计共四张海报，每幅都是独立的个体，但相互之间又因中国传统文化而存在着密切联系。通过3D成像技术的运用，优化了海报内容的表现形式，希望通过简约的格调来向受众传递传承中国传统文化的主旨。

二、3D成像招贴设计的思路

（一）创意构思

在明确了招贴设计的设计要求、掌握了3D成像技术的特点以及查阅了大量相关资料的基础上，本次设计的思路便大致形成，内容如下：

首先是定位。设计基础中提到设计应符合风格的统一性、强化视觉冲击、增强民族个性与尊重民族风俗、可实施性、符合审美规律、严格管理等原则。考虑到传统元素主题的招贴设计作品不在少数，缺乏新意。本次设计便确定结合3D成像技术在电影中的视觉效果，通过Photoshop等系列绘图软件的操作，将3D成像技术应用在招贴设计的表现中，以此达到比传统招贴设计更强的视觉冲击效果，同时体现了传统与创新的完美结合。同时为传承及发扬中华名族传统文化，展现中华名族传统文化“刚柔并济，博大精深”的特点，本次设计将选择四种中国传统文化元素。既然确定了素材的选择方向，接下来就是敲定素材。因为采用的是3D成像技术，所以在选择素材时尽量选择主体明显的元素，方便后期设计的视觉表达，这里采用的是脸谱、皮影、木偶及人形剪纸。它们都是中华文化的发展产物，符合本次招贴设计的选材范畴，在设计的过程中也可以做到以个体的形式单独存在，同时它们之间又是以人物形态相互联系的，所以最终选择了这四个元素。

其次是推敲。因为本次设计采用的是3D成像技术所以对视觉冲击的效果相比传统招贴应更需要注意。对比浅色背景与深色背景的视觉传达效果，最终我选择了深色背景为主色调，将其与敲定的素材进行融合，以此来凸显主体物。接着设想对比不同的排版。因为招贴设计的目的就是为了更好的宣传，所以它的排版必须以主体物为首。将色彩、图形、文字、造型等的结合做到合理，以体现出设计的多样性使其在设计中能够脱颖而出，这些都是需要进行不断设想对比的。然后选取经过反复推敲对比后最可取的方案。在色彩的对比上深色能够更好的做到抓住受众的眼球；除此之外，我还对主体的方案选择上进行了推敲，从一组形象到单一的主体形象，比起一组人物形象的排版，单一的形象更为突出，更能吸引注意力；另外，在色彩的安排上也尽量做到和谐、统一。

最后是将其与文案结合，完成统一。在本次设计中采用的文案没有多余的字眼，只是简单将主体物进行解释说明，以此达到向受众直接宣扬传统文化的目的。其吸睛效果弱于主体物，却又是招贴中必不可少的一部分，让受众在接收主体物信息的时候能够对它有更直观的了解。

（二）3D成像招贴设计的表现方式

此次设计是平面系列招贴，共四张，它们每个都以个体形式单独存在，然而相互之间又是以人物形态这条线索联系的。本次招贴的目的在于宣扬及传承中华民族的传统文化，所以它在表现上应做到突出主题、简约大方。本次设计主要采用了直接展示法、突出特征法和以小见大法。

直接展示法是大部分设计都会运用的方法，这个方法可以直观的将设计的主体物展示在受众眼前。在传统招贴设计中都是将某产品或主题直接如实地展示在广告版面上，以此来渲染产品或主题。而在结合3D成像技术的背景下，本次设计在表现手法上也应该有适当的改进，在运用直接展示法的时候在主体物的选择上需要选择有代表性的单一元素，比起一组元素这更容易引起受众注意。

如在本次设计中，我将设计的主体物——脸谱、皮影、木偶及人形剪纸都直接向受众传播表达，比起传统招贴的全面性表达更加直观，并在色调的选择上更加具有冲击力。

以剪纸文化和脸谱文化的设计为例分析。剪纸文化是一种镂空艺术，也是中国汉族最古老的民间艺术之一。在本次设计的过程中，与传统招贴设计的思路一样，文案的造型设计上也采用了镂空的表现方式，直接向受众表达剪纸的主题思想。主体选择的是升平公主的剪纸形象，以此来彰显中华剪纸文化的复杂性。为了更好的结合3D成像技术，已达到更强的视觉冲击效果，在设计时采用深色背景，并在对主体物的修饰上进行相应的色彩处理，使其即与主色调相融合，又能够跳出画面吸引受众眼球。在画面中也直接用中国传统的logo呼应本次设计传承中华文化的主题。

脸谱文化可以延伸至京剧文化、粤剧文化、川剧文化等多种艺术文化，脸谱是它们共同的表现方法之一，所以由本次脸谱的设计可以彰显出中华戏曲文化的多样性。画面中直接展示了选择的脸谱素材，直观的突出了脸谱文化的特点。为了更好的结合3D成像技术，已达到更强的视觉冲击效果，在设计时采用深色背景，并在对主体物的修饰上进行相应的色彩处理，使其即与主色调相融合，又能够跳出画面吸引受众眼球。在画面中也直接用中国传统的logo呼应本次设计传承中华文化的主题。

突出特征法是指抓住事物的特性，将其与众不同的地方鲜明地表现出来。在传统招贴设计中首先需要突出招贴主体物的主要特征，将其进行处理修饰，使受众对主体物产生兴趣。就本次设计而言，纵观整组作品，主体物都只有一个，没有多余复杂的附属品，且对主体物的排版就做到了焦点集中，放置在了画面的中心位置；而对主体物的大小设定占据了画面的大部分篇幅，这也是为了呼应主体突出的特点。在运用3D成像技术的时候，为了使主体物更加突出，在设计过程中，需要进行反复的修改与对比，最终将招贴的背景设置为深色，因为相比于浅色背景深色更能吸引受众的眼球，并且能够更好的将主体凸显出来。

以皮影招贴为例，本次结合3D成像技术的招贴设计选取的是单一的皮影人物形象。众所周知皮影作为具有代表性的民间艺术，在河南、山西、陕西等地的民间广为流传，皮影人物又是皮影戏的重要组成部分，所以在设计的过程中结合了皮影的特点，为皮影人物增加了幕布背景，与单一的皮影人物结合起来就可以更直接的展示出皮影戏的演出方式，以此来凸出皮影的主题。与文案的结合也更加明确的向受众突出皮影文化。为了更好的结合3D成像技术，已达到更强的视觉冲击效果，在设计时采用深色背景，并在对主体物的修饰上进行相应的色彩处理，使其即与主色调相融合，又能够跳出画面吸引受众眼球。在画面中也直接用中国传统的logo呼应本次设计传承中华文化的主题。

以小见大法是指通过小题材、小事件来揭示重大主题、反映深广内容的手法。以传统招贴的角度来说，在本组招贴设计中，选择的元素是具有代表意义的传统文化元素，以单一的个体延伸至传统文化的大范围，以此向受众宣扬中华民族传统文化，加深受众传承中华民族传统文化的意识。而本次结合3D成像技术的招贴设计相比于传统招贴设计，画面的要求上需要有更强的冲击力、主体物需要更加突出、排版需要更加简洁明了。

中国的木偶文化历史悠久，在汉朝就已有相关记载。以木偶文化来彰显中华文化的多元性，也以此来告诉受众中华民族文化的独特性，展示中华文化源远流长，不止是文化的传承，也是技艺的传承。在进行木偶文化的招贴设计时，选择的木偶素材与文案素材在色调上进行了呼应，这里选用的是单一的木偶素材占据招贴视觉中心大部分面积，以此直观的向受众展现木偶文化。为了更好的结合3D成像技术，已达到更强的视觉冲击效果，在设计时采用深色背景，并在对主体物的修饰上进行相应的色彩处理，使其即与主色调相融合，又能够跳出画面吸引受众眼球。在画面中也直接用中国传统的logo呼应本次设计传承中华文化的主题。

而如何进行设计使其独具创意，又如何通过文字、图形、色彩的运用来使其具有更强的传播力和感染力，这些问题都是在本次招贴设计的过程中遇到的困难。比如，在这次设计过程中我首先完成了一套以浅色为背景的招贴设计初稿，以传统招贴设计的角度来看，初稿在大方向上并没有非常违和的地方，然而，在我对初稿进行3D成像技术的处理后发现浅色背景并不能够做到视觉上更好的冲击，并将主体更好的凸显出来；而且主体物的多少也是设计过程中遇到的另一个困难：以皮影元素为例，在选择皮影素材的时候，我初稿选择的是一组皮影戏人物，但是在进行3D成像技术的处理后，一组人物却显得愈发杂乱无章。

为了更好的完成本次设计，秉着克服困难的原则，我将初稿进行了重新的设计与排版。针对浅色背景招贴在进行3D成像技术处理后无法更好的将主体元素凸显出来的问题，我重新选择了深色的招贴背景，在色彩的对比上深色能够更好的做到抓住受众的眼球；除此之外，我还对主体的方案选择上进行了更改，从一组形象改变成单一的主体形象，比起一组人物形象的排版，单一的形象更为突出，更能吸引注意力；另外，在色彩的安排上也尽量做到和谐、统一。最后要说的是对本次招贴设计的完成稿的欣赏，像观看3D电影一样，肉眼无法直接看到经过3D成像技术处理后的招贴效果，所以我为本次招贴设计配备了专业的3D立体观影眼镜，以方便受众观看招贴效果。

三、总结

这组基于传统文化元素的招贴设计需要从宣扬传承传统文化和新兴产业3D成像技术的发展来看。

首先单就这次招贴设计的元素选择来说，之所以使用中华民族传统文化元素，意在向受众传播中华文化的精美绝伦，并以此达到将中华文化不断传承下去的目的。在选择元素的时候将以人为本加入考虑，所以拟定的都是以人物形象为主的中华元素，在处理上也尽量做到尊重其本身价值。

其次本次课题迎合21世纪科技发展的大背景，在对招贴的设计过程中，除了扎实的设计功底之外还融入了21世纪深受追捧的3D成像技术，这对招贴设计中元素的细节要求就更高，尤其是色彩及排版这两方面的配合要能够适合后期制作3D成像效果。在3D成像技术不断发展的今天，3D电视、3D电影等已逐渐融入人们的生活，如果将3D成像技术运用在招贴中，它的传播效果及表达形式都是基于传统的一大创新，一大突破，一大挑战，受众接触的将不再是一个单纯的平面作品，而是身临其境，也是切身感受。

当然在3D成像技术与招贴相结合的技术及可实施性上也存在着质疑和困难。就本次设计而言，在对主体物的选择和表现手法上都存在相应的难度，如何与传统招贴区分开来，如何在结合了3D成像技术后更好的将主体物凸显出来，进行处理后受众不能免去使用3D立体眼镜观看的繁琐等都是本次研究中出现的难点。但是就当下3D电视以及电影的普及率来看，只要在投放银屏上进行相应技术处理，就可以免去受众必须要使用3D立体眼镜才能观看的繁琐。另外现在很多企业正在研究裸眼3D技术，这也为本次的课题研究提供了一个良好的发展前景。当然，这也需要很长一段时间的探索及发现。

这次课题的研究让我对视觉盛宴进行了深入的了解，也对中华民族的传统文化进行了更深层次的探索，更对自己的世界观及价值观都有相应的影响。并且这也告诉我一个道理，要顺应时代的发展，跟紧时代发展的步伐才能与时代共同进步。

四、结语

以进行3D成像技术的处理为例，与传统招贴一样，招贴的目的在于更好的宣传；但又与传统招贴不同，经过3D成像技术处理的招贴，在视觉冲击的要求上需要远远高于传统招贴：对主体物的突出强调需要高于文字叙述，利用主体物视觉的冲击效果直接击入受众心里。要知道越是简洁的招贴，它的主题就越突出，这也就更好的呼应了招贴的目的：为了更好的宣传。

【参考文献】

[1]程彦平.招贴设计[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[2]黄军，胡易容.世界经典招贴设计[M].湖南：湖南大学出版社，2010.

[3]何辉，朱和平.艺术设计专业毕业论文与设计指导[M].长沙：湖南大学出版社，2010.

[4]朱琪颖.海报设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[5]万萱，李馨.设计基础之立体构成[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

静态光谱偏振差分成像技术研究 第11篇

偏振差分成像技术与光谱成像技术结合可以实现光谱偏振差分成像,可获取目标图像每个像素点上各光谱段的偏振差分信息。光谱偏振差分成像仪能够大大提高光学遥感探测获取的信息量,在遥感探测领域具有非常广泛和重要的应用。通过遥感图像光谱信息和偏振差分信息比对,可以把微弱目标从周围的杂波环境中探测出来。光谱信息、偏振差分信息与空间信息相结合,能够实现亚像元探测和识别,特别适合于探测复杂背景中的感兴趣目标。

本文提出了一种基于液晶可调谐相位延迟器(liquid crystal variable retardation,LCVR)和液晶可调谐滤光片(liquid crystal tunable filter,LCTF)的静态光谱偏振差分成像技术,介绍了原理和实现方式,完成了原理样机研制,给出了实验结果。

1 基于LCVR和LCTF的静态光谱偏振差分成像原理

LCTF是根据液晶的电控双折射效应和偏振光的干涉原理制成的新型分光器件,具有带宽窄、功耗低、调谐范围宽、驱动电压低、结构简单、无运动部件等优点,被广泛应用于光谱成像系统中。由于LCTF的每一级都包含有线偏振片,因此它本身也具有线偏振器的特点。正是利用这一特点,日本国家宇航实验室[3]和西北工业大学自动化学院[4]将LCTF与成像相机结合,组合成了光谱偏振成像仪,通过旋转LCTF来获得不同线偏振方向的光谱图像,进而计算出Stokes光谱图像。该方法的缺点是LCTF需要由步进电机驱动绕光轴旋转,增加了机械运动部件,降低了可靠性,结构也更加复杂。

LCVR也是基于液晶的电控双折射特性制成的偏振调制器件,其产生的相位延迟受电压控制,能够对指定波长的光实现精确的相位调谐。相对于传统的偏振片,具有无需运动部件、体积小、功耗低、重量轻、工作谱段宽、响应时间短的优点。

将LCVR与LCTF组合时,可以将LCTF视为一个滤光片和线性检偏器的组合,如图1所示,利用LCVR对LCTF透过波长的相位进行调谐,从而实现在静止状态下通过电调谐的方式测量不同线偏振方向的光谱,这样就实现了静态光谱偏振成像。

如图1所示,假定LCTF的检偏方向为0°,LCVR相对与LCTF调谐波长λ的相位延迟量为0,当入射光为I0时,输出光为I(λ,0°)。当LCVR相对与LCTF调谐波长λ的相位延迟量为π/2时,输出光为I(λ,90°)。光谱偏振差分的结果为:

2 静态光谱偏振差分成像仪设计

2.1 系统结构

静态光谱偏振差分成像仪主要由前置物镜、准直镜、偏振调制及分光模块、成像镜、图像传感器和计算机等构成,其中偏振调制及分光模块由LCVR和LCTF组成,系统结构原理框图如图2所示。来自目标发出或反射的光经过前置物镜后成像于一次像面,该一次像面位于准直镜物方焦面上,将LCVR和LCTF依次放置于准直镜后的平行光路中,经调制后的光束再经成像镜成像于图像传感器上。LCVR、LCTF和图像传感器由计算机同步控制,每设置一次LCTF的透过波长,再设置两次LCVR的相位延迟量,图像传感器采集对应波长和线偏振态下的准单色图像。再由计算机对采集图像进行处理获得光谱偏振差分图像。

2.2 光学系统

光学系统主要包括前置物镜、准直镜和成像镜,其中前置物镜采用商用照相镜头。为了匹配商用照相镜头、LCVR、LCTF和工业相机之间的接口尺寸关系,保证光谱偏振成像仪能够对任意距离目标成像,采用准直镜和成像镜组成一套中继光学系统,将商业镜头所成的像经过LCVR和LCTF后中转到CCD相机的图像传感器上,为LCVR和LCTF提供足够的安装空间,从而实现由商用照相镜头、LCVR、LCTF、中继成像系统和CCD相机组成的静态光谱偏振差分成像仪。

中继成像系统工作在单位放大率下,采用物方像方双远心系统,设计为完全对称的结构形式,将两个光阑外置的无穷远成像系统对接,LCVR和LCTF放置于中间的平行光路中。这种设计可自动校正彗差、畸变和垂轴色差,适应商业镜头、LCVR、LCTF和CCD相机之间的尺寸接口关系。在设计中主要考虑校正球差、轴向色差、场曲和象散。按照系统要求,设计全对称的中继成像系统,矫正工作波段内的球差、色差、场曲。设计结果如图3所示。

2.3 偏振调制及分光系统

偏振调制及分光系统由LCVR与LCTF组成,通过设定LCTF的透过中心波长,选择使某一波长的准单色光通过,然后通过LCVR针对该波长设定合适的相位延迟量,从而使指定线偏振态准单色光透过LCVR和LCTF组合到达图像传感器。

系统选用美国CRi公司的Vari Spec VIS型LCTF,工作光谱范围是400~720 nm,半峰全宽为10 nm,工作孔径为20 mm,可通过电调谐获得工作光谱范围内任意中心波长的半峰全宽为10 nm的透过率曲线,透过率曲线如图4所示。

LCVR选择Meadowlark Optics公司的VIS型号,其工作波长为450~700 nm,有效工作孔径为40 mm,相位延迟量范围是0~λ/2。

集成设计中,将LCVR放置在LCTF的前方,要求LCVR和LCTF的调谐严格同步,并且保证在每次曝光采集图像时已经调谐稳定。

2.4 图像采集控制系统

图像采集控制由计算机实现对LCVR、LCTF和相机的有序控制,完成光谱偏振图像的采集。系统在LCTF设定的每一个透过波长处,根据需要对LCVR设定正交的两个相位延迟参数,进而测得在这一透过波长下的正交线偏振角的图像。

图像传感器选用CCD相机,采用2/3英寸Sony ICX285探测器,在450~700 nm范围内量子效率可达70%以上。通过计算机实现对LCVR、LCTF和CCD相机等主动部件的控制。通过软件界面进行人机交互,实现目标光谱偏振图像的采集、存储和处理。

3 光谱偏振差分成像实验

采用静态光谱偏振差分成像系统获取了室内盆栽和电话的光谱偏振图像,其中LCTF从450 nm调谐到700 nm,步长10 nm,对每一个透过波长,通过LCVR设定两个不同的相位延迟量,获得这一透过波长下水平和垂直两个方向上线偏振角的图像,共采集52幅光谱偏振图像,图5为从中抽取480 nm、560 nm和650 nm三个谱段0°和90°两个偏振方向采集的原始图像,图5中可见,各种物质在不同的谱段表现各不相同,反映了它们在不同谱段的吸收特性,而对于不同偏振角度的图像,0°偏振图像中花盆表面的反光被有效抑制,使得能清楚观察到反光处的图案细节,90°偏振图像中花盆表面反光较明显。图6为数据处理流程[5,6],水平和垂直两个偏振方向的偏振图像经辐射定标和配准后,根据公式(1)可计算得到偏振差分图像,将该图像与两个偏振方向的均值图像重组数据立方体,结合光谱数据和偏振差分数据进行最终的光谱偏振差分图像分析。图7为计算得到的均值图像数据立方体,图8为实验场景中各物质的反射光谱曲线,图9为560 nm谱段对应的差分偏振图像,从差分偏振图像中可更清晰地观察到电话阴影处的细节,同时检测出光滑材料表面的反光。

4 结论

静态光谱偏振差分成像系统采用LCTF和LCVR实现偏振态和透过波长的电调谐,从而实现全静态光谱偏振差分成像,无任何机械运动部件,功耗降低、体积减小,为便携式光谱偏振差分成像仪的实现提供了可能。实验获取了可见光450~700nm、带宽为10 nm、水平和垂直两个方向的光谱偏振图像,成像质量良好,经数据处理生成可用于光谱偏振分析的标准图像数据,在环境监测、大气探测、土壤湿度分析、植物分类以及军事应用(战场环境探测、人工与自然目标的识别、揭露伪装)等许多领域有着广泛的应用前景。

参考文献

[1] 王新全,相里斌,黄旻,等.成像光谱偏振仪研究进展.光谱学与光谱分析,2011;31(7):1968—1974Wang Xinquan,Xiang Libin,Huang Min,et al.Advance in imaging spectropolarimeter.Spectroscopy and Spectral Analysis,2011;31(7):1968—1974

[2] 王新全,相里斌,黄旻,等.静态成像光谱偏振仪.光电子·激光,2011;22(5):689—692Wang Xinquan,Xiang Libin,Huang Min,et al.Static imaging spectropolarimeter.Journal of Optoelectronics·Laser,2011;22(5):689 —692

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