Спектрометр для компьютерной томографии
Спектрометр компьютерной томографии (CTIS) представляет собой , спектрометр формирования изображений который может создавать в точном виде трехмерный (т.е. пространственный и спектральный) гиперспектральный куб данных сцены.
История
[ редактировать ]CTIS была разработана отдельно Такаюки Окамото и Ичиро Ямагучи в Рикене (Япония), а также Ф. Булыгиным и Г. Вишнаковым в Москве (Россия). [1] [2] [3] Впоследствии эта концепция была развита Майклом Дескуром, в то время аспирантом Университета Аризоны, под руководством профессора Юстаса Дерениака. [4]
Первые исследовательские эксперименты на основе CTIS-изображений были проведены в области молекулярной биологии. [5] С тех пор было предложено несколько усовершенствований технологии, в частности, в отношении аппаратного обеспечения: дисперсионные элементы, предоставляющие больше информации о кубе данных, [6] расширенная калибровка системы. [7] Усовершенствование CTIS также было вызвано общим развитием более крупных датчиков изображения. [8] В академических целях, хотя CTIS и не так широко используется, как другие спектрометры, он используется в различных приложениях, от военных [9] в офтальмологию [10] и астрономия. [11]
Формирование имиджа
[ редактировать ]
Оптическая схема
[ редактировать ]Оптическая схема инструмента CTIS показана в левой части верхнего изображения. Ограничитель поля помещается в плоскость изображения объектива, после чего объектив коллимирует свет, прежде чем он пройдет через рассеиватель (например, решетку или призму ). Наконец, линза для повторного формирования изображения отображает рассеянное изображение остановки поля на матрице детекторов большого формата.
Результирующее изображение
[ редактировать ]Информацию, которую получает CTIS, можно рассматривать как трехмерный куб данных сцены. Конечно, этот куб не существует в физическом пространстве, как механические объекты, но такое представление помогает получить представление о том, что фиксирует изображение: Как видно на рисунке справа, формы на изображении можно рассматривать как проекции ( в механическом смысле) куба данных.
Центральная проекция, называемая 0-м порядком дифракции , представляет собой сумму куба данных, следующего по спектральной оси (следовательно, эта проекция действует как панхроматическая камера). На изображении цифры «5» справа четко видно число в центральной проекции, но без информации о спектре света.
Все остальные проекции являются результатом «взгляда» на куб под углом и, следовательно, содержат смесь пространственной и спектральной информации. С дискретной точки зрения, когда куб данных рассматривается как набор спектральных срезов (как на рисунке выше, где два таких среза представлены фиолетовым и красным цветом), можно понимать эти проекции как частичное разброс стека срезов. , подобно фокуснику, разворачивающему свои карты, чтобы зритель мог выбрать одну из них. Важно отметить, что для типичных спектральных дисперсий и типичного размера датчика спектральная информация данного среза сильно перекрывается со информацией других соседних срезов. На изображении «5» в боковых проекциях видно, что число не читается четко (потеря пространственной информации), но доступна некоторая спектральная информация (т. е. некоторые длины волн кажутся ярче, чем другие). Следовательно, изображение содержит мультиплексированную информацию, касающуюся куба данных.
Количество и расположение выступов зависят от типа используемого дифрагирующего элемента. В частности, можно зарегистрировать более одного порядка дифракции. [6]
Реконструкция датакуба
[ редактировать ]Полученное изображение содержит всю информацию куба данных. Необходимо осуществить алгоритм реконструкции, чтобы преобразовать это изображение обратно в трехмерное пространственно-спектральное пространство. Следовательно, CTIS представляет собой систему компьютерной визуализации .
Ссылка на рентгеновскую компьютерную томографию
[ редактировать ]Концептуально, можно рассматривать каждую из проекций куба данных аналогично рентгеновским проекциям, измеряемым медицинскими рентгеновскими компьютерными томографами, используемыми для оценки распределения объема внутри тела пациента.
| Рентгеновская КТ | КТИС | |
|---|---|---|
| Объект для приобретения | Срез тела пациента (2D) | Пространственно-спектральный куб данных (3D) |
| Проникающая волна | рентген | Свет со сцены |
| Генератор проекций | Передатчики, вращающиеся вокруг оси | Дисперсионный элемент |
| Изображение получено | синограмма | Мультиплексное изображение CTIS |
Следовательно, наиболее широко используемые алгоритмы реконструкции CTIS такие же, как и в области исследований рентгеновской КТ. В частности, алгоритм, использованный Дескуром [12] взят непосредственно из основополагающей работы по рентгеновской КТ-реконструкции. [13] С тех пор стали использоваться несколько более сложные методы. [8] таким же образом (но не в такой же степени) улучшилась рентгеноКТ-реконструкция с 80-х годов.
Трудности
[ редактировать ]По сравнению с рентгеновской КТ реконструкция CTIS, как известно, более сложна. В частности, количество проекций, полученных при КТИС, обычно намного меньше, чем при рентгеновской КТ. Это приводит к более размытой реконструкции в соответствии с теоремой о проекционном срезе . Более того, в отличие от рентгеновской КТ, где проекции получаются вокруг пациента, CTIS, как и все системы визуализации, получает изображение только с одной точки зрения, и, следовательно, многие углы проекции недоступны.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Такаюки Окамото и Ичиро Ямагути, « Одновременное получение информации о спектральном изображении », Optics Letters 16 : 1277-1279 (1991).
- ^ Такаюки Окамото, Акинори Такахаши и Ичиро Ямагути, « Одновременное получение спектрального и пространственного распределения интенсивности », Applied Spectrocracy 47 : 1198-1202 (1993)
- ^ Ф. В. Булыгин и Г. Н. Вишняков, «Спектротомография — новый метод получения спектрограмм двумерных объектов», в сб. « Аналитические методы оптической томографии », Тр. SPIE 1843 : 315–322 (1992).
- ^ Майкл Роберт Дескур, «Несканирующая визуализационная спектрометрия», докторская диссертация, Университет Аризоны (1994)
- ^ Форд, Бриджит К.; Волин, Кертис Э.; Мерфи, Шон М.; Линч, Рональд М.; Дескур, Майкл Р. (февраль 2001 г.). «Спектральная визуализация на основе компьютерной томографии для флуоресцентной микроскопии» . Биофизический журнал . 80 (2): 986–993. Бибкод : 2001BpJ....80..986F . дои : 10.1016/s0006-3495(01)76077-8 . ISSN 0006-3495 . ПМК 1301296 . ПМИД 11159465 .
- ^ Jump up to: а б Хаген, Натан; Дереняк, Юстас Л.; Сасс, Дэвид Т. (31 августа 2006 г.). Шен, Сильвия С; Льюис, Пол Э. (ред.). «Максимизация разрешения инструмента CTIS» . Материалы SPIE . Визуализирующая спектрометрия XI. 6302 . ШПИОН: 63020L. Бибкод : 2006SPIE.6302E..0LH . дои : 10.1117/12.680750 . S2CID 120974275 .
- ^ Уилсон, Дэниел В.; Мейкер, Пол Д.; Мюллер, Ричард Э. (31 октября 1997 г.). Дескур, Майкл Р.; Шен, Сильвия С. (ред.). "<title>Реконструкция кубов изображений спектрометра компьютерной томографии с использованием рассчитанных системных матриц</title>" . Материалы SPIE . Визуализирующая спектрометрия III. 3118 . ШПАЙ: 184–193. Бибкод : 1997SPIE.3118..184W . дои : 10.1117/12.283827 . S2CID 136914912 .
- ^ Jump up to: а б Форд, Бриджит К.; Дескур, Майкл Р.; Линч, Рональд М. (22 октября 2001 г.). «Большой форматный компьютерный томографический спектрометр для флуоресцентной микроскопии» . Оптика Экспресс . 9 (9): 444–453. Бибкод : 2001OExpr...9..444F . дои : 10.1364/oe.9.000444 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19424362 .
- ^ Дескур, Майкл Р.; Дереняк, Юстас Л.; Дубей, Абинаш К. (20 июня 1995 г.). Дубей, Абинаш С; Циндрич, Иван; Ралстон, Джеймс М.; Ригано, Келли А. (ред.). «<title>Обнаружение мин с использованием мгновенной спектральной визуализации</title>» . Материалы SPIE . Технологии обнаружения мин и миноподобных целей. 2496 . ШПАЙ: 286–304. Бибкод : 1995SPIE.2496..286D . дои : 10.1117/12.211325 . S2CID 62771528 .
- ^ Джонсон, Уильям Р.; Уилсон, Дэниел В.; Финк, Вольфганг; Доктор медицины, Марк С. Хумаюн; Бирман, Грегори Х. (январь 2007 г.). «Моментальная гиперспектральная визуализация в офтальмологии» . Журнал биомедицинской оптики . 12 (1): 014036. Бибкод : 2007JBO....12a4036J . дои : 10.1117/1.2434950 . ISSN 1083-3668 . ПМИД 17343511 .
- ^ Хеге, Э. Кейт; О'Коннелл, Дэн; Джонсон, Уильям; Басти, Шридхар; Дереняк, Юстас Л. (7 января 2004 г.). Шен, Сильвия С; Льюис, Пол Э. (ред.). «Гиперспектральная съемка для астрономии и космического наблюдения» . Визуальная спектрометрия IX . 5159 . ШПАЙ: 380–391. дои : 10.1117/12.506426 . S2CID 121946613 .
- ^ Jump up to: а б Дескур, Майкл; Дереняк, Юстас (1 августа 1995 г.). «Компьютерно-томографический имиджевый спектрометр: результаты экспериментальной калибровки и реконструкции» . Прикладная оптика . 34 (22): 4817–4826. Бибкод : 1995ApOpt..34.4817D . дои : 10.1364/ao.34.004817 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 21052321 .
- ^ Шепп, Луизиана; Варди, Ю. (октябрь 1982 г.). «Реконструкция максимального правдоподобия для эмиссионной томографии» . Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 1 (2): 113–122. дои : 10.1109/TMI.1982.4307558 . ISSN 0278-0062 . ПМИД 18238264 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Алгоритм быстрой реконструкции для спектрометра компьютерной томографии (CTIS) описан в статье: Ларц Уайт, В. Брайан Белл, Райан Хейгуд, «Ускорение реконструкции спектрометра компьютерной томографии с использованием параллельного алгоритма, использующего инвариантность пространственного сдвига», Opt. англ. 59(5), 055110 (2020). [1]