一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及醫(yī)療成像和公共安全【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)及方法，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、傳輸光路及其控制系統(tǒng)、載物臺、圓弧形光導(dǎo)天線陣列、太赫茲探測陣列、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)。本發(fā)明由于采用了旋轉(zhuǎn)激光束激發(fā)圓弧形光導(dǎo)天線陣列，太赫茲源在成像過程中不需要做機械運動。此外，由于本發(fā)明中太赫茲波覆蓋了整個載物平臺的范圍，載物平臺也不需運動，所以實現(xiàn)了發(fā)射源和載物平臺在成像過程中均靜止。因此，在成像過程中太赫茲發(fā)射源是靜止的，載物平臺也是靜止的，這樣避免了過多的引入機械誤差，提高了掃描質(zhì)量。
【專利說明】一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療成像和公共安全【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言，涉及一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前斷層掃描成像技術(shù)主要采用的是X射線CT技術(shù)和核磁共振技術(shù)。X射線CT技術(shù)作為一種成熟的成像手段，具有很高的密度分辨率，但是其缺點也十分顯著。X射線能量高，照射人體或生物組織時，會與機體細胞、體液等物質(zhì)發(fā)生相互作用，引起物質(zhì)分子或原子的電離，直接破壞機體內(nèi)的大分子如蛋白質(zhì)、DNA、RNA和一些重要的物質(zhì)代謝酶，甚至直接損壞細胞結(jié)構(gòu)，引起細胞癌變。對于生殖細胞的損傷，主要是染色體畸變和基因突變等，會影響個體的后代從而產(chǎn)生嚴重的遺傳效應(yīng)。另外射線還可以通過電離機體內(nèi)廣泛存在的水分子，形成自由基，通過自由基來來間接損傷機體。所以X射線對人體和生物組織電離損傷和輻射損害很大，有較大的危險性和副作用，不適宜頻繁使用。核磁共振成像技術(shù)是將人體至于特殊的磁場中，用無線電脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子和，引起氫原子共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子按特定的頻率發(fā)出電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外接收器記錄，經(jīng)過計算機處理獲得斷層圖像。核磁共振有很多優(yōu)點，不會產(chǎn)生CT檢測中的偽影，不需造影劑，無電離輻射，但是它的缺點也存在不足，成像時間長，空間分辨率低，帶有鐵等某些金屬的部位不能進行核磁共振檢測；核磁共振儀對環(huán)境要求高，運營成本高，這也極大地限制了它的應(yīng)用范圍。 [0003]太赫茲波波長介于3毫米(0.1THz)和30微米(IOTHz)之間，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域有很高的應(yīng)用前景。安全性方面，頻率為ITHz的電磁波的光子能量只有大約4.1meV，對人體的輻射量只是X射線的一百萬分之一，反復(fù)照射也無傷害，也不會因為輻射電離而損傷被檢測的機體和組織，因此用于醫(yī)學(xué)成像具有很高的安全性。靈敏度方面，位于遠紅外區(qū)域的太赫茲波比核磁共振技術(shù)具有更高的靈敏度。同時，很多生物大分子如蛋白質(zhì)、DNA、RNA,它們振動和轉(zhuǎn)動能級均位于太赫茲波段，所以太赫茲波可以用于針對靶物質(zhì)實現(xiàn)特異性成像，利用太赫茲快速斷層成像技術(shù)可以更加快速準確的實現(xiàn)癌癥等疾病的診斷。
[0004]然而，在目前的太赫茲斷層成像技術(shù)都是通過待成像的樣本放到旋轉(zhuǎn)平移掃描臺上來實現(xiàn)的。這樣需要讓旋轉(zhuǎn)平臺以一定角度間隔逐步轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)多角度掃描，掃描時間長，容易產(chǎn)生運動偽影，無法對心臟等器官進行成像，而且掃描平臺的機械轉(zhuǎn)動和平移或給系統(tǒng)帶來更多的誤差，旋轉(zhuǎn)平移掃描臺在實用過程中也不方便，人要和掃描臺一起旋轉(zhuǎn)平移，舒適性和精確性無法得到保障。所以，開發(fā)一套快速高精準度的太赫茲斷層成像技術(shù)具有極高的實際應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)及方法，以解決上述的問題。[0006]在本發(fā)明的實施例中提供了一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、傳輸光路及其控制系統(tǒng)、載物臺、圓弧形光導(dǎo)天線陣列、太赫茲探測陣列、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)；
[0007]激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生激光束，傳輸光路及其控制系統(tǒng)包括分束器、激光偏轉(zhuǎn)器以及控制電路，分束器將激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的激光束分為第一激光束和第二激光束，第一激光束通過激光偏轉(zhuǎn)器后成為旋轉(zhuǎn)激光束，控制電路控制激光偏轉(zhuǎn)器用于調(diào)整旋轉(zhuǎn)激光束的旋轉(zhuǎn)角度；
[0008]圓弧形光導(dǎo)天線陣列接收旋轉(zhuǎn)激光束產(chǎn)生太赫茲波，太赫茲波在掃描過載物臺上被測樣品后被太赫茲探測陣列所吸收，數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集接收第二激光束以及掃描被測樣品后的太赫茲波的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化、鎖相放大并數(shù)字化之后，由計算機處理系統(tǒng)進行計算處理。
[0009]激光發(fā)射系統(tǒng)包括飛秒激光器、放大器以及溫度控制器，飛秒激光器用于產(chǎn)生激光束、放大器將激光束功率放大，溫度控制器用于調(diào)節(jié)激光束的輸出光譜的位置。
[0010]圓弧形光導(dǎo)天線陣列包括固定的圓弧裝置、若干設(shè)置在圓弧裝置上的光導(dǎo)天線。 [0011]設(shè)置在圓弧裝置上的光導(dǎo)天線的數(shù)量為40-50個。
[0012]還包括與光導(dǎo)天線相配合的超半球襯底透鏡和會聚透鏡，光導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲波通過超半球襯底透鏡和會聚透鏡后成為錐形太赫茲波。
[0013]太赫茲探測陣列包括第一探測器環(huán)和第二探測器環(huán)，第一探測器環(huán)與第二探測器環(huán)的半徑和弧度均相同，在第一探測器環(huán)內(nèi)設(shè)置有若干ZnTe晶體探測器，其中一半的ZnTe晶體探測器延伸到第二探測器環(huán)上。
[0014]數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括若干光電二極管，光電二極管通過電路連接到前置放大器上。
[0015]在本發(fā)明的實施例中還提供了一種太赫茲快速斷層成像方法，包括:
[0016]激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生激光束；
[0017]激光束在經(jīng)過傳輸光路及其控制系統(tǒng)后產(chǎn)生第二激光束與旋轉(zhuǎn)激光束；
[0018]圓弧形光導(dǎo)天線陣列接收旋轉(zhuǎn)激光束產(chǎn)生太赫茲波；
[0019]太赫茲波在掃描過載物臺上被測樣品后被太赫茲探測陣列所吸收；
[0020]數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集接收第二激光束以及掃描被測樣品后的太赫茲波的數(shù)據(jù)；
[0021]采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化、鎖相放大并數(shù)字化之后，由計算機處理系統(tǒng)進行計
算處理。
[0022]計算機處理系統(tǒng)進行計算處理的過程包括:
[0023]采集到的數(shù)據(jù)進行存儲；
[0024]圖像重建并重建算法；
[0025]圖像顯示和分析。
[0026]重建算法的公式表示如下:
[0027]狄β,a, b) = 0(a, b).ρ(β, a, b)) * g(a)，
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、傳輸光路及其控制系統(tǒng)、載物臺、圓弧形光導(dǎo)天線陣列、太赫茲探測陣列、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)； 所述激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生激光束，所述傳輸光路及其控制系統(tǒng)包括分束器、激光偏轉(zhuǎn)器以及控制電路，所述分束器將所述激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生的激光束分為第一激光束和第二激光束，所述第一激光束通過所述激光偏轉(zhuǎn)器后成為旋轉(zhuǎn)激光束，所述控制電路控制所述激光偏轉(zhuǎn)器用于調(diào)整所述旋轉(zhuǎn)激光束的旋轉(zhuǎn)角度； 所述圓弧形光導(dǎo)天線陣列接收所述旋轉(zhuǎn)激光束產(chǎn)生太赫茲波，所述太赫茲波在掃描過載物臺上被測樣品后被所述太赫茲探測陣列所吸收，所述數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集接收所述第二激光束以及掃描被測樣品后的太赫茲波的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化、鎖相放大并數(shù)字化之后，由所述計算機處理系統(tǒng)進行計算處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括飛秒激光器、放大器以及溫度控制器，所述飛秒激光器用于產(chǎn)生激光束、所述放大器將所述激光束功率放大，所述溫度控制器用于調(diào)節(jié)激光束的輸出光譜的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述圓弧形光導(dǎo)天線陣列包括固定的圓弧裝置、若干設(shè)置在所述圓弧裝置上的光導(dǎo)天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置在所述圓弧裝置上的光導(dǎo)天線的數(shù)量為40-50個。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述光導(dǎo)天線相配合的超半球襯底透鏡和會聚透鏡，所述光導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲波通過超半球襯底透鏡和會聚透鏡后成為維形太赫茲波。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述太赫茲探測陣列包括第一探測器環(huán)和第二探測器環(huán)，所述第一探測器環(huán)與所述第二探測器環(huán)的半徑和弧度均相同，在所述第一探測器環(huán)內(nèi)設(shè)置有若干ZnTe晶體探測器，其中一半的所述ZnTe晶體探測器延伸到第二探測器環(huán)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種太赫茲快速斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)包括若干光電二極管，所述光電二極管通過電路連接到前置放大器上。
8.一種太赫茲快速斷層成像方法，其特征在于，包括: 激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生激光束； 激光束在經(jīng)過傳輸光路及其控制系統(tǒng)后產(chǎn)生第二激光束與旋轉(zhuǎn)激光束； 圓弧形光導(dǎo)天線陣列接收旋轉(zhuǎn)激光束產(chǎn)生太赫茲波； 太赫茲波在掃描過載物臺上被測樣品后被太赫茲探測陣列所吸收； 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)采集接收第二激光束以及掃描被測樣品后的太赫茲波的數(shù)據(jù)； 采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化、鎖相放大并數(shù)字化之后，由計算機處理系統(tǒng)進行計算處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種太赫茲快速斷層成像方法，其特征在于，所述計算機處理系統(tǒng)進行計算處理的過程包括: 采集到的數(shù)據(jù)進行存儲； 圖像重建并重建算法；圖像顯示和分析。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種太赫茲快速斷層成像方法，其特征在于，所述重建算法的公式表示如下:
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種太赫茲快速斷層成像方法，其特征在于，所述圖像顯示的形式為電影模式、時間密度曲線、特異性物質(zhì)密度曲線、距離測量、多平面重建、興趣區(qū)域的測量、圖像放大中的一種或多種。
【文檔編號】A61B5/00GK104013387SQ201410258504
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】鄭小平, 蘇云鵬, 劉夢婷, 程遠 申請人:清華大學(xué), 北京化工大學(xué)