三维成像（精选九篇）
三维成像 篇1
1 三维超声成像原理和优点
三维超声成像(three-dimensional ultrasound imaging,3D)通过电子计算机重建按一定规律采集的一系列2D图像信息后形成3D图像,短时间内从多平面、多角度采集大量数字信息并分析图像[1]。3D超声体积测量更准确,存储数据能力更强,加强识别病灶的病理改变、解剖结构和位置,在妇产科有非常重要的应用价值。实时3D超声对3D空间结构的观察,实现每秒多个立体帧3D成像,给临床诊断提供额外的一维视野,最低限度少低运动图像的伪像[2]。三维超声的优点包括三维立体超声图像数据库有助于资料回顾性分析、超声远程会诊及教学;标准化、程序化超声扫描降低超声检查手法的差异,简化超声扫描的培训要求;获得不同切面的超声图像,可消除绝大多数超声检查的死角,给临床诊断提供更多信息[3]。
2 产科应用
胎儿畸形指胎儿期胎儿各器官结构形态结构存在异常,伴或不伴功能异常[4],对微小病变非常有经验的操作者也难以分辨,主要因羊水过少、胎儿位置移动以及肢体、骨骼和躯干引起的声影而妨碍观察。二维实时超声往往只切面观察胎儿结构,存在一定不足。3D能够提高胎儿畸形分产前诊断率,区分不同孕龄胎儿的生理、病理形态。
妊娠早期实时3D超声可清楚显示卵黄囊、胎囊、生殖器、头、面、脐带、肠系膜导管、肢体和脊柱;无脑儿神经管畸形可早期诊断;观察颈部透明层厚度,区分颈部囊性肿瘤。第5周示3～5mm的卵黄囊;第6周可清楚看到单一腔室的心室;第8周能区分包括面部结构和上下肢在内的整个胎儿外形;第10周时可区分手、手指和脚趾;第11周可见张嘴胎儿;第12周可区分男性生殖器;第13周能清楚分辨面部、上下肢、鼻子、眼眶和嘴巴,均可见卵黄囊及脐带;第16周几乎能辨认骨盆、膀胱、所有生殖器、阴囊和阴茎。3D可清楚显示二维超声可能漏诊的颈部水肿、唇裂、脑膨出和爪形手。
胎儿面部、四肢、外生殖器、脐带等在妊娠中、晚期常有复杂的曲率变化,二维超声不能完整观察立体空间形态结构和解剖关系,难以显示唇裂、鼻腔错构瘤、胸廓畸形、脊柱侧弯、足内翻和并指等畸形的病变范围及程度。高危妊娠胎儿面部超声检查是重要部分,二维超声仅显示眼、耳、鼻、唇和面部前额,胎儿唇裂畸形二维超声图像为无回声裂隙,唇的弧形光带中断;3D显示唇为“八”字型裂口,裂端粗大,边缘不整,多偏离中线[5]。二维超声无法显示腭裂,而冠状面或水平面三维超声能清楚显示上腭及上牙槽断裂、缺损,可正确诊断腭裂[6]。3D超声表面成像能直接看到手足部和颜面部的整体外貌,对18-三体综合征及21-三体综合征的指(趾)重叠畸形和愚型面容等诊断可靠、准确[7]。
3 D可直接观察无颅骨覆盖的脑组织;脊柱侧弯畸形时,立体透明成像可直接显示椎体裂的程度;最大透明成像能清楚看到并指、内翻足、多指(趾)等异常,骨弯曲、骨折或四肢长度短小等异常立体形态特征,以及脊柱连续的信息,是否有椎体畸形、侧弯的程度和部位。3D心动图可立体、直观显示胎儿心脏结构,同时动态多角度显示心脏各结构和位置空间关系[8]。3D可观察心脏的解剖结构,特别是2D超声难以观察的主动脉弓和升主动脉,有助于判断心脏及大血管畸形的类型(如右室双出口、主动脉缩窄、永存动脉干、大动脉转位、左室双入口、房室通道、室间隔缺损、三尖瓣闭锁、房间隔缺损等);能较准确估测胎儿心腔容量与泵血功能[9]。实时3D超声可清晰、形象地观察胎儿脐膨出、膨出物与脐带的关系,判断预后,为产科处理提供依据[10]。实时3D超声的彩色多普勒能评价胎盘和脐带的关系及位置,对膜状胎盘的评价力较高。
3 妇科应用
卵巢囊性肿瘤内含液体,超声灰阶差异大,特别适宜3D。观察卵巢病变区实质性、多房性、囊性或混合性,内壁光滑与否,是否有乳头状物及腹水,如有腹腔积液,确定是否在排卵期；若有分隔,观察其厚度是否<3mm;实质肿块均质或不均质;以此区分卵巢肿瘤的良恶性。良性肿瘤形态规则,边缘整齐,为膨胀性生长;恶性肿瘤与周围组织分界欠清,为不规则浸润性生长[11]。三维超声透明成像能直观透视实质部分的回声情况,提供有价值的诊断依据判断良恶性肿瘤。
巧克力囊肿二维超声显示囊壁较厚,囊腔内可见均质分散致密点状内容物和贴壁斑块;3D显示其肿块囊壁厚,内有血凝团块,表面皱缩,其贴壁斑块基底宽、毛糙、不规则,向腔内突起[12]。皮样囊肿二维超声表现为多样性回声,可能容易出现误诊;3D能清楚分辨其液性暗区内部的细小脂滴颗粒及内部强光团。3D可清晰显示卵泡大小、数目,精确测量卵巢间质和卵巢的体积,故能准确监测排卵、治疗不孕症以及指导临床用药[13]。3D测定容积的方法能准确测量子宫内膜癌的容积,子宫内膜癌以子宫内膜容积>13mL为诊断标准,敏感性可高达100%,特异性达98.8%,阳性预测值达91.7%,均明显高于以子宫内膜厚度作为标准时的值,对子宫内膜癌的诊断、预后有重要作用。三维能量多普勒判断子宫内膜癌分期及浸润程度也有重要的临床价值[14]。
多种3D新技术相互结合及其它超声成像技术与3D技术结合[15]已在临床广泛应用,尤其是应用于妇产科,对提高诊断准确率和指导临床治疗具有非常重要的作用[16]。
摘要：本文综述多种三维超声成像新技术在妇产科中的临床应用观况,多种三维超声成像技术相互结合广泛应用于临床尤其是妇产科,对提高诊断准确率有重要作用。
三维成像 篇2
利用华北及邻区475个地震台站的区域地震走时资料,反演了该地区的地壳上地幔三维P波和S波速度结构.地震走时的.计算用近似弯曲射线追踪方法,三维速度模型的反演用LSQR算法.用检测板方法对走时数据进行成像分辨率分析,结果表明反演模型在水平方向上以0.5°×0.5°的节点分布,垂直方向上以1 km、10 km、25 km、42 km、60km为节点作网格划分是合理的.研究区域内,秦岭-大别造山带两侧的华北块体与扬子块体有不同的速度异常特征:华北块体地壳速度结构复杂,而扬子块体则相对简单.华北块体地壳内存在较明显的低速异常,而扬予块体则正常或高速异常.自中新生代以来华北块体地壳经历挤压到伸展的强烈变形,而扬子块体相对稳定.华北块体的构造活动依然强烈,表现为频繁的地震活动.华北地块地壳速度结构的主要特征是:①主要构造带(如燕山构造带、太行山山前构造带、汾渭构造带、郯庐断裂带以及秦岭-大别构造带)位于地壳上地幔的低速或高低速过渡区内;②在唐山及附近地区25 km、42 km和60 km深处连续的低速异常,可能意味着上地幔热的物质上涌,到达上地壳的下部后停止上升过程.
作 者：王志铄 王椿镛 曾融生 王溪莉 WANG Zhi-shuo WANG Chun-yong ZENG Rong-sheng WANG Xili 作者单位：王志铄,WANG Zhi-shuo(中国地震局地球物理研究所,北京,100081;河南省地震局,郑州,450016)
王椿镛,曾融生,王溪莉,WANG Chun-yong,ZENG Rong-sheng,WANG Xili(中国地震局地球物理研究所,北京,100081)
三维成像 篇3
【关键词】超声波图像 三维成像 表面成像法 体积成像法
【中图分类号】R722.12 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2014）08-0488-01
超声波图像也会因设定而产生不同的结果，包括：探头频率、扫描方向、扫描深度。因此解译一张超声波图像，不只要有对图像范围内组织与器官特性的了解，还要配合仪器的操作与设定，才能顺利解译图像所代表的意义。三维超声波图像技术在现代医学中具有相当重要的作用。本文在分析二维超声波成像的基础上，分析了现有的医学超声波三维成像技术。
1三维超声的成像技术
可靠的数据提取是得到精确三维超声图像的前提。采用二维面阵超声探头，使超声束在三维扫查空间中进行摆动，即可直接得到三维体数据。但二维面阵换能器的制作工艺限制了阵元数，使得三维图像的分辨率受到了一定的限制。目前已有使用二维阵列的超声成像系统面世。目前三维超声数据的提取仍广泛采用一维阵列探头。用一维阵列探头提取三维超声数据，需要外加定位装置，如目前临床广泛采用的一体化探头。该探头是将一个一维超声探头和摆动机构封装在一起，操作者只要将该探头放在被探查部位，系统就能自动采集三维数据。还有一种新型探头专门用于解决定位问题。该探头有三个阵列，中间的主阵列用于超声成像，与主阵列垂直的两个侧阵列用于提取定位图像。由于探头移动的连续性，所以定位图像两两重叠部分很大，可以通过两侧的定位图像确定两次采样间的位移、旋转，从而确定图像的空间位置。此外，还有一些文献提供了通过相邻图像的相关和图像的斑点噪声统计规律来确定探头侧向位移的方法。
2 三维超声的临床应用
2.1 三维超声在空腔脏器中的应用
2.1.1 胃、肠道疾病 嘱受检者适量饮水或灌肠后可建立良好的透声窗。清楚显示胃肠道隆起性病变与溃疡的大小、深度、边缘形态，观察恶性肿瘤的浸润深度、范围及与邻近组织、血管的立体位置关系，进行术前TNM分期，对协助临床制定相应的治疗方案，具有重要意义。
2.1.2 膀胱疾病 膀胱充盈后可形成极佳的透声窗，三维超声与二维超声一样清晰显示病变的形态、大小、数目、内部回声，同时三维超声还能显示病变的整体、表面形态及肿瘤对膀胱壁的浸润情况，从而提高了其诊断的准确性，并有助于肿瘤术前方案的抉择。对慢性膀胱炎症、憩室、结石、凝血块等膀胱疾病的诊断，也显示出优越性。
2.2 在实质性脏器中的应用
肝脏疾病 肝囊肿与肝脓肿二维超声诊断准确性较高，而肝癌与肝内其它性质占位性病变相互间的鉴别有时较为困难。三维超声可从不同方位观察肝表面和边缘轮廓，肿三维超声成像在临床上有广泛的应用前景。可用于精确测量和定位在产科临床上，三维超声成像可用于鉴别早期胎儿是否存在畸形以及检查各个孕期胎儿的生长发育情况；在心血管疾病诊断中，可用于多种心脏疾病以及血管内疾病的检查。尽管如此，由于价格和技术上的原因，目前三维超声成像尚未达到临床广泛应用的水平，也还有不少值得研究的问题。
2.3 在妇科的应用
三维超声对子宫实质性肿瘤的断，有一定輔助作用。对卵巢和输卵管病变（特别囊性变），可清晰显示其立体外形轮廓、内部结构、有无分隔与性突起、液体浑浊度等。对盆壁转移性病灶合并腹水的人，三维较二维超声的诊断价值更大。文献报道三维超声诊断附件区恶性肿瘤时，其敏感性由二维超声的80%增87%。此外，三维超声于术前可清晰显示恶性肿瘤浸及围脏器的情况，评价肿瘤与子宫、盆壁及髂血管的关系，为中能否切除肿瘤提供有价值的资料。与此同时，应用3CDE可以显示肿瘤内血管空间结构，并计算单位体积内的瘤血管密度，为肿瘤的定性诊断增加新的参考指标。
3 三维超声波成像
近年来，在临床的应用上，由于三维超声波成像系统的技术大幅改善，使得许多医疗研究领域不断地被开发，因而对病人的诊断以及管理上造成很大的影响。到目前为止，胎儿、心脏以及妇科方面等领域最受到大家广泛的关注。
在三维超声波成像中，首先建立三维结构的人体组织及器官。在临床上虽然医生或专业人员对人体结构上有了充份的了解，可是人体结构复杂，对超声波切面图像所代表的意义不能完全记忆；因此在超声波设备旁，常常都会附上辅助的？面图像，对应各主要部位超声波图像所代表的组织或器官切面位置，方便医生进行对比。近年来，计算机的运算速度不断提升，现在已经能在计算机上展现出逼真的3D ？体效果与多屏幕输出功能；在计算机所呈现虚拟现实中，创造出与真实空间相类似的环境。通过对象物？引擎的开发，更以可在虚拟环境中仿真物体的真实物？特性，进而发展虚拟现实等工具与系统，并广泛应用于建筑、工业、娱乐等领域。最典型的取得三维超声波图像的方法，是通过移动探头，以线性扫描（Linear Scan）、扇形扫描（Sector Scan）或是箭形扫描（Sagittal Scan）的方式，连续取得多张二维图像后，再给予图像间应有的相对空间位置，最后利用表面成像法或是体积成像法来实现三维成像。
4 结束语
综上所述，超声成像是临床上广泛使用的一种成像模式，在某些场合甚至是最好乃至唯一可用的成像模式。各种新技术新方法的开发和利用，使超声仪器的检测和诊断更为有效，应用范围也不断延伸，如用于观察病程的发展情况、细胞的代谢情况等。超声成像技术在过去、现在和将来都是医学影像研究的重点内容之一。随着技术的发展、研究的深入，将会有更多新发现和新技术用于超声成像。
参考文献
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[2] 徐颖，龚渭冰.超声诊断学[M].2版.北京：科学出版社，2007.
CT三维成像的立体打印技术 篇4
1 资料与方法
1.1 设备
GE ProspeedFⅡ, AW4.2工作站, 彩色打印机, 红蓝立体眼镜。
1.2 立体视觉产生原理
人的立体视觉是基于人的生理因素, 人在观察一个空间物体时, 使用双眼进行观察, 左、右两眼观察图像有少许的角度差[2], 所观察到的图像也有少许不同, 这被称作双眼视差, 这是产生立体感的主要因素。左眼视图和右眼视图一起构成立体图像, 只要得到立体图像时, 就能产生立体图像[3]。
1.3 图像处理方法
将CT扫描后图像进行三维重组, 选择适当角度对重组后图像进行保存, 得到一个角度的观察图像, 将重组后图像旋转一定角度再次保存得到另一视角图像。旋转角度可以通过下面方法计算获得。
通常观察图像的距离为35～40cm, 人的瞳心距约为6.5cm, 这样计算后得到左、右视图角度差约为10°。
1.4 立体图像再现
将得到的两幅图通过分色处理, 获得红、蓝两幅图, 再将两幅图透明处理后合成一幅图, 就可以通过红蓝立体眼镜观察图片了。
2 结果
通过上面方法获得左眼视图:图1、右眼视图:图2和立体视图:图3。
处理后获得的立体视图, 可以直接在电脑屏幕上通过红蓝立体眼镜进行观察, 也可以利用彩色打印机打印成照片后通过红蓝立体眼镜进行观察, 都可以获得良好的立体观察效果。照片具有良好的空间感, 可以观察到组织的前后深浅层次, 是真正意义的三维立体影像。
3 讨论
随着当前科技的飞速发展, 立体视觉已在影视图像上得到广泛应用, 而在医学影像方面的应用还非常局限。立体影像的生成主要有三种方式:分时法、分光法、分色法。
分时法是将左眼视图、右眼视图两套画面在屏幕上交替播放, 同时用液晶快门眼镜同步交替遮住观看者的右眼和左眼, 使每只眼只能看到与之相对应的一套画面, 通过两套画面的快速切换, 人眼在视觉暂留特性的作用下就合成了连续的画面。这种方法需要具有较高刷新率的屏幕和与之配套的液晶快门眼镜, 才可以使用, 无法用于照片打印。分光法是用偏光滤镜滤除特定角度偏振光以外的所有光, 来分离左、右眼视图, 比如:让0°的偏振光搭载左眼视图, 90°的偏振光搭载右眼视图。观察者戴上对应的偏光眼镜就可以看到立体视图。该技术需要专用的投影机和屏幕配合偏光眼镜使用, 同样很难用于照片打印。分色法的基本原理是通过分色处理, 让某些颜色的光只进入左眼, 另一部分只进入右眼, 如:红蓝分色。将采集到的左眼视图中的蓝色、绿色去除, 右眼视图中的红色去除, 再将处理过的这两套画面叠合起来就制成了可用红蓝眼镜观察的立体图片, 观察者戴上红蓝立体眼镜就可以观察到立体图片。本文就是通过这种方法实现CT三维成像的立体打印。
综上所述, 分时法和分光法对设备都有较高要求, 且只能在特定的屏幕上看, 不能打印成胶片。所以本文采用分色法对图像进行处理和重现, 这种方法非常简单, 对设备也无特殊要求, 只需要普通的显示器、彩色打印机、红蓝眼镜就可以实现。而且可以将立体图像保存在打印纸或胶片上易于携带、观察, 具有良好的实用前景。立体影像更适合于人类双眼观察的习惯, 可以提供更多的信息。有报道称可以在立体影像中估算深度[4]。随着技术的进步, 立体影像应用的不断发展, 其应用价值会得到进一步提高。
摘要：目的 介绍一种将CT三维重建影像打印为立体照片的方法。方法 将CT扫描图像进行三维重组, 将重组后图像选取适当角度进行存储, 然后旋转一定角度再次存储, 生成立体图像时, 经滤光、合成处理生成立体照片。结果 合成后立体图像具有三维立体信息, 可以通过立体眼镜观察到三维立体图像, 具有三维空间感, 为临床提供更加直观准确的信息, 并可以打印在彩色照片或胶片上, 便于携带和观察。结论 普通的CT三维重建影像是一种单像成像技术, 实质上是一种二维成像技术, 单幅图像不能显示被检部位的前后关系, 经过合成处理后的图像是真正的三维立体图像, 可以观察到三维的空间结构。
关键词：CT扫描图像,三维重建,立体成像,立体照
参考文献
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三维成像 篇5
关键词：三维成像载荷,三维影像,快速融合,线阵CCD,激光雷达
随着激光雷达技术的飞速发展, 基于激光雷达数据与影像数据融合的相关研究与应用也得到了广泛关注。激光雷达点云与光学影像所反映的地物属性特征完全不同, 国内外的研究学者通过开展广泛和深入的研究[1], 提出了基于灰度区域[2]、基于点集[3]、基于点或线特征等多种配准方法[4]。同时, 国内外还开展了通过硬件并兼顾前期检校的方法实现高效配准, 其中非常典型的是将扫描式激光雷达与线阵CCD相机集成构建的车载城市三维建模系统, 融合时通过前期设备检校建立的激光点云与可见光影像间的映射关系, 计算激光点对应的纹理坐标, 从而大大简化融合处理步骤[5,6]。
所述的三维成像载荷将线阵激光雷达与线阵CCD相机一体化集成, 并基于同步控制单元保证激光雷达阵列与对应CCD阵列的同时扫描成像。本系统可搭载在机载平台上, 基于前端对准关系实现激光点云数据与CCD影像的快速融合。然而在系统进行飞行任务前, 需要在地面开展一系列的检校以及成像试验, 获取各传感器参数以及多传感器间关系, 同时对载荷性能进行验证。本文基于地面试验需求, 提出了一种面向该新型三维成像载荷的地面快速融合三维成像的方法, 实现了从原始激光数据与影像到三维立体影像的解算。
1 三维成像载荷成像原理
1.1 系统成像原理
三维成像载荷包含激光雷达系统与CCD相机两类传感器, 采用线阵推扫的方式对目标扫描成像。载荷通过时间同步控制, 使得激光雷达系统与CCD相机按固定倍频关系工作, 保证在飞行方向上激光扫描行与CCD扫描行的对应关系;通过光轴对准, 使得激光探元与CCD像元一一对应, 保证在垂直于飞行方向上像点之间的对应关系。基于此工作原理, 可将采集的激光雷达数据与CCD影像快速融合, 生成三维立体影像。
在地面试验中, 将三维成像载荷固定在二维转台上, 通过转台在垂直方向上转动模拟飞行平台运动, 获得激光雷达系统纵向扫描数据与CCD成像系统的纵向图像数据。同时, 利用时间同步控制保证CCD相机与激光雷达的同步, 并控制转台同步输出旋转姿态角, 用于激光点云的解算。
1.2 坐标系统
建立地面处理坐标系统, 以扫描方向为X轴方向, 各相关坐标系统定义如图1, 地面三维成像处理模型将建立在该坐标系统上。
1.2.1 激光扫描坐标系L-XYZ
原点L为激光发射参考点;X轴指向扫描方向;Z轴指向激光发射主光轴反方向;Y轴为激光线阵探测器方向, 与L-XYZ构成右手系。
1.2.2 相机空间辅助坐标系C-XYZ
原点C为CCD相机像主点;X轴指向扫描方向;Y轴为线阵探测器方向;Z轴指向目标反方向, 与L-XYZ构成右手系。
1.2.3 转台坐标系Z-XYZ
原点Z为转台转轴中心;X轴为转台左右旋转轴;Y轴为转台上下旋转轴;Z轴垂直于XY平面, 各轴指向与L-XYZ一致;Z-XYZ构成右手系。
1.2.4 全局坐标系G-XYZ
以全站仪为中心建立全局坐标系G-XYZ, X方向指向右侧, Y方向向上, Z方向指向目标反方向, G-XYZ构成右手系。
地面三维成像处理模型中激光点云坐标系统转换顺序是:激光扫描坐标系 (L) →转台坐标系 (Z) 全局坐标系 (G) 。这里定义坐标轴旋转顺序为X-Y-Z轴。
2 地面快速融合处理方法
三维成像载荷的地面快速融合处理首先将采集的CCD影像数据、激光测距数据联合转台输出的姿态信息以及检校参数, 分别解算出激光雷达点云以及拼接后的影像, 再将两者进行融合, 处理流程如图2所示。首先将扫描得到的多幅线阵影像数据解包, 根据扫描方向拼接, 同时将激光测距数据解算得到激光点云数据, 最后利用时间同步信息以及像元匹配关系进行激光点云与CCD影像的快速融合, 得到三维影像。
2.1 影像拼接
由于载荷固定在二维转台上, 且仅进行垂直方向的运动, 相当于外方位元素中角元素仅ф角发生变化, 由转台转轴中心与像主点中心偏移带来的线元素的变化很小, 因此由外方位元素变化导致的内部畸变基本上可以忽略不计。在影像与激光点云融合的过程中, 可将影像作为纹理直接贴附于三维模型上。
CCD采用线阵推扫方式扫描, 采集的图像按照一定长度进行分幅记录, 在对三维场景进行融合前, 需将CCD相机采集的数据按照记录格式进行解包, 并根据扫描方向将扫描影像拼接为整幅影像, 再与激光点云进行融合。
2.2 激光点三维坐标解算
激光雷达系统采集的数据是激光点到激光发射中心的距离值, 通过实验室测试和系统检校可知激光雷达系统的各检校参数, 包括激光束的指向角、激光测距误差校正参数、激光扫描坐标系统与转台坐标系统的位置姿态关系等。再根据转台转动姿态, 便可求解出在全局坐标系下的激光点三维坐标。
如图3所示, 在激光扫描坐标系中, 激光点P的指向角为θ, 采集到的激光测距值为D'。
由检校参数知, 该激光束的测距误差加常数为k1, 乘常数为k2, 则OP长度为
则P点在激光扫描坐标系中的三维坐标为:
另由检校参数知, 转台坐标系与激光坐标系之间关系, 全局坐标系与转台坐标系之间关系。在成像扫描过程中, 转台从初始时刻旋转至t时刻, 但由于转台与载荷固连, 在t时刻转台与激光坐标系之间的关系仍然不变, 则激光点解算到全局坐标系统下的模型如下。
2.2.1 激光扫描坐标系到转台坐标系的转换
P点在转台坐标系下坐标为:
式中, RLZ为由, φLZ, κLZ构成的旋转矩阵。
2.2.2 转台坐标系到全局坐标系的坐标转换
P点在全局坐标系下坐标为:
式中RZG为由, φZG, κZG构成的旋转矩阵, RZZt为转台由初始t0时刻转到t时刻的旋转矩阵。由于在成像过程中, 转台不一定从零位开始旋转, 假定t0时刻转台输出的初始角度为 (h0, p0, r0) , 构成旋转矩阵RZ0, t时刻转台输出角度为 (ht, pt, rt) , 构成旋转矩阵RZt, 则有
2.3 快速融合
完成激光雷达三维点云解算后, 即得到了激光点云数据, 之后充分利用同步时间码信息以及像元间匹配关系, 将激光点云和拼接后的CCD影像进行融合处理。
三维成像载荷通过时间同步可得到同一时间轴下各激光雷达扫描行以及CCD扫描行的时间码, 根据时间码完成激光雷达数据与CCD数据在X方向的对应。同时, 根据检校得到的激光探元与CCD像元匹配关系, 完成二者在Y方向的对应, 从而找到每一个激光点在CCD影像中对应的像点坐标。
即经过激光点三维坐标解算, 得到激光雷达第i行, 第j个探元扫描的地面点坐标为 (X、Y、Z) 。对激光点云数据与CCD影像数据进行时间同步, 得到CCDTm=Li DARTi, 其中CCDTm为拼接图像中第m行的扫描时刻, Li DARTi为激光点云中第i行的扫描时刻。由检校结果知CCDn=Li DARj, 其中CCDn为图像中每行的第n个像元, Li DARj为激光点云中每行的第j个点。则地面点 (X、Y、Z) 对应的CCD像元为 (m, n) 。
将激光点云构建三角网, 将对应的CCD像点作为纹理坐标进行融合, 得到融合后的三维影像。
3 试验结果与分析
地面成像试验将三维成像载荷放置在转台上, 对约300 m处建筑物进行扫描成像, 采集得到激光雷达数据以及CCD影像数据, 原始数据如图4、图5所示。采用本文所述方法对采集数据进行融合, 得到成像目标区的三维影像。
在Visual C++环境下开发三维成像载荷地面数据融合程序, 使用该程序将CCD影像进行拼接, 得到如图6 (a) 所示结果, 基于检校参数对激光雷达数据进行处理, 得到激光点云数据如图6 (b) 所示。点云数据采用距离赋色, 离设备中心近处为红色, 远处为蓝色。图7是对CCD影像和激光点云数据进行融合处理后的结果。
从融合结果来看, 该方法能有效的将激光雷达数据与CCD影像数据进行快速融合, CCD影像中建筑物边缘与点云中的建筑物边缘可以很好的吻合, 这是因为三维成像载荷在硬件设计方面保证了激光探元与CCD像元之间的固定关系, 同时在前期检校过程中, 充分考虑了激光雷达传感器与CCD传感器之间的偏心关系以及时间延迟误差, 基于高精度快速三维成像载荷地面检校系统获得了相关检校参数, 保证了激光点云与CCD影像之间的配准精度。
地面成像试验中, 将载荷放置在转台上进行扫描成像, 相对于飞行平台来说, 转台非常稳定, 扫描出的CCD影像可直接用于融合。对于飞行试验采集的数据, 应结合GPS/IMU数据, 在匹配融合处理中对CCD影像进行几何纠正, 消除CCD影像的几何畸变。
4 结束语
针对三维成像载荷这一新型载荷, 研究了其地面试验时的数据快速融合方法, 对关键步骤进行了阐述, 通过试验表明:采用本文提出的激光雷达数据与线阵CCD影像数据融合方法是可行的, 适合于该类载荷各种地面试验数据的快速处理;同时证明了该类型载荷快速融合三维成像的的能力, 其载荷设计与前期检校可充分保证激光探元与CCD像元之间的匹配精度, 且不受地形变化等外界因素的影响, 可快速生成三维影像。
参考文献
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基于后端扫描的三维超声成像系统 篇6
在临床诊断领域，超声成像是目前应用最为广泛的一种成像模式。在过去的几十年中，随着科技的发展，超声成像技术取得了长足的发展，从传统的A型、B型、M型和多普勒超声成像模式，进入到目前的三维超声、弹性成像和靶向性造影剂谐波成像。
传统的B型超声成像系统所提供的是人体某一断面的二维图像，医生必须根据自己的经验对多幅二维图像在大脑中进行构建以理解其三维解剖结构。三维超声的概念由Baun和Greewood在1961年提出，他们在采取一系列平行的人体器官二维超声界面的基础上，用叠加的方法获得了人体器官的三维图像[1]。
与二维超声相比，三维超声成像具有以下明显的优势：(1)图像显示直观;(2)在医学教学和手术规划方面有广泛的应用前景;(3)可进行医学诊断参数的精确测量;(4)可以缩短医生诊断需要的时间。鉴于上述原因，三维超声在疾病的定性、定位及定量诊断中发挥着举足轻重的作用[2]。
当前国内外三维超声图像的获得主要有：基于面阵探头和基于机械扫描的两种方式。
基于面阵探头的三维超声图像的成像模式由Duke大学Vonn Ramm等人提出，图1为面阵超声探头超声换能器排列示意图[3]。
二维面阵探头也就是二维相控阵探头，通过控制二维面阵中的阵元发射超声束并实现空间的偏转，直接采集三维数据。面阵的每一个阵元都配置了相应的延迟线，采集数据时，只要控制不同阵元的延迟时间就能改变波束的指向。二维相控阵超声探头避免了复杂的机械定位装置，采集数据的速度较快，并且较稳定[4]。它能在两个横向方向上聚焦，聚焦声场为针状或棒状，检测的空间分辨率较高，相控阵系统不需要移动探头即可在特定空间自由地实现偏转和聚焦，极大改善了声场的可达性和检测速度。但二维面阵探头的阵元数目大，通道数多，单阵元的尺寸小，加工困难。同时，阵元的灵敏度低，接收到的信号弱且信噪比低。若探头由64×64的阵元组成，通道数变成了4096，技术难度大，不易实现，因此市场上这类探头只有GE,Philips,Siemens等大公司才能生产，且价格较昂贵[5,6,7]。
基于机械扫描的三维超声图像主要是由一组二维超声数据重建得到的，大致分为图像采集、三维重建和三维图像的显示三个步骤[8]。其中图像的采集是三维成像的关键步骤，直接影响重建结果的优劣。一般来说，二维超声探头被固定在特点装置内，依靠马达驱动超声探头扫描完成数据的采集。对于二维超声探头而言，传统的扫描模式包括平行扫描(又称为线性扫描，图2)、基于前端扫描的扇扫扫描(图3)和旋转扫描(图4)三种方式[8]。其中前两种模式适用于腹部探头，后一种扫描主要适用于腔内探头。
平行扫描模式获得的每一幅二维图像之间相互平行[8]。扫描时，二维超声探头在马达和机械装置的控制下沿人体体表平行滑动，完成二维超声图像数据的采集。二维探头平行移动的速度和数据采集的抽样率的控制对三维重建结果有很大的影响。基于前端扫描的扇扫获得的图像相互间成等距夹角。扫描时，二维超声探头后端保持固定，前端(超声发射端)扇形旋转采集数据。但当采用上述两种扫描模式对病人胸部脏器扫描时，发射的超声波易被人体肋骨遮挡，影响二维超声图像质量，并造成重建后得到的三维超声图像质量下降[10]。
为了避免扇形扫描和平行扫描模式的缺陷，本文设计了一种后端扫描的扇形扫描(图5)，二维超声探头前端固定，后端扇形旋转。在此扫描模式下，如果探头前端置于人体肋骨之间，由超声探头发射的超声束将通过人体肋骨的间隙进入人体，成功采集二维数据且避免了肋骨的影响，极大提高了三维超声图像的质量。
1 系统架构
为了验证基于后端扫描模式的有效性，本文搭建了一个包括三维超声图像数据的采集、重建和显示的系统。该系统由机械扫描装置、超声机、工作站(配有图像采集卡的PC机)、单片机驱动控制芯片等构成。工作站和超声机由视频输出线相连接，单片机驱动控制芯片通过串口线和工作站通讯，系统架构示意图如图6所示。
以下我们就扫描装置的机械设计，步进电机驱动的硬件设计，三维数据采集和重建结果分别介绍。
1.1 机械装置
机械装置主要包括探头支架、探头夹、弧形导航滑块和弧形齿轮轨道等，如图7所示。装置采用铝质材料加工而成，步进电机固定在探头支架两侧。选择形状、大小、力矩和歩矩角合适的步进电机两台，如宝来公司生产的两相42BY100BX型号的步进电机。探头夹可以进行伸缩，可固定当前市面上的大部分二维超声探头。
为了确保二维超声探头前端固定、后端扫描，设计必须保证机械装置的弧形轨道和弧形齿轮的半径R与探头固定的位置到探头顶端的距离L始终保持相等，如图8所示。此装置设计的扫描范围最大角度为60o。
1.2 步进电机的硬件控制和二维超声数据的采集
二维超声探头由步进电机驱动扫描，其扫描速度和扫描角度通过步进电机单片机控制板细分驱动器和驱动程序控制。为了保证实验过程中数据采集的稳定性，步进电机的控制板由单片机和电机驱动电路组成。上位机PC工作站通过串口将命令传给单片机，单片机将接收到的命令转化为对应的驱动信号输出，该信号进入驱动电路部分，输出步进电机所需要的脉冲驱动信号。
电机控制电路是硬件部分的核心，完成对电机的转动控制，从而对探头的扫描进行控制，此外，控制电路还负责与上位机进行通讯，为上位机提供电机转动的状态。本系统使用的电机采用步进电机，因此采用脉冲方式实现电机的转动控制，通过控制发送脉冲的个数来控制电机旋转的角度，通过改变脉冲的频率来控制电机的速度和加速度。该硬件控制电路主要由电源、单片机系统、光电隔离、电机驱动电路、过流保护电路等几部分构成。
电机驱动电路采用A3977步进电动机驱动器。此种驱动器以DMOS为基础的PWM控制全桥驱动器，内置译码器，不需要外接微处理器，可操作双极性步进电机的整步、半步、1/4步和1/8步模式。
超声机和PC机的图像采集卡通过视频传输线连接，通过编程控制图像采集卡获得超声机的图像并在PC机工作站上显示。PC机和控制板通过串口线通讯。给控制板上电，在串口通讯助手将指令通过串口线传送给单片机，通过驱动部分将驱动信号发送给步进电机，实现二维超声探头的数据扫描和采集。三维超声图像的采集和重建流程如图9所示。首先初始化图像采集卡参数，然后发送扫描开始信号给串口。控制电路接收到开始指令后，电机转动带动探头扫描。控制电路的有效扫描开始信号，通过串口回传给工作站程序，工作站程序控制数据采集卡开始进行循环采集数据到内存，直到从串口接收到有效采集停止信号为止。记录下采集的二维图像数据序列的帧数并置于内存中，用于三维重建。本系统的三维重建采用本实验室自主开发的三维重建库和DLL完成的。
2 实验结果
本文中，应用基于后端扫描的三维超声成像系统，分别以胎儿体模和真人为实验对象，做扫描实验，采集二维数据并进行三维重建。步进电机开始和结束工作时，因电机转速等原因工作不稳定，因此对此阶段超声探头扫描得到的二维数据不进行采集。经计算，得到的有效扫描角度为58.8o，所以三维图像的重建角度亦定为58.8o。
图10体模中胎儿的大小为36周，图10a所示为胎儿面部三维重建后的结果，图10b为对胎儿整体扫描得到的重建结果。
实验对象为一成年男子，身体健康，年龄28周岁，身高170 cm，体重65 Kg。图11的(a)、(b)、(c)为该男子左肾的扫描重建图像，图11 d为肝脏扫描重建结果。扫描时，二维超声探头前端固定于人体两肋骨之间。
3 结论和展望
本文从机械扫描装置的设计到步进电机的控制，搭建了一套基于前端固定后端扫描的扫描模式的三维超声成像系统，先后对胎儿体模和成人做了扫描重建实验，成功的采集了一系列的二维超声图像数据，并各自实现了三维重建和显示。
根据二维数据的重建结果可以看出，实验结果与实验对象的现实形状参数尚有一定的差异(主要是重建面被拉伸变形)，这与数据采集过程的稳定性和精确性有关。数据采集过程中，需要探头支架保持平稳不动，但操作人员人很难做到理想的相对静止，此外，采集对象身体的运动(如呼吸)等也会影响数据采集的精确性。
为了完善此三维超声成像系统，得到更精准的三维超声图像，后续工作将从提高电机控制稳定性，减小机械扫描装置体积，增大二维超声探头的扫描范围，以及三维显示的参数设置优化等方面进行完善和改进。
摘要：提出了一种将探头前端固定,后端以恒定速度进行扇形扫描的扫描方式,可有效避免肋骨的遮挡。基于此扫描模式,搭建了一套三维超声成像系统,采集了胎儿体模和人体肝肾脏二维数据,证明了该扫描模式的有效性。
关键词：后端扫描,扇形,三维超声图像
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三维成像 篇7
1 材料和方法
1.1 临床资料
收集2004-10～2006-03临床可疑纵隔子宫畸形患者30例,年龄26～38岁,平均32岁。其中原发性不孕6例,习惯性流产17例,其余7例无明显症状。所有患者在月经前3～5天进行阴道二维及三维超声检查,并于月经干净后3～5天行宫腔镜或子宫输卵管碘油造影(HSG)检查(其中16例行宫腔镜子宫纵隔切除术)。
1.2 仪器
采用GE Voluson 730彩色多普勒超声诊断仪,经阴道三维容积探头RIC5-9H,频率5～9MHz。
1.3 探测方法
患者排尿后,取截石位,常规经阴道二维扫查,全面观察子宫外形轮廓及内膜。在二维模式下清晰显示子宫矢状面轮廓和内膜,选择适当尺寸体积模块,设定容积框最大扫描角度为90°,将容积框尽量包绕子宫全长,进行自动容积扫查。在2～6s内获取子宫的三维容积数据库,存储于机器硬盘内。待检查结束后调取数据,进行任意二维平面分析和立体容积成像,旋转X、Y、Z轴,获得满意的三个切面(矢状面、横切面、冠状面)子宫二维图像。取子宫冠状切面行三维表面成像模式分析,观察纵隔子宫畸形特征,测量两宫角部内膜连线中点至纵隔末端的长度,即为纵隔长度[1]。
1.4 分类标准
纵隔子宫的分类标准参考美国生殖协会先天性子宫畸形分类标准[2]。不完全纵隔子宫: 宫底有纵隔存在,但未延伸至宫颈,而且宫底外形微凸或有<1cm的裂隙;完全纵隔子宫: 宫底有纵隔存在并从宫底至宫颈完全分离宫腔,宫底外形微凸或有<1cm的裂隙。
2 结果
2.1 经阴道二维、三维超声诊断符合率
经阴道二维超声诊断完全纵隔子宫3例,不完全纵隔子宫23例,误诊4例,诊断符合率86.7%。经阴道三维超声诊断完全纵隔3例,不完全纵隔23例,弓状子宫2例,特殊类型的X形内膜纵隔子宫1例(图1),正常子宫1例,与宫腔镜或HSG之诊断符合率100%。
2.2 纵隔子宫三维声像图特点
(1)冠状面示子宫外形、轮廓与正常子宫相似(宫底凹陷深度<1cm者也属此范畴),宫底部较宽,宫体中央可见一清晰的与宫壁回声相似的隔状物自宫底部向宫颈部延伸,达到或未达到宫颈,将子宫分为对称或不对称的两部分,每部分有各自的内膜回声。不完全纵隔子宫可见两内膜在子宫下段相互融合,呈“Y”形,两内膜夹角<90°(图2),完全纵隔两内膜自宫体延至宫颈不融合(图3)。(2)弓状子宫三维声像图特点 冠状面示子宫外形、轮廓正常,宫颈部及子宫肌层无异常发现,宫底无裂隙(或切迹)形成,宫底处内膜呈弧形内凹,两内膜夹角>90°(图4)。
3 讨论
3.1 诊断纵隔子宫的方法比较
从胚胎发生学可知,子宫的发生来自胚胎时期两侧的副中肾管。副中肾管的头侧端发育形成两侧输卵管口,尾端汇合形成子宫。副中肾管汇合中膈未退化或未完全退化造成完全纵隔子宫或不完全纵隔子宫畸形。这类畸形患者临床常表现为不孕、反复流产、人工流产失败、早产等。据报道[3],在反复流产的患者中,子宫异常率为12%～27%。其中纵隔子宫最为常见,而与其它子宫畸形相比其有临床症状者接近50%[4]。Brigitle [5]的研究表明: 不完全纵隔子宫的妊娠妇女早期流产的发生比率为42%,明显高于正常子宫妊娠者流产率12%。
诊断纵隔子宫的常用方法有HSG、宫腔镜、腹腔镜[6]和超声。HSG可观察宫腔形态及输卵管是否堵塞,但不能观察子宫外形轮廓,且存在辐射等不利因素。宫腔镜对宫腔内部纵隔观察比较直观,其诊断纵隔子宫的敏感性为93.6%[7],但也不能观察子宫外形轮廓。腹腔镜可以观察子宫的外形轮廓,但不能观察宫腔形态。这三种方法均为有创检查,仅使用于不孕症或有习惯性流产病史的患者,不能作为先天性子宫畸形的筛查方法[8]。经阴道二维超声作为检查子宫异常的敏感方法已得到广泛应用,但受盆腔解剖结构的限制,无法获得子宫冠状面信息,在纵隔子宫合并妊娠或肌瘤时及特殊类型纵隔子宫,容易漏、误诊。Wu[1]报道,三维超声显示子宫畸形的敏感性及特意性可达100%,是诊断先天性子宫发育异常的最佳手段[9]。经阴道三维超声最大的优越性在于可以准确获得冠状面上的回声信息,从而可整体、直观显示子宫的外部形态及内膜情况。测量冠状面宫底切迹的深度及纵隔的长度,可为其诊断提供了量化标准,对手术治疗有一定的参考价值。
3.2 经阴道二维超声误诊病例分析
本组患者中4例经阴道二维超声误诊为不完全纵隔子宫畸形,而三维超声冠状面因其直接显示子宫外形、宫腔形态和结构而得以确诊。其中2例经阴道二维超声横断面显示宫腔部份分离,三维冠状面成像显示子宫宫底内膜呈内凹圆弧形,两内膜夹角>90°,确诊为弓状子宫;1例因宫底较宽,受超声伪像干扰,经阴道二维误诊为不完全纵隔子宫,三维超声确诊为正常子宫;1例三维显示为“X”形内膜纵隔子宫(图1)。此类患者因两侧宫腔相通,在早孕吸宫术时从有孕囊的同侧宫颈管容易进入对侧宫腔,易造成漏吸。所以子宫畸形细节的准确判断对临床处理起到非常重要的指导作用[10]。
3.3 经阴道三维超声的工作体会
(1)三维图像必须建立在二维图像清晰的基础上;(2)容积取样框尽量包绕宫体及宫颈,因子宫畸形的诊断同时要看子宫外形轮廓及内膜形态,如果子宫太大,可分段进行三维成像;(3)患者必须在月经前3～5天子宫内膜较厚时检查,以明确区分肌层与内膜回声。
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三维成像 篇8
关键词：医用光学,模拟眼,光学相干层析,三维分辨率
0 引 言
自从上世纪90年代首次用于离体视网膜检测以来[1],光学相干层析(OCT)成像技术已经获得了令人惊叹的进步和广泛的应用。尽管OCT在检测皮肤、牙齿、心血管、脑成像等医学领域都开展了研究,但至今为止,眼科仍然是OCT技术最匹配、应用最成熟的领域[2,3,4,5,6,7,8]。众所周知,OCT技术早已在美国、欧洲和亚洲等地获得临床诊断许可,但是与之相关的国际标准却迟迟没有发布。在OCT这个领域里,不管是制造商、临床使用者还是第三方检测机构都迫切需要一种有关OCT的标准测试方法与评价机制,从而确保注册检验、日常质控以及产品比对的顺利进行。
为了确保OCT设备的日常质控,可以定期检测一些关键的物理参数,如光源光谱和光束特性等。另一种测试方法就是采用模体检测,这种方法不依赖OCT的工作原理或某个特定内部模块,而且不用拆机属于非破坏性检测,其结果能更客观更全面的反映OCT设备的性能指标。国际上有不少实验室已经在从事OCT模体方面的研究,主要用于评价OCT的成像分辨率性能。英国国家物理实验室(NPL)的Tomlins和他的同事对OCT的横向与轴向分辨率进行了详细的理论论述,并采用透明树脂掺杂二氧化硅微球的办法制作了OCT点扩散函数模体用于评价OCT设备的三维成像分辨率性能[9]。美国食品药品监督管理局(FDA)的Agrawal等人在实验室研制了一款掺杂纳米尺寸颗粒的模体,用于评价OCT设备的三维点扩散函数[10]。美国国家标准与技术研究院(NIST)的Chang等人也尝试利用化学方法制作了层状光学组织模体用于测试OCT设备的轴向分辨率和成像对比度[11]。除了这些标准或监管机构的实验室之外,英国肯特大学的Avanaki等人也基于米氏散射理论研制了环氧树脂模体[12],并尝试掺杂了两种不同的散射颗粒:聚苯乙烯微球和金微球。针对眼科OCT设备,一些仿真视网膜的组织模体也成为了研究热点。Rowe和Zawadzki设计并制作了一种模体[13],包括5层透明组织,每层组织厚约60 ?m但具有不同的光学折射率,不仅如此,视网膜的中心凹也被仿真出来了。De Kinkelder等人也研制了一款层状模体用于仿真视网膜的生理结构[14],且具备很高的散射对比度。Baxi等人采用分层旋转涂覆掺有纳米颗粒的硅树脂,然后通过激光微刻蚀的方法去改变表面形貌,最终展示了一种视网膜模体[15],既仿真了视网膜厚度及近红外光学特性,也模拟了视网膜中央凹区的表面形貌。由于普通的平面加工工艺很难制作出微米尺度的三维图案去检测OCT设备的三维分辨率性能,一些新型的制造工艺如飞秒激光亚表面微刻技术[16]或改进后的刻蚀浇注方法[17,18]都被用于尝试制作OCT设备的三维分辨率测试工具。
本研究中,我们设计并制造了一种能够为眼科OCT设备提供三维分辨率测试图案的新型模拟眼,该测试图案的设计参考了USAF1951靶板并通过3D打印工艺制作模拟眼的眼底。不同于传统的USAF1951靶板的二维平面图案,新型模拟眼的测试图案都是三维的,不仅能够检测OCT设备的横向分辨率,而且也可用于评价其轴向分辨率。通过检测这种新型模拟眼,OCT设备的横向与轴向分辨率性能检测可以同时实现。为了验证这种新型模拟眼的有效性,使用一台科研级和一台临床用OCT设备分别对该模拟眼及三维分辨率测试图案进行了检测,研究结果表明该模拟眼能够对OCT设备的三维成像分辨率性能进行初步评估。
1 模拟眼的设计与制造
1.1 模拟眼设计
如图1所示,模拟眼的设计完全与真实人眼的光学结构相符,一些关键的光学元件如眼角膜和晶状体的结构都在该设计中实现。正常成年人眼的前后径平均为24 mm,垂直径平均为23 mm,最前端突出于眶外12～14 mm,为了简化模型,我们将包括视网膜的后半眼球设计成直径为24 mm的半球体。眼内腔包括前房、后房和玻璃体腔,眼内容物包括房水、晶状体和玻璃体,三者均透明,并与角膜一起共称为屈光介质。眼球最前面的光学结构是角膜,直径大约12 mm,其中垂直径略小于水平径。角膜的前后表面可以被近似的认为是球面,前表面的曲率半径约为7.8 mm,后表面的曲率半径约为6.8 mm,角膜中央区的厚度约为0.5～0.6 mm。
位于晶状体前,由虹膜构成的小圆孔,是人眼的孔径光阑,也叫瞳孔,它可以根据物体明暗调节进入人眼的光量大小,人眼瞳孔的直径可变动于1～9 mm之间。为了测试的方便,我们通过表面喷漆和一个橡胶圆环实现了7 mm直径的人工瞳孔。人工晶状体呈双凸透镜状,前表面曲率半径约12 mm,后表面曲率半径约为6 mm,中央厚约4 mm。真实人眼的晶状体富有弹性,当需要眼睛调节以看清远距离或近方物体时,主要通过改变晶状体前后表面的曲率半径来实现。
置于模拟眼眼底的三维分辨率测试图案参照了USAF1951靶板的设计,但与之不同的是,其所有的图案都是三维立体的。图案包括两部分:横向分辨率测试图案与轴向分辨率测试图案。其中横向分辨率测试图案包括6组测标,每组测标由垂直排列的三条纵向与三条横向的长条图案组成。所有的长条图案拥有相同的凸起高度100μm,长宽比5:1,但其宽度每组各不相同,从小至大依次为20μm,50μm,100 μm,200μm,300μm和500μm。纵向分辨率测试图案也包括6组测标,每组测标是一个矩形图案。所有的矩形图案拥有相同的长度(2 mm)和宽度(0.5 mm),但其凸起高度每组各不相同,从小至大依次为20μm,50μm,100 μm,200μm,300 μm和500μm。
1.2 模拟眼制造
为了方便模拟眼的制造工艺与后期装配,整个模拟眼被分成三个模块分别加工:眼前节部分、晶状体和视网膜半球体。眼前节部分和晶状体采用透明树脂通过注塑工艺成型,而包含三维分辨率图案的视网膜半球体加工则使用3D打印技术来实现。树脂注塑工艺提供了很好的光学透射性能,这一点对眼前节和晶状体模块至为重要,但这种工艺的缺点是需要使用模具。而3D打印技术不仅不需要任何模具,而且可以突破平面制造工艺的局限,能够制造复杂的三维结构。本研究中所设计的三维分辨率测试图案就是一种较复杂的三维结构,不仅长宽尺寸不同,而且高度各异,再加上又分布在一个半球面上,如果采用传统的平面制造工艺很难实现。因此,本研究采用了一种高精度的光敏树脂作为加工材料,一层一层的铺设,最小层厚可达16μm,使用紫外光对每层光敏树脂材料进行选择性的固化,从而最后实现整个视网膜半球体的加工。
三个模块都完成加工后,将眼前节与视网膜半球体模块都浸入到水中,在水面下将人工晶状体通过一个橡胶圆环固定在眼前节模块上,然后再与视网膜半球体模块通过提前设计好的卡槽进行衔接密封,如图2。通过这种水下装配的方法,确保了前房和玻璃体的中空结构都被水充满,从而模拟真实人眼的房水与玻璃体环境。不可否认,这种水下装配工艺稍显复杂,在后期的工艺改进上,我们在眼前节与视网膜半球体模块上分别都设计了一组进液与出液口,这样一来,眼球模型可以在空气环境中完成装配,模拟房水与玻璃体的液体可以在装配结束后通过进液口注入到前房与玻璃体结构中,既简化了装配工艺,增强了模型密封性,又增加了模拟体液的选择灵活性。
2 测试结果
2.1 OCT 系统
测试使用了一台科研级和一台临床用OCT设备,两台设备都是谱域OCT系统,其结构原理如图3所示。科研级OCT系统的工作中心波长是1 310 nm,通过结合两台超辐射发光二极管(SLD)光源得到近170 nm的带宽。此外,该OCT系统还配置了一套可见光探测的CCD系统,用于实时观察并对照OCT所检测的样品区域。该OCT系统的轴向分辨率和横向分辨率分别为6.5μm和13μm。临床OCT设备使用的是日本拓普康公司的3D OCT-1000,该谱域OCT系统的轴向分辨力可达5 μm,横向分辨力优于20μm。
2.2 OCT 测量结果与讨论
采用科研OCT系统对视网膜半球体上的轴向分辨率图案进行了检测,得到的B-scan图像如图4(a)所示,有四组高度顺序降低的图案沿着弧面清晰可见,但图像右侧高度最小的两组图案很难观察到,造成这种情况的原因很可能是所使用的3D打印工艺的加工精度不够。本研究所使用的3D打印工艺的精度在深度方向是16μm,在平面的X与Y方向上是42μm,而我们所设计的轴向分辨率图案中最小的两组的深度依次是20μm和50μm,比较接近该3D打印工艺的精度极限,正因为这个原因,在图4(a)中几乎观察不到高度最小的两组图案。值得注意的一点是,从图4(a)中能观察到的四组轴向分辨率图案的剖视图并不是很理想,上表面与两个侧面都不平整,与预先设计的沿弧面分布的矩形轮廓有差距。这样表面轮廓不规则的图案本身的几何尺度参数难以标定,如果用来作为测试或检验的标准,势必会造成困难。因此,未来的研究将会重点关注如何提高3D打印工艺的精度与稳定度,确保制造能得到足够精细的图案,并且形状规则,本身的尺度参数工艺可控且稳定。
图4(b)是采用临床OCT对装配好的模拟眼进行检测得到的视网膜三维图像,受限于临床OCT系统的观察视野,只能看到部分横向分辨率和轴向分辨率的图案。考虑到该模拟眼较复杂的整体结构,能得到清晰的OCT眼底图像证明了这种工艺的可行性,显示了采用3D打印技术制造OCT模拟眼的巨大潜力。
(a) 使用科研 OCT 系统得到的轴向分辨率测试图案的 B-scan 图像; (b) 使用临床 OCT 系统得到的眼底分辨率测试图案的三维重构图像
3 结 论
三维成像 篇9
1 资料与方法
1.1 一般资料
回顾性分析2013年10月-2014年10月本院行MSCTU检查的泌尿系统病变患者106例的临床资料。其中男66例, 女40例, 年龄20~74岁, 平均50岁, 病程数周至数月不等。病变种类包括肾脏病变23例, 输尿管病变71例, 膀胱病变26例, 各例患者在临床上表现各不相同, 症状主要表现为持续或间歇性腰痛, 尿频、尿急、尿痛, 尿液异常改变如细菌尿或血尿等。
1.2 准备工作
检查前排除碘过敏或严重心血管疾病等禁忌证患者, 并让患者做好空腹准备。MSCTU检查:采用飞利浦briliance16层螺旋CT机。扫描参数:层厚2 mm, 螺距0.9, 电压120 k V, 电流250 m As, 扫描野 (FOV) 350 mm, 扫描范围自肾上极至耻骨联合平面, 患者一次屏气下完成容积扫描。患者取仰卧位, 所有病例均进行平扫、增强及延迟扫描, 增强扫描造影剂使用碘普罗胺, 注射剂量1.5 m L/kg, 速率为2.5~3 m L/s, 延迟时间为:皮质期25~30 s, 髓质期70~75 s, 肾盂排泄期5~30 min。采集原始图像, 若显像效果不理想, 可根据实际情况适当延长扫描时间。
1.3 图像分析
原始图像采集后行层厚1 mm、间隔0.8 mm标准容积薄层重建, 数据传送至后期处理工作站, 采用多平面重建 (MPR) 、容积成像 (VR) 、曲面重建 (CPR) 和最大密度投影 (MIP) 法进行后期处理, 多方位全面显示肾脏、输尿管和膀胱的病变情况。
2 结果
本组106例患者均获得了较为满意的图像。通过观察各图像横断面并辅以后期图像处理数据, 检出泌尿系统病变情况为:结石71例, 其中肾结石35例, 输尿管结石20例, 肾脏及输尿管多发结石16例;从MSCTU横轴位图像上能看出结石呈高密度灶, 在重建后的MIP图像上由于结石显示为极明亮的点状影响, 而周围泌尿系统则低一两个灰度, 不但能清晰展示泌尿系统的整体形态, 也可以显示出结石的部位、大小等情况, 如图1所示。
先天性发育畸形7例, 其中3例双肾盂双输尿管畸形, 如图2所示。2例巨输尿管 (1例双侧, 1例单侧) , MSCTU图像显示出输尿管扩张明显并发生迂曲, 同时伴随肾盂及肾盏扩张。l例输尿管囊肿, 于开口处扩张。1例马蹄形肾。从后期处理的VR和MIP图像均能清晰显示先天性发育畸形部位。
肾脏、输尿管、膀胱肿瘤14例, 其中肾癌4例, MSCTU可同时展示病灶与肾盂及病灶与附近组织的相互关系。4例肾癌中2例肾盏受肾癌所累而发生破损并移位, 2例肾盂癌为菜花样或乳头样, 延迟扫描图像显示输尿管上端呈现鸟嘴样缩小, 肾盂内部积水膨胀, 同时肾实质损伤, 边缘发生无规则变形, 通过重组后的MPR图像能清晰显示病灶的具体部位, 如图3、4所示。输尿管癌5例, MSCTU成像均表现为输尿管管壁在病变区域呈无规则增厚、肿胀, 长径约2~3 cm, 管腔则缩小甚至阻断, 病变组织以上区域的肾盂及输尿管呈一定程度扩张, 如图5。膀胱肿瘤5例, 其中2例菜花状肿瘤;2例肿瘤膨胀性生长, 表面光滑, 外形呈不规则结节状, 1例外生性生长, 呈息肉状。
肾囊肿4例, 其中2例单侧囊肿, 2例双侧囊肿。MSCTU图像显示肾盂、肾盏受圆形密度影压迫而发生变形。2例肾囊肿在肾盂外部, 肾盂轻微受压, 2例肾盂压迫明显。图像重建有利于更清晰地显示肾盂受压形变情况, 增强扫描能进一步检出等、高密度囊肿, 并与小肾细胞癌相区别。
肾脏创伤、肾内血肿3例。MSCTU显示肾实质内部为边缘模糊的低密度区域及线形的稍高密度影, 1例输尿管内部显示高密度影的凝血块, 从后期CPR图像上能清晰显示, 如图6。1例肾实质内血凝块呈不规则形状, 增强后肾实质密度高于肾内血肿密度。
输尿管狭窄7例, 其中5例有输尿管手术史, 超过一半。与膀胱连接的输尿管下段或与肾盂连接的输尿管上段均有可能出现狭窄, 狭窄表现为输尿管逐渐变窄或是节段性突发变窄, 狭窄区域以上输尿管出现扩张并伴随积水。7例中有4例管壁增厚, 有轻微强化, 3例无明显增厚。
3 讨论
近年来, 泌尿系统病变的诊断随着医学影像学的发展而不断进步, 以往, 泌尿系统疾病的诊断主要依靠B超、IVP及MRU等。B超检查的一大优势是没有放射性, 然而由于输尿管较长, 并且受脂肪层和肠气的干扰, B超对输尿管病变的成像效果不够理想[4], 此外还容易受患者个人因素及操作者技术水平等多方面因素的干扰, 精确度较差[5];IVP是当今诊断泌尿系统结石的首要选择[6], 作为泌尿系统的常规检查方法, IVP有其自身优势, 如能显示完整尿路图像, 对病变部位表现较直观, 能反映输尿管积水及扩增的严重程度等, 而IVP的缺点也同样明显, 如对于肾实质及附近组织的显影模糊不清, 仅可见轮廓, 并且一次成像仅能获得一张图片, 检查非常耗时, 并且结果受患者肠道准备情况的影响较大, 患者准备不充分容易影响成像质量, 导致小范围病变无法发现, 造成漏诊[7]。磁共振尿路造影技术同样具有无辐射, 并且无需造影剂的优点, 但与IVP相似, 其对肾实质的显像同样较差, 仅能显示尿路的情况[8]。相对MSCTU而言, 其不仅分辨率低, 而且检查耗时更长, 成像质量同样比MSCTU差。MSCTU能很好地克服以上多种不足, 对于尿路形态显示清晰、完整, 并且能够很好的展示出肾脏、输尿管及膀胱中的细小病灶[9]。MSCTU结合了IVP与CT的特征和优点, 极大程度地提高了泌尿系统病变检查的灵敏度和特异性。
尿路结石是泌尿系统最常见的一种外科疾病, 然而传统检测方法分辨率较低, 对于小结石尤其是直径不到5 mm的结石常常造成漏诊, 到结石较大时才能检出, 往往给患者带来痛苦, 而MSCTU的一大优势在于容积扫描, 覆盖全面无遗漏, 易于检出细小结石, 有文献报道MSCTU对结石检出率接近100%[10,11]。结石在MSCTU上的表现主要为沿输尿管的高密度灶, 通常其CT值在200 HU以上, 平均350~400 HU[12], 因此从MSCTU图像上准确的发现尿路结石并确定其数量及大小。
对于泌尿系统先天性畸形, 从IVP仅能看出常见畸形, 而对于复杂畸形的成像效果较差[13], 与之相对的是, MSCTU能通过重建得到三维图像, 全方位多角度观察畸形全貌, 从而精确确定畸形的部位及类型。MSCTU对泌尿系统肿瘤病变的诊断也较为可靠, 通过快速并且高分辨率的扫描, 获取多幅原始图像后经过MPR、VR等后期处理, 从多个角度进行全方位观察, 不但能了解肿瘤内部供血情况, 也能显示病变部位与附近组织的关系, 方便从整体上了解病情[14,15]。
综上所述, MSCTU结合了IVP和CT的优点, 能同时显示泌尿系统包括肾脏、输尿管、膀胱的完整形态具有较高的灵敏度和特异性, 在疾病诊断上应用广泛。在泌尿系统成像上, MSCTU扫描时间短, 图像质量好, 可获得不同层面、不同角度的三维图像, 能良好地显示泌尿系统病变的位置、形态、解剖关系、毗邻关系、血供情况及性质, 对泌尿系统疾病的诊断及临床治疗有独特的临床应用价值。
摘要：目的:探讨多层螺旋CT扫描在泌尿系统三维成像中的应用价值。方法:拟对在本院诊治的106例泌尿系统病变患者进行MSCTU平扫、增强、延迟扫描的病例进行回顾性整理, 采用曲面重组法 (CPR) 、最大密度投影法 (MIP) 、多平面重组法 (MPR) 及容积成像法 (VR) 等三维重建技术对原始数据进行重建和分析。结果:MSCTU尿路成像能够清晰显示泌尿系统全貌, 同时显示泌尿系统与附近结构和器官的相互关系。106例患者中, 共检出泌尿系统结石71例, 其中肾结石35例, 输尿管结石20例, 肾脏及输尿管多发结石16例;先天性发育畸形7例, 包括3例双肾盂双输尿管畸形, 2例巨输尿管, l例输尿管囊肿和1例马蹄形肾;肾囊肿4例, 包括2例单侧囊肿, 2例双侧囊肿;肾脏、输尿管、膀胱肿瘤14例, 包括4例肾癌、5例输尿管癌和5例膀胱癌;肾脏创伤、肾内血肿3例;输尿管狭窄7例。结论:MSCTU扫描时间短, 图像质量好, 可获得不同层面、不同角度的三维图像, 能良好地显示泌尿系统病变的位置、形态、解剖关系、毗邻关系、血供情况及性质, 对泌尿系统疾病的诊断及临床治疗有独特的临床应用价值