连续波THz－CT在医学成像中的应用研究

郭风雷，张明月，肖 征，李向军，刘建军

(1.中国计量学院信息工程学院，太赫兹技术与应用研究所，浙江杭州310018;2.南京军区杭州疗养院海勤疗养区，浙江杭州310002)

1 引言

X射线计算机断层成像(Computed Tomography)技术(X－CT)是医学成像中应用最普遍的手段。X－CT是X射线照相术与计算机信号处理方法结合的产物，在许多科学领域都得到了应用，极大地增强了人类观察物体内部结构的能力。特别在医学研究诊断中，它被用来作为一种获取人体内部信息的有效手段。

CT的工作原理就是投影图像重建，一般指从一个物体的多个(轴向)投影图重建目标图像的过程。透射断层成像系统中，从发射源射出的X射线穿透物体到达接收器。射线在通过物体时被物体吸收一部分，余下部分被接收器接收。接收器获得的射线强度实际上反映了物体各部分对射线的吸收情况。由于接收器接收到的模拟信号经模数转换器转换成数字信号后，把代表着不同角度下的投影数据送给计算机，它再运用数学方法重建出物体截面的图像。在医学上它主要针对骨质成像。

但是X射线会引起生物组织电离，对人体有害，有些情况下是不适宜使用的。而太赫兹(THz)射线也可以完成类似的功能，已经被用于光谱分析和成像。太赫兹是频率介于微波和红外线之间的电磁波，频率范围一般为0.1～10 THz。太赫兹具有很多独特的性质，例如可以用于无创和无损检测、对很多物质透明或有足够的透射深度［1］，低散射和宽频等，而且对人体无害［2］。这些特性适合用于无损检测、违禁药物检测［3］、爆炸物检测［4］、艺术品保护［5］、医学检测［6］等方面。已经出现多种成像技术，可以对具有复杂结构的三维物体进行成像。例如，利用太赫兹脉冲的飞行时间成像技术，可以获得多层物体的结构。这种方法的深度分辨率可以达到1 μm［7］。但是，如果被检测物体结构比较复杂，对太赫兹射线的多重反射和折射使回波信号很难被检测。在这种情况下，更好的解决方法是利用CT技术。

THz－CT也是利用同样的方法获得断面图像。但是直到现在，大部分用于THz－CT成像实验的样本是聚四氟乙烯(PTFE)等折射率不太高的物质构成的。一旦样本的折射率大于1.5，对太赫兹射线的折射就很强烈，以至于透射信号很难被检测到［8］。

THz－CT要求太赫兹源有足够的功率使透射波被检测到。目前基于耿氏二极管和返波振荡器(BWO)的单频连续波(CW)太赫兹源及热释电等探测器件组成的系统具有很多优势，包括信噪比高、装置简单可靠、体积小［9］、成本也具有较大优势。而且，获取扫描数据的时间也大大缩短［10］。本文介绍利用基于CW系统的THz－CT实验平台对样本进行扫描，并利用滤波反投影(FBP)算法重建图像的方法。

2 实验装置

CT扫描装置如图1所示。太赫兹源是基于BWO的连续波太赫兹源，输出0.3 mW、240 GHz的波束，由一个准直透镜校准。然后波束用一个PTFE透镜聚焦到样本上，样本置于一个二轴电动平台(分别包括x、θ两个方向的运动)。探测由热释电传感器完成，波束被斩波器调制成20 Hz。透过样本的太赫兹波束被锁相放大器获得。用半高宽度发测得波束直径2 mm，这表明波长为毫米级的断层成像扫描装置的空间分辨率被限制在几毫米。

首先在x方向以一定步长对样本进行扫描，然后样本旋转一个角度θ后，再重复x方向的扫描。这个操作从θ=0°到θ=180°重复进行，得到一组投影。从所有的投影数据，我们可以提取一个正弦图，对于一个给定的水平截面，它表征透射太赫兹波的强度，它是旋转角度的函数。最后通过FBP算法可以重建出样本断面图像。

图1 THz－CT实验平台

3 结果和讨论

首先采用PTFE圆柱体模型进行测试。其横截面直径为10 mm，如图2所示。首先用太赫兹波对样本在x方向上进行扫描，步长0.2 mm，然后旋转θ=5°(0°≤θ≤175°)后重复x方向上的扫描。图3是其中一次x方向扫描得到的投影，实心点为理论仿真值，空心点为实际测量值。如果太赫兹射线没有被圆柱体样本阻挡，相对于在空气中传播。当射入样本的时候，理论上强度会有8%的菲涅尔损耗(两个界面分别为4%)，并且随着在圆柱体内传播距离的增加而递减。但实际结果和理论值有些不同，比较图3的理论值和实测值(以0～5 mm为例)可以看出，在靠近圆柱体边缘的地方(3～5 mm)太赫兹射线透射率明显低于理论值，这是因为在边缘附近射线入射角较大，经过入射界面和出射界面两次折射，射线会偏离原来的传播方向。在4 mm附近和理论值偏离最大，这是由于透射的深度比边缘增加迅速，吸收损耗加上折射偏离的综合作用造成的。在2 mm附近测量值接近理论值，因为比较靠近中心，入射角比较小，折射引起的射线偏离减弱至最小。靠近中心的地方，虽然入射角很小，但由于太赫兹波束直径至少2 mm，通过圆柱中心附近时就像通过一个柱状透镜，致使被探测射线的焦点偏离探测器所处的位置，所以探测到的强度比理论值低。图4(a)是由投影数据得到的正弦图，图4(b)是利用反投影算法重建的样本断面图像，图4(c)是利用滤波反投影算法重建的断面图像。

图2 圆柱体横截面

图3 THz在x方向不同位置的透射率

图4 圆柱体样本重建图像

从重建结果来看，样本边缘比较模糊，这是因为从波束边缘接触样本到整个波束被样本遮挡的过程有2 mm的距离，这个过程中波束因被遮住的部分越来越多而到达探测器的强度随之递减，造成边缘模糊。断面内部图像也因为之前分析过的折射误差而呈现密度不均匀的情况。

然后对不透明的U形金属物体(图5(a))进行成像实验，对其两个截面为矩形的立柱进行扫描。从反投影重建结果(图5(b))看，效果并不理想，而滤波反投影重建结果(图5(c))虽然有改善，但也不符合矩形的形状。这是因为从波束接触样本边缘到整个波束被样本挡住有2 mm(波束直径)的行程，实际每次扫描应该计算波束中心接触样本到离开样本的过程，这个过程应该是完全透射不过去的，所以我们以波束中心接触和离开样本为界对投影数据进行二值化后进行反投影重建，得到图5(d)的结果，可以看出基本符合样本界面的形状，但不完全是矩形，这是因为射线在入射角很大的情况下照射样本的界面时会有部分反射射线到达探测器，造成伪影的结果。这个实验说明当知道成像的物体中有不透明的部分时，可以对该部分的投影数据进行二值化处理，可以得到更符合实际的结果。

图5 U形样本重建图像

最后我们对人体骨骼——牙齿进行成像，探讨THz－CT在医学上的应用前景。牙冠上的牙釉质折射率最高，为1.62［11］。对太赫兹的折射会比较强烈。图6(a)是牙齿照片，已经去除了牙髓。图6(b)、图6(c)分别是牙冠部分的反投影和滤波反投影重建图像。图6(d)、图6(e)分别是是牙颈部分的反投影和滤波反投影重建图像。可以看出牙冠部分牙釉质对太赫兹的吸收和折射比较严重，重建图像不能准确反映内部结构。而中部牙骨质折射率略低，为 1.54［11］，而且厚度比较小，重建图像可以看见内部除去牙髓的髓腔，可以大致反映内部结构，但分辨率较低。

图6 小臼齿样本径向断面重建图像

图7是一枚大臼齿的照片和牙颈重建图像，隐约可以看见内部两个空腔结构，但分辨率和精度有限，这是因为样本体积比较大，透射的太赫兹波比较微弱，而且受到的折射比较强烈。

图7 大臼齿样本径向断面重建图像

图8(a)是一枚轴向切割的牙齿的的照片，对其剖面附近进行扫描重建，可以看到髓腔结构。但同样因为折射的影响而精度不高，如图8所示。

图8 牙齿样本轴向断面重建图像

4 结论

本文用连续波THz－CT对具有复杂结构的样本进行分析，这些样本具有较高的折射率，对太赫兹波有很大的折射损耗。折射使太赫兹射线偏离原来的方向，不能被探测器正确探测，用传统反投影法和滤波反投影法重建图像不能准确反映样本内部结构。对于人体骨骼特别是牙齿等折射率高的复杂结构样本，重建结果只能反映大致结构，由于折射和太赫兹波长的限制对细微结构的分辨率不足，而且透射深度有限。下一步工作将集中在下面几个方面:合理设计光路，将折射影响降低到最小;提高太赫兹频率，增加分辨率;改进重建算法，对图像进行校正。主要是提高分辨率，增强对比度，消除折射或者衍射造成的伪影，以适应医学成像的需求。

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