权 利 要 求 书 1/2 页 1. 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 其 特 征 在 于, 包 括 : 针 对 螺 旋 轨 道 扫 描 得 到 的 一 系 列 投 影 图, 利 用 投 影 图 的 轴 向 位 置 和 投 影 角 度, 按 照 以

(19) 中 华 人 民 共 和 国 国 家 知 识 产 权 局 (21) 申 请 号 201110435836.0 (12) 发 明 专 利 *CN102599887B* (10) 授 权 公 告 号 CN 102599887 B (45) 授 权 公 告 日 2013.10.30 (22) 申 请 日 2011.12.22 (73) 专 利 权 人 中 国 科 学 院 自 动 化 研 究 所 地 址 100190 北 京 市 海 淀 区 中 关 村 东 路 95 号 (72) 发 明 人 田 捷 董 迪 秦 承 虎 杨 鑫 (74) 专 利 代 理 机 构 中 科 专 利 商 标 代 理 有 限 责 任 公 司 11021 代 理 人 周 国 城 (51)Int.Cl. A61B 5/00 (2006.01) 审 查 员 陈 昭 阳 权 利 要 求 书 2 页 说 明 书 5 页 5 页 附 附 图 图 4 页 4 页 (54) 发 明 名 称 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 (57) 摘 要 本 发 明 公 开 了 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 (Optical Projection Tomography,OPT) 方 法, 专 门 针 对 光 学 投 影 断 层 成 像 系 统 在 螺 旋 扫 描 方 式 下 获 得 的 投 影 数 据, 通 过 数 据 重 排 将 螺 旋 投 影 数 据 转 化 为 一 系 列 圆 轨 道 扫 描 的 正 弦 投 影 图, 然 后 通 过 重 建 得 到 样 本 三 维 断 层 结 构 本 发 明 实 施 例 可 以 有 效 的 扩 展 光 学 投 影 断 层 成 像 的 视 野, 特 别 是 针 对 细 长 物 体 的 成 像 视 野 CN 102599887 B

权 利 要 求 书 1/2 页 1. 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 其 特 征 在 于, 包 括 : 针 对 螺 旋 轨 道 扫 描 得 到 的 一 系 列 投 影 图, 利 用 投 影 图 的 轴 向 位 置 和 投 影 角 度, 按 照 以 下 公 式 计 算 三 维 重 建 体 的 成 像 视 野 : Fou x =Fou y =N d s 其 中 Fou x 和 Fou y 为 径 向 成 像 视 野, 即 水 平 方 向 的 成 像 视 野, 单 位 为 毫 米,Fou x 表 示 在 水 平 方 向 上 的 x 轴 上 的 位 置,Fou y 表 示 在 水 平 方 向 上 的 y 轴 上 的 位 置,Fou z 为 轴 向 成 像 视 野, 即 竖 直 方 向 z 轴 的 成 像 视 野, 单 位 为 毫 米,N 为 投 影 图 的 行 数 和 列 数, 在 螺 旋 扫 描 时, 每 扫 描 一 个 投 影 图, 成 像 系 统 就 会 记 录 该 投 影 图 相 应 的 z 轴 位 置, 为 螺 旋 扫 描 时 投 影 图 z 轴 位 置 的 最 大 值, 为 螺 旋 扫 描 时 投 影 图 z 轴 位 置 的 最 小 值, 单 位 为 毫 米,d s 为 投 影 图 的 像 素 大 小, 单 位 为 毫 米, 投 影 图 z 轴 位 置 的 最 大 最 小 值 按 照 以 下 公 式 计 算 : 其 中 M 为 样 品 投 影 图 数, 为 第 i 个 投 影 图 扫 描 时 记 录 的 轴 向 位 置,i=1,2,...,M, 扫 描 螺 旋 轨 迹 是 沿 着 z 轴 向 上 的, 故 和 分 别 为 第 一 个 和 最 后 一 个 投 影 图 ; 将 所 述 三 维 重 建 体 划 分 为 多 个 轴 向 待 重 建 断 层, 将 每 个 轴 向 待 重 建 断 层 对 应 的 投 影 行 进 行 数 据 重 排, 获 得 轴 向 待 重 建 断 层 对 应 的 正 弦 图 : 其 中 按 照 以 下 公 式 计 算 重 建 体 像 素 数 : Num x =Fou x /d s =N Num y =Fou y /d s =N Num z =Fou z /d s 其 中 Num x 为 每 个 待 重 建 断 层 的 行 数,Num y 为 每 个 待 重 建 断 层 的 行 数,Num z 为 z 轴 方 向 的 断 层 数, 重 建 体 的 体 素 大 小 为 d s, 与 投 影 图 的 像 素 大 小 相 同 ; 进 行 数 据 重 排 时, 要 计 算 每 个 待 重 建 断 层 对 应 在 投 影 图 中 的 投 影 行, 若 第 k 个 待 重 建 断 层 投 影 到 第 i 个 投 影 图 时, 该 断 层 对 应 的 投 影 行 按 照 以 下 公 式 计 算 : 其 中 k=1,2,3,,num z, 为 第 k 个 断 层 对 应 的 z 轴 位 置, 为 第 i 个 投 影 图 覆 盖 的 最 小 z 轴 位 置, 为 第 i 个 投 影 图 扫 描 时 记 录 的 z 轴 位 置, 扫 描 时 记 录 的 位 置 即 为 投 影 图 底 部 对 应 的 z 轴 位 置 ; 其 中 按 照 以 下 公 式 计 算 第 k 个 重 建 断 层 对 应 的 z 轴 位 置 : 其 中,k=1,2,3,...,Num z, 以 断 层 中 心 平 面 对 应 的 z 轴 位 置 作 为 断 层 的 z 轴 位 置, 2

权 利 要 求 书 2/2 页 为 第 1 个 断 层 底 平 面 对 应 的 z 轴 位 置, 对 于 第 k 个 断 层, 该 层 的 中 心 平 面 对 应 第 (k-0.5) 个 断 层,0.5 代 表 了 半 个 断 层,(k-0.5) d s 代 表 了 第 k 个 断 层 中 心 平 面 相 对 于 第 1 个 断 层 底 平 面 在 z 轴 上 的 距 离 ; 若 第 k 个 待 重 建 断 层 投 影 到 第 i 个 投 影 图 中, 其 满 足 以 下 公 式 : 其 中, 的 位 置 ; 为 第 i 个 投 影 图 覆 盖 的 最 小 z 轴 位 置, 即 该 投 影 图 扫 描 时 记 录 为 第 i 个 投 影 图 覆 盖 的 最 大 z 轴 位 置, 其 为 最 小 位 置 加 上 一 个 投 影 图 像 的 高 度 ; 针 对 所 述 每 个 正 弦 图, 利 用 通 用 图 形 卡 的 硬 件 并 行 方 法 进 行 快 速 断 层 重 建, 具 体 包 括 : 首 先 将 滤 波 之 后 的 正 弦 图 从 计 算 机 的 内 存 拷 贝 到 图 形 卡 的 显 存 中, 然 后 利 用 图 形 卡 的 多 个 流 处 理 器 对 显 存 中 的 正 弦 图 进 行 并 行 反 投 影 操 作, 每 个 流 处 理 器 单 独 进 行 一 个 断 层 像 素 的 反 投 影 操 作, 每 完 成 一 个 像 素 的 反 投 影, 流 处 理 器 转 向 其 它 未 处 理 像 素 继 续 进 行 反 投 影, 直 到 断 层 所 有 像 素 都 在 显 存 中 都 完 成 反 投 影 操 作, 就 可 以 得 到 该 断 层 的 重 建 结 果 ; 将 所 有 快 速 断 层 重 建 后 的 断 层 依 次 叠 在 一 起, 得 到 三 维 重 建 体 2. 如 权 利 要 求 1 所 述 的 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 其 特 征 在 于, 进 行 数 据 重 排 时, 针 对 每 个 待 重 建 断 层, 找 出 其 对 应 的 所 有 投 影 行, 并 按 照 扫 描 顺 序 将 投 影 行 叠 加 为 一 个 正 弦 图, 再 沿 z 轴 方 向, 逐 个 完 成 断 层 对 应 正 弦 图 的 数 据 重 排 3. 如 权 利 要 求 1 所 述 的 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 其 特 征 在 于, 进 行 三 维 重 建 时, 针 对 每 一 个 正 弦 图, 利 用 并 行 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 重 建 方 法 重 建 出 每 个 断 层, 进 而 得 到 三 维 断 层 重 建 体 3

说 明 书 1/5 页 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 技 术 领 域 [0001] 本 发 明 涉 及 一 种 光 学 投 影 断 层 成 像 (Optical Projection Tomography, 简 称 OPT) 技 术, 尤 其 涉 及 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 背 景 技 术 [0002] 光 学 投 影 断 层 成 像 技 术 是 利 用 光 线 在 小 尺 寸 生 物 体 中 沿 直 线 传 播 的 特 点, 发 射 可 见 光 线 穿 透 样 品, 然 后 用 相 机 采 集 多 个 角 度 的 样 品 投 影 视 图, 进 行 三 维 成 像 具 体 来 说, 在 进 行 光 学 投 影 断 层 成 像 时, 需 要 对 样 品 进 行 多 角 度 扫 描, 一 般 采 用 电 控 转 台 对 样 品 进 行 步 进 式 旋 转, 每 旋 转 到 一 个 角 度 采 集 一 幅 或 多 幅 投 影 图 像, 扫 描 过 程 中 样 本 没 有 竖 直 方 向 和 水 平 方 向 的 移 动, 仅 有 转 动, 从 另 一 个 角 度 也 可 认 为 是 激 光 器 和 探 测 器 在 围 绕 被 测 样 本 沿 圆 轨 道 旋 转, 这 种 扫 描 方 式 被 称 为 圆 轨 道 扫 描 光 学 投 影 断 层 成 像 系 统 圆 轨 道 扫 描 最 终 采 集 到 的 数 据 是 一 系 列 不 同 角 度 下 光 线 穿 过 样 品 的 二 维 投 影 图 像, 如 果 将 所 有 投 影 图 像 的 某 一 行 都 提 取 出 来, 按 照 扫 描 顺 序 依 次 按 行 叠 加 为 一 副 图 像, 就 可 以 得 到 一 个 类 似 正 弦 曲 线 的 正 弦 图, 每 一 幅 正 弦 图 对 应 了 样 品 的 一 张 水 平 重 建 断 层, 所 有 正 弦 图 就 对 应 了 样 品 的 三 维 断 层 重 建 体, 从 投 影 数 据 到 样 品 三 维 断 层 结 构 的 过 程 称 为 光 学 投 影 断 层 成 像 三 维 重 建 [0003] 光 学 投 影 断 层 成 像 技 术 可 以 实 现 1-10 毫 米 尺 度 生 物 样 品 的 结 构 和 分 子 特 异 性 功 能 成 像, 具 有 分 辨 率 高 结 构 功 能 一 体 化 无 辐 射 成 本 低 等 诸 多 优 点, 它 可 以 在 小 尺 度 对 活 体 生 物 进 行 细 胞 水 平 的 定 性 和 定 量 研 究, 实 现 生 物 体 的 实 时 无 创 动 态 在 体 成 像 但 是 光 学 投 影 断 层 成 像 技 术 通 常 是 基 于 圆 轨 道 扫 描, 其 成 像 视 野 为 立 方 体, 视 野 有 限, 特 别 是 针 对 细 长 物 体 扫 描 时, 其 要 么 采 用 较 小 的 光 路 放 大 倍 数, 使 立 方 体 成 像 视 野 完 全 覆 盖 整 个 样 本, 但 空 间 分 辨 率 差 ; 要 么 采 用 较 大 的 光 路 放 大 倍 数, 空 间 分 辨 率 较 高, 但 是 成 像 视 野 不 能 完 全 覆 盖 样 本, 仅 能 进 行 样 本 局 部 精 细 成 像 目 前 国 际 上 针 对 于 细 长 物 体 进 行 扫 描 时, 尚 无 法 同 时 实 现 样 本 全 覆 盖 和 高 空 间 分 辨 率, 这 个 问 题 被 称 为 长 物 体 问 题 [0004] 光 学 投 影 断 层 成 像 出 现 长 物 体 无 法 高 分 辨 率 成 像 问 题 的 关 键 原 因 在 于 扫 描 过 程 一 般 采 用 圆 轨 道, 即 样 品 只 有 转 动, 没 有 平 动, 圆 轨 道 扫 描 导 致 光 学 投 影 断 层 成 像 的 有 效 成 像 视 野 为 一 个 立 方 体, 而 对 于 细 长 样 本, 其 本 身 并 不 是 立 方 体 形 状, 在 进 行 光 学 投 影 断 层 成 像 扫 描 时, 若 强 制 立 方 体 视 野 完 全 覆 盖 样 本 时, 在 样 品 的 长 度 方 向 必 然 会 损 失 成 像 精 度 发 明 内 容 [0005] ( 一 ) 要 解 决 的 技 术 问 题 [0006] 为 解 决 光 学 投 影 断 层 成 像 圆 轨 道 扫 描 无 法 对 长 物 体 精 细 成 像 的 问 题, 本 发 明 提 供 了 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 通 过 对 螺 旋 扫 描 的 投 影 数 据 进 行 三 维 成 像, 提 高 光 学 投 影 断 层 成 像 对 长 物 体 的 成 像 视 野 精 度 和 速 度 [0007] ( 二 ) 技 术 方 案 [0008] 本 发 明 针 对 光 学 投 影 断 层 成 像 系 统 采 集 的 螺 旋 轨 道 投 影 数 据, 进 行 三 维 断 层 成 像, 利 用 螺 旋 扫 描 方 式, 本 实 施 例 将 光 学 投 影 断 层 成 像 的 视 野 从 立 方 体 扩 展 为 长 方 体, 有 效 4

说 明 书 2/5 页 提 高 了 轴 向 成 像 精 度, 解 决 了 细 长 物 体 无 法 高 分 辨 率 成 像 的 问 题 [0009] 本 发 明 提 供 了 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 其 特 征 在 于, 包 括 : [0010] 针 对 螺 旋 轨 道 扫 描 得 到 的 一 系 列 投 影 图, 利 用 投 影 图 的 轴 向 位 置 和 投 影 角 度, 确 定 三 维 重 建 体 的 成 像 视 野 ; [0011] 将 所 述 三 维 重 建 体 划 分 为 多 个 轴 向 待 重 建 断 层, 将 每 个 轴 向 待 重 建 断 层 对 应 的 投 影 行 进 行 数 据 重 排, 获 得 轴 向 待 重 建 断 层 对 应 的 正 弦 图 ; [0012] 针 对 所 述 每 个 正 弦 图, 利 用 通 用 图 形 卡 的 硬 件 并 行 方 法 进 行 快 速 断 层 重 建 ; [0013] 将 所 有 快 速 断 层 重 建 后 的 断 层 依 次 叠 在 一 起, 得 到 三 维 重 建 体 具 体 地 说, 本 发 明 包 括 两 个 步 骤 : 数 据 重 排 三 维 重 建, 这 两 个 步 骤 可 以 完 整 实 现 螺 旋 扫 描 数 据 的 三 维 断 层 成 像 其 中, 数 据 重 排 步 骤 根 据 每 一 幅 投 影 图 的 轴 向 位 置 和 投 影 角 度, 将 螺 旋 扫 描 得 到 的 一 系 列 投 影 图, 加 以 重 排, 将 每 个 待 重 建 断 层 所 对 应 的 投 影 数 据 提 取 并 拼 合 在 一 起, 形 成 正 弦 图, 通 过 这 一 步 骤, 可 以 将 螺 旋 投 影 数 据 转 化 为 圆 轨 道 投 影 数 据 ( 在 光 学 投 影 断 层 成 像 中, 将 一 个 径 向 待 重 建 断 层 的 所 有 投 影 数 据 按 照 角 度 拼 合 为 一 幅 图 像, 通 常 称 为 正 弦 图, sinogram, 其 对 应 了 该 待 重 建 断 层 进 行 重 构 所 需 的 数 据 ) ; 三 维 重 建 步 骤 利 用 重 排 后 的 正 弦 图 利 用 通 用 图 形 卡 的 硬 件 并 行 方 法 和 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 重 建 方 法, 重 构 出 样 本 的 三 维 断 层 内 部 结 构 [0014] ( 三 ) 有 益 效 果 [0015] 本 发 明 实 施 例 可 快 速 实 现 光 学 投 影 断 层 成 像 螺 旋 扫 描 数 据 的 三 维 重 建, 在 保 证 成 像 精 度 的 前 提 下, 扩 大 成 像 视 野 附 图 说 明 [0016] 图 1 为 本 发 明 实 施 例 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 中, 关 于 成 像 系 统 扫 描 轨 道 的 示 意 图 ; 其 中, 图 1a 显 示 了 普 通 光 学 投 影 断 层 成 像 的 圆 轨 道 扫 描 方 式 和 成 像 视 野 ; 图 1b 显 示 了 本 发 明 实 施 例 所 采 用 的 螺 旋 轨 道 扫 描 方 式 和 成 像 视 野 ; [0017] 图 2 为 本 发 明 实 施 例 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 中, 进 行 数 据 重 排 的 过 程 ; 其 中 图 2a 显 示 螺 旋 三 维 重 建 体 中, 一 个 待 重 建 断 层 映 射 到 两 个 投 影 图 中 对 应 投 影 行 的 过 程 ; 图 2b 显 示 了 将 图 2a 中 待 重 建 断 层 对 应 的 所 有 投 影 行 按 投 影 顺 序 进 行 数 据 重 排 得 到 的 正 弦 图 ; [0018] 图 3 为 本 发 明 实 施 例 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 中, 针 对 小 鼠 骨 骼 进 行 螺 旋 扫 描, 并 利 用 本 实 施 例 的 方 法 重 建 得 到 的 三 维 断 层 图 ; [0019] 图 4 为 本 发 明 实 施 例 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 中, 对 小 鼠 骨 骼 的 三 维 重 建 体 进 行 可 视 化 的 结 果, 可 以 看 到 本 发 明 可 有 效 地 扩 大 光 学 投 影 断 层 成 像 的 视 野 具 体 实 施 方 式 [0020] 为 使 本 发 明 的 目 的 技 术 方 案 和 优 点 更 加 清 楚 明 白, 以 下 结 合 具 体 实 施 例, 并 参 照 附 图, 对 本 发 明 进 一 步 详 细 说 明 虽 然 本 文 可 提 供 包 含 特 定 值 的 参 数 的 示 范, 但 应 了 解, 参 数 无 需 确 切 等 于 相 应 的 值, 而 是 可 在 可 接 受 的 误 差 容 限 或 设 计 约 束 内 近 似 于 所 述 值 5

说 明 书 3/5 页 [0021] 本 发 明 是 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 本 发 明 专 门 针 对 光 学 投 影 断 层 成 像 系 统 在 螺 旋 轨 道 扫 描 方 式 下 采 集 的 投 影 数 据, 进 行 三 维 断 层 成 像, 扩 展 成 像 视 野 如 图 1a 所 示, 目 前 光 学 投 影 断 层 成 像 一 般 采 用 圆 轨 道 扫 描 方 式, 其 有 效 成 像 视 野 为 一 个 立 方 体, 而 对 于 细 长 样 本, 其 本 身 并 不 是 立 方 体 形 状, 在 进 行 光 学 投 影 断 层 成 像 扫 描 时, 若 强 制 样 本 完 全 在 立 方 体 视 野 中 时, 样 本 在 轴 向 必 然 会 损 失 成 像 精 度 ; 如 图 1b 所 示, 本 发 明 实 施 例 采 用 新 的 螺 旋 扫 描 方 式, 利 用 样 品 旋 转 和 轴 向 平 移, 将 光 学 投 影 断 层 成 像 的 视 野 扩 展 为 长 方 体, 不 仅 保 留 了 高 精 度, 同 时 实 现 了 成 像 视 野 的 扩 大 本 发 明 专 门 针 对 细 长 物 体 的 扫 描 数 据 进 行 大 视 野 成 像, 具 有 快 速 鲁 棒 高 分 辨 率 的 特 点 [0022] 本 发 明 的 实 现 方 案 分 为 两 个 主 要 步 骤 : 数 据 重 排 和 三 维 重 建, 其 中 数 据 重 排 利 用 投 影 视 图 轴 向 位 置 和 投 影 角 度, 获 得 一 系 列 正 弦 图 像, 每 个 正 弦 图 对 应 一 个 待 重 建 断 层, 所 有 正 弦 图 对 应 三 维 重 建 体 ; 快 速 三 维 断 层 重 建 利 用 高 性 能 通 用 图 形 卡 对 传 统 的 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 方 法 进 行 硬 件 并 行 加 速, 利 用 正 弦 图 快 速 重 构 出 每 个 断 层, 将 所 有 断 层 依 次 叠 在 一 起 就 得 到 三 维 重 建 体 下 面 利 用 细 长 骨 骼 实 验 描 述 本 发 明 的 步 骤, 实 验 中 采 用 小 鼠 的 骨 骼 进 行 螺 旋 光 学 投 影 断 层 成 像, 成 像 系 统 采 集 的 投 影 视 图 像 素 数 为 500*500, 每 个 像 素 大 小 为 24 微 米, 数 据 采 集 过 程 中, 样 品 等 角 度 旋 转, 每 旋 转 一 个 角 度, 就 进 行 一 次 轴 向 等 步 进 平 移, 这 样 实 际 的 扫 描 轨 道 为 一 个 螺 旋 线, 样 本 共 旋 转 3 周, 即 3*360 = 1080, 样 本 轴 向 共 平 移 15 毫 米, 共 采 集 1030 个 角 度 的 投 影 视 图 以 骨 骼 实 验 为 例, 本 发 明 的 详 细 步 骤 如 下 : [0023] 步 骤 S1 : 本 步 骤 针 对 螺 旋 扫 描 方 式 下 采 集 到 的 一 系 列 轴 向 平 移 的 投 影 图, 根 据 每 幅 投 影 图 的 轴 向 位 置 和 扫 描 角 度, 首 先 利 用 第 一 幅 和 最 后 一 幅 投 影 图 的 轴 向 位 置, 结 合 投 影 图 的 大 小, 计 算 出 整 个 重 建 体 的 成 像 视 野 ; 然 后 进 行 重 建 体 的 断 层 划 分, 将 断 层 像 素 大 小 和 断 层 厚 度 都 设 置 为 投 影 图 像 素 的 大 小, 计 算 出 重 建 体 的 体 素 数 ; 接 着, 针 对 每 个 待 重 建 断 层, 计 算 其 对 应 的 轴 向 位 置, 并 定 位 其 在 每 个 投 影 图 中 的 投 影 行, 将 所 有 对 应 投 影 行 按 扫 描 顺 序 重 排 为 一 个 正 弦 图 图 2 显 示 了 螺 旋 数 据 重 排 的 过 程, 其 中 图 2a 显 示 了 三 维 重 建 体 中 一 个 待 重 建 断 层 与 投 影 图 的 对 应 关 系, 图 中 显 示 了 0 和 180 的 两 个 投 影 图, 投 影 图 上 的 红 线 为 待 重 建 断 层 对 应 的 投 影 行 ; 图 2b 显 示 了 将 图 2a 中 待 重 建 断 层 对 应 的 所 有 投 影 行 经 过 重 排 后 获 得 的 正 弦 图, 利 用 该 正 弦 图 可 以 精 确 重 建 出 图 2a 中 对 应 的 断 层 [0024] 步 骤 S1-1 : 为 了 进 行 三 维 重 建, 需 要 首 先 计 算 三 维 成 像 视 野, 即 三 维 重 建 体 的 大 小, 假 设 采 集 的 样 品 投 影 图 数 为 M, 每 个 投 影 图 像 素 数 为 N N, 其 中 N 为 投 影 图 的 行 数 和 列 数, 投 影 图 像 素 大 小 为 d s, 单 位 毫 米, 投 影 图 的 长 度 和 宽 度 都 为 N d s, 第 i 个 投 影 图 的 投 影 角 度 为 r i, 其 中 i = 1,2,3,...,M, 第 i 个 投 影 图 扫 描 时 记 录 的 轴 向 位 置 为 本 实 施 例 中 样 品 的 螺 旋 扫 描 轨 迹 一 般 是 沿 着 z 轴 向 上, 故 则 投 影 图 记 录 的 最 小 轴 向 位 置 投 影 图 记 录 的 最 大 轴 向 位 置 样 品 轴 向 成 像 视 野 (field of view,fov) 为 即 轴 向 总 位 移 加 上 一 个 投 影 图 的 高 度, 径 向 成 像 视 野 一 般 与 投 影 图 的 宽 度 相 同, 即 Fov x = Fov y = N d s ; 重 建 体 的 体 素 大 小 与 投 影 图 的 像 素 大 小 相 同 为 d s, 故 三 维 断 层 重 建 体 的 体 素 个 数 为 Num x = Fov x /d s = N,Num y = Fov y /d s = N,Num z = Fov z /d s, 其 中 Num z 表 示 三 维 重 建 体 的 断 层 数 本 步 骤 可 以 确 定 待 重 建 三 维 体 的 视 野 和 体 素 数 [0025] 步 骤 S1-2 : 螺 旋 三 维 重 建 的 过 程 可 以 转 化 为 一 系 列 z 轴 方 向 的 断 层 重 建, 本 6

说 明 书 4/5 页 步 骤 通 过 数 据 重 排, 找 到 z 轴 方 向 每 一 个 待 重 建 断 层 对 应 的 正 弦 图, 再 逐 个 断 层 进 行 重 建 本 实 施 例 首 先 计 算 每 个 待 重 建 断 层 对 应 的 z 轴 位 置, 利 用 此 位 置 找 出 其 在 每 个 投 影 图 中 对 应 的 投 影 行, 然 后 将 该 断 层 的 所 有 投 影 行 按 照 扫 描 顺 序 排 列 为 一 幅 正 弦 图, 即 完 成 该 断 层 对 应 数 据 的 重 排 具 体 如 下 : 对 于 第 k 个 待 重 建 断 层 ( 其 中 k = 1,2,3,..., Num z ), 其 中 心 平 面 在 z 轴 方 向 的 位 置 本 实 施 例 以 断 层 中 心 平 面 对 应 的 z 轴 位 置 作 为 断 层 的 z 轴 位 置, 为 第 1 个 断 层 底 平 面 对 应 的 z 轴 位 置, 对 于 第 k 个 断 层, 该 层 的 中 心 平 面 对 应 第 (k-0.5) 个 断 层,0.5 代 表 了 半 个 断 层, (k-0.5) d s 代 表 了 第 k 个 断 层 中 心 平 面 相 对 于 第 1 个 断 层 底 平 面 在 z 轴 上 的 距 离 对 于 第 i 个 投 影 图, 其 所 覆 盖 的 z 轴 区 间 为 中 高 度 若 其 两 者 相 差 一 个 投 影 图 的 说 明 第 k 个 断 层 可 以 投 影 到 第 i 个 投 影 图 上, 本 发 明 实 例 则 找 出 第 k 个 待 重 建 断 层 对 应 第 i 个 投 影 图 中 最 近 的 一 个 行 其 中 [] 为 取 整 符 号, 即 第 k 重 建 断 层 在 第 i 个 投 影 图 中 的 投 影 行, 如 图 2a 所 示, 投 影 图 上 的 红 线 表 示 断 层 对 应 的 投 影 行 ; 我 们 将 第 k 个 待 重 建 断 层 对 应 的 所 有 投 影 行 按 照 扫 描 顺 序 排 列 为 一 幅 正 弦 图, 即 完 成 第 k 个 断 层 的 投 影 数 据 重 排, 图 2b 显 示 了 图 2a 中 待 重 建 断 层 的 正 弦 图, 本 步 骤 将 依 次 完 成 所 有 断 层 的 数 据 重 排 [0026] 步 骤 S2 : 对 重 排 之 后 的 每 个 正 弦 图 逐 个 进 行 断 层 重 建, 便 可 以 得 到 三 维 断 层 重 建 体 本 步 骤 采 用 并 行 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 重 建 方 法, 熟 悉 本 领 域 的 技 术 人 员 应 了 解, 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 重 建 方 法 是 圆 轨 道 光 学 投 影 断 层 成 像 领 域 最 经 典 的 重 建 方 法 之 一, 其 包 括 滤 波 和 反 投 影 两 个 步 骤, 本 步 骤 将 在 CPU 上 进 行 滤 波, 而 反 投 影 因 其 计 算 量 比 较 大, 且 具 有 高 度 并 行 的 特 点, 本 发 明 将 其 在 高 性 能 通 用 图 形 卡 上 进 行 并 行 加 速, 实 现 并 行 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 重 建 方 法, 提 升 重 建 速 度 高 性 能 图 形 卡 相 对 于 CPU 具 有 流 处 理 器 多, 能 够 对 大 量 相 似 的 独 立 计 算 进 行 并 行 加 速 的 特 点, 而 本 发 明 实 施 例 从 滤 波 之 后 的 正 弦 图 到 断 层 的 反 投 影 过 程 中, 断 层 每 个 像 素 的 重 建 ( 即 反 投 影 ) 是 相 互 独 立 的, 完 全 具 备 并 行 特 点 本 实 施 例 在 图 形 卡 中 实 现 了 硬 件 并 行 反 投 影 方 法, 首 先 将 滤 波 之 后 的 正 弦 图 从 计 算 机 的 内 存 拷 贝 到 图 形 卡 的 显 存 中, 然 后 利 用 图 形 卡 的 多 个 流 处 理 器 对 显 存 中 的 正 弦 图 进 行 并 行 反 投 影 操 作, 每 个 流 处 理 器 单 独 进 行 一 个 断 层 像 素 的 反 投 影 操 作, 每 完 成 一 个 像 素 的 反 投 影, 流 处 理 器 转 向 其 它 未 处 理 像 素 继 续 进 行 反 投 影, 直 到 断 层 所 有 像 素 都 在 显 存 中 都 完 成 反 投 影 操 作, 就 可 以 得 到 该 断 层 的 重 建 结 果, 本 实 施 例 将 显 存 中 的 断 层 结 果 拷 贝 到 内 存 中, 进 行 显 示 和 储 存 [0027] 针 对 本 发 明 的 螺 旋 扫 描 三 维 重 建 方 法, 图 3 为 本 发 明 实 施 例 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 中, 利 用 小 鼠 骨 骼 进 行 螺 旋 扫 描 重 建 得 到 的 三 维 断 层 图, 可 以 看 到 骨 骼 内 部 的 结 构 非 常 清 晰 [0028] 图 4 为 本 发 明 实 施 例 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法 中 针 对 骨 骼 三 维 结 构 进 行 可 视 化 的 结 果, 可 以 看 到, 通 过 螺 旋 重 建, 成 像 视 野 完 全 覆 盖 了 细 长 形 的 骨 骼, 进 而 验 证 了 本 发 明 的 有 效 性 [0029] 综 上 所 述, 本 发 明 提 出 了 一 种 基 于 螺 旋 扫 描 轨 道 的 光 学 投 影 断 层 成 像 方 法, 实 现 7

说 明 书 5/5 页 螺 旋 扫 描 投 影 数 据 的 三 维 断 层 成 像, 其 具 有 大 成 像 视 野 高 精 度 快 速 成 像 的 特 点, 具 体 来 讲 : [0030] (1) 在 扫 描 方 式 上, 本 发 明 实 施 例 在 传 统 圆 轨 道 平 行 束 扫 描 基 础 上, 加 上 样 品 的 轴 向 平 移, 实 现 了 光 学 投 影 断 层 成 像 的 螺 旋 扫 描 方 式, 扩 展 了 成 像 视 野 ; [0031] (2) 在 数 据 重 排 的 过 程 中, 本 发 明 实 施 例 针 对 螺 旋 扫 描 投 影 图, 利 用 投 影 图 的 扫 描 角 度 和 轴 向 位 置, 找 出 每 个 待 重 建 断 层 对 应 的 正 弦 图, 将 螺 旋 扫 描 数 据 重 排 为 圆 轨 道 扫 描 数 据 的 形 式, 不 仅 简 化 了 重 建 过 程, 更 保 证 了 成 像 精 度 ; [0032] (3) 在 螺 旋 三 维 重 建 的 过 程 中, 本 发 明 实 施 例 对 传 统 的 圆 轨 道 滤 波 反 投 影 算 法 进 行 并 行 加 速, 提 高 了 三 维 断 层 成 像 的 速 度 [0033] 以 上 所 述 的 具 体 实 施 例, 对 本 发 明 的 目 的 技 术 方 案 和 有 益 效 果 进 行 了 进 一 步 详 细 说 明, 所 应 理 解 的 是, 以 上 所 述 仅 为 本 发 明 的 具 体 实 施 例 而 已, 并 不 用 于 限 制 本 发 明, 凡 在 本 发 明 的 精 神 和 原 则 之 内, 所 做 的 任 何 修 改 等 同 替 换 改 进 等, 均 应 包 含 在 本 发 明 的 保 护 范 围 之 内 8

说 明 书 附 图 1/4 页 图 1a 图 1b 9

说 明 书 附 图 2/4 页 图 2a 图 2b 10

说 明 书 附 图 3/4 页 图 3 11

说 明 书 附 图 4/4 页 图 4 12