Spektrometr obrazujący tomografii komputerowej
Spektrometr obrazowania tomografii komputerowej (CTIS) jest spektrometrem obrazującym migawkę , który może wytwarzać z dużą precyzją trójwymiarową (tj. przestrzenną i widmową) hiperspektralną kostkę danych sceny.
Historia
CTIS został wymyślony oddzielnie przez Takayuki Okamoto i Ichirou Yamaguchi w Riken (Japonia) oraz przez F. Bulygina i G. Vishnakova w Moskwie (Rosja). Koncepcja została następnie rozwinięta przez Michaela Descoura, wówczas doktoranta na Uniwersytecie w Arizonie, pod kierunkiem prof. Eustace'a Dereniaka.
Pierwsze eksperymenty badawcze oparte na obrazowaniu CTIS przeprowadzono w dziedzinach biologii molekularnej. Od tego czasu zaproponowano kilka ulepszeń technologii, w szczególności dotyczących sprzętu: dyspersyjne dostarczające więcej informacji o kostce danych, ulepszona kalibracja systemu. Udoskonalenie CTIS było również napędzane przez ogólny rozwój większych czujników obrazu. Do celów akademickich, chociaż nie jest tak szeroko stosowany jak inne spektrometry, CTIS był wykorzystywany w zastosowaniach od wojska po okulistykę i astronomię.
Tworzenie obrazu
Układ optyczny
Układ optyczny instrumentu CTIS pokazano w lewej części górnego obrazu. Ogranicznik pola jest umieszczany na płaszczyźnie obrazu soczewki obiektywu, po czym soczewka kolimuje światło, zanim przejdzie ono przez rozpraszacz (taki jak siatka lub pryzmat ) . Na koniec soczewka do ponownego obrazowania odwzorowuje rozproszony obraz przesłony pola na wielkoformatową matrycę detektorów.
Wynikowy obraz
Informacje, które uzyskuje CTIS, można postrzegać jako trójwymiarową kostkę danych sceny. Oczywiście ten sześcian nie istnieje w przestrzeni fizycznej, tak jak obiekty mechaniczne, ale ta reprezentacja pomaga wyczuć, co przedstawia obraz: Jak widać na rysunku po prawej, kształty na obrazie można uznać za projekcje ( w sensie mechanicznym) kostki danych.
Projekcja centralna, zwana zerowym rzędem dyfrakcji , jest sumą sześcianu danych wzdłuż osi widmowej (stąd ta projekcja działa jak kamera panchromatyczna ). Na obrazie „5” po prawej stronie można wyraźnie odczytać liczbę w centralnym rzucie, ale bez informacji o widmie światła.
Wszystkie inne projekcje wynikają z „patrzenia” na sześcian ukośnie, a zatem zawierają mieszankę informacji przestrzennych i widmowych. Z dyskretnego punktu widzenia, w którym kostka danych jest uważana za zestaw wycinków widmowych (jak na powyższym rysunku, gdzie dwa takie wycinki są przedstawione na fioletowo i czerwono), można zrozumieć te projekcje jako częściowe rozłożenie stosu wycinków , podobnie jak magik rozkłada swoje karty, aby widz mógł wybrać jedną z nich. Należy zauważyć, że dla typowych dyspersji widmowych i typowych rozmiarów czujnika, informacje widmowe danego wycinka mocno pokrywają się z informacjami z sąsiednich wycięć. Na obrazie „5” widać w projekcjach bocznych, że liczba nie jest wyraźnie czytelna (utrata informacji przestrzennej), ale dostępne są pewne informacje spektralne (tj. niektóre długości fal wydają się jaśniejsze niż inne). W związku z tym obraz zawiera zmultipleksowane informacje dotyczące kostki danych.
Liczba i układ występów zależy od rodzaju zastosowanego elementu dyfrakcyjnego. W szczególności można uchwycić więcej niż jeden rząd dyfrakcji.
Rekonstrukcja kostki danych
Wynikowy obraz zawiera wszystkie informacje z kostki danych. Konieczne jest wykonanie algorytmu rekonstrukcji w celu przekształcenia tego obrazu z powrotem w przestrzeń przestrzenno-spektralną 3D. Dlatego CTIS jest komputerowym systemem obrazowania .
Link do rentgenowskiej tomografii komputerowej
Koncepcyjnie każdy z rzutów kostki danych można rozpatrywać w sposób analogiczny do projekcji rentgenowskich mierzonych przez medyczne rentgenowskie przyrządy do tomografii komputerowej używane do oszacowania rozkładu objętości w ciele pacjenta.
| RTG | CTIS | |
|---|---|---|
| Obiekt do zdobycia | Kawałek ciała pacjenta (2D) | Kostka danych przestrzenno-widmowych (3D) |
| Fala przenikająca | rentgenowskie | Światło ze sceny |
| Generator projekcji | Nadajniki obracające się wokół osi | Element dyspersyjny |
| Uzyskany obraz | Sinogram | Zmultipleksowany obraz CTIS |
Stąd najczęściej stosowane algorytmy rekonstrukcji CTIS są takie same, jak te stosowane w dziedzinie badań rentgenowskiej CT. W szczególności algorytm używany przez Descoura jest bezpośrednio zaczerpnięty z przełomowej pracy dotyczącej rekonstrukcji rentgenowskiej tomografii komputerowej. Od tego czasu zastosowano nieco bardziej wyszukane techniki, w ten sam sposób (ale nie w takim samym stopniu) rekonstrukcję rentgenowską tomografią komputerową, która poprawiła się od lat 80-tych.
trudności
W porównaniu z polem rentgenowskim CT, rekonstrukcja CTIS jest znacznie trudniejsza. W szczególności liczba projekcji wynikających z akwizycji CTIS jest zwykle znacznie mniejsza niż w rentgenowskiej tomografii komputerowej. Skutkuje to bardziej rozmytą rekonstrukcją, zgodnie z twierdzeniem o wycinku projekcji . Co więcej, w przeciwieństwie do rentgenowskiej tomografii komputerowej, w której projekcje są rejestrowane wokół pacjenta, CTIS, podobnie jak wszystkie systemy obrazowania, rejestruje scenę tylko z jednego punktu widzenia, a zatem wiele kątów projekcji jest nieosiągalnych.
Linki zewnętrzne
- Algorytm szybkiej rekonstrukcji spektrometru obrazowania tomografii komputerowej (CTIS) jest udokumentowany w artykule: Larz White, W. Bryan Bell, Ryan Haygood, „Accelerating computed tomographic Imaging Spektrometer rekonstrukcja using a równoległy algorytm wykorzystujący niezmienność przesunięcia przestrzennego”, Opt. inż. 59(5), 055110 (2020). [1]