基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究

班 级 1315011 学 号 本科毕业设计论文 题 目 基于3D轮廓扫描的光学断层成像 系统研究 学 院 生命科学技术学院 专 业 生物医学工程 学生姓名 导师姓名 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文 基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者： （签字） 时间：指导教师已阅： （签字） 时间： 西安电子科技大学毕业设计（论文）任务书学生姓名 学号 指导教师 职称 学院 生命科学技术学院 专业 生物医学工程 题目名称 基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究 任务与要求生物发光断层成像作为分子影像中的重要分支，虽起步较晚，但一直是国内外研究的热点方向。但生物发光断层成像本身具有不适定性，因此一般需要采集对象的结构信息作为先验知识来完成光源的重建。目前国内外的解决方案仅限于使用微型计算机断层成像系统进行结构信息的获取，但该方法所使用的设备复杂，采集时间也较长。本次研究需要采用一种新的替代方案，即3D轮廓扫描，可以在保证精度的同时降低设备的成本和复杂性，并提升采集轮廓结构的效率。要求在此次研究中完成系统的设计与搭建工作，并进行成像实验，验证系统的可行性。开始日期 2016.12.5 完成日期 2017.6.5 院长（签字） 年 月 日注：本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。西安电子科技大学毕业设计（论文）工作计划学生姓名 学 号 指导教师 职 称 学 院 生命科学技术学院 专 业 生物医学工程 题目名称 基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究 一、毕业设计（论文）进度起 止 时 间工 作 内 容2016.12.5 - 2017.1.5资料查找，提出基本思路2017.2.27 - 2017.3.73D轮廓扫描系统搭建与实现2017.3.8 - 2017.3.22理论分析、并进行实验研究，提升扫描精度2017.3.23 - 2017.4.20双系统融合成像实验，实验数据处理，验证思路2017.4.21 - 2017.5.15分析结果，撰写论文2017.5.16 - 2017.6.5准备答辩二、主要参考书目（资料）1 阮秋琦,阮宇智（译） 数字图像处理 电子工业出版社，2011.2 黄力宇， 医学成像的基本原理 电子工业出版社，2009.3 Chen J, Wu X, Wang M Y, “3D shape modeling using a self-developed hand-held 3D laser scanner and an efficient HT-ICP point cloud registration algorithm”. Optics & Laser Technology, 2013, 45(1):414-423.4 Lv Y, Jie T, Cong W, “MicroCT-guided Bioluminescence Tomography Based on the Adaptive Finite Element Tomographic Algorithm”Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. Embs 06. International Conference of the IEEE. IEEE, 2006:381-384.三、主要仪器设备及材料硬件：计算机，小动物光学实验平台，科学级液体制冷CCD，自行研制的3D轮廓扫描系统 软件：Microsoft Windows 10，Matlab，DAVID，3ds MAX四、教师的指导安排情况（场地安排、指导方式等）场地： 生命科学技术学院G404实验室指导方式：导师根据周汇报和组会进行提问与指导五、对计划的说明注：本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（计划书双面打印）西 安 电 子 科 技 大 学毕业设计（论文）中期检查表学 院生命科学技术学院专 业生物医学工程学生姓名学 号班 级1315011导师姓名职 称单 位生命科学技术学院题目名称基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究 检 查 内 容检 查 结 果题目是否更换及更换原因否 学生出勤情况按时出勤进 度 评 价（完成总工作量的百分比） 80%正常进度质量评价、进度描述已完成文献阅读和光学成像系统基本原理的学习，验证3D扫描的可行性并完成3D轮廓扫描系统的基本搭建工作。总 体 评 价（按优、良、中、及格、不及格五挡评价）优存在的问题与建议 系统的实际扫描精度还需进一步提升，建议使用仿体进行扫描实验，测量提升扫描精度。并进行生物发光与光学3D轮廓扫描的共同成像。学 院 审 核（盖章）注：此表由指导教师填写，5月15日前交学院办公室，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分；此表装订入毕业设计（论文）中。西安电子科技大学毕业设计（论文）指导教师评定意见表 学 院生命科学技术学院专 业生物医学工程姓 名学号成 绩优秀题目名称基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究指导教师职 称指导教师评语及对成绩的评定意见论文分析了不同光学3D扫描方案的优劣，再次基础上为本次研究选取了合适的研究方案。自行完成了光学3D轮廓扫描系统的设计与搭建，所搭建的系统达到了要求的扫描精度，并可以与生物自发光成像系统进行了融合成像，而且在小鼠轮廓上进行了简单的自发光光源映射。为基于光学3D轮廓扫描系统的生物发光断层成像重建奠定了基础，为生物发光断层成像重建过程中结构先验信息的获取提供了新的思路。该生在此次毕业设计工作中，认真刻苦，积极与导师沟通，及时反馈问题与阶段成果，总体表现态度较为积极，展现了分析与解决问题的能力，工作量充足。较好地达到了毕业设计的基本要求。论文写作规范，结构合理，语言流畅。综合以上，建议成绩“优秀”签名 2017 年6 月 10 日西安电子科技大学毕业设计（论文）评阅人评定意见表 学 院生命科学技术学院专 业生物医学工程姓 名学号成 绩题目名称基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究指导教师职 称评阅人评语及成绩评定意见签名 2017年6月13日西安电子科技大学毕业设计（论文）成绩登记表 学 院生命科学技术学院专 业生物医学工程姓 名学号成 绩题目名称基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统研究指导教师职 称答辩小组意见签名 2017年6月15日学院答辩委员会意见答辩委员会主任签名 （学院盖章） 2017年6月20日Error! No text of specified style in document.摘 要生物发光断层成像技术属于分子影像中光学成像的范畴，可以依靠其较高的灵敏度在细胞和分子水平监测生物的生理变化过程。但该成像方法在进行光源重建时，需要对象的轮廓结构作为先验信息，而生物发光断层成像本身的空间分辨率较低，无法提供对象的精确结构信息，因此必须采用其他成像方案来进行结构成像，保证光源重建的准确性。目前国内外采用的解决方法为在生物发光断层成像系统基础上使用计算机断层成像系统进行成像来提供对象的结构信息。本文所述的研究内容为一种更为简便的提供结构信息的方法，即通过对被成像对象进行3D轮廓来扫描得到该对象的结构信息。在本文中，经过对几种不同3D成像方法的比较与分析，选取了结构光法进行3D轮廓扫描成像，并基于生物发光断层成像系统的平台搭建该3D轮廓扫描系统。通过理论分析与实验研究提高系统的扫描精度，并配合生物发光断层成像系统进行成像实验，在扫描获得的轮廓结构上进行简单的生物发光光源重建，验证了该方法的可行性。关键词：生物发光断层成像 3D轮廓扫描 多模态成像Error! No text of specified style in document.ABSTRACTBioluminescence tomography technique belongs to the category of optical imaging in Molecular Imaging, relying on its high sensitivity which can monitor biological processes at the cellular and molecular levels. It requires the contour structure of the object as a priori information when performing the reconstruction of the light source. But the bioluminescence tomography itself has a lower spatial resolution and cant provide accurate structural information about the object, therefore, other imaging schemes must be used for structural imaging to ensure the accuracy of light source reconstruction. Nowadays, the solution adopted at home and abroad is using computed tomography system on the basis of bioluminescence tomography to provide structural information for object. The paper describes a new method for providing structural information which is obtaining the structure information of the object through 3D contour scanning.In this paper, structured light method is chosen for 3D contour scanning imaging, and the 3D contour scanning system is built based on the platform of Bioluminescence tomography system by comparing several different 3D imaging methods. Through the theoretical analysis and experimental research to improve the scanning accuracy of the system, and do imaging experiment with bioluminescence tomography system, and a simple bioluminescent light source is reconstructed on the contour structure obtained by scanning to verify the feasibility of this method. Keywords：Bioluminescence Tomography 3D contour scanning Multi-modality imagingError! No text of specified style in document.i目 录第一章 绪论11.1生物发光成像11.2生物发光断层成像11.3国内外研究现状21.4本文的主要研究成果和内容安排3第二章 Micro-CT/BLT系统52.1 Micro-CT概述52.2系统结构62.3原理及工作方式7第三章 3D轮廓扫描系统设计与搭建93.1几种常用3D扫描方案的分析与比较93.1.1三坐标测量仪93.1.2双目成像法93.1.3结构光法103.2激光线结构光3D扫描原理113.3 系统设计与搭建14第四章 相机标定与精度提升194.1 摄像机标定194.1.1参照物摄像机标定法194.1.2基于主动视觉的摄像机标定法204.1.3摄像机自标定法204.2 精度影响因素验证实验21第五章 光学3D轮廓与自发荧光成像255.1实验分析255.2 实验过程255.3数据处理与图像融合26第六章 总结与展望296.1本文总结296.2进一步的工作29第七章 结束语31致 谢33参考文献35Error! No text of specified style in document.35第一章 绪论1.1生物发光成像生物发光（bioluminescence）是生物体对光的产生和排放过程，是生物体自然发光或其提取物在一定的条件下发光的现象。这种现象其实是一种特殊类型的化学发光反应，生物发光不依赖于生物组织对光的吸收，而是直接由化学能转化为光能，该过程的转化效率几乎达到了100%。发光现象的产生原因是：生物体中由细胞合成的化学物质，在一种特殊酶的催化作用下，使体内的化学能转化为光能。其关键过程是生物体内的荧光素和对应的荧光素酶的键合，反应过程为荧光素、ATP（三磷酸腺苷）及氧在荧光素酶的催化作用下发生反应，在氧与荧光素结合时电子发生跃迁同时释放出荧光光子，从而产生发光现象。自从1997年，Contag等首次成功观察到转基因实验小鼠在注入底物后产生的发光现象以后 Contag P R, Olomu I N, Stenvenson D K, et al. Biolumines-cent indicators in living mammals. Nat Med, 1998, 4(2):245247，生物发光迅速被广泛应用于生物医学相关的研究工作中，生物发光成像技术(Bioluminescence Imaging, BLI) Sadikot R T, Blackwell T S. Bioluminescence Imaging. Proceedings of the American Thoracic Society, 2005, 2(6):537-40, 511-2.也由此而来，并迅速成为分子影像研究中的重要内容。其主要原理是荧光素与氧结合过程中由于电子转移时产生的荧光光子逸出生物体表面而被仪器探测到，对数据进行降噪等处理后进行成像。由于光子发光强度本身较低，而且在生物体内的传播过程中会被散射和吸收，因此最终能被探测到的光子强度是极其微弱的。所以在实验过程中，需要将实验对象及实验装置整体置于黑箱中去除自然光的干扰，并使用高灵敏度低噪声的CCD(Charge-Coupled Device)相机来捕获从生物体逸出的微弱光子信号。最后，根据CCD获得的数据推断体内发光光源的位置分布信息。二维的BLI成像系统由于只是在一个角度对实验对象进行成像，所获取的光源发光信息也是二维的，信号是来自多个深度的信号的叠加，最终的成像结果也只是在CCD在白光条件下获取的对象图像上推测光学成像目标分布的大致位置和叠加后的发光强度，发光光源在实验动物体内精确的深度信息与强度信息均无法获取。1.2生物发光断层成像为了克服二维成像系统的缺陷，在生物发光成像的基础上借鉴计算机断层成像技术的原理进一步研究和发展了多角度的生物发光成像，也就是生物发光断层成像技术(Bioluminescence Tomography，BLT) 杨伟. 活体小动物体内三维生物发光断层成像的研究. 南京航空航天大学, 2012.，以目前小鼠的生物发光断层成像系统为例，通过使用高灵敏度的CCD相机对小鼠进行多个不同角度拍摄，依据体内发光光源分布与体表光强实际测量值的映射关系，使用合适的重建算法重构小鼠体内光源的发光强度和空间三维坐标，以此进行生物发光的三维成像与定量分析 Wang G, Cong W, Durairaj K, et al. In vivo mouse studies with bioluminescence tomography. Optics Express, 2006, 14(17):7801-9.。缺点是由于需要进行多次成像，导致整体成像重建时间较长。除了该种方法外，还有一种在小动物四周安装镜面的方式，通过镜面反射的原理，将小动物不同方向的生物发光信息一起反射给CCD相机，CCD相机将采集到的数据按照镜面安装的位置分割为几个不同方向的数据，并进行重建 Wang G, Shen H, Durairaj K, et al. The first bioluminescence tomography system for simultaneous acquisition of multiview and multispectral data. International Journal of Biomedical Imaging, 2006, 2006:58601.。该种方法虽然降低了扫描时间，但是也降低了系统的空间分辨率，导致最终的成像结果不如传统的旋转式断层扫描方式。生物发光断层成像的主要技术难点在于准确的光传输模型的建立与适用于光学成像的重建算法的研究。目前采用较多的重建方法为的为有限元（FEM）重建算法 韩润强. 基于hp-FEM的生物发光光源重建算法研究. 西安电子科技大学, 2010.。FEM重建算法通过建立体内发光光源与体表测量值之间映射关系的方程组，根据体表的光强分布和求解域的结构信息划定光源可行区作为先验信息，对方程组进行求解，重建体内的发光光源的位置与强度信息。对此方法，Cong等推导出了详细的映射关系方程组求解过程和光源重建过程 Cong W, Wang G, Kumar D, et al. Practical reconstruction method for bioluminescence tomography. Optics Express, 2005, 13(18):6756.。除此之外，还有Klose、Bal等提出的基于辐射传输方程（RTE）的重建算法 Klose A D, Ntziachristos V, Hielscher A H. The inverse source problem based on the radiative transfer equation in optical molecular imaging. Journal of Computational Physics, 2005, 202(1):323-345.，以及通过使用Tikhonov等正则化技术得到近似解来进行光源的三维重建。1.3国内外研究现状自BLT成像成为分子影像中的研究热点以来。关于其精确结构信息的获取、光源的三维重建算法也一直在研究当中。由于在进行光源重建时，需要对象的轮廓结构作为先验信息，因此在BLT成像中，结构信息的获取是极其重要的。目前最为经典和实用的解决方案便是采用多模态融合成像的方法，在BLT成像系统上增加另一种可以采集到对象精确结构信息的成像方法，将两个子系统的成像结果进行融合来弥补自身成像的不足。而获取结构信息最为常用的方法便是计算机断层成像。考虑到对成像精度的要求，采用了Micro-CT作为结构信息的提供方案，而且Micro-CT扫描技术自上世纪80年代首次使用以来，已在生物医学领域得到了较为广泛的应用，技术发展也较为成熟。扫描精度和重建结果也可满足要求。所以国内外相关实验室均采用Micro-CT/BLT双模态成像的方案来为BLT光源的重建提供轮廓结构信息。该方法首次被提出和使用是2010年Schulz在研究FMT成像时，考虑到Micro-CT系统和FMT系统的各自优势与缺陷，而将两个系统组合成为多模态成像系统 Schulz R B, Ale A, Sarantopoulos A, et al. Hybrid System for Simultaneous Fluorescence and X-Ray Computed Tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2010, 29(2):465-73. Ale A, Schulz R B, Sarantopoulos A, et al. Imaging performance of a hybrid xray computed tomographyfluorescence molecular tomography system using priors. Medical Physics, 2010, 37(5):1976-1986.，在获取激发光源信息的同时获取了结构信息，并建立了合适的重建算法进行激发荧光光源重建。Wang等在2002年首次提出BLT成像的概念后，于2003年开发出他们的首部BLT原型系统，并使用重建算法对系统性能进行了验证。之后，为了为光学成像的重建提供精确的解剖学结构信息，对Micro-CT/BLT多模态成像系统的研究也随之展开，并开发了相应的重建算法。Hou等在2011年设计出了经过实验验证可行的Micro-CT/BLT双模态成像系统，并提出了适用于该系统的两级hybrid-FEM的光源重建算法，验证了Micro-CT/BLT双模态成像系统与重建算法的实际性能 侯彦宾. 生物发光断层成像的系统设计与算法研究. 西安电子科技大学, 2011.。但由于BLT成像技术起步较晚，相关的研究仍在进一步深入当中，目前除了Micro-CT/BLT多模态成像的方案外，尚无其他在光学成像中获取对象结构信息的成熟方案。1.4本文的主要研究成果和内容安排本文简要介绍了生物发光断层成像和Micro-CT/BLT的相关研究和发展情况，提出了一种新的为生物发光成像提供对象结构信息的方案，即采用3D轮廓扫描技术对实验对象进行扫描，获得轮廓结构信息。主要研究成果如下：（1）对目前几种较为成熟的3D扫描方法做了详细的分析与比较，选择结构光法作为生物发光断层成像系统的3D轮廓扫描解决方案。并初步设计与搭建该3D轮廓扫描系统。（2）通过理论分析与实验研究，得出了3D轮廓扫描精度的影响因素和影响关系，并根据实验结果调整系统参数，达到系统的最佳扫描精度。（3）使用皮下小鼠植入荧光光源，进行光学3D轮廓扫描与生物自发光成像。基于轮廓扫描获得的结构信息进行简单的光源映射，验证该方法的可行性。全文共分六章，每章的主要内容如下：第一章，首先简要介绍了生物发光的形成原因，接着介绍了二维的生物发光成像系统的基本原理和在光源重建上所存在的问题。然后着重介绍了三维的生物发光断层成像系统的基本原理以及目前关于硬件实现和重建算法的基本研究情况。最后对国内外目前的研究方法和进展做了简要总结与分析。第二章，首先介绍了Micro-CT的基本原理和优势以及目前发展、应用的基本情况，接着从系统结构、实现原理和工作方式等方面详细介绍了Micro-CT/BLT多模态融合成像技术，并与本文所研究的3D轮廓扫描方案做了简单的对比分析，总结了使用3D轮廓扫描获取结构信息的优势。 第三章，通过对三坐标测量仪、双目成像法、激光法结构光3D扫描、投影法结构光3D扫描这四种主要的3D轮廓扫描方案的原理介绍、系统介绍与综合比较分析。为此次研究选择合理的3D轮廓扫描实现方案。对激光线式结构光3D扫描的原理作了简要推导与解释，并对3D轮廓扫描系统进行初步设计与搭建，简要介绍硬件选择与系统结构。第四章首先对比介绍了目前三种常用的摄像机标定方法和相应的标定算法。简要介绍了本次研究所设计的3D扫描系统的标定方法。之后分析可能影响系统扫描精度的因素，提出从两个方向上对精度进行分析，并使用控制变量法对所猜想的精度影响因素对仿体进行扫描实验，对扫描结果进行分析比较后得出该系统的精度影响因素与影响关系以及该系统的最佳扫描精度。第五章介绍了对实验小鼠进行3D轮廓扫描与生物发光成像的实验设计思路以及实验过程，对两个子系统的数据进行简单处理后进行图像融合，达到了预期的实验效果，验证了基于3D轮廓扫描的光学断层系统的可行性。第六章简要概括本次研究，对现有的研究成果指出未来希望的改进和发展方向。第二章 Micro-CT/BLT系统小动物的三维BLT成像系统虽然可以通过多角度的体表发光信息重建获得发光光源的精确空间位置和发光强度并进行定量分析，但其重建过程必须依赖对象的轮廓结构信息以达到较高的重建准确度。为了获得实验对象的结构信息，Schulz等首次在荧光激发断层成像系统（Fluorescence Tomography System, FMT）的基础上加装了微型计算机断层扫描系统（Micro Computed Tomography, Micro-CT），构成了Micro-CT/FMT双模态融合成像系统，使用两个子系统互相弥补自身成像与重建的缺陷。在进行荧光激发断层成像的同时进行结构成像，达到了结构信息和光学信息同步获取并对在实验对象的精确三维结构上重建激发光源的目的。BLT系统与FMT系统在原理和硬件结构上基本相似，而且BLT系统因不需要使用激发光源进行激发，硬件结构上较FMT系统更为简单，因此在BLT系统上也可采用相同的双模态成像方法来获取结构信息和光学信息，即Micro-CT/BLT双模态成像。2.1 Micro-CT概述微计算机断层扫描技术（Micro-CT），又称微型CT，是一种非破坏性的3D成像技术，可以通过X射线的衰减结果了解样本的内部显微结构。功能原理与临床CT大同小异，但在实际运用中，Micro-CT成像视野较小，空间分辨率极高，可以达到微米（m）级别，最新开发的nano-CT空间分辨率已经达到到了50 nm的水平 Wang G, Yu H, De M B. An outlook on x-ray CT research and development. Medical Physics, 2008, 35(3):1051-1064.。Micro-CT广泛应用于生物、医学、材料、考古工作、电子、地质学等领域的研究。在生物医学方面，Micro-CT成像在小动物定量骨密度测量、骨肿瘤监测、肺肿瘤监测、血管提取等方面均有广泛的应用。其主要原理是当X射线透过样本时，样本的不同组织对X射线的吸收率不同，在不同角度下，X射线经过生物体组织不同程度的衰减后在探测板上成像，然后经过放大并转换为电子流，作为模拟信号输入计算机使用相应的软件进行处理、运算，最后通过重建算法重建出图像。另一点不同于临床CT的是， Micro-CT系统通常采用锥形X线束。采用锥形X射线束不仅能够获得真正意义上的各向同性的容积图像，大大提高X射线的利用率和成像结果的空间分辨率，而且在对同样大小的物体进行3D结构信息采集时，速度远远快于临床CT所使用的扇形束。得益于临床CT多年的运用与发展，通过计算机软件，可以方便地使用重建算法进行3D结构重构，最终还原成在电脑中可直观分析的3D图像。Micro-CT主要缺点是为了提高成像的分辨率，采用了不同于临床CT的微焦斑X射线源。X射线源的焦斑非常小使得光源的输出功率比较小，导致Micro-CT的扫描时间仍相对比较长，完成一次完整的扫描通常需要几分钟甚至几十分钟的时间。2.2系统结构Micro-CT/BLT系统由Micro-CT成像子系统、BLT成像子系统、小动物固定平台、光学平台及用于处理数据的计算机组成。系统的硬件组成方式如图2.1所示。Micro-CT成像部分由微焦斑的X射线源和CMOS平板探测器组成，BLT成像系统为一部低噪声、高灵敏度的科学级液体制冷CCD相机。小动物固定平台可固定成像对象，依靠其下方的电控旋转台可以从不同角度对小动物进行成像。两个模态的成像系统以十字交叉的结构连同小动物固定平台一起安装在光学平台之上。CCD相机、CMOS平板探测器收集到的数据均通过数据接口传输到计算机进行处理与重建。光学平台X光管CMOS平板探测器科学级CCD相机小动物固定平台 图2.1 Micro-CT/BLT系统基本结构示意图2.3原理及工作方式Micro-CT/BLT系统为多模态成像方式的一种，其结合了可以提供高分辨率结构信息的Micro-CT成像系统和可以探测到生物体内微弱发光光源的BLT成像系统。Micro-CT成像结果空间分辨率高，但灵敏度较低，BLT成像系统则与之相反，拥有较高的灵敏度但空间分辨率低。因此将两个系统以合适的方式组合到一起后进行同步成像可以互相弥补自身成像的缺陷。两个子系统都采用了断层成像的原理，Micro-CT系统通过探测器收集不同角度下经过不同程度衰减以后的X射线进行小动物结构信息的断层成像与重建。BLT系统通过CCD相机采集不同角度对象体内发光源的信号在轮廓结构上信息上进行小动物体内光源的位置信息与发光强度的断层成像与重建。图2.2为Micro-CT重建结果，图2.3为BLT重建结果，图2.4为Micro-CT/BLT重建结果。 图2.2 Micro-CT重建结果 图2.3 BLT重建结果 图2.4 Micro-CT/BLT融合结果对比可以发现Micro-CT/BLT多模态成像重建的结果不仅包含发光光源的位置和强度信息，同时包含精确的结构信息。两者进行图像融合后使得光学成像的重建结果更加直观，极大地方便了后期的研究与分析工作。Micro-CT相关技术原理起步较早，硬件技术和重建算法已较为成熟，BLT的相关技术原理并没有长期的研究积累。因此Micro-CT/BLT系统的难点在于BLT的光源位置与强度信息的重建。实际进行成像实验时，需要将小鼠进行麻醉后固定在电控旋转平台上。打开CCD相机降温到设定温度，同时打开X射线管进行预热。待系统准备准备完成后。两个子系统对实验对小鼠第一次成像并将数据传输到计算机。成像结束后，使用电控平台对小鼠进行一定角度的旋转，进行第二次成像。多次旋转对不同角度进行成像直到达到实验设定要求。多角度成像结束后对Micro-CT成像结果进行重建，并通过Micro-CT重建的结构信息进行生物发光光源的重建，最终得到Micro-CT/BLT多模态融合成像的重建结果。本次研究的基于3D轮廓扫描的光学断层成像系统与传统的Micro-CT/BLT多模态成像方案相比，成本更加低廉，并且可以共用同一CCD相机分别进行3D轮廓信息和生物自发光信息的采集，系统的硬件结构更为简单。获取结构信息的速度更快，只需要进行一个角度的扫描就可完成基本轮廓的信息获取，因此系统的整体效率会得到较大提升。另一方面，由于Micro-CT成像需要对实验对象进行长时间的射线照射，扫描时间内实验对象的位置形态变动无法有效控制，长时间的射线照射也会对生物体产生影响，采用光学3D轮廓扫描的方案可以避免上述问题。所面临的问题是3D重建空间分辨率的降低，由于Micro-CT采用了高灵敏度的平板探测器，其精度一般可达到50m，本次研究所搭建的3D轮廓扫描系统精度虽达到了0.2mm，但相比Micro-CT而言仍有较大差距。另外，由于3D轮廓扫描只采集表面信息，无法像X射线一样穿透组织，故无法直接获得内部骨骼和器官等的精确解剖学结构信息，目前考虑到的解决方案是通过建立小鼠的标准3D结构模型，通过表层轮廓结构与标准3D结构根据一定的配准点进行融合配准，也就是根据3D轮廓结构和已知标准结构去“推测”轮廓下的内部结构信息，本次暂不作相关研究。第三章 3D轮廓扫描系统设计与搭建3.1几种常用3D扫描方案的分析与比较3D扫描技术是一种高精度的立体扫描技术，通过直接或间接地测量空间中物体表面上点的三维坐标值并输出扫描对象的点云信息，又称为实景复制技术，是获取空间数据的有效手段。经过一段时间的发展，3D扫描技术已经在工业制造、动画特技制作、医学等方面得到了较为广泛与成熟的应用。按照测量方式的不同，3D扫描技术大体可以分为接触式测量和非接触式测量两大类。3.1.1三坐标测量仪接触式测量又称为机械测量，其典型代表为三坐标测量仪。三坐标测量仪由机械系统和电子系统两大部分组成，机械部分主要为三个基于高精度平台之上的正交的直线运动轴，且三个方向轴均安装有用以精确度量位移值的光栅尺，被测物需要放在精密加工的花岗岩水平台上，当测量仪的测量头接触被测物体表面时，传感器发出触发信号，控制系统立即锁存各个方向轴的光栅信号并进行误差计算，再由计算机处理后，得到被测点的三维坐标数据。由于采用灵敏度极高的传感器和光栅尺测量各方向的位移，其测量精度可达到微米级别，而且不受自然光照和对象颜色的限制。但缺点是由于测量头的传感器需要提供与被测物的触碰信号，因此该系统无法对类似于生物体等表面柔软的物体进行精确测量。且该系统为保证测量精度，基于花岗岩平台搭建，对环境温度和湿度有极高的要求，使用条件较为苛刻，体积较为庞大，测量速度较慢，一次测量只可采集一个目标点的空间位置信息，完成一次触碰后，必须将测量头移开进行下一点的触碰，而且无法实现全自动测量，因此一般不作为物体的3D扫描成像的方法，而是多在工业制造上用来精确测量零件、工件的长度、宽度、孔径等各项尺寸数据。3.1.2双目成像法非接触式测量又分为主动式测量和被动式测量，两者的主要区别在于是否需要除自然光源外的其他特殊光源。其中主动式测量不需要特定的光源，一般采用双目成像的原理进行3D成像，根据用来模拟双目的摄像机的角度关系又分为平行式双目成像法和汇聚式双目成像法，本次简要介绍汇聚式双目成像法 隋婧, 金伟其. 双目立体视觉技术的实现及其进展. 电子技术应用, 2004, 30(10):4-6.，依据该方法搭建的3D扫描系统由立体视觉系统和数据处理系统两部分组成，立体视觉部分为两部摄像机，原理结构如图3.1所示，图中Cl、Cr分别为模拟双目的左右两个摄像机内部的成像平面，三维空间中有一点A(X，Y，Z)，该点在左右摄像机的二维成像平面Cl和Cr上的成像点分别为Al和Ar。这两个像点称为空间中点A的“共轭点”。通过成像平面的像素分布可以知道Al和Ar两个共轭点在成像平面所在坐标系的二维坐标，在空间中，分分别连接Al、Ar与其各自的摄像机的光心（光心位置为成像平面中心法线延长线上距离平面为焦距f的点Ol、Or）即图中两条投影线AlOl和ArOr，它们的交点即为世界空间中的对象点A(X，Y，Z)。在实际成像时，一般将测量对象置于转台上使之绕轴心旋转，两个摄像机连续采集各点数据并进行3D重建。图3.1 汇聚式双目成像原理示意图3.1.3结构光法被动式测量主要采用结构光法 Gupta M, Agrawal A, Veeraraghavan A, et al. Structured light 3D scanning in the presence of global illumination/ Computer Vision and Pattern Recognition. IEEE, 2011:713-720.进行3D成像，通过使用激光器向物体表面照射线式激光（图3.2（a）或者通过投影在物体表面同时投射多条光线（图3.2（b）,依据投射光线在物体表面产生的形变来进行3D扫描。其扫描系统主要由光线投射部分、图像采集部分和数据处理部分组成。其扫描过程为由激光器或投影仪在物体表面投射线条，再由图像采集部分的CCD相机采集信息，数据处理部分将CCD采集到的数据进行处理，提取数据中的光条纹，依据光条纹在物体表面发生的形变重建出物体的三维轮廓。该种方法相比基于双目成像的被动式测量有更高的测量精度。CCD投影仪激光器CCD (a) (b)图3.2 结构光3D扫描示意图：(a)激光线式结构光；(b)投影式结构光。采用激光器和投影仪的3D扫描系统在结构和原理上大同小异，差别在于用于成像的结构光线条的一次性全覆盖投射与平移逐条投射。由于激光器投射的结构光需要在扫描对象上进行平移运动，因此需要将激光器安装在电控旋转支架上。而投影仪则是固定的。在成像时间上，由于采用激光器的扫描系统需要对光线进行平移运动，因此成像时间较长一些，但仍可控制在10s-20s。虽耗时较长，但由于激光亮度高，便于识别与提取，自然光线对其影响较低。因此较采用投影仪的扫描系统仍具有一定优势。而且在保证扫描精度的同时设备成本有效降低。对小鼠进行3D轮廓扫描时，要求有较高的精度和较快的扫描速度，结合小鼠体积较小，身体柔软表面被毛等自身特性，以及将来的成像环境。综合考虑上述几种3D扫描方案的优劣后，决定采用使用激光器进行结构光法3D扫描成像的方案来对小鼠进行3D轮廓扫描。3.2激光线结构光3D扫描原理摄像机成像平面l1l2采用线式激光作结构光的3D扫描系统进行扫描时，首先通过标定模板或使用其他标定方法标定摄像机，消除镜头畸变并建立实体三维坐标系与成像平面二维坐标之间的对应关系，之后控制激光投射出的线条在对象表面沿垂直于扫描线条的方向做平移运动，在光线条移动的过程中，摄像机以一定的帧率采集图像数据，利用激光线条亮度高的特点，对每一帧图像上的光条纹使用阈值分割的方法进行提取，并通过标定板区分成像物体与背景上的光线条，按照一定间隔将物体表面的光条纹分为若干点