影像学测量

影像学测量（共10篇）

影像学测量 篇1

摘要：目的:设计新的成人髋臼发育不良影像学诊断测量方法,即股骨头中心点上移及外移参数,为影像学诊断髋臼发育不良提供辅助测量方法。方法:对所选病例进行测量,自骶髂关节下缘点A至“泪滴”水平线交点B的垂直距离,由股骨头中心点向AB做垂线交于点C,AC/AB×100%为股骨头上移指数,值越小股骨头上移越多。以耻骨联合中点做人体中轴线,以髋臼外缘、股骨头中心点、“泪滴”最低点做中轴线的平行线,经髂前上棘做这4条线的垂线,交于点O、A、B、C,OB/OA×100%为股骨头中心外移指数,值越小股骨头中心点外移距离越小。AB/AC×100%为股骨头中心外移指数“泪滴”点,值越小股骨头中心点外移距离越大。根据髋关节中心边缘角(center edge angle,CEA)<20°,Sharp角>45°,头臼指数<75%,分发育不良组和正常组,经受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析。结果:股骨头中心外移指数最佳诊断分界点为84.45%,敏感度为92%,特异度为70.5%;股骨头中心上移指数最佳诊断分界点为76.25%,敏感度为75%,特异度为69.7%;股骨头中心外移(泪滴)指数的最佳诊断分界点为30.15%,敏感度为89.8%,特异度为76.6%。结论:股骨头中心上移指数和外移(泪滴)指数以76.25%和30.15%为界,高于此值髋臼发育良好。股骨头中心外移指数以84.45%为界,高于此值髋臼发育不良,可作为成人髋臼发育不良的辅助诊断。

关键词：髋臼发育不良,髋关节中心边缘角,髋臼角,头臼指数,X线测量

0 引言

髋臼发育不良(acetabular dysplasia,AD)是由于髋臼发育异常,股骨头与髋臼不能形成良好的匹配,导致髋关节半脱位和/或脱位[1,2]。临床最常用的评估指标是髋关节中心边缘角(center edge angle,CEA)和髋臼角(Sharp角)[3]。髋臼发育不良早期漏诊、误诊率极高,给患者造成巨大的身心痛苦[4],因此完善髋关节测量参数,对髋臼发育不良的早期发现、诊断及治疗有积极意义。Lee等[5]研究认为,骨盆X线平片测量CEA、髋臼深度及髋臼角等参数的可靠性均可接受,但如果髋臼后缘不能良好定位或定位出现差异,则会影响测定结果。为此,我们以目前成人髋臼发育不良测量参数为标准,对成人骨盆前后位X线片测量CEA、Sharp角、头臼指数(acetabular head index,AHI),应用新方法测量股骨头中心点外移及上移的指数,进行统计学研究。

1 材料与方法

1.1 材料

成人髋臼发育不良诊断标准:成人CEA<20°,Sharp角>45°,AHI<75%。收集2013年1月至2014年1月于河北医科大学第三医院、承德市中心医院门诊拍摄骨盆前后位片的成人X线片,其中男性136例、女性96例,共232例(464例髋),均为双侧髋臼发育不良,临床症状表现为双侧髋部反复发作的酸胀或疼痛。检查仪器:数字化X线机,由德国西门子公司提供。

1.2 纳入及排除标准

1.2.1 纳入标准

上述医院门诊就诊的成人,临床表现:双侧髋部反复酸胀、疼痛,均完成骨盆前后位片,由2位骨科和放射科副主任医师鉴定为曝光良好的骨盆前后位X片,符合测量标准。

1.2.2 排除标准

(1)骨盆及髋关节骨折伴或不伴畸形愈合者;(2)髋关节类风湿性及骨性关节炎者;(3)髋关节肿瘤、结核等疾病导致髋臼边缘异常及髋关节间隙狭窄者;(4)合并神经肌肉性疾病及先天畸形者;(5)骶髂关节及股骨头病变、骶髂关节及股骨头骨折或骨折畸形愈合者;(6)影响CEA、Sharp角的其他疾病或畸形。

1.3 测量参数及方法

(1)CEA。CEA指髋臼外缘至股骨头中心的连线与股骨头中心的纵垂线所成的角。石永言等[6]测量得出不同年龄段的CEA,CEA<20°为髋臼发育不良。本研究测量方法将股骨头假想成一个球形,球心即为股骨头中心点,采用Mose法[7]进行测量方法选择,应用Photoshop 8.0绘图软件在X线片上画一个圆,将股骨头外侧缘基本完全包裹,圆心看作是股骨头的中心点,如图1所示。

(2)Sharp角。从一侧髋臼外缘做同侧“泪滴”切线,与双侧“泪滴”下缘连线延长线的夹角,称为Sharp角,又称髋臼角(如图2所示)。Sharp角反映髋臼与股骨头的包容程度,Sharp角>45°为髋臼发育不良[8]。

(3)头臼指数(AHI)。由股骨头内缘到髋臼外缘的水平距离与股骨头的水平横径的比值称为AHI。AHI表示股骨头的大小与髋臼深度是否相称(如图3所示),AHI<75%为髋臼发育不良。

(4)股骨头中心上移指数。自骶髂关节下缘一点A至同侧“泪滴”水平线交点B的垂直距离,由股骨头中心点向AB做垂线,交点为C,则AC/AB×100%值定义为股骨头上移指数,此值越小提示股骨头上移越多,提示髋臼发育趋于不良(如图4所示)。优势:根据临床经验观察测量上移指数时骶髂关节下缘的选择点相对固定,变异性小,误差减小[9]。

(5)股骨头中心点外移指数。以耻骨联合中点做人体中轴线,以髋臼外缘、股骨头中心点、“泪滴”最低点做此中轴线的平行线,经髂前上棘做这4条线的垂线,分别交于O、A、B、C 4点,则OB/OA×100%值定义为股骨头中心外移指数,指数越小提示股骨头中心点外移距离越小。其中,AB/AC×100%值定义为股骨头中心外移指数“泪滴”点,此值越小,提示股骨头中心点外移距离越大,如图5所示。

1.4 统计学分析

统计学处理应用SPSS 20.0软件,最佳分界值采用受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 股骨头中心外移指数对诊断髋臼发育情况的临床价值

经统计学ROC曲线分析:股骨头中心外移指数能预测成人髋臼发育情况,曲线下面积为0.863(95%可信区间为0.806~0.901,P<0.001),股骨头中心外移指数的最佳诊断分界点为84.45%,其相对应的敏感度为92%,特异度为70.5%,如图6所示。

2.2 股骨头中心上移指数对诊断髋臼发育情况的临床价值

经统计学ROC曲线分析:股骨头中心上移指数同样能预测成人髋臼发育情况,曲线下面积为0.750(95%可信区间为0.686~0.851,P<0.001),最佳诊断分界点为76.25%,其相对应的敏感度为75%,特异度为69.7%,如图7所示。

2.3 股骨头中心外移(泪滴)指数对诊断髋臼发育情况的临床价值

经统计学ROC曲线分析:股骨头中心外移(泪滴)指数同样能预测成人髋臼发育情况,曲线下面积为0.873(95%可信区间为0.832~0.914,P<0.001),股骨头中心外移(泪滴)指数的最佳诊断分界点为30.15%,其相对应的敏感度为89.8%,特异度为76.6%,如图8所示。

3 讨论

3.1 髋臼发育不良与髋关节解剖及力学研究

髋关节是主要的负重关节,快速行走时负重接近体质量的5倍[10,11]。髋臼或股骨头发育不良时,股骨头中心点外移及上移,髋关节生物力学改变,是继发髋关节骨关节炎(osteoarthritis of the hip,OAH)发生、发展的重要因素[12],中青年甚至丧失部分或全部劳动能力[13],全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)是最有效的治疗方法,但给家庭及社会造成了沉重的经济负担。

3.2 X线片测量参数的差异

髋臼发育不良起病隐匿,易出现漏诊。目前检查方式为CT与MRI,虽能行软骨及软组织方面检查,但价格昂贵,不适合初次筛查[14]。超声检查对患儿的配合程度、体位要求、机器的清晰度及医师的技术要求较高,实际操作困难,临床很少应用[15]。X线片检查因简单、廉价、有效常常是首选。有学者提出髋臼发育不良一般会有髋臼外缘骨赘增生、假性囊肿或骨缺损,股骨头出现肥大和变形移位,测量选择点可能因测量者的主观因素而出现偏移,会影响Sharp角的测量准确性[5]。2013年张洋等[16]得出测量结果的差异也验证了上述差别。

3.3 测量指标的灵敏度及特异度

根据测量结果及统计学分析,股骨头中心上移指数的最佳诊断分界点为76.25%,其相对应的敏感度为75%,特异度为69.7%,高于分界点提示髋臼发育趋于良好,而低于分界点提示髋臼发育趋于不良。股骨头中心外移(泪滴)指数的分界点为30.15%,其相对应的敏感度为89.8%,特异度为76.6%,高于分界点提示髋臼发育趋于良好,而低于分界点提示髋臼发育趋于不良。股骨头中心外移指数的分界点为84.45%,其相对应的敏感度为92%,特异度为70.5%,高于此值提示髋臼发育趋于不良,而低于此值提示髋臼发育趋于良好。

3.4 本研究的优势及不足

根据髋臼发育不良发展过程中股骨头中心点的上移及外移现象[17],目前的髋臼发育不良测量参数及诊断方法,CEA、Sharp角及头臼指数参数可能与解剖定位选择及测量者主观性相关。本研究中采用股骨头中心点外移及上移指数的测量,参数选定点骶髂关节下缘、“泪滴”点、中轴线耻骨联合相对固定,变异性小,在相同选点情况下,测量及计算比值比单纯测量距离及角度的误差相对小,主观因素影响差异小,可重复性强。

本文研究的样本量相对较少,还需要行多中心、大样本、广泛的覆盖,特别是应对性别、年龄、身高、体质量、臀围等多因素的综合指标进行比较研究,以便得到更加准确的解剖参数研究,为成人髋臼发育不良的早期发现及诊断提供更好的方法。

总之,髋臼发育不良应早期诊断及治疗,X线片测量参数在成人髋臼发育不良的早期诊断中有着不可替代的优势。本研究的测量方法,根据研究结果统计学分析:股骨头中心上移指数和外移(泪滴)指数分别以76.25%和30.15%为界,高于分界点提示髋臼发育趋于良好,而低于分界点提示髋臼发育趋于不良。相反,股骨头中心外移指数以84.45%为界,高于此值提示髋臼发育趋于不良,而低于此值提示髋臼发育趋于良好。股骨头中心上移、外移指数和外移(泪滴)指数诊断特异性及敏感性结果表明,其可对成人髋臼发育不良的诊断提供有益参考,但目前仅可作为辅助诊断方法。

影像学测量 篇2

影像测量仪 的总体结构可分为三大部分：

1、影像测量仪 的结构主体，包含：

影像测量仪 底座、立柱、Z轴传动、X、Y工作台及X、Y光杆传动机构。

2、影像系统(成像瞄准用)，包含：

变焦距镜头、变焦范围0.7-4.5X，总视频放大率34-220X。彩色CCD摄像机在罩内：将变焦镜头摄取的影像测转换成电子信号、再通过S端子传送至17”彩色显示器，产生对准与寻边用的十字线以供量测瞄准之用。轮廓光源(在仪器底座内)/表面光源采用可调亮度的LED光源，照明效果好，寿命是传统灯泡的10倍。

3、数字测量系统，包含：

X轴Y轴光学尺，将几何位移量转变为数字信号，经转接卡由计算机，显示测量资料，具体操作要仔细查看使用说明书。

影像学测量 篇3

【关键词】空间影像技术架空送电测量

【中图分类号】TM752 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）01—0135—01

东部城市是我国经济高发区，用电危机一直威胁着这些地区的用电安全。随着经济的发展，大批特高压线路的建设在缓解东部用电高峰城市电力危机方面发挥着不可忽视的作用。但是特高压线路建设难度大，而且建设工程相当复杂。其具备的特点是高压电线跨越地形复杂且数量繁多、电线档距长、铁塔高等。特高压线路的主要功能是实现对经济发达、工业发达的地区进行长途输电，确保其用电安全。然而，对于传统的测量技术而言，这些新的要求已经无法得到充分的满足，所以现代化的空间影像测量技术的开发和应用迫在眉睫。

一、传统的电力测量技术

何谓传统的电力测量？其方式主要是通过采用基于悬高测量方法的平视法测量方式来解决对架空送电线路测量点的测量。对净空距离以及导线弛度的测量是统的电力测量的重难点。

所谓悬高法，它的应用主要是为了对难接近点的三维坐标的测量，比如：铁架横担、架空导线等。悬高法作为间接测量方式的一种，其主要用于测量非接触点的三维坐标。但是悬高法测量方式存在着很大的局限性，主要表现在悬高点的精确度被棱镜以及悬高点铅锤度限制，换句话说就是只有棱镜与悬高点处于同一条竖直的铅锤线上，悬高点三维坐标的精度才能得到保证。下面是一个具体的数据分析：

当棱镜与悬高点的垂角被设定为450时，水平距离上10厘米的误差导致的高程误差达到10厘米；如果棱镜与悬高点的垂直角被设定为600时，水平距离上10厘米的误差导致的高程误差达到17厘米。

二、空间影像测量技术

（一）空间影像测量技术

所谓空间影像测量技术，它是指待测物体的各个点的坐标位置，通过借助于待测物体的影像对待测物体的三维几何坐标，以及空间位置来加以确定。它是一种符合现代化测量要求的技术。相对于传统摄影测量方法，空间影像测量技术存在很多的不同点：空间影像测量技术加入了全站仪光学测量的相关功能，该作用在于对待测物体特征的采集以及对待测物体影像测量数据的采集，通过上述数据以及物体特征的采集进而实现对待测物体影像各方位元素的收集以及从全方位纠正待测物体，最终实现测量的高效率以及高精度。但是传统测绘技术与三维扫描相结合的Trimble VX空间测站仪也能够采集到“一站式”空间影像数据。

（二）矢量照片

空间影像技术能够采集到矢量照片。VX空间测站仪具有矢量CCD传感器，该传感器同测距以及测角传感器处于同一轴线上。CCD传感器能够对矢量数码相片进行高效采集、凭借VX实现待测物体的常规测量，从而收集到被测物体的相关矢量影像。同一般数码相片相比较，该相片被标有具体的精确坐标，方便了对该坐标点的准确测量。内业对矢量照片的数字化处理，能够得出被测物体的三维影像数据信息；采集被测物体全方位矢量影像数据，能够得出被测物体的3600矢量照片。

（三）点云扫描

所谓点云扫描，它是指对选定的区域进行有序的扫描测量。VX空间测量仪能够快速、精确、自动地收集目标物体和目标区域的表面坐标，即点云。点云涵盖了待测物体的点三维坐标数据，实现有效采集大量的繁杂三维坐标，从而实现后期三维建模处理对大量数据的需要。矢量影像数据与数字滤波处理后的点云数据可以实现纹理叠加，从而纠正了摄影存在的不足。三维建模可以被传人至CAD或者3DMax进行深入处理，从而得到预期的效果。

三、空间影像测量与电力施工测量的密切联系

空间影像测量技术是非接触式野外测量方式的一种，它的优点在于针对架空送电线路测量施工过程中可能存在的问题进行高效处理。空间测站仪主要是从矢量照片、长距离棱镜反射测量、点云扫描以及外业数据采集等各方面实现了架空送电线路测量效率的最大化提高。

（一）业内资料和矢量照片

依据相关部门对特高压电力施工规范的要求：基铁塔的施工涉及的任何一个环节均要对其进行拍照存档。关于特高压电力施工的拍照存档作业，其存在一定的难度，特别是要精确、清晰地记录下特高压线路的实际情况更是存在难度。但是如果将VX技术应用于特高压电力施工的拍摄中，其意义是显而易见的。VX拍摄出的矢量数码相片不仅可以记录下电力施工实际画面，而且还可以对照片涉及到的测量物进行三维几何测量，从而实现更多相关数据的收集。

VX拍摄的矢量数码相片附带着拍摄物的实际三维坐标，该信息方便了对铁塔的相应位置进行分组和编号，从而为内业资料的整合提供了很大的方便。测量物的点云数据与VX拍摄的矢量数码照片相结合，可以方便将铁塔线路与铁塔的实际三维目标模型化。关于对电力施工质量的检查以及施工效率的计算，其直观性和形象化可以借助于对电力施工不同阶段记录下来的三维模型数据的对比分析加以实现。尤其是针对某些施工工程的细节问题，其图像以及几何数据的有效性和真实性可以依据对比分析施工不同进度的三维模型数据加以复核。

（二）外业采集数据、点云扫描以及测量长距离无棱镜反射

被测物体的点云扫描能够实现对被测物体三维点位数据的高效率采集，然后被测物体的三维点位数据与矢量数码照片相结合，最终实现三维建模的高精确度。空间影像测量具备的长距离无棱镜反射测量功能可以实现户外测量作业次数最大化地减少，从而方便了测量工作人员在某一个测量站便可以完成对绝大多数测量点的测量任务。无反射测量方法属于非接触式直接测量方式的一种，它被运用于电力施工的测量中的作用在于：在对被测量物的导线尺度测量以及交叉跨越测量作业时，无反射测量方法允许基点测量作业中不采用棱镜，而且可以对导线的至低点以及至高点的三维坐标进行直接测量。以此同时，长度为800米的长距离五棱镜反射测量也实现了对大部分架空送电线路的测量要求。

四、总结

空间影像测量技术能够实现在测量架空送电线路外、内业作业时的高工作效率。空间影像信息以及三维测量数据的全方位、多角度采集的意义在于：丰富了现有的架空送电线路测量成果；在工程质量以及工程资料的核查方面，空间影像测量技术为其提供了更为充足的事实依据以及理论基础。加强对高空影像技术的开发和利用，有利于确保特高压线路施工的施工效率和施工质量，这为我国电力工程的建设以及东部电力资源匮乏地区的用电安全提供了保障。这也是我国经济建设和社会发展的需要。

参考文献

[1]杨永平，兰孝奇，石杏喜.架空送电线路测量作业方法及其注意事项[J].城市勘测，2008，（3）

[2]谢任林.GPS结合全站仪在架空送电线路测量中的应用[J].沿海企业与科技，2000，（10）

[3]徐华山.CASS 7.0在架空送电线路测量中的应用[J].宿州学院学报，2010，25（8）

[4]张健，石克勤，万爱华.架空送电线路测量中的几个问题[A].2004年重力学与固体潮学术研讨会暨祝贺许厚泽院士70寿辰研讨会会议论文集[C].2004.

[5]彭盛.空间影像技术在架空送电线路测量中的应用[J].科技创新导报，2011，（6）

影像处理干涉测量相位重构研究 篇4

1影像处理与干涉测量相位的概念

影像处理技术比人的肉眼记忆更加客观、准确,且能够跨越时间的界限。

波前位相重构是干涉测量领域中的一种影像信息处理方式,干涉条纹图是其成像的载体,是通过干涉条纹图的相位来监测被测对象的信息。目前,相位干涉条纹分析的算法有2种,即时域移相算法和空间载频算法。在光学检测领域,被广泛运用的是时域移相算法。该算法的优点是测量精度比较高,但缺点也很明显,它需要至少3张干涉条纹图。而条纹图本身又极易受到外界环境的影响,所以,它不适用于动态测量方法中。

空间载频算法需要1张干涉条纹图,而且它对外界的抗干扰能力比较强。但是,由于其样本太低,导致它难以处理情况复杂的干涉条纹图。常见的空间载频算法有傅立叶变换法和窗口傅立叶变换法。其中,傅立叶变换法无法适应诸如条纹密度变化比较大或者封闭条纹等类型的干涉条纹图;虽然窗口傅立叶变换法能够处理局部问题,但是,它一打开窗就不可以进行逆向操作,所以,无法记录高频和低频的变化,从而限制了其实际运用范围。

在这种情况下,科学家们提出了空域卡雷算法。这种算法能够满足相关部门对干涉测量相位重构研究提出的要求,再结合泰勒展开类似的思想提高精准度,能够有效解决干涉条纹图的相位重构问题。

2空域卡雷算法

在处理单幅干涉条纹图时,运用空域卡雷算法,不需要引入空间载频就能够实现动态测量。但由于其算法上有一些不确定的要素,比如符号、唯一解和相位值误差等问题,所以,其测算出来的结果精度比较低。

其运算过程为:

将单幅干涉条纹图的光强分布表示为:

当光强x发生变化时,在相位展开过程中,通常会出现相位歧义的情况。鉴于此,可以提出2种假设来推测:①将IO和V看作(x,y)上的缓慢变化函数,则任意像素点的确定在小窗内表现为不变;②如果Φ是连续可微函数,那么,像素点会在相位Φ处开始泰勒展开,出现差值。

不论是哪种假设,像素点都会与真实情况有所差异。因此,为了在单幅闭合条纹图中成功应用卡类算法,需要科学分割探测器上的像素点,使相位变化在相等空间间隔的情况下固定。

鉴于此,需要在x轴上提取一组像素点,标出后套入公式得出相位变化量。而在计算过程中,需要取各像素点相位值时的分子和坟墓的正值进行相位展开程序。如此一来,就可以得到一维解包裹算法下的相位值,实现相位重构。

3迭代修正法

在分析担负干涉条纹图时,采用空域卡雷算法选取的一组像素点本身具有邻近性,所以,会影响结果的准确度。虽然空域卡雷算法的相位值有误差,但与真实值已经相当接近了。

采用空域卡雷算法,结合文中提到的2个假设,我们可以用最小二乘法得出星宿点对应的余弦值来进行对比,最终对应证明前者。

奇点处得到的有误差的相位值会以一些突出的线条表现出来,我们称之为毛刺。为了减小误差,需要分析毛刺。在相关分析完成后,能得到迭代小量值ε的表达式。该表达式能够循环使用,不断修正误差,直至接近真实值。

4模拟仿真及结果分析

4.1计算模拟

只有在满足单幅的条纹图,且条纹变化仅为单向递增或递减时,单幅干涉条纹图的相位分布才能采取相应的算法提取出来。当无载频的干涉条纹图仅有几条切闭合条纹时,如果存在曲率和符号的变化,结果就会有偏差。这源于空域卡雷算法的分析是不需要先验知识进行判断就能得到相位信息的,所以,仅凭一副闭合条纹干涉图是无法判断待测相位的方向和变化的。为此,还需要引进Matlab模拟仿真技术,在模拟条纹数量很少的情况下进一步修正结果。

4.2结果分析

空域卡雷算法得出的峰谷值和均方根值为0.329 6和0.0416,而理想相位的峰谷值和均方根值分别为0.265 6和0.035 6,两者的误差为0.089 2和0.009 4,整体误差较小。这说明,空域卡雷算法是一种与真实相位非常接近的算法,但仍然存在一定误差。

采用迭代修正法二次修正时,得出来的峰谷值和均方根值分别为0.329 45和0.039 6,而理想相位的这两个值分别为0.8898和0.006 8,二者之间的误差比使用空域卡雷算法时要小得多。这说明,迭代修正法确实能有效修正误差,而且随着这种算法的重复运用,还能再缩小误差,使所得值更加接近真实值。

摘要：随着科学技术的发展,计算机技术和影像传感技术也在不断发展,出现了CCD、CMOS等传感技术,影像处理技术得到了很大的进步。波前位相重构是干涉测量领域中的一种影像信息处理方式,干涉条纹图是其成像的载体。具体实施方法是,通过干涉条纹图的相位来监测被测对象的信息。运用空域卡雷算法和迭代修正法计算和修正前期数据,使用模拟计算的方法来验证结论。

关键词：影像处理,相位重构,干涉测量,闭合条纹

参考文献

[1]Rajshekhar G,Rastogi P.Fringe analysis:premiseandper—spectives.Optics﹠Lasters in Engineering,2012,50(8):3-5.

[2]徐建程.相位干涉测量的信息理论分析[D].北京:中国工程物理研究院,2009.

影像学测量 篇5

1、仪器所有电气接插件、一般不要拔下，如已拔掉，则必须按标记正确插回并拧紧螺丝。不正确的接插、轻则影响仪器功能，重则可能损坏系统。

2、仪器使用完毕，工作面应随时擦拭干净，最好再罩上防尘套。

3、工作台玻璃及油漆表面脏了，可以用中性清洁剂与清水擦拭干净。绝不能用有机溶剂擦拭油漆表面，否则，会使油漆表面失去光泽。

4、软件已对工作台与光学尺的误差进行了精确补偿，请勿自行更改。否则，会产生错误的测量结果。

5、仪器精密部件，如影像系统、工作台、光学尺以及Z轴传动机构等均需精密调校，所有调节螺丝与紧固螺丝均已固定，客户请勿自行拆卸，如有问题请通知厂商解决。

6、仪器的传动机构及运动导轨、应定期上润滑油，使机构运动顺畅，保持良好的使用状态。

运动影像测量方法的发展现状研究 篇6

影像测量方法是目前运动生物力学研究中常用的方法,它主要用于分析人体运动过程中技术是否合理、是否符合人体身体生理结构等。影像测量方法作为一种研究方法,在测量过程中必然存在系统误差,系统误差大小及来源是本文研究的重点。通过查阅大量的文献资料发现,目前对动作技术分析存在的系统误差的研究并不多,大多是定性的,没有对误差的大小、来源及减小措施进行系统和准确的研究。

2 影像测量方法的分类

影像测量方法包括以下几种:平面定机摄影摄像测量方法、平面跟踪摄影摄像测量方法、立体定机摄影摄像测量方法、红外光点测量方法以及立体扫描测量方法等。由于各种条件的限制,常用的是平面定机摄像测量方法、平面跟踪摄像测量方法和立体定机摄像测量方法,而本研究主要对平面定机摄像测量法和立体定机摄像测量方法进行研究。

2.1 平面定机摄像测量方法

平面定机摄影测量方法是运动生物力学摄像测量方法中最为简单易行的一种测量方法。这种方法是将摄像机固定在三脚架上,拍摄前设定好摄像机的空间位置、拍摄距离、机高、取景范围、焦距、光圈等,这些条件固定好以后不变,从而拍摄人体和物体在平面内的运动。此种方法简单易行,同时不影响人体的运动,因此在正式比赛及训练时可以进行测量。但由于它只能测出人体和物体在垂直于摄像机主光轴的平面上的运动学参数,且其测量范围也小,因此此种方法只适用于小范围的拍摄对象在一平面上或主要在一个平面上的运动,比如竞走,跳远等运动项目。

2.2 立体定机摄像测量方法

在体育运动中,很多运动是复杂的三维空间运动,比如跳高、铅球等。那么要想分析多个平面上的动作,必须进行立体摄影与分析。立体定机摄像测量方法是采用两台或多台摄像机从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄,然后把两台或多台摄像机所拍摄的影像进行数字化,通过直接线性变换从而获得所需的三维运动的空间坐标,获得有关的运动学参数[1]。直接线性变换算法是直接建立坐标系坐标与物体空间坐标的关系式的一种算法,是通过将记录在录像带上的二维坐标转换成三维坐标实现的。直接线性变换算法不需要两台摄像机的主光轴必须相交,允许其在一定的范围内进行变化,使用起来比较方便,是三维空间重构一种很好的方法。立体定机摄像测量方法较平面定机摄像测量使用范围较广,在田赛的项目中经常用到立体定机摄像测量来获取所需运动学参数。

3 影像测量方法的发展状况

运动生物力学中对人体进行测量获得所需的运动学参数最常用且重要的方法是影像测量方法。我国从上世纪八十年代初开始应用影片解析来分析运动技术,影片解析技术从兴起到广泛应用大致经历了三个阶段。

第一阶段是运用带胶片的摄影机进行运动现场采样,运用最原始的方法测量位移和时间等一些参数,广泛使用的记录位移和时间的方法是频闪摄影和电影摄影。最早是伊德威特·马勃列奇用24只固定的照相机和2只轻便蓄电池拍摄的一匹马的运动,并测量出它的步长是6.02米,这是电影和图片分析的萌芽。由于当时图形的数字化过程和计算机的数据处理是分开的,因此实验的工作量非常大,而且获得的数据不够精确。这就是运动训练科学化、数字化的开始,虽然存在着许多缺陷和不足,但在一定程度上也受到一些具有科学理念的教练员的支持和欢迎。

第二阶段是图数转换、数据处理和计算机一体化阶段。由于计算机技术的快速发展,电脑智能化的功能也日益加强,图数转换过程可以由电脑来完全完成,这使图数转换和数据处理及计算机一体化。此外,高速摄像代替了影片,实验过程得到简化,获得的数据也相对精确,这时图像分析方法初步成熟。由于该方法进步,很快被各省体科所和各大体育院校使用。

第三阶段是采用三维图像动作技术分析使实验数据标准化,图像分析半自动化和测力一体化。三维图像动作技术分析具体应用是使用两台摄像机同时对研究对象进行录像,同时摄像机安装了高精度角度传感器,以便准确测定摄像机的水平或垂直位置,再把记录的视频信号输入微机进行图象数字化处理及数据处理,得到人体运动的运动学和动力学参数等。该方法虽在仪器及应用上都有了较大的进步,但获得的实验数据仍缺少可比性,过程繁琐且不能与测力进行有效地同步。运动生物力学影像测量操作步骤和方法简单,测试结果比较直观,有较强的现场采样和记录运动实际场景的功能。因此该方法很快在我国推广普及,尤其是在田径、体操、游泳、举重等项目中,已经取得了巨大的研究成就,为提高运动员的竞技和训练水平做出了一定的贡献。但因为录像解析对关节点的识别目前仍停留在人工判断的水平上,具有工作量大,系统误差较大等不足,因而也存在结果与实际不符的情况。

4 影像测量方法的误差研究

影像测量方法是运动生物力学中获得运动学参数一种重要的方法,由于影像测量系统在使用时多用于测量运动时人体的一些运动学参数,因此其实验对象是复杂的,其实验结果具有不确定性,实验过程具有不可重复性的特点,到目前为止影像测量方法还没做到规范化和数据的高度精确。人体运动不同于机械运动,实验测试的任何一个环节不符合规定,都有可能使获得的运动学参数和实际值有一定的误差。

1984年钱竟光、卢青、蔡国钧、王其宁在《关于用解析仪分析体育动作所产生误差的探讨》中提出了“进行影片处理时,用超声笔点各关节点时所产生的误差是不可避免的,特别是在对动作结构和有关人体解剖学知识不太熟悉的情况下,产生的误差较大。但对于人体质心运动的分析时,即使个别关节点座标的误差较大,而合成人体质心后,其误差是很小的,因而,所获得的数据是基本可靠的。在文中提出了减小测量误差应注意几点:第一在拍摄影片时,应尽量使成像大些,清晰些,这样在确定关节点时就会准确的多,减小误差;第二对点关节点的人,一定要熟悉所处理的动作结构和有关人体解剖学知识,同一个动作过程,应由同一个人完成所有点关节点的工作,避免不同的人对关节点的判别不同产生误差;第三对每测一幅图片前都必须检查一下参考点的位置是否有变。”

1988年洪嘉振、吴健、刘延柱在《单标杆三维影片摄制技术及误差分析》中提出了“误差的来源有三点:一是参照物与运动员之间的距离造成的比例尺误差。二是摄影机光轴夹角测量不准造成的误差。三是垂直标杆不垂直引起的误差。”

1991年李良标在《影片解析中人体测量点的确定方法》中提出了“在影片解析中依据影片解析人体模型的结构、功能特点,在分析当前四个人体惯性参数模型特征的基础上,运动人体形态与技能的研究方法确定人体测量点的原则与具体方法,为影片解析过程的规范化与科学化提出了理论与实践依据。”

李诚志在《生物力学影片分析的误差及消除方法》中为确保生物力学分析结论的精度和可靠性,讨论了以下三个问题:“生物力学影片分析的误差;几种数据平滑方法的简述;三维摄影方法及其精度。”在文章中提出“影片分析方法是当前运动生物力学研究的主要手段。但由于在影片的摄制过程中及数字化过程中,都可能产生一些误差,因此必须采取相应的措施来予以处理。为保证所得结论的可靠性,除在影片拍摄过程中及数字化过程中要严格控制有关因素外,还必须对原始位置—时间数据进行有效的平滑,否则所得的结果就很不可靠,它不能表示人体运动的真实规律。

以上研究尽管对影像测量过程的误差来源做分析,误差大小做了估计,但研究条件的设置都很特殊,缺少普遍意义。

5 减小影像测量方法误差的研究

1998年严波涛、李美霞、王慧在《影像测量误差处理和可行性检验方法研究》中提出“改进数据中的随机误差测量的方法,通过对该数据序列的精细化处理达到消除随机误差的目的。第一影像分析是生物力学研究中的常规方法,除了规范操作之外,还应建立有效的检验标准,从而说明所获得的数据精度和可靠性;二提供了进一步提高影像数据精度和数据误差评定的方法,据此可建立生物力学量如线(角)位移,线(角)速度,线(角)加速度等的检验标准;三是单纯的低通滤波平滑对消除随机误差并不十分理想。”

1995年Pebekioe J.Klein,Edd,PT,James J.DeHaven,Phd在《Accuracy of Three-Dimensional Linear and Angular Estimates Obtained With the Ariel performance Analysis System》中指出“通过用艾里尔解析系统进行解析,得出在静态时三维测量的一些数据,虽然说用艾里尔解析系统在很多方面比较有用,但他本身却存在精确性的问题,很多测量表明一些误差和关节表面的软组织有很大的关系。经过测量,在关节测量时的一些误差是人们可以接受的,但如何使这种测量仪器精度更高是要求我们注意的。”

安朝臣在《影像测量减小误差的方法》中提出“数值误差来源于两个方面:摄影过程和影像解析过程。针对这两个误差的来源,他提出了在国际国内常用一些消除误差的方法:移动平均法;多项式拟合法;傅里叶级数法。文章里除了详细这三种方法外,还提到了数字滤波法、样条函数插样法、正弦级数平滑法等一些方法。当对某点进行多次测量时, 多次测量的平均值就接近于该点的真实值, 测量平均值越趋近于真实值。也就是说测量误差值, 随着测量次数的增加而会减小。”

庞军等人《对周期性运动中对侧关节点的计算方法》中“根据周期性运动中左右肢体对称性的特征,采用实验与影片解析的研究方法,给出了利用可见侧关节点坐标,计算不可见一侧关节点坐标的方法,并对这种计算方法的准确性进行了论证。”

施宝兴等人在《提高影像解析数字化精度的探讨》中“利用3台高速摄像机分别以全身、下肢和足为拍摄范围,利用四点框架标定取得相同坐标系下的坐标,结果证明可以有效提高影像的解析精度。”

李世明在《对运动影像解析中若干运动学指标算法的探讨中》中提出“对于三维解析数据的精度,拍摄相机位置的放置是有一定影响的。当相机交角在60°～90°之间具有较好的重构精度,可以减少二维图像坐标误差对三维重构的影响。为了减少数据误差,在拍摄的时候,根据经验我们发现,拍摄框架的时候,保证对标定物体的清晰拍摄;在保证拍摄图像清晰的前提条件下,让镜头和框架的距离尽量远;像控点是摄影测量坐标系与地面坐标系之间转换联系的三维坐标标志点。像控点的布设在满足解算条件(保证线性无关性)的前提下,要确保能控制整个测区,使根据像对建立的数学模型的几何关系牢固些,否则数学模型可能会变形导致测量成果不可靠,这样可以减小原始数据的误差。而在实际中,我们也经常会遇到这样的情况,即像控点不再测区内,造成无法挽回的后果。”

总之,通过查阅大量文献可知,目前国内外对运动生物力学的研究方法方面的研究是比较多的,但对于动作技术分析中存在的系统误差和随机误差的研究相对较少,也缺乏系统性。因此有必要对动作技术分析中存在的系统误差和随机误差做一分析研究,从而完善影像技术分析,以弥补这方面的缺陷。

6 小结

影像测量方法是运动生物力学中最常用的一种测量数据方法,运动生物力学所研究的一个重要方面是如何获得较为精确的运动学参数,揭示运动的本质,从而为实践运动提供理论依据。影像测量作为获得运动学参数的一种重要方法是因为影像测量是一种非接触的定量测量方法,在不影响训练和比赛、不给运动员增加任何负担的情况下,就可获得人体运动的位移、速度、人体重心等各项特征的运动学参数,以及运动器械运动的各种运动学的定量参数,从而比较真实的反映出运动的情况。通过对运动学参数的分析,能够发现运动过程中的技术动作是否合理,找出原因从而改善运动技术,提高运动成绩。同时,运动生物力学还可以为运动损伤的预防提供一定的理论依据。

摘要：影像测量方法是目前运动生物力学研究中常用的方法,它主要用于分析人体运动过程中技术是否合理、是否符合人体身体生理结构等。文章从影像测量方法的分类;影像测量方法的发展状况;影像测量方法的误差研究和减小影像测量方法误差的研究等角度归纳总结前人对运动影像测量方法的研究,通过对这些研究的归纳分析,进一步确认关于运动影像测量方法正确、有效的研究方向。

关键词：运动影像,测量方法,研究

参考文献

[1]卢德明,王云德,严波涛.运动生物力学测量方法[M].北京体育大学出版社,2001:19-33.

[2]钱竞光,卢青,蔡国钧,王其宁.关于用解析仪分析体育动作所产生误差的探讨[J].体育与科学,1984,(02):35-36.

[3]洪嘉振,吴健,刘延柱.单标杆三维影片摄制技术及误差分析[J].体育科学,1988,(1):44-48.

[4]李良标.影片解析中人体测量点的确定方法[J].体育科学,1991,(3):31-37.

[5]李诚志.生物力学影片分析的误差及其消除方法[A].第四届全国运动生物力学学术会议论文集[C].1983:1-12.

[6]严波涛,李美霞,王慧.影像测量误差处理和可行性检验方法研究[J].1998,(3):78-82.

[7]Pebekioe J.Klein,Edd,PT,James J.DeHaven,Phd.Accuracy ofThree-Dimensional Linear and Angular Estimates Obtained Withthe Ariel performance Analysis System[J].运动医学,1995,76(2):183-185.

[8]安朝臣.影响测量减少误差的方法[J].四川体育科学,1985,(3):21-23.

影像学测量 篇7

肌肉影像测量技术较为精确的方法主要有CT(X-ray computed tomography)、超声波(ultrasounds)、生物电阻抗仪(bioelectrical impedance)、MRI(Magnetic Resonance imaging)[2]等。那么,这几种方法目前发展如何?在体育中应用如何?该文将就这些问题进行综述,以期为肌肉影像测量技术在体育中应用提供帮助。

1 CT技术的应用发展及特性

1.1 CT技术的应用发展

40多年来,CT技术不断发展,1985年开发滑环CT、1989年开发螺旋CT、1991年开发亚毫米扫描和双螺旋CT、1993年开发实时扫描技术、1995年开发的亚秒技术、1998年的半秒扫描和多层面CT扫描的应用,使扫描、成像速度明显提高,CT应用扩展到更广泛的领域。随着多层螺旋CT快速发展,使得空间分辨率和密度分辨率得到了极大的提升,CTA(CT angiography)技术得到了极大的开发,在急诊检查和诊断出血性疾病方面,临床价值日益受到重视[3];使用西门子公司128层多排螺旋CT扫描囊性肾癌的螺旋CT表现相对有特征性,对临床诊断及术前准备有一定价值[4];256层iCT扫描范围加大,时间和空间分辨率显著提高,为周围血管性疾病诊断和术前、术后评估提供了新的检查方法[5]。

CT技术在脂肪、骨骼肌肉、韧带、心肌等影像学诊断方面亦有广泛应用。采用16层螺旋CT,黏液性脂肪肉瘤的CT平扫多为囊样低密度影像[6];通过孔径64cm开放式扫描机建立的女性盆底肌的三维模型,准确地获得盆底结构正常生理定量数据[7];128层螺旋CT在左心室功能评价方面准确可靠,与MRI之间对比差异无统计学意义,将在临床应用中发挥重要的作用[8]。

但传统CT对骨骼尤其骨髓及软组织病变的诊断价值有限。双源CT(dual-source CT)在心肌缺血的诊断等方面的应用日益广泛,并显示一定的临床价值。新一代DSCT在时间分辨率、空间分辨率、信噪比及辐射剂量控制方面获得了很大提升,加之扫描速度快,禁忌证相对较少,区分骨髓病变、肌腱韧带病变方面具有较强的优势[9]。

在体育、工业、航天等领域,郑秀瑗等[10]早在20世纪80年代初就应用CT测量中国人体的惯性参数,之后建立了中国《成年人人体质心》国家标准数据库,为运动人体科学建立中国乃至亚洲人体模型提供了重要参考,为教学科研提供了理论指导。

CT扫描存在不足,除了精度外,主要是所有CT检查对人体有一定的辐射。

1.2 CT技术的前景

过去十年的发展,如今的CCT(Cardiac computed tomography,)技术在时间分辨率、空间分辨率、辐射剂量的减少方面取得很大进步,64～320排CT扫描机,可在三维视图0.5 mm分辨率下扫描整个心脏1～5个心跳时长,扫描冠状动脉图像仅仅需要1～3 mSV(毫西弗特)(millisievert,mSv)辐射量,相比较冠状血管造影法辐射剂量5～10 mSv大大减少[11]。

2 超声技术应用发展及特性

2.1 超声技术应用发展

随着超声技术的成熟,许多研究者利用超声来评估神经、肌腱、肌肉、韧带和关节病变并指导康复治疗[12]。如通过超声探测,发现肌肉结构在声像图上显示为低回声,纤维膜、筋膜和肌腱显示为强回声[13]。

Quantitative Ultrasound作为一种新的测量手段,已经逐渐被应用于腰背肌肉功能评估中[14]。定量超声在肌肉评估中的应用主要可以分为三类:肌肉的功能性研究,人体运动分析,肌肉的硬度(弹性)测量[15]。

2.2 超声技术优缺点

超声与其他骨骼肌评估方法相比亦有着很多的优势。首先超声是一种安全、非侵入性的、便捷、较廉价的测量肌肉形态学参数的手段。且可在肌肉静态和动态的条件下与其他测力设备一起使用,并得出良好的肌肉组织图像。易被患者接受。超声可测量表层、深层肌肉。超声仪器具有轻小、功耗低等优点,这是MRI、CT不可比拟的,其已成功地应用于空间站,是空间站唯一的医学影像设备,在保障航天员健康和人体生物医学研究方面发挥了重要的作用[16]。ultrasounds技术也是目前对心肌动态影像应用最广的方法[11]。

超声也有局限性,如超声受超声探头方向、操作者、关节角度微动等因素影响。

3 生物电阻抗仪在人体中的应用进展

电阻抗断层图像技术(electrical impedance tomography,EIT)不使用核素或射线,对人体无害,可以多次测量,重复使用,还可以进行三维图象重建[17]。这种成像方法与CT、核磁共振等的形态学成像明显区别是EIT是功能性成像[18]。

生物电阻抗技术在医学中已有较广泛的应用,如阻抗血流图、人体阻抗成像、人体成分测量[19]等。也应用于腹部横断面结构重建[20]等方面。

生物电阻抗技术的优势在于无创伤性检测,甚至还能在不妨碍正常运动的情况下检测。当然其技术也存在局限性,EIT的分辨力还有待提高[21],重建成像的精度还很难满足肌肉等软组织的形态学测量。

4 MRI测量技术在人体中的应用

4.1 MRI测量的发展

对人体而言,磁共振在临床上已大量应用,技术性能0.5T,1T,1.5T,3T逐渐提高,成像精度越来越高。闫东等[22]对不同患者根据病变部位不同选取相应线圈,认为MRI是肌肉损伤最佳的影像学检查方法。核磁共振有很高的软组织分辨率,可清楚地分辨肌肉、肌腱、筋膜、脂肪等软组织。其可用于肛管内或阴道内MRI成像[23];用东芝Flexart0.5T超导型MRI设备对进行性肌营养不良症测试[24]等。

功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI),是在进行神经心理测试的同时,对脑组织进行功能显像,记录脑动电流图或脑磁图[25]。fMRI标志着临床磁共振诊断从单一形态学研究,到形态与功能相结合的系统研究。

在运动人体科学研究中,郑秀瑗等[10]亦较早应用MRI进行人体惯性参数的测量;最近几年,国内体育研究中也逐渐应用高场强MRI探测肌肉形态,如陈金鳌等[26]应用MRI测定人体大腿肌肉量,认为该方法更为精确;刘宇等[27]应用3 Tesla Siemens MRI对人体第四腰椎扫描,可清晰观察到不同肌肉及肌肉和其它组织之间边界。

4.2 MRI技术优缺点

磁共振具有许多优点,如对人体没有电离辐射;可清晰显示软组织结构;可多序列成像,呈现多种图像类型,为研究者提供更丰富的影像信息。由于MRI技术较高的精度和可重复性,被认为是心肌影像的金标准[11]。

MRI也存在不足之处。它的空间分辨率不及CT;带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的部位不能作MRI的检查;耗时较长;价格较昂贵等。

5 MRI、ultrasounds、CT、EIT成像技术比较

在以上所述活体肌肉形态学非侵入性的测量方法中,除了功能性成像EIT技术外,临床上应用最多的还主要是MRI、ultrasounds、CT技术。

对于结构特征方面MRI具有最高信度和图像的可重复性。然而,由于MRI费用高昂、方法复杂、耗时较长、幽闭恐怖、禁忌症等原因,在临床上还没有普及。CCT技术被认为是ultrasounds技术和MRI技术的中和,和MRI相比,其测量方法简单、快捷、图片易读;与ultrasounds技术相比,其图像质量更高。C CT技术具有较高的时间分辨率,也即具有较高的采样频率;较高空间分辨率;特别是测试时间较短,显而易见,未来CCT技术将在心肌检查中扮演主要角色。但要注意,CCT技术也只是最近才被发展起来的,还不是当前的标准方法,在分辨率的提高、辐射剂量的减少方面,还有很多研究需要深入[11]。

MRI技术被认为是心肌影像的金标准,其静态影像效果较好;而ultrasounds技术是目前对心肌动态影像应用最广的方法;过去十年的发展,CT技术在时间分辨率、空间分辨率、辐射剂量的减少方面取得很大进步,但在精度上还需要进一步提高[11]。对于一些老年人,他们对辐射不太在意,加上检查的多种需求,如MRI禁忌症,价格等方面考虑,CT治疗还是相当普遍的。

对于人体骨骼肌影像学的检查,MRI技术仍是一个金标准,如腰腹肌横断面扫描,刘宇等[27]应用3 Tesla Siemens MRI对人体第四腰椎扫描,可以看到不同肌肉及肌肉和其它组织之间清晰的边界,MRI技术对于肌肉横断面积及体积计算提供了较为精准的影像学依据。

目前,在各类综合院校图书馆几乎均藏有人体组织结构影像学书籍,形象、直观,帮助学生方便、快速学习有关人体解剖学知识;教学中借助影像学图片制作的幻灯片,可从三维角度观察人体任何部位、任何组织结构,对于教师的教学也起到很大的帮助。

6 结语

总之,CT具有使人体被辐射风险;超声波仪虽便宜,但精度较差,且耗时较长;而MRI可以避免辐射,消除边界影响,对软组织分辨和空间定位具有较高的敏感度,可以进行连续的扫描身体任何部位,目前仍被认为是肌肉影像学中一个“金标准”。体育科研、教学中,非侵入性肌肉测量几种方法是相互补充的。

影像学测量 篇8

传统的航空摄影受限于高昂的费用以及航空调运等条件、常用于获取大范围的航空影像。低空遥感具有快速、机动、灵活、无机场起降、可在低空获取高分辨率数字影像等优点,是现代传统航空与卫星遥感的不可缺少的补充。无人飞行器上搭载大面阵数码相机建立的无人飞行器低空遥感系统,可以获取高分辨率(厘米级)的数字影像;通过廉价的GPS及IMU等设备可同时获取影像定位信息,因此这类系统提供了一种低成本高分辨率低空数码影像获取方法,成为传统航空摄影的辅助手段而得到迅速发展和应用。无人飞艇低空遥感系统成本最低、可靠性最高,尤其适用于城区和地形复杂地区的航空摄影测量应用。然而受飞行稳定性和高程精度等方面的局限,无人飞艇低空遥感系统在大比例尺测图等方面还没有完全实用化。本文以中国测绘研究院研制的无人飞艇低空遥感系统为研究基础,提出利用多视摄影测量提高低空数码影像摄影测量精度的方法。

2 无人飞艇低空遥感系统

中国测绘科学研究院研制的UAVRS-F型无人飞艇低空遥感系统由无人飞艇(如图1所示),遥测遥控系统,地面控制站,大面阵数码相机系统及稳定平台等设备构成的摄影系统组成。

如图1所示,UAVRS-F型无人飞艇是一种通用型飞艇系统,可实现飞艇空中悬停,垂直升降和特殊机动飞行。目前,该无人飞艇系统的飞行控制以人工遥控为主、程序控制为辅。其长度为12~20 m,直径2~4 m,飞行速度0~72 km/h,飞行高度50~3 000 m,任务载荷5~50 kg,控制半径10 km,续航时间3~5 h。

飞艇的方位、高度、速度、数据、机载设备状态数据及空中拍摄的视频图像信号通过遥测遥控系统下传至地面站,实现地面监控和显示。地面控制站发出遥控指令通过遥测遥控系统上传至飞艇,对飞艇实施超视距比例遥控飞行和其它控制。

大面阵非量测数码相机的体积小、重量轻、存储量大,数据获取和处理实时快速,目前是UAVRS-F型无人飞艇系统的主要遥感设备。UAVRS-F系统主要采用尼康Nikon D100专业数码相机(像幅尺寸为23.7mm×15.6 mm,分辨率为3 008 pixels×2 000 pixels,镜头焦距20 mm)以及Canon EOS 5D相机系统(像幅尺寸为35.7 mm×23.9 mm,分辨率为4 368 pixels×2 912 pixels,镜头焦距24 mm)作为遥感设备。数码相机的曝光由自行研制的遥感设备自动控制系统完成,即以高速单片机系统计算曝光间隔,以GPS秒脉冲信号作为基准信号,单片机自动触发相机曝光。由于无人飞艇在低空飞行摄影时会受到本机和气流的多重影响,所以机体将无法一直保持航空摄影的姿态要求,系统研制了专用的低成本无陀螺三轴稳定平台用来隔离飞行平台的角度误差。数码相机被固定在三轴稳定平台上实现水平方向的调平和航向方向的偏流修正。

无人飞艇携带该机载摄影系统拍摄低空数码影像,影像的像移是影响图象质量的主要因素,要求像移小于0.5像元。如式(1)所示:

其中:v为航速,t为快门时间,f为相机焦距,h为飞行高度。以Canon EOS 5D相机系统为例,面阵CCD后背像元小于为8.2µm×8.2µm,相机焦距约24 mm;飞行高度假定为300 m,飞行速度设定为上限20 m/s,曝光时间只要小于1/380 s即可。显然,与其它的低空遥感系统相比,无人飞艇系统的飞行速度低,获取的数码影像不但有足够的曝光量,而且可以忽略像移的影像。

3 低空数码影像多视摄影测量

传统摄影测量影像间的航向重叠度一般是60%,三度重叠为20%。传统方法总是利用相邻三张影像进行模型连接,利用两张影像进行前方交会。低空数码影像的像幅小,基线短,因此高程精度低。但低空数码影像的重叠度大,一个空间点成像在多幅影像上,可以利用这N张影像建立多光束立体,进行多视摄影测量。

3.1 立体像对的摄影测量存在的问题

基于立体像对的摄影测量的平面和高程精度取决于像点量测精度和基高比分别为

其中σXY、m、σZ、b、f、σ0分别为平面中误差、摄影比例尺、高程中误差、基线、焦距、像点量测中误差;b=l⋅1(-p),其中:l,p分别为与航线方向平行的像幅边的边长、航向重叠度。

数字摄影测量利用计算机匹配替代人眼双目立体观测测定影像同名点,立体像对重叠度大,基线短,同名点匹配精度高,但基高比小导致高程精度低。假定同名点匹配精度一定(像点量测中误差一定),σ0=0.5pixels,以Canon Eos 5D相机系统为例,其焦距为24 mm,像幅长边为35.7 mm。立体像对的重叠度为60%时,基高比为0.70,高程的量测误差为平面的1.4倍;80%重叠度时,基高比为0.35,高程的量测误差为平面的2.8倍;40%重叠度时,基高比为1.07,高程的量测误差则接近平面误差。为解决匹配和基高比的矛盾,可以采用多基线(大重叠度)摄影测量:相邻影像交会角小,易于匹配;多基线、总体交会角大,确保交会精度;同时多方向交会,使前方交会具有多余(冗余)观测,能够增加影像匹配的可靠性。也就是利用多影像建立多光束立体测图方法。

3.2 多视摄影测量

低空数码影像的重叠度大,一个空间点成像在N幅影像上,就需要利用这N张影像建立多光束立体,同时进行前方交会获得其三维坐标。假设某一地物点P同时出现在N张影像上,第i张影像的摄影中心S、像点p,与空间点P三点共线,共线方程为

考虑理想垂直摄影时,各旋转角均为零,x+x′=,0y=y′,设定y=y′=0,设N张像片的摄影中心同高,即ZS相等,Z=-D。其中,D近似取平均相对航高,则相应的误差方程式为

其中:f为焦距,(xi,yi)第i(i=1,2,…,N)影像的像点坐标d X,d Y,d Z为空间点三维坐标的改正数,lxi,lyi为误差方程常数项。联立P点的N个同名点误差式,得到法方程系数相应的法方程系数矩阵和协方差为

则待定点的XY、Z方向的测定中误差分别为

显然,Z方向(高程)测定精度与∑ni=1 xi2成反比,重叠影像越多,前方交会精度越高。

4 多视几何约束的多视匹配

立体匹配可以在核线影像上进行,而多视匹配则在原始影像上进行。本文利用计算机视觉的多视几何的原理建立匹配的约束条件实现多视匹配。

4.1 基于三视张量约束的多视匹配

设四张影像分别为I1、I2、I3、I4,影像的外方位元素已知。一个空间点分别成像在n(n>3,本文n=4)幅影像上时,每三幅影像组合。首先,根据航空摄影的特点,相邻两影像重叠度较大,因此分别作为第一、二幅影像,其它影像作为第三张影像。通过(I1 I2 I3),(I1 I2 I4)两个组合预测同名点;其次,(I2 I3 I4)组合删除误匹配的同名点对。如图2所示,第一幅和第二幅影像组成一个立体像对,设第一张影像上的待匹配点为p1,地面的近似高程范围(Zmin,Zmax)已知,如式(7)所示。而由式(7)可以推导式(8),即根据高程的范围计算该点在物方空间的光束直线段的端点A、B坐标(端点B的计算过程从略)。由于数码相机存在较大的系统畸变差,最大为几十个像素,因此核线是核曲线,核曲线较短时,近似看作直线。光束直线段投影到相邻的原始影像上(考虑畸变差),如式(9)所示计算原始核线段a′b′的端点坐标(b′计算过程从略)。

在第二张影像上,在核线段上根据灰度相关算法搜索相关系数的极值点。搜索到的同名点集合假设为{pi2},i=1,2,…,n。从{pi2}中选择候选点对(p1,pi2)和I1,I2,I3间的三视张量预测I3上的同名点位,在邻域内搜索相关系数的极大值点,如果存在极大值点集{pj3},则(p1,pi2)以及候选点集{pj3}中的每一个点,作为候选的同名点对;根据候选点对(p1,pi2)和I1,I2,I4间的三视张量预测I4上的同名点位,在邻域内搜索相关系数的极大值点,如果存在极大值点集{pk4},则(p1,pi2)以及候选点集{pk4}中的每一个点,作为候选的同名点对;I2,I3,I4影像组合,计算三幅图像间的三视张量,满足三视张量的同名点对(pi2,pj3,pk4)视为p1在I2,I3,I4上的同名点。

如图3所示,假定第二张影像p1的同名点p12,p22,p32,其中只有p12是正确的匹配点。针对每个同名点对(p1,pi2),i=1,2,3,分别在影像I3和I4上匹配候选点,为剔出错误的匹配点对,采用(I2,I3,I4)组合,计算三张影像相应的三视张量。只有正确的同名点对满足三视张量对同名点对的约束条件,因此可以得到正确的匹配点对(p1,p12,p13,p14)。

4.2 三视张量的计算

许多学者对如何通过3张像片的点(线)对应关系稳定地计算三视张量进行了深入的研究。本文则直接利用投影矩阵计算三视张量。假定三张影像的投影矩阵简化形式为

三视张量的数学定义为T=[T1T2T3]。其中:Ti=ris4T-r4siT,Tijk=rijsk4-r4jski。

由于航空摄影测量的物方坐标系常定义为地面摄影测量坐标系,因此第一个投影矩阵一般不是P=(I|0)。但是三视张量是独立于场景结构的,也即我们可以任意选择物方坐标系,而且在三个投影矩阵同时乘以一个透视变换矩阵时,三视张量是不变的。Hartley采用一个4×4的变换矩阵,将摄像机投影矩阵变换成它们规范形式。则摄像机投影矩阵的规范形式是

5 立体测量实验

基于多视影像测图,需要对“多视”原始影像进行任意组合构成立体像对或者构成多光束立体。为了评定低空数码影像立体量测的精度并对影响其精度的因素进行分析,首先针对60%重叠度的立体像对进行立体量测实验,评定其精度;其次,进行不同重叠度(基高比)的立体像对和多片空间前方实验。实验采用Canon Eos 5D相机系统获取的低空数码影像(航高为400 m)。如图4所示选择四张相邻的影像1、2、3、4。四幅影像的公共重叠区内选择地面上高程一致的5个检查点(5个检查点高程互差小于1 m)。1、2,1、3,1、4分别组成编号为12、13、14重叠分别为80%、60%、40%的立体像对,基于多视匹配的方法获取同名点。在1:500地形图上人机交互读取5个检查点的坐标作为真值,在每个像对内分别进行基于严格的共线方程推导的空间前方交会,并计算每个检查点的残差,不同重叠度的12、13、14像对和4张影像的空间前方交会精度如表1所示。由表1可知,平面精度随重叠度缩小而降低,高程精度随重叠度减少而提高。多片空间前方交会的平面精度高于立体像对空间前方交会的精度,高程精度接近40%的重叠像对,高于60%和80%重叠度的立体像对。

结束语

无人飞艇低空遥感系统灵活、机动、快速、低成本特点,尤其适合小面积范围内城区、地形复杂地区的大比例尺航空摄影测量应用。低空数码影像的像幅小,基线短,若沿用立体像对测图方法,难以突破高程精度低的局限。但低空数码影像的重叠度大,一个空间点成像在多幅影像上,可以利用这N张影像建立多光束立体,提高高程量测精度。本文提出基于多视几何约束的多片匹配方法,并对多光束立体摄影测量的精度进行理论分析,最后针对不同重叠度的立体像对进行空间前方交会和多片空间前方交会实验,证明了多光束立体摄影测量能够有效提高低空数码影像的平面和高程精度,达到无人飞艇低空遥感系统在大比例尺测图等应用中的实用目标。

摘要：针对大比例尺测图的精度要求,研究低空数码影像多视摄影测量的方法。根据计算机视觉的多视几何原理建立匹配的约束条件,实现多视匹配;利用低空数码影像的重叠度大的特点,建立多基线立体,进行多片空间前方交会。不同重叠度的立体像对空间前方交会和多片空间前方交会的实验结果证明,多视摄影测量能够提高有效低空数码影像的摄影测量精度。

关键词：摄影测量,多视几何,无人飞艇,空间前方交会

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影像学测量 篇9

药型是火炮的核心部件,其技术状态的好坏,关系到火炮发射的精度以及火炮寿命状态、火炮剩余寿命发数等关键技术指标[1]。在加工药型的过程中,切割时会发生变形,以及受到环境温度、挤压等外部因素影响, 使其外型尺寸容易发生变形,从而影响弹药性能[2]。为了确保火箭发动机的安全性和准确性,需要对推进剂在不损坏其产品的前提下进行缺陷检测,传统的检测方法都是工人通过千分尺检测,其结果受人为因素影响比较大,安全性差并且工作效率也比较低。

近年来,针对于非接触式测量的研究已经取得了一定的成果,图像测量技术的发展提供了新的发展方向, 使外形尺寸检测技术更加便捷、精确。该方法主要是运用光学技术与图像处理技术,用CCD摄像机对被测物体影像进行摄取,经过计算机对图像进行处理后,最终得到精确的检测结果。

CCD的像素间距小,几何精度高,配置适当的光学系统,可以获得很高的分辫率,特别适用于各种精密图像传感和非接触式检测[3]。但国内对图像测量技术在火工品尺寸测量方面的研究尚且不多,而且多为保密研究,特殊的生产环境和易燃易爆的产品特性限制了图像测量技术在军品上的应用。

本设计是基于药型生产单位不能进行有效的非接触测量而设计,将图像测量技术应用于火工品的检测过程中,由于药型及生产环境的不确定因素,因此防火防爆是基本前提,在此基础上才对药型进行轮廓测量,在检测效率和操作安全性方面较以往都有很大的提高。

1 测量原理与组成

整个检测系统由被测药型、光学系统、工业CCD摄像机、计算机处理系统和数码显示及报警系统组成。仪器结构如图1所示。该装置使用了大量电器元件,当电器开关合闸、断开时会产生火花电弧,而且电气设备短路、过载等都会引起电火花的产生。因此,测量平台要做防漏电处理,采用不锈钢材料做支撑平台,V型架则采用了防静电的电木板,所有的电线都用防火胶带进行包裹,此外,对金属部件做接地处理。

图像测量装置的设计原理是:碗状光源发出均匀的光束,照射在被测药型的端面,被测药型端面通过镜头成像在CCD上的光敏物质上,这时由于被测工件的挡, CCD输出低电平,从而形成一个脉冲宽度与被测物体直径成正比的方波信号[4]。在图像采集过程中,放大电路可以对信号进行放大处理,再将模拟信号进行模数转换转变成为数字信号,然后将处理后的信号送到计算机进行计数,最后将把测得的计数脉冲值与系统标定的值乘积(药型端面尺寸大小)显示在LED显示器上。

在测量之前,我们可以预设数据合格范围,当测量结果超出预设范围,输出结果的字体显示底色将变成红色,并且发出报警声音,工作人员能立刻知道这批产品不合格。

2 图像采集

2.1 系统标定

计算机图像处理程序得出的尺寸信息是以像素为单位表示的,要得到实际尺寸,就必须建立起数字图像像素单位与实际尺寸之间的对应关系,即系统标定[5]。根据测量原理,如果知道被测药型的像尺寸大小(被遮挡的光敏单元的区间大小)和放大率β值就可以计算出药型的直径[6]。即:药型的实际尺寸=图像所占得像素数×实际尺寸和像素值的比例系数。

在测量过程中,把制作的标准标定板放在测量系统的同一位置上,与像机镜头保持固定的距离,点击图像测量软件左上角的系统标定按钮,获得标定板图像,分别选取标定板上水平方向上的两个圆以及垂直方向上的两个圆,然后弹出比例尺实际距离设定对话框,设置两圆之间的真实长度,这样就算出标定板某一长度的像素值,点击OK后就会得到当前比例尺,点击保存之后即完成系统标定。标定板如图2所示。

2.2 图像采集与处理

2.2.1 图像采集

图像采集即将视频信号转换成计算机识别的数字格式。我们采用图像采集卡将视频信号经过A/D转换后, 经过PCI总线实时传到内存和显存。

在图像采集过程中,要确保药型端面的几何中心与摄像机镜头的中心处于同一位置。由于药型安装在V型块上,不方便进行调整,我们便通过控制摄像机镜头的移动,使得药型端面的几何中心与控制软件的十字线交点重合。

2.2.2 图像预处理

光学系统进行成像后需要进行合适的图像处理及软件算法设计,图像处理主要体现在抗噪声、抗干扰上, 软件算法则主要体现在测量系统的精度及稳定性上[7]。

图像在传输过程中常受到成像设备与外部环境噪声的干扰,所以需要对噪声进行滤除。图像中的噪声大多是不规则分布的一小点一小点,中值滤波属于非线性滤波,采用中值滤波不能消除大噪声的影响,但它能很好的保持原灰度图像的分布特性[8]。因而在图像降噪处理中得到了比较广泛的应用。

由图4可知,经中值滤波处理后,噪声信号的部分光斑信号强度已经大大减弱,其他部分则基本没有变化,达到了去噪声的目的。

2.2.3 图像特征提取算法设计

根据CCD光敏面上激光光强的实际分布,我们采用二次多项式的算法来提取图像特征。

将信号f(xj,yj)的激光光斑定位到象素xj,在x方向上,设f(x)为插值函数,xj-1,xj+1为插值节点,yj-1,yj和yj+1为函数值,则有:

其中:

对f(x)微分,并另f'(x)=0可得:

这样可得激光光斑的定位为:

3 实验数据与误差分析

3.1 实验数据

为了比较图像测量与人工测量的准确性,我们多次测量了同一个药型,记录了每次测量的结果,比较相同情况下人工检测的数值,表1为测量结果。

由表1可知,人工测量的波动范围明显高于CCD测量,原因就是药型端面并不规则,用游标卡尺在同一个药型的不同位置测量就会产生一定的误差。相反,图像测量结果的稳定性更好,药型标准外径为102.55mm, 通过计算CCD测量值和标准值的偏差发现,测量平均值低于标准值0.006mm,可以考虑将其作为系统误差进行修正。

3.2 误差分析

在实际测量过程中影响测量结果的主要误差是投影误差。如果对这些误差不进行分析与处理,系统将会给出不准确的结果。

在测量过程中,当出现V型块的尺寸不同或者两个V型块的装配位置出现误差,被测药型就会发生倾斜,这样药型端面与CCD摄像机光轴方向就不能保证垂直,从而引起投影误差的产生。投影误差示意图如图5所示。

设投影误差为△ ,△ 为△ 1与△ 2之和,由图5中相似三角形关系可得,投影误差公式为:

式中:M为药型的垂直度;

D为被测药型的外径;

L2为药型端面与镜头中心点的距离。

当被测药型垂直度为0.1mm时,将表2参数带入到公式 (3)中,可得药型倾斜所造成的投影误差?=0.017mm。

由于倾斜角度和方向都不固定,因此针对由被测药型倾斜引起的误差,我们进行了多组试验,整理测量数据后就得到了误差值与药型倾角角度的关系图,如图6所示。所得曲线是在倾斜角α为±8°范围内依次间隔1°所测。数据表明,倾斜角越大,误差越大,而且误差大体上以倾斜角0°为中心,对称分布。

4 结论

影像学测量 篇10

1 材料与方法

1.1 螺旋断层放射治疗机的MVCT

HI-ART II断层放射治疗机CT图像的获取使用GE环形充氙气体电离室, 共有738个通道, 其中540个用于MVCT成像, 其他用于测量本底。每个通道用25.4 mm长和0.32 mm厚的钨片分隔成两个空腔, 空腔内为氙气, 其气压约为5个大气压。电离室通道之间的间隔为1.21 mm。收集每个电离室通道两个空腔产生的电荷量形成探测信号。源到探测器的距离为145 cm, 源到等中心的距离为85 cm。视野大小由多叶准直器叶片的宽度决定, 叶片在等中心的最大投影宽度为40 cm, MVCT的FOV为40 cm。探测器阵列的曲率半径为110 cm。[3]

螺旋断层治疗机M VC T其能量由6 M V可调制至3.5MV, 铅门长度为4 mm, 等中心处射野宽度为400mm。当患者穿过治疗机孔径时, 籍机架连续旋转获取患者的MVCT图像。断层放射治疗机MVCT扫描时的能量和强度是固定的, 可调参数为螺距比。螺距比的定义为射野在等中心处的长度与机架每旋转一圈时治疗床前进的距离的比值。螺旋断层治疗机MVCT共有三种扫描模式, 分别为Fine、Normal和Coarse, 对应图像层厚分别为2 mm、4 mm、6 mm, 对应的螺距为1、1.6、2.4。数据获取后影响图像质量的主要参数是像素大小。HI-ART II断层放射治疗机采用512×512像素矩阵。[3]1.2测量体模

我们使用的Catphan600体模由CTP404、CTP528和CTP486等3个影像测试模块串联组成。其中CTP404直径为150 mm, 厚度为25 mm, 在水平和垂直方向各嵌有两条斜角为23o的斜线, 8个直径为125mm的圆柱样品插件, 分别用聚四氟乙烯树脂 (Teflon) 、多聚甲基乙烯 (PMP) 、低密度聚乙烯 (LDPE) 、聚苯乙烯 (PS) 、丙烯酸树脂 (Acrylic) 、聚甲醛树脂 (Delrin) 和空气组成。间距为50 mm的四根聚四氟乙烯树脂棒, 在中间有5个直径分别为2 mm、4 mm、8 mm、10 mm的丙烯酸树脂小球。CTP528模块中嵌有分辨率标尺, 最高分辨率为21LP/cm, 用于测量CT的空间分辨率。CTP486模块直径为150 mm, 厚度为40 mm, 由均匀的水等效材料构成, 标准扫描条件下其CT值与水一致, 误差在2%之内, 用于CT值均匀性、平均值和CT值噪声的测量。

1.3 影像的获取

使用Ac Qsim大孔径CT扫描Catphan600影像测试模体, 图像使用Dicom3.0格式传送至Tomotherapy计划系统, 并设计一个简单的计划, 将计划信息输入到Cluster服务器中, 然后通过加速器控制台从Cluster服务器调出模体信息进行扫描。将Catphan600影像测试模体放在加速器治疗床上, 调整水平、调整治疗床使模体上的定位标记和断层加速器的绿激光灯位置重合, 选取Fine、Normal和Coarse三种模式对模体进行扫描。扫描图像传送至Tomocon Worksation图像工作站进行分析。

1.4 MVCT值及线性

选取CTP404模块上已知密度的插件的MVCT图像的中心层面, 调整图像的窗宽和窗位, 用直径5 mm的感兴趣区域读取各插件的像素值和标准偏差。

1.5 影像噪声和均匀性

噪声是根据CTP486模块中心层面影像中心处一个大面积 (大约200 cm2) ROI像素Hounsfield值 (HU) 的标准差σCT计算而得。噪声值用校正后的扫描对比度比率值 (CS) 占水的有效线性衰减系数 (µwater) 的百分比来表示。其公式为:Noise= (σCT) ·CS/µwater, 其中CS= (µm-µwater/ (HUm-HUwater) 。µm和HUm为某一材料的线性衰减系数和成像时的HU值, 本研究中选用Acrylic材料。选取CTP486模块中心层面的MVCT影像, 调整窗宽和窗位, 分别在图像中心和靠近模体边缘的上下左右方向选取直径为1 cm的感兴趣区域, 读取每个感兴趣区域的的平均像素值 (PV) 和标准偏差 (SD) 。MVCT的均匀性的定义为最大、最小像素值之差与平均像素值的百分比。[3,5]

1.6 空间分辨率和低对比度分辨率

空间分辨率的主观测试是扫描CTP528模块中心层面的分辨率标尺, 通过目测找出能分辨清楚的线对, 从而得出其空间分辨率。低对比度分辨率使用CTP404模块测量, 读出聚苯乙烯和低密度聚乙烯插件中心的像素平均值和标准偏差, 其数值越小表示的对比度分辨率越高。

1.7 几何精确性

CTP404模块内置有互相垂直、距离已知的4个点, 可用于测试MVCT的几何精确性。选取CTP404模块中心层面的影像, 调整窗宽和窗位, 分别测量设定的长度和角度, 并将测量值和标准值进行比较。

2 结果

2.1 MVCT值及线性

选取感兴趣区域的插件的像素值和标准偏差, 三种扫描模式下不同密度插件的CT值在表1中给出。

使用Origin Pro7.5软件作图。MVCT的CT值和样品插件密度呈线性, 如图1所示, 且不同的扫描方式对样品插件的CT值影响较小。但是与参考CT值有一定的差别, 其主要原因是参考CT扫描能量是千伏级, 而MVCT扫描能量为兆伏级, 各种物质的衰减系数随能量改变之故。

2.2 影像噪声和均匀性

MVCT图像噪声的测量结果在表2中给出, 它是准直器螺距和重建矩阵的函数。结果表明MVCT图像噪声比常规CT稍差, 并且随着螺距的增加而略微增加。

选取感兴趣区域并读取HU值和标准偏差时, 我们发现模体周围4个感兴趣区域的均匀性较好, 而中心感兴趣区域的HU值和标准偏差明显高于周边区域。其主要原因是成像的能量较高, 穿射能力强, 中心区域重建伪影较大, 因此本文在计算均匀性时未考虑中心区域。由MVCT的均匀性计算公式可以得出螺距分别为1、1.6、2.4对应的均匀性分别为2.1%、2.3%、3%, 图像均匀性较好, 螺距的改变对均匀性无明显影响。

2.3 空间分辨率和低对比度分辨率

调整CT P528模块中心层面成像的窗宽窗位得到如图2所示的图像, 通过目测我们得出三种扫描方式MVCT的空间分辨率为4 Lp/cm, Pitch值的改变不影响MVCT图像横断面空间分辨率。通常诊断CT的空间分辨率为8 Lp/cm, 锥形束CT的空间分辨率为7 Lp/cm。重建图像空间分辨率的物理限制是X线源和探测器大小决定的, 超过一定数目的像素后其空间分辨率不会有提高。HI-ART II断层放射治疗机重建图像采用512×512像素矩阵, 采用固定的40 cm的FOV, 因此其横截面像素大小为0.78 mm, 而通常诊断CT的重建矩阵为1024×1024, 因此加速器螺旋断层的CT的空间分辨率低于常规诊断CT。

M VC T成像的最大局限性是低对比度分辨率较差。图3 (a) 及3 (b) 分别为同一层面的MVCT图像和KVCT图像, 将两幅图像调整至相同的窗宽窗位, 我们可以看出KVCT图像可以分辨出对比度差别为1%的模体, 而MVCT图像螺距为1、1.6、2.4时的低对比对分辨率分别为2.9%、4.1%、4.2%。

MVCT的低对比度分辨率较差主要原因是扫描能量较高。MVCT与组织相互作用的主要方式是康普顿散射, 发生散射的概率取决于材料的电子密度, 而不是原子序数。由于不同组织之间的电子密度差别相对较小, 因此采用MV级射线获取的图像的对比度较差。

3 几何精确性

表3中给出了几何参数的参考值及测量值, 结果表明距离和角度的误差均在1%以内, 没有发现生形变和畸变, 说明其成像的几何准确性很好, 满足临床图像配准的要求。

4 讨论

螺旋断层加速器机载的MVCT作为放疗中一种新型的影像引导设备, 主要用于患者照射前、照射中的位置验证, 也可以用于监测整个疗程中肿瘤及周边正常组织形状位置等的变化, 成像质量的要求虽然没有诊断CT高, 但是影像质量对图像引导有一定的影响。

螺旋断层加速器机载的MVCT图像质量受到扫描能量、机械设计、扫描方式和重建算法等因素的影响, 图像特性有别于KVCT和锥形束CT。使用MV级能量的射线成像, 缺点是要求在成像剂量和图像质量中做折中选择。诊断CT的可调参数是k V和m A, 而螺旋断层加速器的MVCT成像的射线能量和强度都是固定的, 其影响患者吸收剂量和图像质量的参数是准直器宽度和螺距。改变准直器宽度影响射线能谱, 进而影响图像重建所需的卷积核, 我们采用的是默认准直器宽度5mm。螺距与成像剂量成反比, 螺距越小, 成像剂量越高, 图像越精细。

我们使用Catphan600体模研究了MVCT影像的CT值均匀性和线性、空间分辨率、低对比度和几何精确性等, 结果表明MVCT影像的CT值均匀性和线性、空间分辨率和诊断CT图像具有可比性。MVCT影像的几何精确性较好, 而其图像的低对比度分辨率差于常规诊断CT, 但是对骨组织和软组织的分辨能力满足临床图像配准的要求。MVCT影像质量的测试结果表明, 这些图像可以引导临床治疗, 但其图像的剂量计算等特性还需要进一步的研究。螺旋断层加速器机载的MVCT的成像质量稳定性受到成像能量、探测器稳定性等诸多因素的影响, 必须建立严谨的QA和QC程序, 定期进行测量, 保证MVCT的成像设备的安全运转。

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