太赫兹层析成像技术

太赫兹层析成像技术类似于基于X射线的层析成像。通过利用太赫兹波的特性，例如对电介质的穿透性，并使用层析重构算法，可以实现对物体内部结构的二维和三维成像。利用强度和延迟时间不相同的太赫兹波发射脉冲，使用层析成像可以使得物体的内部结构直观的显现出来。

在2002年，张希成等人率先将CT技术引入到太赫兹成像的研究中，并次报道了太赫兹层析成像的装置和实验结果。与X射线相比，太赫兹波CT技术不但可以获得物体的断层成像，还可以结合太赫兹光谱技术获得成像物体的光谱信息，从而分析了物体的组成成分。此外，在获得物体吸收率的分布的同时还可以获得物体的折射率的分布。

图1 太赫兹CT成像系统示意图
图1是该团队搭建的基于太赫兹透射式成像技术的CT成像系统。泵浦光束触发偏置的宽孔径天线产生太赫兹脉冲波，经过离轴抛物镜聚焦在被测物体上，通过一个4mm厚的ZnTe光电探测器记录并获得由被测物体所透射的太赫兹波形。被测物体放置在一个旋转台上，可实现x-y面上的平移或旋转，使太赫兹波以不同位置和不同角度穿透被测物体，通过采用滤波反投影算法对透过被测物体的太赫兹波进行分析，以重构样品的三维结构图。图2展示了该团队利用该成像系统重构的骨头图像。

图2 骨头三维重构图
但是，这种技术仍然需要耗费大量的时间，比如测量100×100像素大小的图像就需要超过1个小时。此外，从图2中可以明显看出，样品的外轮廓较为清晰，内部结构却不能较好地呈现，这可能是由于太赫兹波较X射线长，不能简单近似的为直线传播，样本散射、折射、衍射较明显。

太赫兹CT的应用主要受以下三个因素限制：成像速度慢、成像装置较复杂且成本高和成像物体折射率一般需低于1.5。迄今国内外科研团队已在太赫兹CT成像机理和重构方法两方面进行了提高成像速度的研究。最快成像时间可达6s，但成像区域仅为平方厘米量级。成像装置复杂且成本高的主要原因是太赫兹辐射源的选择。目前主要采用飞秒激光器触发光电导开关、量子级联激光器和耿式二极管。利用飞秒激光器实现脉冲太赫兹层析成像可以获得振幅、峰值时间和材料的光谱特性等投影信息，不仅获得物体的吸收系数，还可得到折射率及材料的三维分布。另外，可利用多峰值平均处理，降低由折射引起的太赫兹辐射偏折对层析成像的影响；可通过提高物体转速实现快速二维层析成像。但是总的说来，此类成像系统较为复杂，体积较大，成本高。量子级联激光器构成的成像系统体积较小，但一般需要制冷。耿氏二极管成像系统易于操作，成本较小，但由于输出波长较长，因此分辨率较低，一般在1.5mm左右。CO2泵浦连续太赫兹气体激光器较飞秒激光器辐射源功率高、易于操作、成本低，且分辨率较耿氏二极管高。

截至目前，只有利用飞秒激光器的太赫兹CT在成像物体折射率限制上找到了一种解决措施，但尚未从根本上解决。这是制约太赫兹CT应用推广的瓶颈，是今后研究的重中之重。另外，面阵成像系统和三维重构算法也将是研究的重点。