Método y aparato para tratamiento de imágenes tridimensionales en el dominio de Fourier.

Un método para el tratamiento de imágenes multidimensionales de una región objeto (9),

el métodocomprendiendo las etapas de:

a) pasar luz a través de una región objeto (9) para producir rayos de luz transmitidos (36);

b) capturar los rayos de luz transmitidos (36) por al menos un elemento óptico (13), el al menos unelemento óptico (13) teniendo un plano focal trasero;

c) utilizar al menos un detector (12) para capturar un espectro de energía de una transformadabidimensional de Fourier, donde el al menos un detector (12) está localizado en un plano focal trasero delal menos un elemento óptico (13); y

d) repetir las etapas a)-c) para dos o más puntos de vista sobre un arco al menos parcialmente rodeando laregión objeto (9) para obtener múltiples transformadas bidimensionales de Fourier.

Método y aparato para tratamiento de imágenes tridimensionales en el dominio de Fourier.

Campo de la invención [0001] La presente invención se refiere a un sistema de tratamiento de imágenes tridimensionales en general, y, más en particular, a la tomografía óptica de alta resolución donde las características de interés son de un tamaño comparable a la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar los objetos de interés.

Antecedentes de la invención [0002] Un dispositivo de tomografía está destinado a producir reconstrucciones tridimensionales de objetos proporcionando una medida de atenuación de luz o de rayos X a lo largo de un conjunto de trayectorias de rayos a través del objeto. Por ello se prohibe la existencia de un plano focal dentro de la región objeto, es decir, la profundidad de campo es infinita, y todos los fotones que alcanzan un elemento pixel detector individual han viajado, idealmente, a lo largo de la misma trayectoria geométrica. Para la tomografía de rayos X, la difracción de defectos de homogeneidad dentro de la región objeto no es un problema, porque el tamaño de tales características es normalmente mucho mayor que la longitud de onda de la radiación incidente. En tomografía óptica, sin embargo, las longitudes de onda son mucho mayores que en el caso de la tomografía de rayos x. Por tanto, la difracción de características dentro de la región objeto puede introducir ruido en el sistema al hacer que diversos rayos de luz alcancen al mismo elemento detector individual tras viajar a lo largo de diversas trayectorias diferentes entre la fuente y ese elemento detector. La presente invención aprovecha dichos efectos de difracción para adquirir información sobre una región tridimensional objeto, y reorganiza esa información mapeando el dominio de frecuencia espacial (espacio k) en el espacio real.

A.C. Kak and M. Slaney, en su libro titulado Principles of Computerized Tomographic Imaging (IEEE Press, 1988) , describe el uso del Teorema de la Rebanada de Fourier para cartografiar luz transmitida o reflejada desde el dominio espacial en el dominio de frecuencia, como se describe en la la FIG. 1. Al obtener imágenes de proyección desde múltiples puntos de vista y aplicando una transformada bidimensional de Fourier a cada uno, puede generarse un conjunto de superficies planas en el dominio de frecuencia (espacio k) . La suma de estas superficies planas puede entonces ser operada por una transformada inversa de Fourier tridimensional para dar una reconstrucción tridimensional de la región objeto. En presencia de difracción débil dentro de la región objeto, las superficies planas se vuelven superficies esféricas, y el Teorema de la Rebanada de Fourier debería ser sustituido por el Teorema de Difracción de Fourier. Sin embargo, ambos enfoques fracasan cuando está presente una difracción fuerte. La transformada de Fourier de una única proyección cartografía un juego de superficies esféricas en el espacio k, dando lugar a valores ambiguos cuando se suman las superficies desde diferentes puntos de pista.

El trabajo por Pernick, y colaboradores. (1978) , Wohlers, y colaboradores. (1978) , y Backman, y colaboradores. (2001) ha demostrado la utilidad de examinar material biológico en el dominio bidimensional de Fourier. (Ver, por ejemplo, B. Pernick y colaboradores., " Estudio de muestras citológicas cervicales utilizando procesamiento óptico coherente. Parte 1, " Appl. Optics 17, 21 (1978) , R. Wohlers y colaboradores., "Estudio de muestras citológicas cervicales utilizando procesamiento óptico coherente. Parte 2, " Appl. Optics 17, 35 (1978) , B. Pernick y colaboradores., "Estudio de muestras citológicas cervicales utilizando procesamiento óptico coherente. Parte 3, " Appl. Optics 17, 43 (1978) , B.J. Pernick y colaboradores., Análisis paraxial de difracción de la luz por células biológicas en un sistema de flujo, " Appl. Optics 17, 3205 (1978) , V. Backman y colaboradores., "Medición de la Estructura Celular a Escala Submicrométrica con Espectrometría de difracción de luz, " IEEE J. Selected Topics Quantum Electron. 7, 887 (2001) ) .

Se han descrito técnicas para utilizar difracción de la luz para examinar pequeñas características en un objeto por Kopp, y colaboradores en la patente U.S. 4.150.360, emitida el 17 de abril de 1979, titulada "Method and Apparatus for Classifying Biological Células, " y la patente U.S. 4.213.036 emitida el 15 de julio de 1980 titulada "Method for Classifying Biological Cells". Kopp y colaboradores utilizaron la óptica de Fourier para adquirir una sola transformada bidimensional de Fourier de una célula biológica. Sin embargo, las regiones tridimensionales objeto no fueron consideradas por Kopp y colaboradores. Por el contrario, el método y aparato de la presente invención adquiere múltiples transformadas bidimensionales de Fourier a partir de diversos puntos de vista diferentes. Utilizando los diferentes puntos de vista, una transformada tridimensional de Fourier se informatiza utilizando técnicas tradicionales de tratamiento de imágenes que puede ser modificadas según la configuración geométrica específica.

La patente US 4616318 revela ejemplos de reproyectar imágenes que incluyen tomar la transformada bidimensional de Fourier de la imagen, interpolar la transformada con el fin de obtemer los valores en líneas radiales, y tomar las transformadas unidimensionales inversas de las líneas radiales.

La patente WO 02/067223 revela un ejemplo de reconstrucción en haz cónico realizada en un ordenador con uno o más microprocesadores.

La patente US 6442288 revela un método para reconstruir una imagen tridimensional de un objeto escaneado de modo lineal o circular en el contexto de una tomosíntesis.

A diferencia de métodos ya conocidos, la presente invención proporciona un método que permite procesamientos 3D en tiempo real in-situ de la luz que pasa a través de todo el volumen de la región espécimen. El método de la presente invención utiliza óptica de Fourier para cartografiar la distribución angular de la luz que sale de la región objeto al espacio real en el plano focal trasero de un sistema de lente o espejo. Como resultado, la tridimensionalidad de la región objeto cesa para plantear un problema, ya que en la tomografía óptica los rayos de luz no necesitan originarse dentro de un único plano.

Resumen de la Invención [0010] La presente invención proporciona un método y aparato para tratamiento de imagen multidimensional de una región objeto. El método incluye la etapa de pasar luz colimada a través de una región objeto para producir rayos de luz transmitidos. En otra etapa, los rayos de luz transmitidos son capturados por al menos un elemento óptico, cada uno de dichos al menos un elemento óptico teniendo una plano focal trasero. Se utiliza al menos un detector para capturar una distribución de energía de una transformada bidimensional de Fourier, donde el al menos un detector está situado en un plano focal trasero del al menos un elemento óptico. Para dos o más puntos de vista, las etapas del método se repiten alrededor de un arco que rodea al menos parcialmente la región objeto para obtener múltiples transformadas bidimensionales de Fourier.

Breve Descripción de los Dibujos [0011]

La FIG. 1 ilustra el Teorema de la Rebanada de Fourier.

La FIG. 2 muestra esquemáticamente una ilustración ejemplo de los rayos de luz cuando pasan a través de una región objeto en un sistema tridimensional de tratamiento de imágenes, entrando y saliendo de dos diferentes ángulos de visión, como se contempla por una realización de la presente invención.

La FIG. 2A muestra esquemáticamente una vista más detallada de la región objeto de la FIG. 2 como se contempla por una realización de la presente invención.

La FIG. 3 muestra esquemáticamente una ilustración ejemplo de un diagrafa de bloques de alto nivel de un método y aparato para tratamiento tridimensional de imágenes en el Dominio de Fourier como se contempla por la presente invención.

La FIG. 4 muestra esquemáticamente una ilustración ejemplo de un sistema de tomografía óptica que emplea un sistema para tratamiento tridimensional de imágenes en el Dominio de Fourier como se contempla por la presente invención.

Descripción Detallada de las Realizaciones Preferidas [0012] El método y aparato de la presente invención no requieren ninguna suposición sobre la fuerza de difracción de la luz. En su lugar, la presente invención se aprovecha del hecho de que una medición del modelo de intensidad en el plano focal trasero de unas lentes da la magnitud de una transformada de Fourier de los rayos de luz que alcanzan la lente. Un modelo de intensidad medido a... [Seguir leyendo]

1. Un método para el tratamiento de imágenes multidimensionales de una región objeto (9) , el método comprendiendo las etapas de:

a) pasar luz a través de una región objeto (9) para producir rayos de luz transmitidos (36) ;

b) capturar los rayos de luz transmitidos (36) por al menos un elemento óptico (13) , el al menos un elemento óptico (13) teniendo un plano focal trasero;

c) utilizar al menos un detector (12) para capturar un espectro de energía de una transformada bidimensional de Fourier, donde el al menos un detector (12) está localizado en un plano focal trasero del al menos un elemento óptico (13) ; y

d) repetir las etapas a) -c) para dos o más puntos de vista sobre un arco al menos parcialmente rodeando la región objeto (9) para obtener múltiples transformadas bidimensionales de Fourier.

2. El método de la reivindicación 1, que además comprende la etapa de utilizar un algoritmo de ordenador de análisis de imágenes (52) para extraer al menos una característica de interés (21, 22, 23) de una o más de las múltiples transformadas bidimensionales de Fourier.

3. El método de la reivindicación 1 donde el elemento óptico (13) es seleccionado del grupo formado por una lente y superficie reflectante.

4. El método de la reivindicación 1 que además comprende la etapa de pasar la luz a tavés de un filtro espacial (42) colocado en una trayectoria óptica entre la fuente de luz (11) y la región objeto (9) .

5. El método de la reivindicación 1, en la cual los rayos de luz transmitidos (36) capturados por el al menos un elemento óptico (13) son transmitidos a través de la región objeto (9) antes de pasar a través del al menos un elemento óptico (13) .

6. El método de la reivindicación 1, en el que los rayos de luz (36) pasan a través de la región objeto (9) después de pasar a través del al menos un elemento óptico (13) .

7. El método de la reivindicación 1, que además comprende la etapa de reconstruir las múltiples transformadas bidimensionales de Fourier (48, 52) para crear una transformada tridimensional.

8. El método de la reivindicación 7, que además comprende la etapa de utilizar un algoritmo de ordenador de análísis de imágenes (52) para extraer al menos una característica de interés (21, 22, 23) de las transformadas tridimensionales de Fourier.

9. El método de la reivindicación 7, que además comprende la etapa de emplear una máscara y un algoritmo de análisis de imágenes (52) para construir una función de intercorrelación de la región objeto (9) con una región objeto previamente examinada (9) .

10. El método de la reivindicación 7, que además comprende la etapa de emplear un algoritmo de análisis de imágenes (52) para construir una función de autocorrelación de la región objeto (9) .

11. El método de la reivindicación 9, en el que la región objeto previamente examinada (9) incluye una célula (1) .

12. El método de la reivindicación 9, en el que la región objeto previamente examinada (9) incluye un espectro generado artificialmente.

13. Un sistema para tratamiento de imágenes multidimensionales de una región objeto (9) , el sistema comprendiendo:

una fuente de luz (11) ;

una región objeto (9) que incluye al menos una característica de interés (21, 22, 23) , la región objeto (9) estando dispuesta en una trayectoria óptica para ser iluminada por la fuente de luz (11) ;

al menos un detector (12) localizado en la trayectoria óptica para recibir luz que pasa a través de la región objeto (9) ;

al menos una lente (13) localizada en la trayectoria óptica entre la región objeto (9) y el al menos un detector (12) de modo que se cree un plano de Fourier en el plano focal trasero de la lente, donde el al menos un detector (12) está situado en el plano de Fourier; y

en donde la fuente de luz (11) , el al menos un detector (12) y la al menos una lente (13) están dispuestos para proporcionar múltiples vistas de la región objeto (9) para mapear al menos una distribución ndimensional de frecuencia espacial de la al menos una característica de interés (21, 22, 23) en cada vista para proporcionar una pluralidad de distribuciones de frecuencia espacial utilizada para construir un conjunto de datos (n+1) -dimensional, donde n es mayor que o igual a 1, por lo cual puede reconstruirse una Transformada n-dimensional de Fourier como una transformada (n+1) -dimensional de Fourier.

14. El sistema de la reivindicación 13 en donde la fuente de luz (11) comprende un láser.

15. El sistema de la reivindicación 13 que además comprende un filtro espacial (42) colocado en una trayectoria óptica entre la fuente de luz (11) y la región objeto (9) .

16. El sistema de la reivindicación 13 que además comprende una abertura (14) colocada en una trayectoria óptica entre la fuente de luz (11) y la región objeto (9) .

17. El sistema de la reivindicación 13 en donde el al menos un detector (12) comprende un detector seleccionado del grupo formado por CCD, CMOS, sensores de imagen de estado sólido, y alineaciones de detectores sensores de imágenes de estado sólido.

18. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17 que comprende además:

un tubo (2) conteniendo un objeto localizado a lo largo de la trayectoria óptica, en donde el objeto de interés 15 (1) está contenido dentro del tubo (2) conteniendo un objeto.

19. El sistema de la reivindicación 13 en donde el objeto de interés (1) comprende una célula (1) .