CT教學(xué)實驗儀實驗說明書

CT教學(xué)實驗儀實驗指示書CT教學(xué)實驗儀實驗指示書一、概述計算機斷層掃描(ComputedTomography,簡稱CT)是計算機技術(shù)、數(shù)字化圖像重建技術(shù)和核技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。CT作為一種先進的疾病診斷手段廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，同時又作為一種無損檢測手段廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。CT首先用于醫(yī)學(xué)，它是醫(yī)學(xué)診斷史上的重大技術(shù)革命，標(biāo)志著輻射成像技術(shù)進入了一個以計算機重建圖像為基礎(chǔ)的新階段。1895年11月，德國物理學(xué)家倫琴博士(W.C.Rontgen)發(fā)現(xiàn)X射線后(并由此獲得諾貝爾獎)。很快X射線透視就成為醫(yī)學(xué)上診斷疾病的一種重要手段，人們通過 X射線透視攝影得到了人體形態(tài)學(xué)的信息。但由于普通 X射線透視攝影是將一個立體的器官(或物體)投射到一個平面上，得到的僅是影像重疊的平面圖像。由于人體內(nèi)部各組織互相重疊，這種二維圖像不易確定病變的準(zhǔn)確位置。 CT的誕生，則解決了這個問題。XCT完全不同于X射線診斷儀在膠片上投影重疊成像，而是用 X射線對被檢測對象的某一斷層(或稱薄層)進行掃描，然后經(jīng)計算機進行數(shù)字化圖像處理后可得到對比度很高的清晰圖像。就嚴(yán)格的圖像理論而言，由斷層掃描數(shù)據(jù)直到建立圖像，過程比較復(fù)雜。圖1給出了CT掃描成像示意圖?？梢钥闯?，CT的功能就是將人體中某一斷層中的組織分布情況，經(jīng)過射線對該斷層的掃描，探測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對信息的收集，計算機對數(shù)據(jù)的處理和顯示，從而建立該斷層的組織圖像。為此，必須依賴特定的圖像重建算法求解出數(shù)以萬計像素上的密度值，這就要求有足夠的原始數(shù)據(jù)，因此射線源必須從目標(biāo)物的各個方向探測射線所受到的衰減情況， 由目標(biāo)的一系列投影(射線穿過人體薄層為探測器所接收，稱為目標(biāo)投影)，建立起目標(biāo)內(nèi)部的組織圖象。這個過程就是通常所謂的掃描。1971年9月，英國EMI公司中心研究室主任豪斯菲爾德 (Hounsfield)研究成功第一臺用于臨床的頭顱 XCT機。1973年六月，美國麻薩諸塞州綜合醫(yī)院建成了美國第一臺頭顱XCT機。1974年10月，美國喬治大學(xué)醫(yī)學(xué)中心建成了第一臺人體全身檢測的XCT機。在上述開創(chuàng)性工作以后， 醫(yī)用CT經(jīng)歷了五代發(fā)展過程，其主要目的都是為了提高圖像的清晰度， 降低數(shù)據(jù)獲取時間，降低由投影數(shù)據(jù)到建立圖像矩陣的第1頁共12頁 1CT教學(xué)實驗儀實驗指示書時間。鑒于計算機斷層裝置在醫(yī)學(xué)上的重大貢獻，豪斯菲爾德博士 (Hounsfield,英國)和科瑪克博士(Cormack,美國)獲得1979年度諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。二、實驗原理本實驗的物理原理是基于窄束 射線穿過物質(zhì)時與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生散射或吸收，使 射線強度發(fā)生變化，通過探測器對其強度做掃描測量而得到 CT圖象。本實驗儀為三維掃描成象系統(tǒng)。由物理學(xué)中的吸收定律(即朗伯定律)可知，當(dāng)射線穿過任何物質(zhì)時，它的強度由于與物質(zhì)的原子相互作用而減弱，減弱的程度與物質(zhì)的厚度和組成成分（或吸收系數(shù)）有關(guān)，其規(guī)律可表示為：II0ed(1)d放射源

平移探測器*樣品I0 I圖1吸收定律示意圖圖2X-CT掃描示意圖式中I為穿過物質(zhì)的射線強度，I0為未穿過物質(zhì)的射線強度，為物質(zhì)的線性吸收系數(shù)；d為穿過物質(zhì)的厚度。為了得到復(fù)雜樣品的內(nèi)部圖像(樣品由多種物質(zhì)組成)，在進行實際掃描時，由于不同的物質(zhì)而表現(xiàn)出不同的值，因而由各個值的總和決定最后所得的射線強度。即(1)式可表示為：nII0eidii1(2)圖1假定一束寬度較細(xì)的、強度為I0的射線入射到樣品上，探測器能探測到透射后的射線強度為I。而圖2表示在x處得到一透射強度I后放射源和探測器平移d第2頁共12頁 2CT教學(xué)實驗儀實驗指示書之后又得到一強度為I的透射的射線；經(jīng)過一系列的平移能得到在某一方向上的樣品的透射強度。然后旋轉(zhuǎn)某一角度之后，重復(fù)上述操作，又能得到一系列透射強度，然后再旋轉(zhuǎn)某一角度 如此反復(fù)，直到旋轉(zhuǎn)了 180度為止。由以上的掃描示意圖可知，我們通過一系列的平移加旋轉(zhuǎn)掃描， 可以得到一系列射線的透射強度I.。那我們怎么得到物體內(nèi)部信息呢？在（2）式中，i是物體在xi處的衰減系數(shù)，di是在射線方向上i部分的長度。當(dāng)i0時，（）式又可以寫為：2II0eLd（3）或dllnI0（4）LI積分路徑為X射線所經(jīng)過的路徑，dl即為射線投影。L如果對圖2進行一些改進，加入一系列坐標(biāo)系，如圖3：yy旋轉(zhuǎn)掃描X射線源*xФO

(x,y)(x’,y’)平移掃描探測器

x圖3 X-CT 掃描示意圖圖中，xoy為固定坐標(biāo)系，而xoy為繞原點O旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其y方向總是與X射線的方向相反，則在點（ x，y）處樣品的衰減系數(shù) 為 （x，y），當(dāng)X射線源和探測器旋轉(zhuǎn)了φ角后，掃描到x處，則（4）式變?yōu)椋?x,y)dy' ln I0 （5）I( ,x')第3頁共12頁 3CT教學(xué)實驗儀實驗指示書掃描的方式和路徑都是已知的，且I0，I0( ,x)都可以探測得到，且由圖3可知，（x,y）與（x,y）經(jīng)過φ聯(lián)系在一起,所以經(jīng)過一定的算法就能得到樣品內(nèi)部的衰減系數(shù) (在數(shù)字圖像中稱為灰度值，為了方便，以后就不再區(qū)分兩者的差別 )，進而可以知道物體內(nèi)部的組成成分和結(jié)構(gòu)。以上CT的基本思想就是第一代 CT儀的工作原理。本 CT教學(xué)實驗儀采用的也就是這種平移加旋轉(zhuǎn)的掃描方式。三、實驗裝置與相關(guān)儀器CT教學(xué)實驗裝置原理圖如圖 4，可分為幾大部分：（一）、機械部分及放射源、探測器部分這部分包括：放射源室及其屏蔽準(zhǔn)直部分，探測器及其屏蔽準(zhǔn)直部分，樣品盒，帶動樣品運動的三維運動機構(gòu)，步進電機及其驅(qū)動器等。本裝置采用的放射源為 137Cs，源強為10毫居。放射源放在放射源室里，外面包有鉛屏蔽體，屏蔽體上開有準(zhǔn)直孔，直徑 3mm。樣品放在樣品盒里，里面有彈簧豎直升降方向（手動）z準(zhǔn)直孔屏蔽體放射源水平方向平移（步進電機帶動）步進電機驅(qū)動器步進電機控制電路

水平方向旋轉(zhuǎn)（步進電x 機帶動）步進電機(x,

準(zhǔn)直孔探測器y屏蔽體前置放大器光電倍增管高壓電源主放幅度甄別 大器接打印機 計算機 口卡

16k A/D緩存 變換圖4 CT教學(xué)實驗儀的原理圖第4頁共12頁 4CT教學(xué)實驗儀實驗指示書壓板將其固定。樣品盒放在樣品盒架上，通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動能夠控制樣品盒架作平移和旋轉(zhuǎn)運動（即樣品作平移和旋轉(zhuǎn)運動）。此運動即相當(dāng)于放射源和探測器同時作平移和旋轉(zhuǎn)運動（而它們二者之間的相對位置不變） 。從源室中射出的 射線，經(jīng)源準(zhǔn)直孔后入射到樣品區(qū)，透射后再經(jīng)過探測器準(zhǔn)直孔入射到 NaI(Tl)探頭上，從而被探測器感知。。這就是機械部分的工作原理。（二）、電路部分電路部分主要包括五部分：電源、信號采集、信號轉(zhuǎn)換、步進電機控制電路以及計算機接口卡。信號被送入前放、主放大器進行放大，經(jīng)由幅度分析器進行閾值調(diào)節(jié)，再通過A/D變換將模擬信號轉(zhuǎn)化為更易存取、處理的數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)由緩存器、計算機接口卡送入計算機并被記錄下來。這樣就實現(xiàn)了在線數(shù)據(jù)獲取。在實驗數(shù)據(jù)采集完畢后，將數(shù)據(jù)存儲，以進行下一步的數(shù)據(jù)離線處理。其中信號采集部分包括一個前置放大器 （探測器自帶）和主放大器，放大倍數(shù)可調(diào)。它們的主要功能是將從探測器里出來的電壓信號放大，以供下一步 A/D變換使用。從主放出來的信號經(jīng)過一個 14位的A/D變換片，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，既而送入一個 8K的緩存。緩存器通過接口卡與計算機相連，里面的數(shù)據(jù)可以直接被計算機讀取。電源部分主要包括光電倍增管用高壓電源和步進電機驅(qū)動器用直流低壓電源。步進電機控制電路包括一個信號發(fā)生器， 一個定時/計數(shù)器8253以及信號整形電路（其中信號發(fā)生器和 8253做在接口卡上）。（三）、軟件部分軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集，步進電機的運動控制，圖像重建，圖象的數(shù)字化處理，各種實驗數(shù)據(jù)的文件存取，實驗結(jié)果打印，圖像顏色設(shè)置等功能，此外還有一個附加的“軟件多道分析器”。整個實驗涉及到的儀器和1．三維運動機械裝置 一套2．放射源和鉛屏蔽室.一件3．NaI探測器(帶前置放大器) 一件4．高壓電源.一件5．放大器、幅度分析器和電機控制器 .一套5．計算機接口卡.一件6．塞揚300A計算機 一..臺7．彩色噴墨打印機.一臺四、實驗?zāi)康恼莆誄T成像實驗的基本原理。了解工業(yè)CT和醫(yī)用CT的基本區(qū)別。了解數(shù)字化圖像處理的方法。第5頁共12頁 5CT教學(xué)實驗儀實驗指示書熟悉閃爍探測器和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及使用方法。熟悉（計算機）多道分析器的使用方法。五、實驗內(nèi)容實驗儀器定標(biāo)：調(diào)節(jié)探測器高壓和線放大器增益，用示波器觀測放大器的輸出信號幅度；選擇137Cs全能峰(662KeV)所占有的分析器道數(shù)及調(diào)整下閾值。校準(zhǔn)測量無樣品時的射線強度(計數(shù))。根據(jù)所測量的樣品，選擇合適的測量條件(例如，水平掃描點數(shù)，旋轉(zhuǎn)度數(shù)，斷層數(shù)和測量時間)；對選定的樣品進行掃描，處理圖像并打印出結(jié)果；圖像處理算法編程(選做)，在對原始數(shù)據(jù)處理時，可根據(jù)本人掌握的數(shù)字圖像處理知識，在程序中附加圖像處理模塊。六、實驗步驟（一）實驗準(zhǔn)備1．按實驗框圖連接系統(tǒng)。2．打開計算機，初始化系統(tǒng)軟件。3．打開控制機箱電源。4．調(diào)整樣品的初始位置，手動調(diào)整水平和垂直方向。（二）測量步驟1．雙擊CT圖標(biāo)，啟動CT程序。2．鼠標(biāo)單擊“全能峰測試”按鈕，在彈出的對話框內(nèi)輸入測試的時間，比如 100秒，按“確定”鍵確認(rèn)。注意屏幕上顯示的 137Cs的 能譜，并確認(rèn)全能峰。反復(fù)調(diào)節(jié)“CT教學(xué)實驗儀”上的“增益調(diào)節(jié)” 旋鈕和“閾值調(diào)節(jié)”旋鈕，使全能峰能在屏幕上完全顯示，并且盡量顯示在350道以后（例如，在典型實驗中高壓為800V，全能峰起始道數(shù)為409道，終止道為490道，中心在450道），在提示框內(nèi)有采集的時間和計數(shù)。調(diào)節(jié)完畢后，再按“全能峰測試”鍵重新計數(shù)。采集完畢后，記下全能峰的起始道數(shù)和終止道數(shù)以及全能峰的計數(shù)率（注意：是計數(shù)率不是總計數(shù)）。3．單擊“初始化設(shè)置”鍵，在彈出的對話框里輸入初始化參數(shù)（典型實驗參數(shù)可設(shè)置如下：平移掃描總長50mm，平移掃描步長1mm，旋轉(zhuǎn)掃描步長6度，垂直掃描總長8mm，垂直掃描步長4mm，掃描時間為20*（1/10）=2秒，旋轉(zhuǎn)步進電機細(xì)分?jǐn)?shù)是10，而平移步進電機的細(xì)分?jǐn)?shù)為40，注意：步進電機的細(xì)分?jǐn)?shù)是按照機械設(shè)備上盒子中的驅(qū)動器設(shè)置來調(diào)節(jié)的，最好由老師來確定，學(xué)生不需調(diào)節(jié)），在設(shè)置掃描時間和層數(shù)（垂直掃描總長/垂直掃描步長）時可參考在對話框右下角顯示的時間。單擊“確定”按鈕進行初始化。第6頁共12頁 6CT教學(xué)實驗儀實驗指示書4．選擇菜單項里的“設(shè)置”項，單擊“平移電機前進”，使平移步進電機移到初始位置（移到最靠近實驗者的方向，直到碰到行程開關(guān)自動停止），鼠標(biāo)單擊“電機停止”確認(rèn)步進電機停止。5．單擊“開始采集”鍵，彈出采集對話框，在對話框里輸入正確的信息（例如輸入初始道為409道，終止道為511道，全能峰計數(shù)率為2271），按“確定”鍵進行采集。6．采集完一層后，按照軟件的提示調(diào)節(jié)機械裝置的旋鈕（例如上升 4mm），將樣品升或降至所要采集的斷層。手動調(diào)節(jié)完畢后，再按“開始采集”鍵，采集數(shù)據(jù)。7．重復(fù)第6步，直到數(shù)據(jù)采集完畢，并用菜單中的“文件” “保存原始數(shù)據(jù)”來保存數(shù)據(jù)（注意：此步很重要，可以防止誤操作是長時間的采集結(jié)果付諸東流）。8．單擊“圖像重建”按鈕，彈出一個詢問用戶是否用本系統(tǒng)的圖像重建模塊的對話框，選擇“是”進入圖像重建。9．“圖像重建”完畢后，選擇菜單項里的“圖象顯示”項，選擇所感興趣的圖像，單擊對應(yīng)的按鈕，如果彈出對話框的話，根據(jù)提示輸入合適的信息，按“確定”鍵可以查看掃描結(jié)果（包括橫截面圖，豎截面圖以及立體圖），同時用“文件”“保存圖象數(shù)據(jù)”來保存圖象數(shù)據(jù)。10．如果圖象有毛刺、不光滑或?qū)Ρ榷炔桓呖捎貌藛雾椫械摹皥D象處理” “圖象平滑”、“低頻濾波”或“提高對比度” 來處理，以上過程可反復(fù)使用。11．在查看圖象是可以選擇“圖象顯示” “橫截面縮放”、“豎截面縮放”或“立體圖縮放” “100%”、“200%”，“300%”來縮放圖象。12．如果有打印機，可以用“文件” “打印”功能打印試驗結(jié)果。13．在實驗中有問題可查看幫助。七、注意事項．實驗結(jié)束后，關(guān)閉放射源室開關(guān)。．探測器高壓不超過900V。．線性放大器輸出幅度不超過2V。．嚴(yán)格遵守放射源的安全操作規(guī)程，不得擅自打開鉛罐后蓋及儀器罩。由于宇宙射線及各種物質(zhì)（如建筑材料）的天然放射性，我們每個人無時無刻不在受著放射性照射。所以盲目地害怕放射性是不科學(xué)的。經(jīng)嚴(yán)格的計算和測量，本實驗所用的放射源在符合操作規(guī)程的條件下使用是絕對安全的。例如，在距離放射源0.5m處進行實驗操作時，1000小時所受到的輻射劑量為0.025mSv，比國家規(guī)定的公眾中的個人允許的年劑量標(biāo)準(zhǔn)低差不多100倍；比一般地區(qū)的公眾所受到的天然輻射年劑量也低近100倍。但這不等于我們可以不注意放射源使用的有關(guān)規(guī)則。在本實驗中，我們要注意的最重要的操作規(guī)則是1）不得擅自打開放射源的屏蔽罐后蓋；2）不得擅自打開儀器罩（尤其是在放射源處于工作狀態(tài)時），更不得沿鉛罐的準(zhǔn)直孔向里看；3）不可在實驗室里吃東西及喝水；4）離開實驗室前要洗手。附錄1、軟件說明CT系統(tǒng)軟件的功能要求軟件能采集數(shù)據(jù)，圖像重建，圖像處理，文件存儲以及最后實驗結(jié)果的圖像顯示及打印輸出，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖 5所示：第7頁共12頁 7CT教學(xué)實驗儀實驗指示書它主要有如下幾種功能：（1）系統(tǒng)初始化，設(shè)置初始化參數(shù)（如：平移掃描總長和步長，旋轉(zhuǎn)掃描步長，每一條射線掃描的時間以及各步進電機的細(xì)分?jǐn)?shù)等） 。（2）系統(tǒng)運動部分的控制，這部分與電路和機械部分緊密相連。（3）數(shù)據(jù)采集模塊與各種數(shù)據(jù)存儲（包括譜圖顯示） 。（4）圖像重建模塊。（5）圖像處理模塊（如：圖像平滑，低頻濾波，高通濾波） 。（6）圖像顯示模塊（包括圖像顏色設(shè)置）。（7）圖像打印模塊。（8）軟件多道模塊（包括顯示譜圖，橫向放大和縮小，縱向放大和縮小，總計數(shù)、每一道上的計數(shù)以及求感興趣區(qū)譜圖面積）。中文幫助模塊。圖像重建、處理及顯示，中文幫助，實驗結(jié)果打印及軟件多道。每一部分由一個或若干個獨立的功能模塊組成。主進程系各獲種數(shù)圖圖圖實運中中軟統(tǒng)取格驗動初`據(jù)像像像文文件式結(jié)系始文獲重顯處果統(tǒng)提幫多化件打控設(shè)取建示理示助道存印制置取原圖標(biāo)橫豎橫縱總定準(zhǔn)計始像截截立譜參向向時數(shù)數(shù)數(shù)面面放放或BMP圖數(shù)及據(jù)據(jù)圖圖體大大定每存存圖（（顯設(shè)和和量道取取存可可圖縮縮采示置計取選選小小集數(shù)））圖5系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖（9）中文幫助模塊。（10）中文提示模塊，主要向用戶提示此軟件的操作步驟以及顯示軟件當(dāng)前的工作狀態(tài)。在用戶操作過程中，本軟件大致可分為六部分：系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)獲取，圖第8頁共12頁 8CT教學(xué)實驗儀實驗指示書像重建、圖像處理及顯示，中文幫助，實驗結(jié)果打印及軟件多道。每部分由一個或若干個獨立的功能模塊組成。其主要功能如下：（1）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要是將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，并確定了以后數(shù)據(jù)采集及處理的過程和方式。（2）數(shù)據(jù)獲取主要包括運動系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)的部分轉(zhuǎn)換。由用戶啟動采集模塊，系統(tǒng)自動或用戶強制停止采集過程。（3）圖像重建、處理及顯示功能，主要有以下幾個方面：（a）將獲取到的投影數(shù)據(jù)處理成圖像的灰度數(shù)據(jù)。（b）將剛處理完畢的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理（包括圖像平滑，低通濾波）使圖像變得清晰美觀；（c）圖像顯示是將實驗結(jié)果展示給用戶，其包括橫截面圖，豎截面圖以及立體圖的顯示，不光能顯示圖像的原始大小，還能放大圖像（ 2,3放大）。（d）顏色設(shè)置主要使不同的灰度用不同的顏色表示，使圖像對比度增大，提高顯示清晰度和對比度，使圖像直觀。（4）中文幫助包括中文提示以及使用說明，目的是使軟件簡單明了，用戶易于操作。（5）實驗結(jié)果打印。（6）軟件多道，使本套實驗儀器可以作為多道分析器使用。附錄2、CT軟件數(shù)據(jù)獲取在本裝置中，由于采集的數(shù)據(jù)量很大，且系統(tǒng)運動比較有規(guī)律，所以數(shù)據(jù)獲取采用自動模式，用戶設(shè)置好各參量以后，程序?qū)锤鲄?shù)值來控制數(shù)據(jù)的采集。一、自動測量的控制過程當(dāng)系統(tǒng)在采集某一斷層的數(shù)據(jù)時，由系統(tǒng)全面控制，無須人工干預(yù)。當(dāng)然，假如由于某一方面的原因（如垂直方向上位置不對），用戶想停止此斷層的數(shù)據(jù)采集，也可以手工強制其結(jié)束采集。數(shù)據(jù)采集的程序流程如下圖（圖 6）所示：二、數(shù)據(jù)獲取由于在Windows9x環(huán)境下編程不允許直接使用中斷， 且Visual C++5.0中也不提供中斷函數(shù)，所以本程序沒有使用中斷模式來采集數(shù)據(jù)，而是采用查詢方式來采集數(shù)據(jù)。在此種方式下，程序設(shè)計比較簡單，缺點是定時不是很準(zhǔn)確，但這種誤差很小。在采集過程中，計算機只需不斷地查詢數(shù)據(jù)獲取硬件系統(tǒng)提供的外部數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好狀態(tài)位的狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)位為0是，則表示緩存中的外部數(shù)據(jù)有效。此時，計算機可以通過I/0 接口將外部緩存中的數(shù)據(jù)讀入計算機。第9頁共12頁 9CT教學(xué)實驗儀實驗指示書附錄3、計算機多道的使用說明一、 使用準(zhǔn)備1、啟動軟件多道?？梢詮腃T軟件菜單中的附加功能中啟動， 也可從桌面上直接啟動。2、打開菜單“文件”項，單擊“新建”。（也可直接按 Ctrl+N）二、 使用操作步驟第10頁共12頁 10CT教學(xué)實驗儀實驗指示書設(shè)置采集參數(shù)按“開始采集”鍵或Alt+C）開始采集否設(shè)置計數(shù)