CT實驗教學(xué)計算機(jī)斷層成像實驗報告

CT實驗教學(xué)計算機(jī)斷層成像實驗實驗報告摘要本實驗了解了CT的誕生與開展，成像的根本原理，數(shù)字化圖像處理的方法，以及CT實驗儀的結(jié)構(gòu)和使用方法。實驗采用CT教學(xué)實驗儀，學(xué)會使用儀器在適宜的測量條件對選定的樣品進(jìn)行掃描，并且正確的處理圖像并打印出實驗報表，掌握圖像重建處理技術(shù)并對其加以分析總結(jié)。通過實驗對CT教學(xué)試驗儀乃至CT掃描技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識，并且通過老師的指導(dǎo)對其本質(zhì)以及CT的應(yīng)用有了更深層的認(rèn)識。關(guān)鍵詞CT實驗儀，掃描，放射源，采樣，圖像重建正文計算機(jī)斷層成像(ComputedTomography,簡稱CT)是計算機(jī)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(jìn)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。一、CT教學(xué)實驗儀1.CT的誕生與開展1895年11月，德國物理學(xué)家倫琴發(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，那么解決了這個問題。1963年，美國物理學(xué)家科馬克發(fā)現(xiàn)人體不同的組織對X線的透過率有所不同，在研究中還得出了一些有關(guān)的計算公式，這些公式為后來CT的應(yīng)用奠定了理論根底。1967年，英國電子工程師亨斯費爾德在并不知道科馬克研究成果的情況下，也開始了研制一種新技術(shù)的工作。他首先研究了模式的識別，然后制作了一臺能加強(qiáng)X射線放射源的簡單的掃描裝置，即后來的CT，用于對人的頭部進(jìn)行實驗性掃描測量。1971年9月，亨斯費爾德又與一位神經(jīng)放射學(xué)家合作，在倫敦郊外一家醫(yī)院安裝了他設(shè)計制造的這種裝置，開始了頭部檢查。1972年4月，亨斯費爾德在英國放射學(xué)年會上首次公布了這一結(jié)果，正式宣告了CT的誕生。2.實驗儀物理原理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(qiáng)度發(fā)生變化，通過探測器對其強(qiáng)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(qiáng)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：(1)式中為穿過物質(zhì)的射線強(qiáng)度，為未穿過物質(zhì)的射線強(qiáng)度，為物質(zhì)的線性吸收系數(shù)；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(jìn)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(qiáng)度。即(1)式可表示為：(2)在〔2〕式中，是物體在處的衰減系數(shù)，是在射線方向上局部的長度。當(dāng)時，〔2〕式又可以寫為：〔3〕或〔4〕積分路徑為X射線所經(jīng)過的路徑，即為射線投影。當(dāng)X射線源和探測器旋轉(zhuǎn)了φ角后，掃描到處，那么〔4〕式變?yōu)椋骸?〕掃描的方式和路徑都是的，且，都可以探測得到，且由圖3可知，〔〕與〔〕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)分兩者的差異)，進(jìn)而可以知道物體內(nèi)部的組成成分和結(jié)構(gòu)。以上CT的根本思想就是第一代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。3.實驗裝置原理CT教學(xué)實驗裝置可分為幾大局部：〔1〕機(jī)械局部及放射源、探測器局部，這局部包括：放射源室及其屏蔽準(zhǔn)直局部，探測器及其屏蔽準(zhǔn)直局部，樣品盒，帶動樣品運(yùn)動的三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器等。本裝置采用的放射源為137Cs，源強(qiáng)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，里面有彈簧壓板將其固定。樣品盒放在樣品盒架上，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動能夠控制樣品盒架作平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動〔即樣品作平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動〕。此運(yùn)動即相當(dāng)于放射源和探測器同時作平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)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)直孔入射到探頭上，從而被探測器感知。這就是機(jī)械局部的工作原理?！?〕電路局部電路局部主要包括五局部：電源、信號采集、信號轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)控制電路以及計算機(jī)接口卡。信號被送入前放、主放大器進(jìn)行放大，經(jīng)由幅度分析器進(jìn)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(jī)接口卡送入計算機(jī)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(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)離線處理。其中信號采集局部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(jī)相連，里面的數(shù)據(jù)可以直接被計算機(jī)讀取。電源局部主要包括光電倍增管用高壓電源和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器用直流低壓電源。步進(jìn)電機(jī)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〕?！?〕軟件局部軟件局部主要包括數(shù)據(jù)采集，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)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〞。二、實驗內(nèi)容1.實驗操作過程〔1〕啟動計算機(jī)，初始化系統(tǒng)軟件。翻開CD-50BGA型CT教學(xué)實驗儀，把CT教學(xué)實驗儀進(jìn)行15-30分鐘的預(yù)熱，這樣可以有利于高壓情況下實驗儀器的穩(wěn)定運(yùn)行?！?〕將樣品放在載物臺上，調(diào)整樣品的位置，使其盡量保持在載物臺正中，并且使得檢測光線在檢測物高度的1/3處。并對載物臺進(jìn)行一系列測試如旋轉(zhuǎn)移動，完成準(zhǔn)備。〔3〕啟動CT程序，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實驗軟件的界面如下：相關(guān)實驗參數(shù)設(shè)置：姓名班級院系專業(yè)如實填寫；實驗內(nèi)容CT實驗教學(xué)；工件名稱銅環(huán)；主要材質(zhì)選擇銅；使用掃描方式1；掃描工件直徑缺乏40毫米，視場直徑選擇40毫米；為了獲得高分辨率的圖片，圖像尺寸是128*128；采樣時間0.5秒，由于同一個數(shù)據(jù)點采樣時間越多數(shù)據(jù)就越詳細(xì)，精確度也就越高?！?〕翻開射線源，只需輕輕旋轉(zhuǎn)插入源塔的孔中開源的鑰匙，射線源棒彈出并發(fā)出清脆的聲音，說明射線源已經(jīng)翻開。這時可以確定開始采集?！?〕等待約2.5個小時，數(shù)據(jù)采集完畢，單擊“圖像重建〞按鈕，進(jìn)入圖像重建系統(tǒng)，保存好圖片后進(jìn)行圖像處理。〔6〕圖像處理完畢后，打印實驗報表。實驗完成，答復(fù)下列問題，整理總結(jié)。2.實驗報表見附表。3.實驗考前須知：〔1〕一切準(zhǔn)備工作妥當(dāng)后再翻開放射源開關(guān)，且平安起見人不要直視射線或到射線的前方。實驗掃描結(jié)束后，先關(guān)閉放射源室開關(guān)，再進(jìn)行圖像處理等后續(xù)操作?！?〕嚴(yán)格遵守放射源的平安操作規(guī)程，不得擅自翻開鉛罐后蓋及儀器罩。三、實驗總結(jié)以及思考1.實驗結(jié)果分析本實驗的測量對象為銅環(huán)，本次實驗我們成功的獲得了銅質(zhì)工件的CT斷層掃描圖像，并且進(jìn)行了圖片處理，獲得了相比照擬清晰的銅環(huán)工件的圖片效果。通過本次實驗我了解了CT掃描根本原理以及圖像重建的過程，而且對于CT的應(yīng)用有了深刻的認(rèn)識。2.實驗思考〔1〕工業(yè)CT和醫(yī)用CT的區(qū)別：由于工業(yè)CT是對精密零件或是大型設(shè)備等進(jìn)行掃描的，因此要求放射源的能量要高；而醫(yī)用CT的使用對象是人體，本身射線對人體是會造成一定的傷害的，因此射線的強(qiáng)度不能太大，但是為了到達(dá)很好的掃描效果，密度一定要大以獲取更為精確地信息?！?〕CT在現(xiàn)實中的應(yīng)用：一方面應(yīng)用于工業(yè)，主要是對一些精密的小零件或是大型設(shè)備比方高精密的火箭材料等的檢測；另一方面是醫(yī)用CT，主要是對人體病癥的檢測；還有就是安檢時的應(yīng)用，例如飛機(jī)場、火車站等的平安檢查也是CT的一種應(yīng)用?！?〕CT的測量與其他工具測量的區(qū)別：如果同樣是對某一材料進(jìn)行測量，傳統(tǒng)工具例如游標(biāo)卡尺、螺旋測微計等只能測量到客觀的長度、寬度等，然而使用CT是可以對材料的內(nèi)部進(jìn)行檢測的，是否有雜質(zhì)、裂縫或者氣泡等都可以通過此被檢測出來。3.開展空間現(xiàn)如今的CT存在著一定的局限性。首先CT系統(tǒng)是不可移動的，這樣