CT实验教学预习报告

CT实验教学预习报告胡微波物理091班09180108摘要：本文详细介绍了CT技术的发展史，工业CT机的基本结构以及组成部分，阐述了计算机断层成像的基本原理以及CT图像重建的原理。介绍了利用CD-50BGA+型CT教学实验仪进行扫描成像实验的方法和设计思路。关键词：CT断层成像CT教学实验仪图像重建引言：1895年年底,德国物理学家伦琴在做阴极射线管实验时发现了X射线;几天以后,伦琴的夫人偶然看到了手的X射线造影,从此就开创了用X射线进行医学诊断的历史。自从X射线发现后，医学上就开始用它来探测人体疾病。但是，由于人体内有些器官对X线的吸收差别极小，因此X射线对那些前后重叠的组织的病变就难以发现。于是，美国与英国的科学家开始了寻找一种新的东西来弥补用X线技术检查人体病变的不足。1963年，美国物理学家科马克发现人体不同的组织对X线的透过率有所不同，在研究中还得出了一些有关的计算公式，这些公式为后来CT的应用奠定了理论基础。1967年，英国电子工程师亨斯费尔德在并不知道科马克研究成果的情况下，也开始了研制一种新技术的工作。他首先研究了模式的识别，然后制作了一台能加强X射线放射源的简单的扫描装置，即后来的CT，用于对人的头部进行实验性扫描测量。后来，他又用这种装置去测量全身，获得了同样的效果。1971年9月，亨斯费尔德又与一位神经放射学家合作，在伦敦郊外一家医院安装了他设计制造的这种装置，开始了头部检查。10月4日，医院用它检查了第一个病人。患者在完全清醒的情况下朝天仰卧，X线管装在患者的上方，绕检查部位转动，同时在患者下方装一计数器，使人体各部位对X线吸收的多少反映在计数器上，再经过电子计算机的处理，使人体各部位的图像从荧屏上显示出来。这次试验非常成功。1972年4月，亨斯费尔德在英国放射学年会上首次公布了这一结果，正式宣告了CT的诞生。经过多代的发展，这一伟大技术已经广泛应用于各种领域，例如医学（组织器官、生理代谢过程成像）、药学（药效检测、新药开发）、材料学（新材料的开发）、工业（各种器件的质检和探伤）、农业（木材和种子的质检和分析）、工程（建筑材料内部孔隙度、连通度和渗透性分析）、珠宝（真伪识别和最佳切割方案设计）、考古（化石的结构和成分分析）等领域。提出问题：在本实验中，首要的问题是如何求取能反映被检测断层内部结构组成的物理参量二维分布函数的线积分。在什么条件下可以由物理参量的二维分布函数的线积分转化成能够展现其结构关系和物质组成的断层图。在通过平移和翻转得到的CT断层图像，即求取能反映断层内部结构和材质组成的某种物理参量的二维分布，在操作时，速度均匀与否是否会对图像造成影响？正文：设计思路：1、为获得CT断层图像，首先要了解CT机的基本结构以及组成部分2、理解计算机断层成像的基本原理3、学习CT的数学、物理基础4、掌握CT教学实验仪的使用方法5、启动CT扫描采集数据6、进行图像重建、处理、分析7、获得CT断层图像一、工业CT机的基本结构以及组成部分工业CT是利用射线在被测工件无损状态下,从多个方向以扫描方式透射被检测物体某断层,用专门的探测器把经过被检物射线衰减后的信息采集下来,通过计算机采用专门的图像重建算法,把被扫描断面以二维灰度图像形式展现出来,其检测直观结果就是地看清被检物该断层内的结构层次、零件的材质情况、有无缺陷、装配的正确与否,帮助质检人员作出正确的结论。因此工业CT被国际无损检测界誉为最佳无损检测手段。工业CT系统通常由射线源、机械扫描系统、探测器系统、数据集系统、计算机系统、屏蔽设施等组成。其中,射线源、机械扫描系统、探测器系统的组合对一台工业CT的性能起决定作用。它决定了CT系统的可能获得的信息质量。二、计算机断层成像的基本原理物理研究指出，一束射线穿过物质并与物质相互作用后，射线会因吸收或散射而减弱。减弱的程度与物质的厚度与组成成分（或吸收系数）有关，其衰减规律可以由Lambert-Beers（朗伯·比尔）定律确定：式中：为入射射线的强度；I为穿过物质后的射线强度；L为射线砸物体中穿越的路径，μ(l)为物体内部衰减系数的分布。由式（1）可得：式（2）表明，射线路径L上的衰减系数μ(l)的线积分等于射线入射强度与出射强度I之比的的自然对数。和I可用一起探测，则路径L上衰减系数的线积分即可算出。推而广之，当射线在某个平面内从不同方向和位置穿过该物质时，对应的所有路径上的衰减系数线积分均可按此求出，从而得到一个线积分集合。该集合无穷大时，则可精确的确定该平面内物质的衰减系数二维分布。当能量适中时，物质的衰减系数与密度直接相关，故衰减系数的二维分布也可体现为密度的二维分布，由此转换成的断层图像能够展现其结构和物质组成。三、CT图像重建原理假定有一个3*3单元构成的断层,各单元的衰减被检断层的断面图像。通过这种CT图像就可以清晰系数分别为L11到L33;三条射线束由三个方向穿过该断层,测得沿各条射线路径上的衰减系数和为P11到P33。由此可以建立一个由9个独立方程式构成的方程组。解方程组求得L11到L33等衰减系数,把求得的衰减系数分布用计算机图像的形式显示出来,就得到该断层的重建图像。理论上,为了获得一个由N*N个像素构成的图像,可以通过构建一个由N*N个方程组成的方程组,解此联立方程组即可求得N*N个衰减系数的二维分布。实际应用中,因为N的值是较大的,从而需要解很多个方程构成的方程组。所以,这种算法不实用。实用的重建算法包括反投影法、卷积反投影法、迭代法等。四、CD-50BGA+型CT教学实验仪实验中所采用的仪器为CD—50BGA+型CT教学实验仪，是简单的工业CT。其硬件只要由两部分组成。一是机械部分及放射源、探测器。包括放射源室及其屏蔽准直、探测器及其屏蔽准直、样品盒、三维运动机构、步进电机及其驱动器等。二是电路部分，包括电源、信号采集、信号准换、步进电机控制电路及其计算机接口卡。软件部分主要包