CT实验教学计算机断层成像实验报告

CT实验教学计算机断层成像实验实验报告摘要本实验了解了CT的诞生与开展，成像的根本原理，数字化图像处理的方法，以及CT实验仪的结构和使用方法。实验采用CT教学实验仪，学会使用仪器在适宜的测量条件对选定的样品进行扫描，并且正确的处理图像并打印出实验报表，掌握图像重建处理技术并对其加以分析总结。通过实验对CT教学试验仪乃至CT扫描技术有了进一步的认识，并且通过老师的指导对其本质以及CT的应用有了更深层的认识。关键词CT实验仪，扫描，放射源，采样，图像重建正文计算机断层成像(ComputedTomography,简称CT)是计算机技术、数字化图像重建技术和核技术相结合的产物。CT作为一种先进的疾病诊断手段广泛应用于医学，同时又作为一种无损检测手段广泛应用于工业领域。一、CT教学实验仪1.CT的诞生与开展1895年11月，德国物理学家伦琴发现X射线后(并由此获得诺贝尔奖)。很快X射线透视就成为医学上诊断疾病的一种重要手段，人们通过X射线透视摄影得到了人体形态学的信息。但由于普通X射线透视摄影是将一个立体的器官(或物体)投射到一个平面上，得到的仅是影像重叠的平面图像。由于人体内部各组织互相重叠，这种二维图像不易确定病变的准确位置。CT的诞生，那么解决了这个问题。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的应用奠定了理论根底。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。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。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。2.实验仪物理原理基于窄束射线穿过物质时与物质相互作用而产生散射或吸收，使射线强度发生变化，通过探测器对其强度做扫描测量而得到CT图象。本实验仪为三维扫描成象系统。由物理学中的吸收定律(即朗伯定律)可知，当射线穿过任何物质时，它的强度由于与物质的原子相互作用而减弱，减弱的程度与物质的厚度和组成成分〔或吸收系数〕有关，其规律可表示为：(1)式中为穿过物质的射线强度，为未穿过物质的射线强度，为物质的线性吸收系数；为穿过物质的厚度。为了得到复杂样品的内部图像(样品由多种物质组成)，在进行实际扫描时，由于不同的物质而表现出不同的值，因而由各个值的总和决定最后所得的射线强度。即(1)式可表示为：(2)在〔2〕式中，是物体在处的衰减系数，是在射线方向上局部的长度。当时，〔2〕式又可以写为：〔3〕或〔4〕积分路径为X射线所经过的路径，即为射线投影。当X射线源和探测器旋转了φ角后，扫描到处，那么〔4〕式变为：〔5〕扫描的方式和路径都是的，且，都可以探测得到，且由图3可知，〔〕与〔〕经过φ联系在一起,所以经过一定的算法就能得到样品内部的衰减系数(在数字图像中称为灰度值，为了方便，以后就不再区分两者的差异)，进而可以知道物体内部的组成成分和结构。以上CT的根本思想就是第一代CT仪的工作原理。本CT教学实验仪采用的也就是这种平移加旋转的扫描方式。3.实验装置原理CT教学实验装置可分为几大局部：〔1〕机械局部及放射源、探测器局部，这局部包括：放射源室及其屏蔽准直局部，探测器及其屏蔽准直局部，样品盒，带动样品运动的三维运动机构，步进电机及其驱动器等。本装置采用的放射源为137Cs，源强为10毫居。放射源放在放射源室里，外面包有铅屏蔽体，屏蔽体上开有准直孔，直径3mm。样品放在样品盒里，里面有弹簧压板将其固定。样品盒放在样品盒架上，通过控制步进电机的转动能够控制样品盒架作平移和旋转运动〔即样品作平移和旋转运动〕。此运动即相当于放射源和探测器同时作平移和旋转运动〔而它们二者之间的相对位置不变〕。从源室中射出的射线，经源准直孔后入射到样品区，透射后再经过探测器准直孔入射到探头上，从而被探测器感知。这就是机械局部的工作原理。〔2〕电路局部电路局部主要包括五局部：电源、信号采集、信号转换、步进电机控制电路以及计算机接口卡。信号被送入前放、主放大器进行放大，经由幅度分析器进行阈值调节，再通过A/D变换将模拟信号转化为更易存取、处理的数字信号。数字信号经由缓存器、计算机接口卡送入计算机并被记录下来。这样就实现了在线数据获取。在实验数据采集完毕后，将数据存储，以进行下一步的数据离线处理。其中信号采集局部包括一个前置放大器〔探测器自带〕和主放大器，放大倍数可调。它们的主要功能是将从探测器里出来的电压信号放大，以供下一步A/D变换使用。从主放出来的信号经过一个14位的A/D变换片，由模拟信号转换为数字信号，既而送入一个8K的缓存。缓存器通过接口卡与计算机相连，里面的数据可以直接被计算机读取。电源局部主要包括光电倍增管用高压电源和步进电机驱动器用直流低压电源。步进电机控制电路包括一个信号发生器，一个定时/计数器8253以及信号整形电路〔其中信号发生器和8253做在接口卡上〕。〔3〕软件局部软件局部主要包括数据采集，步进电机的运动控制，图像重建，图象的数字化处理，各种实验数据的文件存取，实验结果打印，图像颜色设置等功能，此外还有一个附加的“软件多道分析器〞。二、实验内容1.实验操作过程〔1〕启动计算机，初始化系统软件。翻开CD-50BGA型CT教学实验仪，把CT教学实验仪进行15-30分钟的预热，这样可以有利于高压情况下实验仪器的稳定运行。〔2〕将样品放在载物台上，调整样品的位置，使其尽量保持在载物台正中，并且使得检测光线在检测物高度的1/3处。并对载物台进行一系列测试如旋转移动，完成准备。〔3〕启动CT程序，进行参数设置，实验软件的界面如下：相关实验参数设置：姓名班级院系专业如实填写；实验内容CT实验教学；工件名称铜环；主要材质选择铜；使用扫描方式1；扫描工件直径缺乏40毫米，视场直径选择40毫米；为了获得高分辨率的图片，图像尺寸是128*128；采样时间0.5秒，由于同一个数据点采样时间越多数据就越详细，精确度也就越高。〔4〕翻开射线源，只需轻轻旋转插入源塔的孔中开源的钥匙，射线源棒弹出并发出清脆的声音，说明射线源已经翻开。这时可以确定开始采集。〔5〕等待约2.5个小时，数据采集完毕，单击“图像重建〞按钮，进入图像重建系统，保存好图片后进行图像处理。〔6〕图像处理完毕后，打印实验报表。实验完成，答复下列问题，整理总结。2.实验报表见附表。3.实验考前须知：〔1〕一切准备工作妥当后再翻开放射源开关，且平安起见人不要直视射线或到射线的前方。实验扫描结束后，先关闭放射源室开关，再进行图像处理等后续操作。〔2〕严格遵守放射源的平安操作规程，不得擅自翻开铅罐后盖及仪器罩。三、实验总结以及思考1.实验结果分析本实验的测量对象为铜环，本次实验我们成功的获得了铜质工件的CT断层扫描图像，并且进行了图片处理，获得了相比照拟清晰的铜环工件的图片效果。通过本次实验我了解了CT扫描根本原理以及图像重建的过程，而且对于CT的应用有了深刻的认识。2.实验思考〔1〕工业CT和医用CT的区别：由于工业CT是对精密零件或是大型设备等进行扫描的，因此要求放射源的能量要高；而医用CT的使用对象是人体，本身射线对人体是会造成一定的伤害的，因此射线的强度不能太大，但是为了到达很好的扫描效果，密度一定要大以获取更为精确地信息。〔2〕CT在现实中的应用：一方面应用于工业，主要是对一些精密的小零件或是大型设备比方高精密的火箭材料等的检测；另一方面是医用CT，主要是对人体病症的检测；还有就是安检时的应用，例如飞机场、火车站等的平安检查也是CT的一种应用。〔3〕CT的测量与其他工具测量的区别：如果同样是对某一材料进行测量，传统工具例如游标卡尺、螺旋测微计等只能测量到客观的长度、宽度等，然而使用CT是可以对材料的内部进行检测的，是否有杂质、裂缝或者气泡等都可以通过此被检测出来。3.开展空间现如今的CT存在着一定的局限性。首先CT系统是不可移动的，这样