CT實驗教學計算機斷層成像實驗報告

CT實驗教學計算機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教學實驗儀，學會使用儀器在適宜的測量條件對選定的樣品進行掃描，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并對其加以分析總結(jié)。通過實驗對CT教學試驗儀乃至CT掃描技術有了進一步的認識，并且通過老師的指導對其本質(zhì)以及CT的應用有了更深層的認識。關鍵詞CT實驗儀，掃描，放射源，采樣，圖像重建正文計算機斷層成像(ComputedTomography,簡稱CT)是計算機技術、數(shù)字化圖像重建技術和核技術相結(jié)合的產(chǎn)物。CT作為一種先進的疾病診斷手段廣泛應用于醫(yī)學，同時又作為一種無損檢測手段廣泛應用于工業(yè)領域。一、CT教學實驗儀1.CT的誕生與開展1895年11月，德國物理學家倫琴發(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確位置。CT的誕生，那么解決了這個問題。1963年，美國物理學家科馬克發(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的計算公式，這些公式為后來CT的應用奠定了理論根底。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的工作。他首先研究了模式的識別，然后制作了一臺能加強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)放射學家合作，在倫敦郊外一家醫(yī)院安裝了他設計制造的這種裝置，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)。由物理學中的吸收定律(即朗伯定律)可知，當射線穿過任何物質(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，其規(guī)律可表示為：(1)式中為穿過物質(zhì)的射線強度，為未穿過物質(zhì)的射線強度，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：(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教學實驗裝置可分為幾大局部：〔1〕機械局部及放射源、探測器局部，這局部包括：放射源室及其屏蔽準直局部，探測器及其屏蔽準直局部，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)源準直孔后入射到樣品區(qū)，透射后再經(jīng)過探測器準直孔入射到探頭上，從而被探測器感知。這就是機械局部的工作原理?！?〕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相連，里面的數(shù)據(jù)可以直接被計算機讀取。電源局部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〕。〔3〕軟件局部軟件局部主要包括數(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，初始化系統(tǒng)軟件。翻開CD-50BGA型CT教學實驗儀，把CT教學實驗儀進行15-30分鐘的預熱，這樣可以有利于高壓情況下實驗儀器的穩(wěn)定運行。〔2〕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。并對載物臺進行一系列測試如旋轉(zhuǎn)移動，完成準備?！?〕啟動CT程序，進行參數(shù)設置，實驗軟件的界面如下：相關實驗參數(shù)設置：姓名班級院系專業(yè)如實填寫；實驗內(nèi)容CT實驗教學；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，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，進入圖像重建系統(tǒng)，保存好圖片后進行圖像處理?！?〕圖像處理完畢后，打印實驗報表。實驗完成，答復下列問題，整理總結(jié)。2.實驗報表見附表。3.實驗考前須知：〔1〕一切準備工作妥當后再翻開放射源開關，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，先關閉放射源室開關，再進行圖像處理等后續(xù)操作?！?〕嚴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的應用有了深刻的認識。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備等進行掃描的，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，因此射線的強度不能太大，但是為了到達很好的掃描效果，密度一定要大以獲取更為精確地信息?！?〕CT在現(xiàn)實中的應用：一方面應用于工業(yè)，主要是對一些精密的小零件或是大型設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用，例如飛機場、火車站等的平安檢查也是CT的一種應用。〔3〕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行測量，傳統(tǒng)工具例如游標卡尺、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