CT教学实验仪实验说明书.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流CT教学实验仪实验说明书.精品文档.CT教学实验仪实验指示书一、概述计算机断层扫描(Computed Tomography, 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。CT首先用于医学，它是医学诊断史上的重大技术革命，标志着辐射成像技术进入了一个以计算机重建图像为基础的新阶段。1895年11月，德国物理学家伦琴博士(W. C. Rontgen)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，则解决了这个问题。XCT完全不同于X射线诊断仪在胶片上投影重叠成像，而是用X射线对被检测对象的某一断层(或称薄层)进行扫描，然后经计算机进行数字化图像处理后可得到对比度很高的清晰图像。就严格的图像理论而言，由断层扫描数据直到建立图像，过程比较复杂。图1给出了CT扫描成像示意图。可以看出，CT的功能就是将人体中某一断层中的组织分布情况，经过射线对该断层的扫描，探测和数据采集系统对信息的收集，计算机对数据的处理和显示，从而建立该断层的组织图像。为此，必须依赖特定的图像重建算法求解出数以万计像素上的密度值，这就要求有足够的原始数据，因此射线源必须从目标物的各个方向探测射线所受到的衰减情况，由目标的一系列投影(射线穿过人体薄层为探测器所接收，称为目标投影)，建立起目标内部的组织图象。这个过程就是通常所谓的扫描。 1971年9月，英国EMI公司中心研究室主任豪斯菲尔德(Hounsfield)研究成功第一台用于临床的头颅XCT机。1973年六月，美国麻萨诸塞州综合医院建成了美国第一台头颅XCT机。1974年10月，美国乔治大学医学中心建成了第一台人体全身检测的XCT机。在上述开创性工作以后，医用CT经历了五代发展过程，其主要目的都是为了提高图像的清晰度，降低数据获取时间，降低由投影数据到建立图像矩阵的时间。鉴于计算机断层装置在医学上的重大贡献，豪斯菲尔德博士(Hounsfield ,英国)和科玛克博士(Cormack , 美国)获得1979年度诺贝尔医学奖。二、实验原理本实验的物理原理是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)图2 X-CT扫描示意图平移图1 吸收定律示意图II0样品X放射源探测器 *d图1假定一束宽度较细的、强度为I0的射线入射到样品上，探测器能探测到透射后的射线强度为I 。而图2表示在x处得到一透射强度I后放射源和探测器平移d之后又得到一强度为的透射的射线；经过一系列的平移能得到在某一方向上的样品的透射强度。然后旋转某一角度f之后，重复上述操作，又能得到一系列透射强度，然后再旋转某一角度f如此反复，直到旋转了180度为止。由以上的扫描示意图可知，我们通过一系列的平移加旋转扫描，可以得到一系列射线的透射强度I.。那我们怎么得到物体内部信息呢？ 在（2）式中，是物体在处的衰减系数，是在射线方向上部分的长度。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。 如果对图2进行一些改进，加入一系列坐标系，如图3： * 图3 X-CT 扫描示意图C旋转扫描平移扫描探测器(x,y)(x,y)O X射线源 图中，为固定坐标系，而为绕原点旋转的旋转坐标系，其方向总是与X射线的方向相反，则在点（x，y）处样品的衰减系数为（x，y），当X射线源和探测器旋转了角后，扫描到处，则（4）式变为： （5） 扫描的方式和路径都是已知的，且，都可以探测得到，且由图3可知，（）与（）经过联系在一起,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别)，进而可以知道物体内部的组成成分和结构。 以上CT的基本思想就是第一代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。三、实验装置与相关仪器 CT教学实验装置原理图如图4，可分为几大部分：（一）、机械部分及放射源、探测器部分 这部分包括：放射源室及其屏蔽准直部分，探测器及其屏蔽准直部分，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，里面有弹簧图4 CT教学实验仪的原理图压板将其固定。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。这就是机械部分的工作原理。（二）、电路部分 电路部分主要包括五部分：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。其中信号采集部分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。电源部分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）。（三）、软件部分 软件部分主要包括数据采集，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”。整个实验涉及到的仪器和 1三维运动机械装置一套2放射源和铅屏蔽室.一件3NaI探测器(带前置放大器)一件4高压电源.一件5放大器、幅度分析器和电机控制器.一套5计算机接口卡.一件6塞扬300A计算机.一台7彩色喷墨打印机.一台四、实验目的 1. 掌握CT成像实验的基本原理。 2. 了解工业CT和医用CT的基本区别。 3. 了解数字化图像处理的方法。 4. 熟悉闪烁探测器和数据获取系统的结构及使用方法。 5. 熟悉（计算机）多道分析器的使用方法。五、实验内容1. 实验仪器定标：调节探测器高压和线放大器增益，用示波器观测放大器的输出信号幅度；选择全能峰(662KeV)所占有的分析器道数及调整下阈值。 2. 校准测量无样品时的射线强度(计数)。 3. 根据所测量的样品，选择合适的测量条件(例如，水平扫描点数，旋转度 数，断层数和测量时间)； 4. 对选定的样品进行扫描，处理图像并打印出结果； 5. 图像处理算法编程(选做)，在对原始数据处理时，可根据本人掌握的数 字图像处理知识，在程序中附加图像处理模块。六、实验步骤 （一）实验准备1按实验框图连接系统。2打开计算机，初始化系统软件。3打开控制机箱电源。4调整样品的初始位置，手动调整水平和垂直方向。（二）测量步骤1 双击CT图标，启动CT程序。2 鼠标单击“全能峰测试”按钮，在弹出的对话框内输入测试的时间，比如100秒，按“确定”键确认。注意屏幕上显示的的能谱，并确认全能峰。反复调节“CT教学实验仪”上的“增益调节” 旋钮和“阈值调节”旋钮，使全能峰能在屏幕上完全显示，并且尽量显示在350道以后（例如，在典型实验中高压为800V，全能峰起始道数为409道，终止道为490道，中心在450道），在提示框内有采集的时间和计数。调节完毕后，再按“全能峰测试”键重新计数。采集完毕后，记下全能峰的起始道数和终止道数以及全能峰的计数率（注意：是计数率不是总计数）。3单击“初始化设置”键，在弹出的对话框里输入初始化参数（典型实验参数可设置如下：平移扫描总长50mm，平移扫描步长1mm，旋转扫描步长6度，垂直扫描总长8mm，垂直扫描步长4mm，扫描时间为20*（1/10）=2秒，旋转步进电机细分数是10，而平移步进电机的细分数为40，注意：步进电机的细分数是按照机械设备上盒子中的驱动器设置来调节的，最好由老师来确定，学生不需调节），在设置扫描时间和层数（垂直扫描总长/垂直扫描步长）时可参考在对话框右下角显示的时间。单击“确定”按钮进行初始化。4选择菜单项里的“设置”项，单击“平移电机前进”，使平移步进电机移到初始位置（移到最靠近实验者的方向，直到碰到行程开关自动停止），鼠标单击“电机停止”确认步进电机停止。5单击“开始采集”键，弹出采集对话框，在对话框里输入正确的信息（例如输入初始道为409道，终止道为511道，全能峰计数率为2271），按“确定”键进行采集。6采集完一层后，按照软件的提示调节机械装置的旋钮（例如上升4mm），将样品升或降至所要采集的断层。手动调节完毕后，再按“开始采集”键，采集数据。7重复第6步，直到数据采集完毕，并用菜单中的“文件”à“保存原始数据”来保存数据（注意：此步很重要，可以防止误操作是长时间的采集结果付诸东流）。8单击“图像重建”按钮，弹出一个询问用户是否用本系统的图像重建模块的对话框，选择“是”进入图像重建。9“图像重建”完毕后，选择菜单项里的“图象显示”项，选择所感兴趣的图像，单击对应的按钮，如果弹出对话框的话，根据提示输入合适的信息，按“确定”键可以查看扫描结果（包括横截面图，竖截面图以及立体图），同时用“文件”à“保存图象数据”来保存图象数据。10如果图象有毛刺、不光滑或对比度不高可用菜单项中的“图象处理”à“图象平滑”、“低频滤波”或“提高对比度” 来处理，以上过程可反复使用。11在查看图象是可以选择“图象显示”à“横截面缩放”、“竖截面缩放”或“立体图缩放”à“100%”、“200%”，“300%”来缩放图象。12如果有打印机，可以用“文件”à“打印”功能打印试验结果。13在实验中有问题可查看帮助。七、注意事项 1实验结束后，关闭放射源室开关。 2探测器高压不超过900V。 3线性放大器输出幅度不超过2V。 4严格遵守放射源的安全操作规程，不得擅自打开铅罐后盖及仪器罩。由于宇宙射线及各种物质（如建筑材料）的天然放射性，我们每个人无时无刻不在受着放射性照射。所以盲目地害怕放射性是不科学的。经严格的计算和测量，本实验所用的放射源在符合操作规程的条件下使用是绝对安全的。例如，在距离放射源0.5m处进行实验操作时，1000小时所受到的辐射剂量为0.025mSv，比国家规定的公众中的个人允许的年剂量标准低差不多100倍；比一般地区的公众所受到的天然辐射年剂量也低近100倍。但这不等于我们可以不注意放射源使用的有关规则。在本实验中，我们要注意的最重要的操作规则是 1）不得擅自打开放射源的屏蔽罐后盖；2）不得擅自打开仪器罩（尤其是在放射源处于工作状态时），更不得沿铅罐的准直孔向里看；3）不可在实验室里吃东西及喝水；4）离开实验室前要洗手。附录1、软件说明 CT 系统软件的功能要求软件能采集数据，图像重建，图像处理，文件存储以 及最后实验结果的图像显示及打印输出，系统软件结构如图5所示：它主要有如下几种功能：（1） 系统初始化，设置初始化参数（如：平移扫描总长和步长，旋转扫描步长， 每一条射线扫描的时间以及各步进电机的细分数等）。（2） 系统运动部分的控制，这部分与电路和机械部分紧密相连。（3） 数据采集模块与各种数据存储（包括谱图显示）。（4） 图像重建模块。（5） 图像处理模块（如：图像平滑，低频滤波，高通滤波）。（6） 图像显示模块（包括图像颜色设置）。（7） 图像打印模块。（8） 软件多道模块（包括显示谱图，横向放大和缩小，纵向放大和缩小，总计数、每一道上的计数以及求感兴趣区谱图面积）。中文帮助模块。图像重建、处理及显示，中文帮助，实验结果打印及软件多道。每一部分由一个或若干个独立的功能模块组成。 主进程系统初始化设置各种格式文件存取 数 据 获 取获取 图 像 重 建 图 像 显 示 图 像 处 理 实验结果打印 运动系统控制 中 文 提 示 中 文 帮 助 软 件 多 道原始数据存取图像数据存取标准BMP图存取横截面图（可选）竖截面图（可选） 立 体 图 谱 图 显 示 参 数 设 置横向放大和缩小 纵向放大和缩小总计数及每道计数定时或定量采集 图5 系统软件结构框图（9） 中文帮助模块。（10） 中文提示模块，主要向用户提示此软件的操作步骤以及显示软件当前的工作状态。在用户操作过程中，本软件大致可分为六部分：系统参数设置，数据获取，图像重建、图像处理及显示，中文帮助，实验结果打印及软件多道。每部分由一个或若干个独立的功能模块组成。其主要功能如下：（1） 系统参数设置主要是将系统恢复到初始状态，并确定了以后数据采集及处理的过程和方式。（2） 数据获取主要包括运动系统的控制，数据的采集以及数据的部分转换。由用户启动采集模块，系统自动或用户强制停止采集过程。（3） 图像重建、处理及显示功能，主要有以下几个方面：（a） 将获取到的投影数据处理成图像的灰度数据。（b） 将刚处理完毕的图像数据经过一系列处理（包括图像平滑，低通滤 波）使图像变得清晰美观；（c）图像显示是将实验结果展示给用户，其包括横截面图，竖截面图以及 立体图的显示，不光能显示图像的原始大小，还能放大图像（放大）。（d） 颜色设置主要使不同的灰度用不同的颜色表示，使图像对比度增大，提高显示清晰度和对比度，使图像直观。（4） 中文帮助包括中文提示以及使用说明，目的是使软件简单明了，用户易于 操作。（5） 实验结果打印。（6） 软件多道，使本套实验仪器可以作为多道分析器使用。附录2、 CT软件数据获取 在本装置中，由于采集的数据量很大，且系统运动比较有规律，所以数据获取采用自动模式，用户设置好各参量以后，程序将按各参数值来控制数据的采集。一、自动测量的控制过程 当系统在采集某一断层的数据时，由系统全面控制，无须人工干预。当然，假如由于某一方面的原因（如垂直方向上位置不对），用户想停止此断层的数据采集，也可以手工强制其结束采集。数据采集的程序流程如下图（图6）所示：二、数据获取 由于在Windows9x环境下编程不允许直接使用中断，且Visual C+5.0中也不提供中断函数，所以本程序没有使用中断模式来采集数据，而是采用 查询方式来采集数据。在此种方式下，程序设计比较简单，缺点是定时不是很准确，但这种误差很小。在采集过程中 ，计算机只需不断地查询数据获取硬件系统提供的外部数据准备好状态位的状态，当状态位为0是，则表示缓存中的外部数据有效。此时，计算机可以通过I/0接口将外部缓存中的数据读入计算机。附录3、计算机多道的使用说明一、 使用准备1、 启动软件多道。可以从CT软件菜单中的附加功能中启动，也可从桌面上直接启动。2、 打开菜单“文件”项，单击“新建”。（也可直接按Ctrl+N）二、 使用操作步骤 图6 数据采集流程图是否否是否是否是是否 采集结束 平移回初始位置旋转回初始位置时间到？ 采集数据有外部停止采集信号？ 结束旋转到终点？平移到终点？ 结束用户按“OK”键平移回初始位置 旋转dq角 平移dx设置计数范围以及入射前源计数率按“开始采集”键或（Alt+C）开始采集 设置采集参数1、 打开菜单“选项”项，单击“参量设置”（或直接按F4键）。在弹出的对话框中，选择采集方式，并输入参数值。按“确定”键提交。2、 打开菜单“采集”项，单击“开始采集”（或直接按F1键）。这时开始采集数据，屏幕中间显示的是采集到的能谱，右侧是采集的状态。3、 在采集过程中，可按“采集”/“停止采集”（F2）强制采集结束；也可按“采集”/“消除数据”（F3）清除以前的数据，继续采集。4、 采集结束后，可移动光标至感兴趣道，屏幕右侧将显示光标位置对应的道数值以及此处的计数值。5、 可利用“视图”内各个选项功能将谱图分别沿x轴,y轴方向放大、缩小，并可将谱图沿x轴左右移动。6、 利用“选项”/“求峰面积”，可设置感兴趣区，并求出这一区域的所有计数值（即感兴趣区对应的面积）。三、 文件操作“文件”菜单下有文件存盘、关闭和打开，可将当前数据存盘至指定目录，或打开一个谱图文件。四、附快捷键清单：F1：开始采集 F2：停止采集 F3：清除数据 F4：参量设置F5：X轴放大 F6：X轴缩小 F7：Y轴放大 F8：Y轴缩小小键盘部分数字键： 7：感兴趣区起始道左移 9：感兴趣区起始道右移 1：感兴趣区终止道左移 3：感兴趣区终止道右移 Ctrl+7：感兴趣区起始道快速左移 Ctrl+9：感兴趣区起始道快速右移 Ctrl+1：感兴趣区终止道快速左移 Ctrl+3：感兴趣区终止道快速右移 8：Y轴放大 2：Y轴缩小 4：X轴缩小 6：X轴放大 Enter：求面积 Esc或0：取消积分方向键： （right）谱图右移 （left） 谱图左移