实验七x射线性质的研究及计算机断层成像

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1、实验七X射线性质的研究及计算机断层成像1895年11月，德国科学家伦琴（W.K.Rontgen）在研究阴极射线管中的气体放电现象时，发现了X射线。X射线发现不久，很快就在医学上有了广泛的应用。1917年，数学家J.H.Radon用数学原理证明可通过物体的投影集合来重建图像，1963年美国物理学家A.M.Cormack探索出了用X射线投影数据重建图像的数学方法。1971年，英国工程师G.N.Hounsfield设计并扫描出第一幅具有诊断价值的头部X射线计算机断层成像（X-raycomputedtomography,X-CT

2、）图像，从而宣告世界上第一台X-CT扫描机的研制成功。X-CT投入使用后在临床上显示出了无可争辩的优越性，并迅速得到推广。X-CT机的诞生也被称为是X射线影响技术发展史上的一个里程碑，它的应用开辟了医学影像诊断领域的新时代，被公认为20世纪70年代重大科技突破。Cormack和Hounsfield一起获得了1979年的诺贝尔生理学或医学奖。本实验要求初步了解X-CT的成像原理，学会测量物体的X-CT图像。实验原理X-CT与普通的X射线摄影像相比，具有极大的不同，普通X射线摄影像是将三维的目标投影在一个二维的检测平面上，它

3、获得的是多器官的重叠图像；而X-CT像是利用多方向的投影数据，用数学公式重建出的断层图像，图像清晰没有重叠。X-CT是运用扫描并采集投影的物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定的算法，经计算机运算处理，求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵后，再转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术。1、几个基本概念，如图1所示：1)断层：所谓断层，是指根据研究目的把受检体沿某一方向所做的具有一定厚度的薄层，这一薄层又称为体层。2)体素：所谓体素是指在受检体内欲成像的断层表面上，按

4、一定大小和一定坐标人为划分的很小的体积元。对划分好的体素进行空间位置编码，就形成了具有坐标排序的体素阵列。图1断层与体素CT成像的本质就是通过数学运算得到每个体素的衰减系数值，从而获取衰减系数在每一个断层上的分布矩阵。2、CT成像的基本原理如何获得衰减系数在每一个断层上的分布矩阵呢？由于人体不是一个均匀介质，物质衰减系数m不是一个常量，设其在某个断层上分布为m(x,y)。为了求出m(x,y)，我们把断层划分为n´n个体素，如果体素足够小，就可以将其视为均匀的。如图2所示，强度为I0的X射线穿过路径l5，该路径上介质不均匀

5、，可将沿路径l分布的介质划分为n个体素，每个体素厚度为d，对应的衰减系数为m1、m2、m3¼¼mn，若出射X射线的强度为In，则：图2X射线穿过非均匀介质将上式取对数可得：（1）当n无线增大，d趋于无限小时，（1）式可写成积分形式：（2）入射X射线的强度已知，若测出出射X射线的强度，就可以得到一个以线性衰减系数m为未知数的线性方程。令X射线沿不同路径对受检体投照，就可以获得一系列如（2）式所示的以衰减系数mi为未知数的线性方程。只要独立方程的数目足够多，就可以从方程的联立中求出所有体素的衰减系数mi的数值，并由此得到mi

6、值的二维分布矩阵，由此就可以重建图像。实验仪器本实验使用的X射线实验仪如图3所示。该仪器由两套装置组成，一套是左边的X光机，一套是装有照相机的暗箱。图3X-CT机X-CT机分两大部分，左侧的X光机分为三个工作区：中间是X光管，右边是实验区，左边是监控区；右侧则是一个装有照相机的暗室，实验时，要确保暗室的门关闭。在测量物体的X-CT图像前，需先把待测样品放在X光机实验区内的5泡沫小球里。由于泡沫对X射线几乎没有吸收，泡沫小球对待测物体的成像不会有任何影响，然后把泡沫小球固定在样品架上，关上铅玻璃门。双击计算机桌面上的“CT

7、”快捷键图标，即可进入如图4所示的测量画面。它主要由上面的菜单栏、左边参数设置栏和右边的图形栏三部分组成。点击“Camera”或“X-Rays”右侧下拉菜单即可设置照相机和X光机的参数。图5COMOS传感器探头及USB模块图4测量界面还有两套仪器用COMOS传感器探头及USB模块，如图5。采用了双核CMOS传感器，传感器上每个像素点都集成了两个独立的将光信号转为电信号的硅光电二极管，将两个光电二极管的信号作为一个信号进行输出，自动修正相差，减少了图像的误差，如图6。传感器屏幕大小49.2´48.0mm2，分辨率为1024

8、´1000pixel2，像素点大小为48´48mm2。5图6双核CMOS传感器原理图实验内容测量待测物体的X-CT像1.装上待测物体。2.打开CT测量软件，并打开X光机和照相机的电源。可以在测量页面的左侧看到照相机和X光机处于工作状态。3.CT扫描前的修正1)坏点修正/Defectivepixels：去除X光关闭时的