实验七X射线性质研究和计算机断层成像

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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）图像，从而宣告世界上第一台X-CT扫描机的研制成功。X-

2、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

3、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

4、，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，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：

5、（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

6、，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”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

7、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´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