工业CT411111.doc

工业CT实验报告 物理学 李明阳【实验目的】1、了解工业CT系统的基本组成与应用领域。2、掌握工业CT的基本原理及工业CT的一般实验方法。3、了解辐射维护方面的基本知识。 【实验原理】1 CT的基本原理丹麦数学家雷当(J.Radon)从数学上证明了，某种物理参量的二维分布函数，由该函数在其定义域内的所有线积分完全确定。该结论指出了，需要有无穷多个且积分路径互不完全重叠的线积才能精确无误地确定该二维分布。该研究结果的意义在于：只要能够知道一个未知二维分布函数的所有线积分，则能求得该二维分布函数；获得CT断层图象，就是求取能反映断层内部结构和组成的某种物理参量的二维分布。物理研究指出，一束射线穿过物质并与物质相互作用后，射线强度将受到射线路径上物质的吸收或散射而衰减，衰减规律由比尔定律确定。可用衰减系数度量衰减程度。考虑一般性，设物质是非均匀的，一个面上衰减系数分布为。当射线穿过该物质面，入射强度的射线经衰减后以强度穿出，射线在面内的路径长度为。由比尔定律确定的及的关系如下： （1） 由（1）式可得 （2）（2）式表明，射线路径L上衰减系数的线积分等于入射强度与出射强度之比的自然对数。和可用探测器测得，则路径L上衰减系数的线积分即可算出。推而广之，当射线以不同方向和位置穿过该物质面，对应的所有路径上的线积分值，均可照此求出。因为物质的衰减系数与物质的质量密度直接相关(当然还与原子序数有关)，故衰减系数的二维分布也可体现为密度的二维分布，由此转换成的断面图象能够展现其结构关系和物质组成。实际的射线束总有一定的截面，只能与具有一定厚度的切片或断层物质相互作用，故所确定的衰减系数或密度的二维分布以及它们的图象表示，应是一定体积的积分效应。有了上述数学、物理基础后，为在工程技术上实现在方法上还需解决两个主要问题。首先是如何提取检测断层衰减系数线积分的数据集，其次是如何利用该数据集，确定出衰减系数的二维分布。解决第一个问题可采用扫描检测方法，即用射线束有规律地穿过被测体所检测断层并进行相应射线强度测量。解决第二个问题则是应用图象重建算法，即利用衰减系数线积分的数据集，按照一定的重建算法进行数学运算，解出衰减系数的二维分布并予以显示。由此看出，CT成像与一般辐射成像最大不同之处在于：它用射线束扫描检测一个断层的方法，将该断层从被测体孤立出来，使扫描检测数据免受其它部分结构及组成信息干扰；对所检测断层，断层图象是通过数学运算才得到的。2：扫描检测方式（1） 平行束扫描检测模式这是CT技术最早使用从而被称为第一代的扫描检测模式。其基本结构特点是：射线源产生一束截面很小的射线；每个单位检测时间里检测空间只存在这束截面很小的射线；仅有一个探测器检测该射线强度。平行束扫描检测的运动方式为“平移旋转”。此扫描检测模式虽有许多优点，但由于只用一个探测器完成NN个数据检测，存在检测效率过低的致命弱点，实用上已被淘汰。不过，它在原理上的说明是十分清晰和明了的。本实验中即采取这种扫描检测模式。（2） 窄角扇形束扫描检测模式这是为改善平行束扫描检测效率太低而发展的被称为第二代的扫描检测模式。其基本结构特点为：射线源产生角度小、厚度薄的扇形射线束；使用数量不多的n个检测器同时检测；断层内最多有n条射线路径上衰减系数线积分值可同时测量；在每个检测方位的每个检测点上射线束未能包容所测断层。（3） 广角扇形束扫描检测模式这是在窄角扇形束扫描检测模式基础上，进一步提高扫描检测效率，被称为第三代的扫描检测模式。其基本结构特点为：射线源产生角度大、厚度薄的扇形射线束；一般使用N个探测器同时检测；断层内最多有N条射线路径上衰减系数线积分值可同时测量；射线束的边缘全包容所测断层。3：图象重建断层图象重建是一个对检测数据进行数学运算和对图象数据进行显示的过程。该过程以扫描检测所得的衰减系数线积分数据集为基础，经必要的数据修正，按一定的图象重建算法，通过计算机运算，得到衰减系数具体的二维分布，再将其以灰度形式显示，从而生成断层图象，于是完成图象重建。图象重建的关键是图象重建算法，既要考虑图象质量，又要注意运算速度。图象重建算法多种多样，各有特色，归纳起来有反投影法、迭代法和解析法三类。【实验仪器】本实验所用仪器为CD50BG型CT教学实验仪，是一个最基本的完整的CT系统。CD50BG型CT教学实验仪由CT扫描仪和计算机系统两大部分组成。CT扫描仪由源及源塔、后准直器及探测器、机械扫描装置、控制箱等组成。【实验内容】1、 开电源。本仪器的电源包括三部分：主机电源、计算机电源及动力电源，其中动力电源受计算机控制，必须在主机电源开通、计算机进入扫描程序后才能由程序打开和关闭。开电源顺序：系统工作时，应先开主机电源，后开计算机电源。关电源顺序：系统关机时，应先关计算机电源，后关主机电源。注意：禁止在系统运行过程中强行关电源！关电源之前必须先退出相应的系统。2、 进入CT扫描在系统开机上电、计算机启动完成后，双击计算机操作桌面上的CT扫描.ico图标，即可进入CT扫描控制程序。单击任意键进入CT扫描工作主画面。3、 打开动力电源及系统自检在CT扫描工作主画面下，单击“控制面板”上的电源开关按钮，即可打开动力电源。此时系统将自动进行自检，若自检正常结束，则电源指示灯变绿。4、 开源由于源具有放射性，仅在CT扫描时才能开源。源装在钨金作成的源塔中。利用源塔上的旋纽，先逆时针旋转使源离开安全位，再向上提升、逆时针旋转使源到达工作位（手感觉转不动为止）。实验完毕应关源。其顺序与开源的过程相反，即使源从工作位回到安全位。 5、 进入CT扫描参数设置计算机扫描工作主画面下，单击“参数设置”按钮，即可进行参数设置。包括：（1） 样品信息设置，可自己输入样品名称、样品编号及检测编号。注意：文件名称由系统自动产生，不可改动！（2） 扫描方式设置有两种扫描方式可供选择，本实验应选择扫描方式二。（3） 图象矩阵设置本实验中选择128128图象矩阵。（4） 采样时间设置采样时间是指CT扫描过程中单次测量时间，可在一定范围内选择。采样时间越长，则图象质量越高，相应的CT扫描时间加长。仪器设置了8种采样时间，可根据实验时间进行选择。6 开始CT扫描当动力电源已打开并自检已通过、辐射源已打开并处于工作位且扫描参数已设置好，单击扫描参数设置画面上的确认键，即可回到CT扫描工作主画面。在此画面下单击“断层扫描”按钮，则系统开始扫描。此时屏幕上会出现一扫描进程图。若需退出扫描，只需单击进程图上的关闭按钮即可。CT扫描结束后，系统会自动进行图象重建。重建结束后，系统会自动根据扫描参数设置的信息保存图象数据，并将重建的图象显示于计算机屏幕上。此时可根据图象进行一些简单的分析。观察完毕，可单击退出按钮回到CT扫描工作主画面。7 退出CT扫描系统在CT扫描工作主画面下，单击“退出系统”按钮即可退出CT扫描回到桌面，此时系统会自动关闭动力电源。注意：退出CT扫描并不自动关辐射源！每次实验完毕应通过手动关闭辐射源，且要注意辐射防护。8 图象处理本仪器提供有专用的图象处理软件，可对扫描重建得到的图象进行各种分析处理，从各个角度观察实验结果。【实验结果及处理】 所得到的重建图像见报告后附图。【实验问题】1 CT成像和普通成像技术相比，具有哪些优越性？答：一般成像是将三维物体投影到二维平面成像，各层面影象重叠，造成相互干扰，不仅图象模糊，且损失了深度信息，不能满足分析评价要求。CT则是把被测体所检测断层孤立出来成像，避免了其余部分的干扰和影响，图象质量高，能清晰、准确展示所测部位内部的结构关系、物质