我的实验报告之工业CT.doc

实验名称:计算机断层扫描成像实验计算机断层扫描成像(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是与一般辐射成像完全不同的成像方法。一般辐射成像是将三维物体投影到二维平面成像，各层面影像重叠，造成相互干扰，不仅图像模糊，而且损失了深度信息，不能满足分析评价要求。CT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，图像质量高，能清晰、准确地展示所测部位内部的结构关系、物质组成及缺陷状况，检测效果是其它传统的无损检测方法所不及的。CT技术首先应用于医学领域，形成了医学CT(MCT)技术，其重要作用被评价为是医学诊断上的革命。CT技术成功应用于医学领域后，美国率先将其引入到航天及其它工业部门，另一些发达国家相继跟上，经过一段不长的时间，形成了CT技术的又一个分支工业CT(Industrial Computed Tomography, ICT)，其重要作用被评价是无损检则领域的重大技术突破。CT技术(MCT和ICT)应用十分广泛，医用CT已为人们所熟知。工业CT的应用几乎遍及所有产业领域，因同出于CT技术，医学CT和工业CT在基本原理和功能组成上是相同的，但因检测对象不同，技术指标及系统结构就有较大差别。前者检测对象是人体，单一而确定，性能指标及设备结构较规范，适于批量生产。工业CT检测对象是工业产品，形状、组成、尺寸及重量等千差万别，而且测量要求不一，由此带来技术上的复杂性及结构的多样化，专用性较强。一、实验目的1.了解CT成像的基本原理；2.了解最基本的CT教学实验仪的结构；3.掌握使用CT教学实验仪进行断层扫描成像的操作步骤；4.掌握初步的图象处理方法。二、实验仪器1.CT教学实验仪(包括放射源、探测器、扫描仪、计算机、显示器等)。2.标准测试工件：条测试卡(铜、铝)，孔测试卡(铜、铝)，密度测试卡(大小各一)。少许橡皮泥等。实验装置示意图如图1所示。 图1 CT实验装置系统框图 三、实验原理1. CT的诞生与发展 1895年11月，德国物理 学家伦琴发现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。 1963年，美国物理学家科马克发现人体不同的组织对X线的透过率有所不同，在研究中还得出了一些有关的计算公式，这些公式为后来CT的应用奠定了理论基础。1967年，英国电子工程师亨斯费尔德在并不知道科马克研究成果的情况下，也开始了研制一种新技术的工作。他首先研究了模式的识别，然后制作了一台能加强X射线放射源的简单的扫描装置，即后来的CT，用于对人的头部进行实验性扫描测量。1971年9月，亨斯费尔德又与一位神经放射学家合作，在伦敦郊外一家医院安装了他设计制造的这种装置，开始了头部检查。1972年4月，亨斯费尔德在英国放射学年会上首次公布了这一结果，正式宣告了CT的诞生。 2. 实验仪器物理原理早在1917年，丹麦数学家雷当(J. Radon)的研究工作已为CT技术建立了数学理论基础。他从数学上证明了某种物理参量的二维分布函数，可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：需要有无穷多个且积分路径互不完全重叠的线积分，才能精确无误地确定该二维分布，否则只能是实际分布的一个估计。该研究结果的意义在于：只要能知道一个未知二维分布函数的所有线积分，即可求得该二维分布函数；获得CT断层图像，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。当二维分布函数已知，要将其转换为图像，则是一个简单的显示问题。因此，首要的问题是如何求取能反映被检测断层内部结构组成的物理参量二维分布函数的线积分。 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，设物质系非均匀的，一个面上衰减系数分布为(x、y)。当射线穿过该物质面，入射强度为I0的射线经衰减后以强度I穿出，射线在面内的路径长度为L，如图2。由比尔定律确定的I0、I及(x、y)的关系如下：I0IL(x,y)图2射线穿过衰减系数为(x,y)的物质面 (1)由(1)式可得 (2)(2)式表明，射线路径L上衰减系数为(x、y)的线积分等于射线入射强度I0与出射强度I之比的自然对数。I0和I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衰减系数线积分值，均可照此求出，从而得到一个线积分集合。该集合若是无穷大，则可精确无误地确定该物质面的衰减系数二维分布，否则，将是具有一定误差的估计。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像能够展现其结构关系和物质组成。实际的射线束总具有一定的截面，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像表示，应是一定体积的积分效应，绝不是理想的点、线、面的结果。有上述数学、物理基础后，为在工程技术上实现，避开硬件的技术要求，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（含方法、位置、数量等）穿过被测体所检测断层并相应进行射线强度测量，围绕提高扫描检测效率，可采用各具特色的扫描检测模式。解决第二个问题则是应用图像重建算法，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；对所扫描的检测断层，并非直接应用穿过断层的射线在成像介质上成像，而仅仅是将不同方向穿过被测断层的射线强度作为重建算法作数学运算所需之数据，或者说，断层图像是通过数学运算才得到的。3. 实验装置原理CT教学实验装置可分为几大部分： （1）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载物平台，电机及其驱动器等，如图1所示。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Na（Tl）探头上，从而被探测器感知。这就是机械部分的工作原理。 （2）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、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）。 （3）软件部分：软件部分主要包括数据采集，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”。 四、实验步骤1 用少许橡皮泥将被检测的工件粘牢在工作台上，注意工件与工作台之间不能有相对运动。2 左或右旋工作台，调整工作台的高低使准直孔的中心线与检测断面位置大致相同，并努力使样件不要歪斜。注意被测工件长度不能超过工作台面直经（50mm），否则会引起碰撞和图象模糊。3 打开扫描仪电源（在扫描仪黑色控制盒侧面下半部）和计算机、显示器电源。4 站在源容器背后（射线出束方向的反方向），手动旋转源容器顶部的中心柱，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），使辐射源升至前准直口处。注意中心柱的支承杆必须到位，只有导向螺钉到达导向槽的上面右侧端点时，源才到了工作位。这时辐射源已到达工作位置，此时计算机主画面源指示状态变为红色。辐射源处于工作状态时，射线出束方向严禁人员进入！源塔上的指示灯和计算机扫描工作主画面的控制面板上的“源塔指示”只能说明源离开安全位，并不指示已到达工作位。5 打开计算机，用鼠标左键双击菜单上图标ICT1进入CT扫描系统主画面。6 按“Enter”键进入CT扫描工作主画面，用鼠标左键单击电源开关，电源开关变成绿色（表示已打开系统动力电源）。待系统自动完成自检后，即可进行系统设置。7 系统设置：扫描方式有两种，其中扫描方式1是先平移、后旋转；扫描方式2是边平移边旋转，用户可以自行设定（最好选用方式2）。图象矩阵有64x64和128x128两种，用户可以选择设定（图象越大扫描时间越长，参考数据：64x64）；采样时间从0.1s-0.8s，用户可选择设定（参考数据：0.2）。文件名称及检测日期为自动设置不能更换。参数设置完成后，用鼠标点击确认键。（提示：图象矩阵128x128，采样时间0.3s，大约需要100分钟）。8 用鼠标左键单击“断层扫描”，显示器画面上出现CT扫描进程显示。系统扫描完成后，会自动进行图象重建，并显示在屏幕上。同时，该图像自动保存在D:/ ICTIPS/ ICTBmp文件中。9 打印结果。打印时，先退出系统。在新建的word文档中复制图象，插入相关的文字及参数后打印。10 实验完毕，计算机正常关机。同时记住手动关源，关源到位时，源容器上的指示灯熄灭。五、实验处理1.实验图像本实验的测量对象为铜环，本次实验我们成功的获得了铜质工件的CT断层扫描图像，并且进行了图片处理，获得了相对比较清晰的铜环工件的图片效果，如图3所示，此扫描图像能较好的反映所扫描铜件的截面情况。2.实验结果分析(1)图像能够完整的呈现在这个区域内，这说明视场的直径大于铜件的直径。(2)图像中各部分的颜色各不相同，中间有一个圆 环颜色比较深，圆环的环内有5个小圆点、5个中等大小的圆点和3个大圆点，并且，随着圆点的增大，其对应的清晰度各不相同，但是它们的颜色都和周围的空白处一样深。由刚才原理部分的内容我们知道，射线在不同介质中的衰减系数是不同的，而在实 图3 CT扫描图像验结果中表现在颜色上，颜色越深，说明衰减速度越快，吸收系数越高。由此我们可以推断出铜质工件是镂空的，整个工件是圆环形的而不是柱体的，并且圆环上有13个大小不等的孔。由此可见，CT断层扫描能将工件截面的情况较清晰的反映出来。此外，铜质工件的制作材料铜的吸收系数与空气的不同，并且工件的颜色明显比空隙的深，这说明铜的衰减速度较快，吸收系数较高。六、实验总结一般的辐射成像是将三维物体投影到二维平面成像，各层面影像重叠，造成相互干扰，不仅图像模糊，而且损失了深度信息。而CT 是把被测物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，能够清晰、准确的展示所测部位的内部结构关系、物质组成及缺陷状况。通过本次实验我比较清晰地了解了CT扫描的历史及发展过程、在医学以及工业中的一些应用，并了解了CT扫描的基本原理以及图像重建的过程，同时，对物质对材料的线性吸收也有了更深入的解，并且对于CT的应用有了更为深刻的认识。（1）工业CT与医学CT的区别：由于工业CT是对精密零件或是大型设备等进行扫描的，因此要求放射源的能量要高；而医用CT的使用对象是人体，本身射线对人体是会造成一定的伤害的，因此射线的能量不能太大，但是为了达到很好的扫描效果，得到清晰的图像，扫描强度可以相应的增大。此外，工业CT的扫描对象是千变万化的，而医用CT的扫描对象则是单一的人体，所以工业CT的仪器较复杂。 （2）CT在现实中的应用：一方面应用于工业，主要是对一些精密的小零件或是大型设备有无裂缝，是否焊接牢固等的检测；另一方面是医学CT，主要是对人体病症的检测；还有就是安检时的应用，例如飞机场、火车站等的安全检查也是CT的一种应用。CT在不同领域的应用时，其射线源的选择也可以不同。（3）CT的测量与其他工具测量的区别：如果同样是对某一材料进行测量，传统工具例如游标卡尺、螺旋测微