石河子大学师范学院物理系】 近代物理实验讲义 CT实验 【实验目的】 1.学习CT成像原理： 2.熟悉闪烁探测器的原理： 3.了解数字化图像处理的方法。 【实验原理】 1.物体对X线的吸收系数有朗伯定理表示为：I=I。以，μ为物质对X射线的吸收 系数，为X射线穿过物质的厚度。I为入射线强度，I为探测器接收的出射X线强度。 2.由于物体是不均匀的，取一个横截面，将横截面划分成由许多小矩形区域，这个区 域可以称为象元组成的矩阵。不同的小矩形区域就是一个象元、或称为象素，它们的μ值是 不一样的，将μ值四舍五入并扩大为整数，用这些数字代替对应区域的μ值，这样就把这个 横截面的物理矩阵转变为数字化图像。显然矩阵的象元越多，图像越清晰。 然后对每一个数字赋予一定的灰度，又可把数字图像转换为荧光屏上可视的光学图像。 3、因为一束X射线只能穿过一串象元，其附近的象元没有X线经过，即没有吸收，得 不到它们的μ，为了求得一个横截面的许多值，就必须扫描。先以一串象元为例，见图一。 通过第一个象元后，出射的X射线的强度为：I。=Ie: 通过第二个象元后，出射的X射线的强度 d+ 为：1。=1new=1e-:h 同理，从第三个象元出射的X射线的强度 为：1n=Ie-h 图 最后出的线器度为：1=1，e位小，取自然对数，得立4=宁中片=c,这 d是定值，1和是测量值，它们共同用C,表示，使方程变为多元一次方程，未知数是这一串 象元中个象元的μ值。 假设一个横截面由128×128矩阵组成，那么从一边扫到另一边就可以得到128个方 程，但是，却有16384个未知数，所以扫一次是无法得到每个象元的μ值。这时可以让横截 面或X射线发射器旋转一定的角度0，由于0值是已知的，所以dsin0也是已知的，故又 可以列出多于128个方程，每次转一度共可以旋转180度，这样算是完成了一个层面的扫描】 至少可以得到128×180-23040个方程，完全可以通过解方程得到每一象元的μ值。 4.由于测量有一定的误差，精确的解方程不仅没有必要，而且花费好多时间，所以
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 CT 实验 【实验目的】 1．学习 CT 成像原理； 2．熟悉闪烁探测器的原理； 3．了解数字化图像处理的方法。 【实验原理】 1．物体对X线的吸收系数有朗伯定理表示为： ，μ为物质对X射线的吸收 系数，d为X射线穿过物质的厚度。I d I I e −µ = 0 0为入射X线强度，I为探测器接收的出射X线强度。 2．由于物体是不均匀的，取一个横截面，将横截面划分成由许多小矩形区域，这个区 域可以称为象元组成的矩阵。不同的小矩形区域就是一个象元、或称为象素，它们的μ值是 不一样的，将μ值四舍五入并扩大为整数，用这些数字代替对应区域的μ值，这样就把这个 横截面的物理矩阵转变为数字化图像。显然矩阵的象元越多，图像越清晰。 然后对每一个数字赋予一定的灰度，又可把数字图像转换为荧光屏上可视的光学图像。 3、因为一束 X 射线只能穿过一串象元，其附近的象元没有 X 线经过，即没有吸收，得 不到它们的μ，为了求得一个横截面的许多值，就必须扫描。先以一串象元为例，见图一。 通过第一个象元后，出射的 X 射线的强度为： d I I e 1 11 0 − µ = ； 通过第二个象元后，出射的 X 射线的强度 为： d ( ) d I I e I e 2 1 2 12 11 0 − µ − µ + µ = = I d μ μ6 μ7 μ 5 μ1 μ2 μ3 4 I0 同理，从第三个象元出射的 X 射线的强度 为： ， ( ) d I I e 1 2 3 13 0 − µ + µ + µ = 图一 最后出射的X线强度为： ，取自然对数，得 d i i I I e ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ∑= = 7 1 0 µ i i i c I I d ∑ = = = 0 7 1 ln 1 µ ，这里 d是定值，I和I0是测量值，它们共同用Ci表示，使方程变为多元一次方程，未知数是这一串 象元中个象元的μ值。 假设一个横截面由 128×128 矩阵组成，那么从一边扫到另一边就可以得到 128 个方 程，但是，却有 16384 个未知数，所以扫一次是无法得到每个象元的μ值。这时可以让横截 面或 X 射线发射器旋转一定的角度θ，由于θ值是已知的，所以 dsinθ也是已知的，故又 可以列出多于 128 个方程，每次转一度共可以旋转 180 度，这样算是完成了一个层面的扫描。 至少可以得到 128×180=23040 个方程，完全可以通过解方程得到每一象元的μ值。 4．由于测量有一定的误差，精确的解方程不仅没有必要，而且花费好多时间，所以 1
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 CT成像时，都是用近似解法，常用的是“迭代法”。当然这些工作都是由计算机来完成。不 过最常用的方法是反投影法。具体过程见图二。图二中()是实际的图象，(b)是水平扫 一 d 一次，(c)是顺时旋转45扫一次，(d)是顺时旋转90扫一次，(e)是顺时旋转135扫 次，()是(b)和(c)反投影的结果，(g)是(d)和(e)反投影的结果，(h)是四次扫 描合起来反投影的结果，这时已大概反映出原图象的面貌，实际是扫描多少次，就反投影多 少次，最后减去每次扫描累积的综合背景，就比较真实的反映物体横截面的结构图象。 我们的实验不是用X射线，是用7C,产生的Y射线，Y光子的能量为0.662WeV 会产生康普顿效应，由于康普顿散射的能量变化不定，会形成一个康普顿坪，但它远小于 ￥光子透射后的能量，所以探测时要将前置放大器的值调高，使康普顿坪不被探测到， 从而不影响成像的质量。 5.￥光子被光电倍增管接收后，经放大，转换为一个信号强度，这就是我们探测到 的出射能量，然后被反投影或用于计算。 三、仪器描述 (一)、机械部分、放射源、探测部分。 (1)、机械部分：样品盒和样品架（放测试样品），步进电机（让样品盒与样品一块平
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 CT成像时，都是用近似解法，常用的是“迭代法”。当然这些工作都是由计算机来完成。不 过最常用的方法是反投影法。具体过程见图二。图二中（a）是实际的图象，（b）是水平扫 一次，（c）是顺时旋转 450 扫一次，（d）是顺时旋转 900 扫一次，（e）是顺时旋转 1350 扫一 次，（f）是（b）和（c）反投影的结果，（g）是（d）和（e）反投影的结果，（h）是四次扫 描合起来反投影的结果，这时已大概反映出原图象的面貌，实际是扫描多少次，就反投影多 少次，最后减去每次扫描累积的综合背景，就比较真实的反映物体横截面的结构图象。 我们的实验不是用 X 射线，是用 产生的 γ 射线，γ 光子的能量为 0.662MeV， 会产生康普顿效应，由于康普顿散射的能量变化不定，会形成一个康普顿坪，但它远小于 γ 光子透射后的能量，所以探测时要将前置放大器的阈值调高，使康普顿坪不被探测到， 从而不影响成像的质量。 CS 137 5．γ 光子被光电倍增管接收后，经放大，转换为一个信号强度，这就是我们探测到 的出射能量，然后被反投影或用于计算。 三、仪器描述 （一）、机械部分、放射源、探测部分。 （1）、机械部分：样品盒和样品架（放测试样品），步进电机（让样品盒与样品一块平 2
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 移或旋转)、手动升降装置（调整样品高度，从而调整扫描的横截面）。 (2)、放射源：由铅屏蔽体和其内的7C、准直孔、开关（关闭准直孔）。 (3)、探测器：有NI光电倍增管组成。 (二)、电路和数据采集。 1、前置放大：2、主放大器：3、光电倍增管的高压电源：4、A/D变换；5、步进电机控制 和驱动：6、计算机接口卡和计算机。方框图见图三。 保一✉放大 副 日装卡 图 国CT实仪的电于学系统原煤摆国 仪器的工作过程可参见图 型·扫攒及射线织测部分的光局 (三)、软件部分 采集、电机控制、图象重建、数据存取、多道分析。 【实验步骤】 1.熟悉各部分： 2.打开计算机和高压电源： 3.打开文件名为“工业CT”的软件，并进行初始化： 4.调整光电倍增管的工作高压，一般取约900伏： 3
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 移或旋转）、手动升降装置（调整样品高度，从而调整扫描的横截面）。 （2）、放射源：由铅屏蔽体和其内的 、准直孔、开关（关闭准直孔）。 CS 137 （3）、探测器：有NaI光电倍增管组成。 （二）、电路和数据采集。 1、前置放大；2、主放大器；3、光电倍增管的高压电源；4、A/D 变换；5、步进电机控制 和驱动；6、计算机接口卡和计算机。方框图见图三。 （三）、软件部分 采集、电机控制、图象重建、数据存取、多道分析。 【实验步骤】 1. 熟悉各部分； 2. 打开计算机和高压电源； 3. 打开文件名为“工业 CT”的软件，并进行初始化； 4. 调整光电倍增管的工作高压，一般取约 900 伏； 3
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 5。点击“设置选项”一>“平移电机后退”使样品台离开中心位置，直到其自动停止， 使其不阻挡￥射线： 6。打开放射源开关： 7.点击菜单中的“全能峰测试”，此时使用菜单中的默认数据，然后观察全能峰： 8.调整“阔值”，把Compton坪调到下边，（可以反复调），这时开始测试全能峰，记 录下峰的左边的道数和右边的道数，也记录下计数率（计数率是计数总量与时间的 比值)： 9.调整样品的高度，我们的CT样品的参考高度是5.2CW: 10.用“内控”和“外控”的开关平移和旋转样品，看看机器是否正常： 11.用手动让样品架移到初始位置，即样品盒位于实验者最近处，刚刚与微动开关接触： 12.点击初始化菜单，调整有关数据，参考数据为： 平移总长：52m 扫描步长：1m 旋转扫描步长：6度每一步扫描时间：20一40 13.然后点击“数据采集”菜单，此时实验仪开始自动化工作。这是一段较长的时间， 这时可以考虑思考题。 14.一层采集完后，要用手动大旋钮，使样品升高2m左右，然后再开始扫描，要求 共扫描两层，大约用2一4小时， 15.最后扫描完后，必须要保存原始数据（用自己的名字作文件名），否则是白做了一 次实验。 16.数据保存后，点击图象重建的菜单，设定好叠加次数，确定后即开始重建图象。 17.图象重建完后，此时并看不见图象，还要设置图象颜色，（设置选项一>颜色设置） 先以黑白为主，颜色设定后，即可以观看图象 18.对自己的图象进行处理（平滑、对比度）， 19.把自己认为最好的图象保存到要求的文件夹中。 【注意事项】 1.关机前，要把光电倍增管的高压降低。否则易损坏仪器。 2.为了使光电峰位于合适的位置，需调整“阈值”和“增益”。 3。不要用眼直接看放射源的准直孔。 4.图像重建次数一般为20一一30次最好
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 5. 点击“设置选项”－＞“平移电机后退”使样品台离开中心位置，直到其自动停止， 使其不阻挡 γ 射线； 6. 打开放射源开关； 7. 点击菜单中的“全能峰测试”，此时使用菜单中的默认数据，然后观察全能峰； 8. 调整“阈值”，把 Compton 坪调到下边，（可以反复调），这时开始测试全能峰，记 录下峰的左边的道数和右边的道数，也记录下计数率（计数率是计数总量与时间的 比值）； 9. 调整样品的高度，我们的 CT 样品的参考高度是 5.2CM； 10. 用“内控”和“外控”的开关平移和旋转样品，看看机器是否正常； 11. 用手动让样品架移到初始位置，即样品盒位于实验者最近处，刚刚与微动开关接触； 12. 点击初始化菜单，调整有关数据，参考数据为： 平移总长： 52mm 扫描步长： 1mm 旋转扫描步长： 6 度 每一步扫描时间： 20-40 13. 然后点击“数据采集”菜单，此时实验仪开始自动化工作。这是一段较长的时间， 这时可以考虑思考题。 14. 一层采集完后，要用手动大旋钮，使样品升高 2mm 左右，然后再开始扫描，要求一 共扫描两层，大约用 2－4 小时， 15. 最后扫描完后，必须要保存原始数据（用自己的名字作文件名），否则是白做了一 次实验。 16. 数据保存后，点击图象重建的菜单，设定好叠加次数，确定后即开始重建图象。 17. 图象重建完后，此时并看不见图象，还要设置图象颜色，（设置选项－＞颜色设置） 先以黑白为主，颜色设定后，即可以观看图象。 18. 对自己的图象进行处理（平滑、对比度）， 19. 把自己认为最好的图象保存到要求的文件夹中。 【注意事项】 1. 关机前，要把光电倍增管的高压降低。否则易损坏仪器。 2. 为了使光电峰位于合适的位置，需调整“阈值”和“增益”。 3. 不要用眼直接看放射源的准直孔。 4. 图像重建次数一般为 20――30 次最好。 4