复旦大学：《医学物理与实验》课程教学资料（X射线特性研究及X-CT）实验七_X射线性质的研究及计算机断层成像

实验七X射线性质的研究及计算机断层成像 l895年1]月,德国科学家伦琴(wK. Rontgen)在硏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GN. Hounsfield设计并扫描岀第-幅具有 诊断价值的头部X射线计算机断层成像( X-ray computed tomography,x-CT)图像,从而宣告世界上 第一台X-CT扫描机的硏制成功。ⅹ-CT投λ使用后在临床上显示岀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 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, 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 体素 断层 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

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-ray computed tomography, 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-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 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。 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。 图 1 断层与体素

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 不是一个常量,设其在某个断层上分布为(xy)。为了求出山(xy),我们把断层划分为mn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l的Ⅹ射线穿过路径l,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A、 、43…h,若出射X射线的强度为Im,则 1n=1 d To 图2X射线穿过非均匀介质 将上式取对数可得 d (u, +A2 (1) 当n无线增大,d趋于无限小时,(1)式可写成积分形式 (dl 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山为未知 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 数山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 减系数山的数值,并由此得到值的二维分布矩阵,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 XCT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

2 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 不是一个常量，设其在某个断层上分布为(x,y)。为了求出(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 l，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1、 2、3n，若出射 X 射线的强度为 In，则： ( ) 0 d 1 2 n n I I e −  + + + =  将上式取对数可得： n n I I d 0 1 2 ( +  +  +  ) = ln （1） 当 n 无线增大，d 趋于无限小时，（1）式可写成积分形式： I I l dl l 0 ( ) = ln   （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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i 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i 的数值，并由此得到i 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。 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 图 2 X 射线穿过非均匀介质 图 3 X-CT 机

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“ amera”域或“X-Rays”右侧下拉菜单即可设置照相机和X光机的参数 智 Computed tomography Project View CT Effects Help a曰图豪20300■,+圈回岛团0⑥ 御 X-Rays Image adjustment and calibration Distortion correction: 20刚 pixel Sirt of fluorescent screem: 10 pixel Vartiea shift of servan: 5 a pixel Size of the computed tomogram 256:26x2-pixa AVI Export 图4测量界面 LEYBOLD 图5 COMOS传感器探头及USB模块

3 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 4 测量界面 图 5 COMOS 传感器探头及 USB 模块

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492×480mm 分辨率为1024×1000 pixel2,像素点大小为48×48m2 光电 获取A像 获取B像 拼合2个光电二极管的 二极管A 极管B 电荷后进行读取 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 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/ Defective pixels:去除X光关闭时的屏幕亮点或X光打开时的屏幕暗点。这些点的数 据就不再测量,而由其相邻的点线性插值得到 2)补偿修正 Offset:在Ⅹ光关闭的条件下,生成补偿图像,消除自然光与暗电流的影响。一般生 成10幅修正图像。 3)平场修正/ Reference:传感器上每点对X光的响应程度并不相同,需要找到图像上最亮的点并以 此为标准创建参考图像,使同一X光照射下的图像上每一点的辉度相同 在X光机的参数设置中,设置管压为35kV,管流为1mA。按下《键,开始测量 注:为了获得更好的CT像,在开始测量前可以调整诸如水平位移、垂直位移等图像参数;测 量结束后,可以通过调整像的强度和透明度,以获得最佳分辨率的图像。 选作内容 (一)测量铝板关于钼靶Ⅹ射线的衰减系数 本x射线实验仪有如图7所示的吸收板件”它由厘空孔 底板 mm的6块铝板组成 1.打开铅玻璃门,在A1处装上光缝, 铝板 2.按B4中的ZERO键,使传感器回到0位 底板 端部 图7吸收板附件

4 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48.0 mm2， 分辨率为 10241000 pixel2，像素点大小为 4848 m2。 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/Defective pixels：去除 X 光关闭时的屏幕亮点或 X 光打开时的屏幕暗点。这些点的数 据就不再测量，而由其相邻的点线性插值得到。 2) 补偿修正/Offset：在 X 光关闭的条件下，生成补偿图像，消除自然光与暗电流的影响。一般生 成 10 幅修正图像。 3) 平场修正/Reference：传感器上每点对 X 光的响应程度并不相同，需要找到图像上最亮的点并以 此为标准创建参考图像，使同一 X 光照射下的图像上每一点的辉度相同。 4. 在 X 光机的参数设置中，设置管压为 35 kV，管流为 1 mA。按下 键，开始测量。 注：为了获得更好的 CT 像，在开始测量前可以调整诸如水平位移、垂直位移等图像参数；测 量结束后，可以通过调整像的强度和透明度，以获得最佳分辨率的图像。 选作内容 （一）测量铝板关于钼靶 X 射线的衰减系数 本 X 射线实验仪有如图 7 所示的“吸收板附件”。它由厚 度分别为 0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 和 3.0 mm 的 6 块铝板组成。 1. 打开铅玻璃门，在 A1 处装上光缝。 2. 按 B4 中的 ZERO 键，使传感器回到 0 位。 图 7 吸收板附件 图 6 双核 CMOS 传感器原理图

3.把该附件按图8所示的方法,取下靶台,将底板端部插入原来装靶台的支架 4.打开计算机,双击“X- ray Apparatus图标,在菜单栏上选择ˆ Bragg”,即可出现测量画面。 5.在B3中按下U键,旋转B2,把管电压设置在21kV:按下I键,旋转B2,把管电流设置在02 mA。按下Mt键,旋转B2,把每次测量的持续时间设置为100秒;按下Δβ键,把角步幅设置为 10度。 6.在B4中按下 TARGET键,在B3中按下β-LMT键, 当显示器显示符号时,用B2把下限角设置为0°:再 次按下BLMT键,当显示器显示↑符号时,用B2把上 限角设置为60 7.在B5中按下SCAN键,仪器会自动打开管电压,计算 机就开始自动采集和记录角度β和强度的数值。注 意,不同的角度对应的是不同厚度的铝板 8.用最小二乘法拟合铝板厚度d与lnM的关系,得出铝 板对X射线的衰减系数u (二)观察管电压、管电流对图像的影响 思考题 普通X射线摄影像与Ⅹ-CT成像有何不同? 2.谈一下你所了解的XCT重建过程 图8安装吸收板 参考文献 1.冀敏、陆申龙.医学物理学实验人民卫生出版社.2009.92-99 2.顾本立、万遂人、赵兴群.医学成像原理科学出版社2012.86-130 3.吉强、洪洋等.医学影像物理学.人民卫生出版社.2000.5-71 4.5482 I Computed Tomography使用说明书, LD Didactic

5 3. 把该附件按图 8 所示的方法，取下靶台，将底板端部插入原来装靶台的支架。 4. 打开计算机，双击“X-ray Apparatus”图标，在菜单栏上选择“Bragg” ，即可出现测量画面。 5. 在 B3 中按下 U 键，旋转 B2，把管电压设置在 21 kV；按下 I 键，旋转 B2，把管电流设置在 0.2 mA。按下t 键，旋转 B2，把每次测量的持续时间设置为 100 秒；按下键，把角步幅设置为 10 度。 6. 在 B4 中按下 TARGET 键，在 B3 中按下-LIMIT 键， 当显示器显示↓符号时，用 B2 把下限角设置为 0°；再 次按下-LIMIT 键，当显示器显示↑符号时，用 B2 把上 限角设置为 60°。 7. 在 B5 中按下 SCAN 键，仪器会自动打开管电压，计算 机就开始自动采集和记录角度 和强度 I 的数值。注 意，不同的角度对应的是不同厚度的铝板， 8. 用最小二乘法拟合铝板厚度 d 与 ln I0/I 的关系，得出铝 板对 X 射线的衰减系数 µ。 （二）观察管电压、管电流对图像的影响 思考题 1. 普通 X 射线摄影像与 X-CT 成像有何不同？ 2. 谈一下你所了解的 X-CT 重建过程。 参考文献 1. 冀敏、陆申龙. 医学物理学实验 人民卫生出版社. 2009. 92-99 2. 顾本立、万遂人、赵兴群. 医学成像原理 科学出版社 2012. 86-130 3. 吉强、洪洋等. 医学影像物理学. 人民卫生出版社. 2000. 5-71 4. 554 821 Computed Tomography 使用说明书，LD Didactic 图 8 安装吸收板