1、射 線 成 像 實 驗,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系 射線成像實驗室 劉士濤 汪兆民 許咨宗 王永剛 李澄 曾暉 2003.5.30,射線成像實驗教學(xué)背景 射線成像實驗特色 相機成像實驗 CT成像實驗,(一) 射線成像實驗教學(xué)背景,1.1 射線物理基礎(chǔ) 通過物質(zhì)時的吸收,射線通過物質(zhì)時可與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)，康普頓散射和電子對產(chǎn)生三種過程。通過這三種過程，射線損失能量，每發(fā)生一次相互作用，原來能量為h的光子消失, 或散射后能量和方向的發(fā)生改變, 發(fā)生相互作用的光子就從原來束中移去。射線通過物質(zhì)時, 是強度逐漸減弱的過程，而能量保持不變。以上三種效應(yīng)中，對于低能射線和Z高的吸收物質(zhì), 光電效應(yīng)占

2、優(yōu)勢；對于中能射線和Z低的吸收物質(zhì), 康普頓散射占優(yōu)勢；對于高能射線和Z高的吸收物質(zhì), 光電效應(yīng)占優(yōu)勢。 設(shè)有一準(zhǔn)直單能射線束, 沿水平方向垂直通過吸收物質(zhì), 吸收物質(zhì)原子質(zhì)量數(shù)為A, 密度為 。在t=0處，射線強度為Io，準(zhǔn)直射線束通過物質(zhì)后, I=I0e-mt, =/ANA, NA為阿佛加德羅常數(shù)，為射線與物質(zhì)的相互作用截面。,1.2 什么是射線成像？,射線（x, g等電磁輻射和其他粒子）成像是利用射線束通過被測對象（例如不同形狀的工件人體的器官等）投影在探測器的陣列上，通過電子學(xué)讀出和計算機數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，使被測對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像重現(xiàn)在計算機屏幕上的一項綜合性高新技術(shù)，它是建立在多

3、學(xué)科交叉和滲透基礎(chǔ)上的一個新的學(xué)科生長點，已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)醫(yī)學(xué)材料科學(xué)工業(yè)國防交通 安檢等領(lǐng)域。主要分為CT，ECT兩種。,CT是利用圍繞被測對象掃描時得到的大量射線吸收數(shù)據(jù)來重建其斷層圖像的裝置。 當(dāng)一束射線通過被測對象的一個斷層時，沿射線路徑的總的衰減系數(shù)為體素衰減系數(shù)的線積分，它可用一探測器進(jìn)行測量。探測器將射線強度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過數(shù)字化后由計算機處理。 通過圍繞人體的臟器在不同角度上進(jìn)行多次測量，計算出與人體某一層面上每個體素相關(guān)的吸收系數(shù)，并將該層面的二維吸收系數(shù)矩陣存儲到計算機中，所顯示的圖像上每個象素的灰度即為層面上相應(yīng)體素的吸收系數(shù)的量度，從而得到斷層面上衰減系數(shù)的分布的

4、信息。由于CT技術(shù)得到的是人體的臟器一個斷層面的圖像，因此稱為斷層照相。,（1）CT,（2）E-CT,E-CT是一種發(fā)射型計算機斷層成像方法。與通常CT的不同之處是射線源在成像體的內(nèi)部。E-CT成像是先讓人體接受某種放射性藥物，這些藥物聚集在人體某個臟器中或參與體內(nèi)某種代謝過程，再對臟器組織中的放射性核素的濃度分布和代謝進(jìn)行成像。因此，利用E-CT不僅可得人體臟器的解剖圖像，還可得到生理，生化，病理過程及功能圖像。 E-CT包括三種成像裝置：相機，SPECT和PET。,（a）相機,相機是一次成像的醫(yī)療設(shè)備，它主要由探測器（包括準(zhǔn)直器，閃爍晶體，光電倍增管等），電子學(xué)讀出系統(tǒng)和圖像顯示紀(jì)錄裝置等

5、幾部分組成。,（b）PET,正電子發(fā)射計算機斷層掃描(Positron Emission Computerized Tomography, 簡稱PET)是目前最先進(jìn)的醫(yī)療診斷設(shè)備。當(dāng)人體內(nèi)含有發(fā)射正電子的核素時，正電子在人體中很短的路程內(nèi)（小于幾mm）即可和周圍的負(fù)電子發(fā)生湮滅而產(chǎn)生一對光子，這兩個光子的運動方向相反，能量均為0.511Mev，因此，用兩個位置相對的探測器分別探測這兩個光子，并進(jìn)行符合測量即可對人體的臟器成像。,PET裝置的原理圖,PET裝置的剖面圖,輻射物理與技術(shù)（GB/T 490.10） 核探測技術(shù)與核電子學(xué)(GB/T 490.15) 探測和成像技術(shù)(自然科學(xué)基金委，F(xiàn)01

6、0205) 高能物理（GB/T 13745-92, 140.7074）,2相關(guān)學(xué)科,3 相關(guān)的本科生課程,原子核物理 輻射劑量防護(hù) 核技術(shù)應(yīng)用 核與粒子物理實驗方法 粒子探測技術(shù) 計算物理 核與粒子物理導(dǎo)論 軟件技術(shù)基礎(chǔ) 模擬電子線路 脈沖數(shù)字電路 微機原理和系統(tǒng) 核電子學(xué)方法 計算機在核物理中的應(yīng)用 快電子學(xué) 接口與總線 物理實驗信號采集處理,（二）射線成像實驗特色,實驗的內(nèi)容體現(xiàn)了各學(xué)科之間的交叉（射線物理核物理探測技術(shù)計算物理劑量防護(hù)快電子學(xué)計算機和圖像處理等等） ，實驗內(nèi)容還體現(xiàn)理論和實際的結(jié)合，把物理基礎(chǔ)和射線實驗技術(shù)作為實驗教學(xué)的切入點， 使學(xué)生掌握粒子與物質(zhì)相互作用的過程的原理和

7、規(guī)律，了解計算機Monte-Carlo模擬以及射線成像數(shù)據(jù)獲取和信號處理的原理和方法，計算機斷層掃描圖像的獲取過程，圖像重建技術(shù)等基礎(chǔ)知識?？梢詫W(xué)生進(jìn)行多方位的全面的綜合培養(yǎng)。,1跨專業(yè)多學(xué)科綜合性教學(xué),射線成像實驗是建立在科研成果向教學(xué)實驗移植的基礎(chǔ)上的，具有鮮明的典型性；教學(xué)為科研培養(yǎng)人才，而科研的發(fā)展又反過來不斷豐富教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)教學(xué)水平的提高，克服了以往教學(xué)和科研脫節(jié)的弊端。在人才培養(yǎng)方式上，實現(xiàn)了教學(xué)和科研的無縫連接，充分發(fā)揮了科研人員和研究生參與教學(xué)工作的積極性。 上述特色將使我們對學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)方面邁上了新的高度，在知識結(jié)構(gòu)上具有“博”與“新”的特征。,2教學(xué)與科研密切結(jié)合,（

8、三）相機成像實驗,相機探頭的構(gòu)造,l 含有某種特定的示蹤的g放射性核素的成像的物體 l 對g有強吸收的材料（例如鉛，鎢等）做成的準(zhǔn)直器 l 成像記錄系統(tǒng),1. g照相機的構(gòu)造,閃爍晶體將入射的g射線轉(zhuǎn)換成次級電子，次級電子在晶體中產(chǎn)生熒光光子，熒光光子在晶體中的發(fā)射是各向同性的。,從射線吸收到閃爍熒光光子的傳播的過程,(a) 閃爍晶體,(b)位置靈敏光電倍增管(PSPMT),柵網(wǎng)型倍增極的電極構(gòu)造及電子軌跡圖,成像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)用重心法計算出g射線在閃爍晶體內(nèi)的作用位置（x,y坐標(biāo)），這個位置與g射線發(fā)射點的位置是一一對應(yīng)的，因此成像記錄系統(tǒng)呈現(xiàn)的正是物體的g射線發(fā)射區(qū)間的分布。,十字型絲狀陽極

9、及電荷分配法讀出線路和前置放大器,(c) 在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),數(shù)據(jù)獲取與實時處理系統(tǒng),相互作用物理過程模擬軟件包GEANT 數(shù)據(jù)獲取和實時處理軟件包LabVIEW 數(shù)據(jù)分析軟件包 (PAW),2.相機實驗的主要軟件系統(tǒng),l 相互作用物理過程模擬軟件包GEANT GEANT是一個綜合了探測器幾何物理描述及其模擬工具的軟件包。其最早的版本問世于1974年，起初它只是用來跟蹤一個或少許幾個粒子穿過簡單的探測裝置產(chǎn)生的物理效應(yīng)的模擬。隨著不斷的運用與發(fā)展，其功能日趨完善。它包含了各種相互作用物理過程的模擬，并具有靈活且功能齊全的材料物理和幾何特性的描述能力;完善的粒子跟蹤記錄系統(tǒng); 良好的數(shù)據(jù)記錄和存儲

10、方式，以便于與數(shù)據(jù)分析軟件包(PAW)聯(lián)接并進(jìn)行分析 。,l 數(shù)據(jù)獲取和實時處理軟件包LabVIEW LabVIEW ( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench )是美國NI公司研制出的基于圖形編程的環(huán)境開發(fā)平臺。 LabVIEW的基本程序單位是VI(Virtual Instrument) ，它采用了圖形化符號來代替常規(guī)的文字編程，因而不需要記很多指令及編程技巧，而且擁有豐富的函數(shù)及子程序庫，可進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取分析與處理等。每個VI可以單獨地運行與調(diào)試。一個復(fù)雜的系統(tǒng)由多個VI之構(gòu)成，它們之間具有層次調(diào)用結(jié)構(gòu)，高層功能的VI可以調(diào)用一個或多個低層的特殊功能的VI。 LabVIEW 在本系統(tǒng)中用于圖象顯示、參數(shù)設(shè)置等用戶界面的編寫。,l數(shù)據(jù)分析軟件包 (PAW),PAW是Physics Analysis Workstation的簡稱，它是用來分析物理實驗數(shù)據(jù)的專用工具，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖形顯示。,3.實驗內(nèi)容：,3.1點擴展函數(shù)和圖象的蒙特卡羅模擬 3.2 位置分辨和位置線性的實驗測量 3.3 模擬臟器的實驗測量 3.4 實驗數(shù)據(jù)處理