射+線+成+像+實+驗-中國科學技術大學近代物理系.ppt

1、射 線 成 像 實 驗,中國科學技術大學近代物理系 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) 射線成像實驗教學背景,1.1 射線物理基礎 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，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。以上三種效應中，對于低能射線和Z高的吸收物質(zhì), 光電效應占

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), 光電效應占優(yōu)勢。 設有一準直單能射線束, 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，它是建立在多

3、學科交叉和滲透基礎上的一個新的學科生長點，已廣泛應用于生命科學醫(yī)學材料科學工業(yè)國防交通 安檢等領域。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行多次測量，計算出與人體某一層面上每個體素相關的吸收系數(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)療設備，它主要由探測器（包括準直器，閃爍晶體，光電倍增管等），電子學讀出系統(tǒng)和圖像顯示紀錄裝置等

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)是目前最先進的醫(yī)療診斷設備。當人體內(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（GB/T 490.10） 核探測技術與核電子學(GB/T 490.15) 探測和成像技術(自然科學基金委，F(xiàn)01

6、0205) 高能物理（GB/T 13745-92, 140.7074）,2相關學科,3 相關的本科生課程,原子核物理 輻射劑量防護 核技術應用 核與粒子物理實驗方法 粒子探測技術 計算物理 核與粒子物理導論 軟件技術基礎 模擬電子線路 脈沖數(shù)字電路 微機原理和系統(tǒng) 核電子學方法 計算機在核物理中的應用 快電子學 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)了各學科之間的交叉（射線物理核物理探測技術計算物理劑量防護快電子學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，把物理基礎和射線實驗技術作為實驗教學的切入點， 使學生掌握粒子與物質(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，圖像重建技術等基礎知識。可以對學生進行多方位的全面的綜合培養(yǎng)。,1跨專業(yè)多學科綜合性教學,射線成像實驗是建立在科研成果向教學實驗移植的基礎上的，具有鮮明的典型性；教學為科研培養(yǎng)人才，而科研的發(fā)展又反過來不斷豐富教學內(nèi)容，促進教學水平的提高，克服了以往教學和科研脫節(jié)的弊端。在人才培養(yǎng)方式上，實現(xiàn)了教學和科研的無縫連接，充分發(fā)揮了科研人員和研究生參與教學工作的積極性。 上述特色將使我們對學生素質(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），這個位置與g射線發(fā)射點的位置是一一對應的，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