成像实验仪在医学成像技术实验教学中的应用

CT成像实验仪在医学成像技术实验教学中的应用

廖小丽　刘　华　陈李容

（电子科技大学生命科学与技术学院　成都　610054）

摘要：本文介绍了一种小型CT成像实验仪及其在医学成像技术实验中的应用，并以CT成像原理实验为例具体说明了该实验装置的操作方法及优点。该实验仪具有小型、稳定性好、操作便捷的特点，除具备完善的CT成像功能外，还能完成相关的辐射物理实验，大大地丰富了教学实验内容，能使学生通过实际操作对抽象的CT成像原理、过程和特点加深理解，有助于培养学生的实践能力和综合分析能力。

关键词：CT实验仪　医学成像　教学实验　实践

近年来随着现代医学成像技术及其产业的高速发展，以CT、磁共振、超声成像技术为代表的医学影像产品在临床诊断和医学研究中得到了广泛应用。为适应形势的发展，突出学校生物医学工程专业的特色，我校生命科学与技术学院建立了医学成像实验室，购置了CT成像实验仪、核磁共振教学实验仪等实验仪器，并开设了相关的医学成像技术实验课程。此类实验极大地激发了学生的学习兴趣，增强了学生对医学成像过程的感性认识，提高学生对医学成像类仪器的分析和设计能力，并通过实际操作的方法达到培养学生的创造能力、观察能力、动手能力、自学能力、分析和解决问题能力的目的。

CT成像技术是医学成像技术课程知识结构体系的重要组成部分，涉及大量的物理学和数学知识，但同时又具有极强的技术应用性，因此课程内容分理论教学与实验教学两部分。但由于实际应用中的CT装置都十分庞大复杂而且价格昂贵，这就对该部分课程内容实践环节的设计提出了一个难题。我们在学校本科实验室建设经费的支持下，购置了由重庆大学ICT研究中心模拟大型CT原理设计生产的完整小型CT系统，用于CT成像原理的实验教学。

一、CT原理简介

断层图像重建是以扫描检测所得的衰减系数线积分数据集为基础，经过必要的数据校正，按一定的图像重建算法，通过计算机运算，得到衰减系数具体的二维分布，再将其以灰度形式显示，从而获得可在计算机屏幕上观察的断层图像。因此，要获得CT断层图像，首要的问题就是求取反映断层内部结构和材质组成的线性衰减系数的二维分布。

设当强度为I₀的窄束γ射线穿过吸收系数为μ的均匀物体时，其强度满足指数衰减关系

其中l为X射线穿过的物质层厚度，如图1所示。

图1　X射线吸收衰减示意图

假如物体是由不均匀物质组成，线性衰减系数μ是非均匀分布的，则式（1）应写为：

iμ为物体在id处的衰减系数，il为物体在X射线方向上iμμ=部分的长度。

若入射X射线束围绕成像样品做旋转和平移扫描运动（如图2所示），则根据检测器记录到的数据，经过相关的图像重建算法就能得到(,)xyμ，即获得成像样品的断层信息。

图2　X-CT平移-旋转扫描示意图

二、CT成像实验仪的基本构造和原理

我们采用的CD-50BGA+型CT成像实验仪是一种由重庆大学ICT研究中心模拟大型CT原理设计生产的完整小型CT系统，具有小型、稳定性好、操作便捷的特点，适用于高校相关专业的实验教学。CT成像实验仪主要由放射源，探测器，数据转换系统和机械系统（控制子系统和扫描移动子系统）组成，其系统构成框图如图3所示。

图3　CT成像实验仪结构框图

该实验仪适用于小尺寸工件样品的CT成像。成像样品放在一个由机械系统提供的可作平移、旋转、升降运动的转台上，转台两侧的两个固定的支架分别安装一个射线源和一个探测器。检测时手动调节转台使物体检测部位刚好处于被射线扫描的高度位置。计算机控制使被测对象按预定扫描要求进行旋转和平移。射线源为固态铯点源，放置在钨合金源塔里，平时呈闭锁状态，工作时通过前准直器的小孔射出笔形射线束。探测器单元由闪烁晶体和光电倍增管组成。安装在探测器前端的后准直器，主要起到形成一定尺寸的单束γ射线、并防止无效射线和散射射线影响的作用。主机由DAS（数据采集系统）以及通信接口组成。该实验仪系统还包括一个专用的图像处理软件包，具有断层图像重建、图像处理和3D重构等功能。CD-50BG型CT成像实验仪扫描系统的实物图如图4所示。

图4　CD-50BGA+型CT成像实验仪实物图

三、CT成像实验的具体方案和实现过程

CD-50BGA+型CT成像实验仪的探测器孔径有1mm×4mm和2mm×4mm两种可选。提供三种扫描方式：“CT扫描1”、“CT扫描2”和“CT扫描3”。“CT扫描1”是让工件台从起始点平移至终点，在终点停止平移，工件台自动旋转一个很小的角度，自由返回至起始点，重复平移至终点，最终旋转360°后完成整个扫描过程。“CT扫描2”和“CT扫描1”的运动方式类似，只是每次旋转时只旋转后者的一半角度，最终旋转180°后完成扫描。“CT扫描3”是平移加旋转的运动方式，工件台在从起始点到终点的平移过程中不断旋转，往返至规定次数后完成扫描。三种扫描方式对图像质量没有影响，只是采样速率不同；采样时间根据视场可选，由于检测工件的尺寸较小，所以扫描图像像素矩阵也小，可生成64×64和128×128的图像，一般断层图像重建时间不超过0.5s／层。

CD-50BGA+型CT实验仪所用的成像工件样品有孔卡、条卡、胶木密度卡和密度卡，如图5所示。可根据不同的工件样品设计不同的CT成像实验。

图5

（1）空间分辨率成像实验

将CD-50BGA+型CT教学实验仪接通电源，用数据线连接到计算机USB接口。将孔卡底部涂胶（防止实验过程中不产生移动）安放于工件平台上，调节平台高度使1mm×4mm探测口的准直红光对准工件的中部位置，使探测射线、工件、探测器孔位于一条直线上，放置好工件后用打开放射源。在主软件界面设置相应参数，运动检查和系统诊断正常后点击开始扫描，近两个小时后扫描结束。调节探测器孔径为2mm×4mm，重复实验，得到1mm×4mm探测器孔径条件下与2mm×4mm探测器孔径条件下孔卡扫描图像，如图6所示。通过该实验可以分析检测器孔径对CT图像空间分辨率的影响。

图6

将铜质孔卡工件改为铜质条卡工件，选取实验条件为：扫描方式3，选取视场直径为40mm，采样时间为0.3s，探测器孔径为1mm×4mm。按照规范的实验步骤，得到图像矩阵设置为64×64和设置为128×128的扫描图像如图7所示。通过该实验可以分析不同矩阵大小对CT成像图像空间分辨率的影响。

图7

（2）密度分辨率成像实验

准备工作同上。将密度卡工件底部涂胶安放于工件平台上，选取扫描方式3，视场直径40mm，采样时间为0.5s，图像尺寸设置为128×128。运动检查和系统诊断正常后点击开始扫描，将近两个小时后扫描结束。改变采样时间到0.1s保持其他实验参数不变，再次对同一工件进行扫描得如图8所示图像。通过该实验可以分析采样时间对CT图像密度分辨率的影响。

图8

可以借助该CT实验仪的图像处理软件包对实验所得图像进行多种处理，也可以利用Matlab中的图形处理工具编程实现对实验所得图像进行后处理，进一步改善图像质量。

四、总结

将CT成像实验仪应用于医学成像技术实验教学，改善了以往缺乏硬件设备时往往采用软件编程实现CT成像算法的情况，可以使学生直观地了解CT成像装置的构造，更重要的是可以通过实验操作了解CT成像的基本原理并对CT图像质量进行综合分析。该实验仪除了有断层扫描的功能外，还能同时进行射线能谱的测量以及物质射线衰减系数的测定，这部分内容作为附加实验供学生自由选做，使学生在学到CT成像技术的同时增添了有关辐射物理方面的知识，大大扩展了学生的知识面。虽然该实验仪采用的是单点逐行扫描方式，花费的实验时间比较长，就实验仪方面还有待改善，但是学生普遍反映较好，认为通过该实验很好的将理论知识与实际进行结合，学到了很多在课堂讲授中学不到的知识。

参考文献

[1] 刘丰林，卢艳平，王珏. 教学用工业CT实验仪器的设计与开发研究. 核技术，2006，（7）：556-560.

[2] 项金根. CT教学实验仪的研制.学位论文. 北京：清华大学物理系，1999.

[3] 张泽宝. 医学影像物理学（第二版）. 北京：人民卫生出版社，2005：153-167.

[4] 余晓锷，卢广文. CT设备原理、结构与质量保证. 北京：科学出版社，2005：107-114.