影像物理学实验定1学习.docx
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影像物理学实验定1学习
医学影像物理学实验
重庆医科大学医学物理学教研室
2011.5
实验一透射式超声CT
目的
1．了解透射式超声CT的成像原理。
2．掌握透射式超声CT成像仪的测量方法。
3．完成透射式超声CT成像仪的实际操作。
器材
PC机，透射式超声CT成像实验仪，旋转式圆筒储水槽，数据采集系统及计算机辅助软件，
专用连接线等组成。
原理
由于X射线对人体是有害的，而超声波对人体几乎是无害的，所以，人们希望能够像X-CT一样将超声安全地用于医学断层成像技术中，以得到类似的对被测组织定量的分析。
在X-CT中X射线的传播路径是直线，而超声在人体组织传播时，由于其波长较长会发生折射和衍射等散射现象，因而超声CT（简称UCT）传播路径比较复杂。
这使得UCT的理论研究和X-CT有所不同。
1．透射式UCT以超声波的接收方式分类，超声CT主要有两种类型，即透射式和反射式。
透射式UCT的超声发射器和接收器位于被测介质的两侧，根据接收透射的超声波来得到介质的信息。
根据这些信息，利用图像重建算法来重建介质的图像。
而反射式UCT的超声发射器和接收器都位于介质的同一侧，通过接收反射的超声回波来得到图像信息。
2．无散射UCT无散射UCT的成像理论忽略介质的不均匀性对声场的影响，将超声射线的传播路径看作直线。
围绕介质选择多个方向发射超声波，利用类似X-CT中的图像重建方法来重建被测介质的声学参量（声速、衰减系数）的分布图像。
目前,超声透射断层成像技术已经应用于乳腺等软组织的超声成像中，成为乳癌等疾病检测的重要手段之一。
透射式UCT重建理论的一个关键问题是确定超声射线的传播路径，对重建图像质量的改进可以看作是对散射条件下传播路径的改进。
3．透射式UCT的工作原理利用超声波在传播时被物体阻挡后衰减的机理，透射式超声成像实验仪通过超声换能器发射和接收信号。
透射式U
一般由两个相对放置的超声换能器来完成超声波的发射和接收工作。
其换能器被安装在一个旋转架上，采集各个角度下的边缘位置。
实验过程中由单片机自动生成数据文件，最后由成像程序调用此数据文件生成图像，得到被探测对象各断面的图像。
换能器接收的电压信号送入数据采集系统，数据采集系统的另一通道采集换能器的跃变位置信息，并将数据提供给成像程序，最终利用图像重建技术在计算机的辅助下得到一个二维的断面参数分布图像。
值得注意的是，目前的U
理论都是以射线理论或波动方程为依据，建立起介质的声学参量与声场（接收数据）之间的关系，然后利用各种重建算法来重建介质图像。
这些理论的推导过程都存在一定的假设条件和不同程度的近似，比如,透射式UCT成像中要求的无散射条件等。
仪器介绍
透射式超声CT实验装置的主要组成如图1-1所示。
1．实验水槽水槽中心的托盘上放置被测物体，支架上装有传动装置，通过电机的转动可带动滑杆完成平行移动。
换能器被固定在滑杆上，通过调节可以保持两个换能器正面相对。
“发射换能器”用同轴电缆接到超声波测试仪的换能器“输出”插座；“接收换能器”用同轴电缆接到超声波测试仪的换能器“输入”插座。
换能器的“位置参数”通过电路转换成电压信号，送入数据采集系统。
图1-1透射式超声CT实验装置及连线图
图中：
①信号输入/定标信号输入；②定标/扫描输出；③信号放大输出；④输入；⑤输出；⑥幅度调节；⑦频率调节；⑧定标/扫描选择；⑨定标/扫描执行；⑩仪器电源开关；（11）旋转水槽制动器；（12）接收换能器；（13）发射换能器；（14）转盘刻度；（15）水槽定座；（16）可旋转水槽；（17）支架；（18）被测物体；（19）定标/扫描执行控制箱；（20）定标定标尺；（21）发射换能器接口；（22）接收换能器接口；（23）定标信号输出；（24）信号输出；（25）定标/扫描输入；（26）后面板USB接口；（27）PC机USB接口
2．超声CT成像实验仪超声成像实验仪是整个
测试系统的中心，它通过发射电路以及接收电路与石英晶体换能器相连。
由于晶体表面的压电效应，使它可以把机械波与振荡电路所产生的连续脉冲进行转换。
在发射端，电路中的高频方波信号加在压电晶体上。
由于逆压电效应晶体表面产生相应的高频机械振动，形成超声波；在接收端，由压电效应把高频机械振动波转换成电信号。
因为选用了优质的换能器，保证发射超声波的波束非常窄，方向性很好，因此其测量精度可高达毫米的数量级。
仪器面板上的插座3（信号放大输出），其内部已接通，外部无须连接，只用于调试检测用。
3．数据采集系统由单片机组成的数据采集系统，实现计算机辅助软件控制下的自动数据采集。
在实验中需要获得换能器在电压跃变时的位置信息，这就需要把位置信息转换成可供单片机处理的电信号。
采用一个专门的同步机构，使滑块与分压电路相连。
滑块移动时相当于滑线变阻器的滑动触点在同步移动，对应的分压比也同步变化，从而获得与位置信息相对应的电压信号。
当滑杆行进过程中信号幅度发生跃变时，单片机采集到该位置对应的电压信号，然后由定标程序将电压数值大小再还原为位置信息。
由于换能器接收到的信号较小，所以需要通过接口电路进行处理，将采集到的信号进行放大、整形处理，再送入仪器内部的单片机。
采用这种方法既可以提高单位距离的分辨率，又能提高电路的相对稳定性。
内容与步骤
1.准备
（1）按图1-1进行接线，将超声成像实验仪的“换能器输入”与“换能器输出”分别用同轴电缆与水槽两换能器插座连接；实验仪的“信号输入”插座用七芯线与“定标/扫描执行控制箱”的“信号输出”插座连接。
（2）在检查接线无误后，打开PC机及仪器的电源开关。
点击桌面“超声CT实验”打开UCT成像实验的计算机辅助软件，屏幕上将显示如图1-2所示的主界面（注：
无框内图形）。
图1-2计算机辅助软件的主界面
（3）选定主界面上相应编号的USB口。
如果计算机是第一次使用该实验仪，那么需要先运行一下USB驱动程序选定主界面上相应编号的USB口，以后就不需要了。
单击图1-2中“USB口查找”，屏幕上将弹出一个小菜单（如图1-3）。
用鼠标点击“端口句柄查找”，则会显示出USB口的序号，接着用鼠标选定主界面上的相应编号的USB口（例如“USB2”）。
出现“ok！
端口正确”后，选择“确定”。
图1-3选定主界面上相应编号的USB口
（4）定标把仪器面板上的“定标/扫描选择”开关往下拨到“定标”位置。
点击图23-2主界面上的“开始实验”按钮，再点击“定标”按钮。
按菜单提示人工把标尺移到指定位置
处，按仪器面板上的“定标/扫描执行”键，控制器会自动将标尺移到指定位置处停止；再点击“数据采集”按钮，点击“数据显示”。
分别按提示把标尺移到指定位置
处重复以上操作步骤，直到定标完成提示“请将标尺移到0厘米处”。
点击“数据采集”按钮，“确定”后，则软件自动生成“定标数据拟合图”（应该为一直线，可保存）。
单击“确定”按钮.从而完成定标。
（如果实验者认为不需要“定标”，可以在点击“定标”键后，接着点击“跳过定标”。
）
2.测量
（1）调节接收换能器的最大值把仪器面板上“定标/扫描”选择键往上拨到“扫描”位置，这时候换能器将自动移回到扫描起点
处。
用鼠标点击“扫描”或者主界面右上角的箭头指示图标，会弹出调节器画面（图1-4）。
在弹出的“接收换能器最大值调节”对话框中，点击“开始读数”。
仔细调节发射换能器与接收换能器的方向，使两个换能器的端面保持平行。
然后调节实验仪的输出频率为
左右（该实验仪输出频率的调节范围是：
）；再仔细调节超声成像实验仪的“输出幅度”旋钮，使软件读数窗口显示的电压值在
范围。
再细调频率使这个电压值为最大。
也可以适当调节“输出幅度”旋钮，使电压读数保持在
范围。
例如，把电压值调节到
左右，当电压值稳定三十秒钟后，点击“停止读数”按钮，这时候图中将显示出低点和高点阈值，如不修改，接着点击“确定”按钮，图中将显示出低点和高点阈值（或是点击“默认”按钮，则低点和高点阈值，分别为
和
）。
图1-4调节器画面
（2）观察“定标数据拟合图”若“定标数据拟合图”的线性特征明确，则单击“扫描”按钮；否则需要重复准备步骤一中的第（4）步定标。
（3）模式选择点击图1-2所示的主界面“模式”按钮。
在弹出的“模式选择”对话框中输入预设转盘每次转动的角度值（该值必须是
的约数。
预设值越小分辩率越高，但需要实验时间会相应延长）。
如不修改，那么默认值是“
”，点击“确定”按钮。
（4）开始扫描点击主界面的“扫描”按钮，按提示转动转盘至指定角度（例如“
”）。
在点击图1-5中“开始”按钮和按下仪器面板的“定标/扫描执行”键后，换能器会自动来回采样一次。
若采样成功则会显示“本步骤完成”，并显示4次采集数据，将4个测量数据记入表1-1。
然后单击“确定”按钮；计算机自动将平均值显示在屏幕上。
（5）扫描数据把转动角度分别调节到“
”，重复步骤（4）。
图1-5扫描界面
（6）成像与保存两次点击“确定”按钮，于是“确定”按钮转变为“成像”按钮，再点击“成像”按钮，计算机主界面上显示成像图形如图1-2所示。
利用右上角的“保存图像”按钮保存截面图或打印。
3．实验记录
表1-1透射式超声CT成像（参考附录表格）。
角度（度）
跃变位置1
跃变位置2
跃变位置2’
跃变位置1’
4．实验结果
附上结果图。
总结本实验的成像原理、实验的关键步骤、实验结论和讨论其优缺点。
注意事项
1.将被测物体置于圆筒托盘上，并确保在整个实验过程中不被移动。
2.若重复查找端口，则可能不出现端口数，此时只有重新换电脑的USB口。
3.如果在数据扫描时有某一组数据不好，可以通过点击“重新扫描”，把原来的数据替换掉，不需要从头开始重做。
4．旋转式圆筒储水槽为玻璃器皿。
思考题
1．在测量时为什么要使两个换能器端面保持平行？
2．在预设转盘每次转动的角度值时为何该值必须是
的约数？
【附录】一组测试数据范例（每次转动12度的数据记录）
（数据记录的是圆柱形玻璃瓶在各个角度下物体边缘的位置信息）
角度（度）
跃变位置1
跃变位置2
跃变位置2’
跃变位置1’
0.0
13.92
4.26
6.01
15.43
12.0
14.24
4.44
6.20
15.51
24.0
14.20
4.53
6.48
15.69
36.0
14.46
4.68
6.49
15.82
48.0
14.58
4.80
6.64
15.88
60.0
14.62
4.84
6.71
16.00
72.0
14.50
4.96
6.90
16.12
84.0
14.62
5.00
6.87
16.13
96.0
14.69
5.00
6.75
16.16
108.0
14.69
5.00
6.80
16.13
120.0
14.46
4.92
6.91
16.05
132.0
14.46
4.80
6.71
16.01
144.0
14.35
4.72
6.60
15.89
156.0
14.29
4.57
6.33
15.75
168.0
14.11
4.45
6.41
15.55
实验二X射线成像
【实验目的】
1．了解X射线成像的物理原理。
2．掌握X射线成像系统使用方法。
3．通过实际操作，观察物体内部结构。
【实验仪器】
BJI-1E型手提式X射线透视仪，接线板，电源适配器，直流电源，万用表等（或其他用于观察内部结构的物体）
【实验原理】
图2-1X射线透视仪
基本原理：
X射线有很强的贯穿本领，当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时，由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面的差异，对投照在其上的X射线的衰减（主要是吸收衰减）各不相同，使透过人体的X射线强度分布发生变化，从而携带人体信息，形成X射线信息影像。
X射线信息影像不能为人眼识别，须通过一定的转换系统将X射线强度分布转换成可见光的强度分布，形成人眼可见的X射线影像。
对人体产生病变部位观测和定位，具有重要意义，因此广泛的被用于临床的诊断的与检测。
【实验步骤】
1、连接线路。
2、打开X射线成像仪电源开关、指示灯亮后，表示仪器已进入开机工作状态。
3、将接线板放在贴近荧光屏的一侧。
4、按下启动键，按下X射线成像仪的复位和透视键
5、观察荧光屏上的图像，变动接线板的位置，观察图像的变化。
6、画出观测物体的内部结构草图
7、较长时间观测时，要及时复位。
8、变换观测物体重复步骤4、5。
【实验记录】
画出接线板（或其他用于观察内部结构的物体）的内部结构草图。
（要求至少观测三种常用的器件并画出其内部结构草图）
实验三B超影像系统
【实验目的】
1．了解B超影像系统的物理原理。
2．掌握扇形B超的测量方法。
3．通过实际操作，达到一定的测量训练。
【实验仪器】
扇形B超仪，测量槽和挡板，直尺,玻璃球
【实验原理】
图3-1仪器面板布置图
1.操作键盘；2.电源开关；3.电源指示灯；4.亮度电位器；5.对比度电位器；6.总增益电位器；7.灰阶条；8.图像显示区；9.光标；10.固定字符
图3-2后面板示意图
1.探头连接插座；2线卡；3.保护接地柱；4.电源输入插座；5.视频信号输出插座；6.熔断器；7.排风散热孔；8.产品铭牌
基本原理：
超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。
应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。
【实验步骤】
1、按仪器面板图连接线路，将测量槽内盛适量水。
2、打开扇形B超仪开关，将耦合剂涂到探头上。
3、将探头垂直对准测量槽一侧并良好接触（不要施加压力，以免探头损坏）。
4、观察仪器屏幕上的图像，将挡板垂直放入测量槽中并沿探头方向在测量槽内做往返运动，观察图像的变化。
5、确定两挡板在图像中的位置，明确多次回波的影响，冻结图像。
6、按下距离测量键，操作方向键，将图像中的“+”标记移至测量槽一侧在图像中的位置，按下参考键，将“+”所处为止设定为测量的参考起点，按动方向键，即出现另外一个“+”，移动“+”至测量槽另一侧在图像中的位置，屏幕上固定字符“+：
”处自动显示测量距离。
7、重复步骤5、6，多次测量求均值与实际测量值比较。
8、将玻璃球放入测量槽中，改变玻璃球的位置重复步骤4、5。
9、按下“面积/周长”测量键，沿途向轮廓化闭合曲线屏幕左上角会自动显示闭合曲线的周长，再次按下“面积/周长”测量键相应闭合曲线所围成的面积会显示在屏幕上。
10、重复步骤9，多次测量求均值与实际计算值比较。
11、实验结束，关闭仪器开关，清洁探头和与之接触的测量槽接触面。
【实验记录】
表3-1两挡板相对位置
两挡板相对位置
1
2
3
4
5
均值
仪器测量距离（mm）
真实测量距离（mm）
表3-2玻璃球
玻璃球
1
2
3
4
5
均值
仪器测周长（mm）
实测周长（2πR）（mm）
实测面积（mm2）
实测面积（πR2）（mm2）
实验四数字图像处理及CT图像重建
（digitalimageprocessingandCTimagereconstruction）
数字图像是指把一幅图像看成若干个像素（Pixel）组成的像素矩阵，而每一个像素，计算机又将它当作数字数据来处理，所以说，数学图像又是数字矩阵。
“像素”就是一个面积元，是构成一幅图像的最小单元。
构成图像的像素数量少，像素的尺寸就大，可观察到的原始图像细节就少；反之，构成图像的像素数量多，像素的尺寸就小，可观察到的原始图像的细节就多。
医学CT图像包括X-CT、MRCT、UCT、ECT四大类，通常所说的CT都是指X-CT影像。
CT图像重建是运用一定的物理技术，获取生物体某断层上的生物信息，采用一定的数学方法，求得该断层上的CT值分布，然后再应用计算机技术把此二维分布矩阵转变为灰度分布
本仿真模拟实验主要是改变低值对比度图像，使原有低对比度图像变换后能清晰地展现原图像相关的部分或全部。
同时,本实验中用三维动画的方式模拟了对头部的CT平移扫描和旋转扫描，学生可以形象地感受两种扫描的扫描方式及扫描过程。
[实验目的]
1.掌握数字灰度变换技术的原理和方法;
2.熟悉图像矩阵大小、像素数、灰度级数与图像质量之间的关系
3.通过实验熟悉重建CT图像的过程。
4.体会像素大小对图像质量的影响。
[实验器材]
计算机及“CT实验课件”应用程序
[实验原理]
1.数字图像灰度变换技术
灰度是指黑白或明暗的程度，它是在图像画面上表现各个像素黑白或明暗程度的物理量。
灰度变换是数字图像处理常用的一种技术。
其做法是对原图像各个像素的灰度值按照一定的数学模型做变换，目的是改变原图像各个像素间的对比度。
灰度变换分为线性变换和非线性变换两大类。
线性变换属直线变换，满足的数学关系为：
Y=kX+b等，其中x为原图像，y为变换后的图像，k为倍数，b为常数。
非线性变换属曲线变换，如对数变换或指数变换等。
2.CT图像重建模拟实验
扫描是为获取投影（projection）而采用的物理技术，是用近于单能窄束的X射线束以不同的方式、沿不同的方向、按照一定的顺序对受检物体的体层进行投照。
扫描的方式有平移扫描、旋转扫描、平移加旋转扫描等。
对生物体扫描后，获取足够的投影数据，然后采用一种数学算法，求得二维µ值分布µ（x，y），再将µ值分布转换成对应像素的CT值分布CT（x，y），此后，通过电子计算机技术再把图像画面上的CT值分布转换为灰度图像。
[实验步骤]
1.数字图像灰度变换技术
（1）启动计算机;打开“影像物理实验CT”课件;
（2）在“CT影像模拟实验”动画片头中，点击“开始”进入目录页，在目录页中点击“实验一数字图像灰度变换技术”。
先点击“转介绍页”，在出现窗口技术实验介绍并仔细阅读其原理介绍，了解灰度变换的定义、分类和实验内容以后，再点击“进入实验”按钮进入实验环境，其计算机界面如图4-1所示。
图4-1数字图像灰度变换技术的界面图
（3）在阅读“提示”内容后，参照图4-2在“原图像名”框中输入原始数字图像名（ha），在线性变换灰度值和非线性变换灰度值框中分别输入数值，点击“图像显示”，“运行灰度变换程序”开始运行。
状态栏内提示：
“正在运行程序，请稍等！
”运行完毕，提示消失。
（4）点击“图像显示”按钮，在各个窗口的Picture框中将显示运行结果，其界面如图4-2所示.点击“清空窗口图像”按钮，清空窗口。
图4-2图像显示的界面图
（5）输入不同的原始图像名（hb；hc；ahb；bhb,……）重复第（3-4）步，运行程序，观察比较运行结果，并改变参数获得其最佳结果,记录（hb和ahb）为图1和图2（保存界面图像的步骤：
“PrtscSysRq”---桌面“新建”Word---“粘贴”并命名！
）。
（6）点击“返回目录页”按钮，退到目录窗口，再按“结束”按钮结束实验。
2.CT图像重建模拟实验
（1）打开“影像物理实验CT”实验课件;
（2）在“CT影像模拟实验”动画片头中，点击“开始”进入目录页，在目录页中点击“实验二CT影像模拟重建”。
先点击“转介绍页”，在出现窗口技术实验介绍并仔细阅读其原理介绍、分类和实验内容以后，再点击“进入实验”按钮进入实验环境，其计算机界面如图4-3所示。
（3）在框中输入物体名（a），点击“平移扫描”，再点击下排的向右箭头按钮，Picture框内开始扫描。
图4-3中所示为平移扫描正在进行中。
（4）扫描结束，点击“关闭扫描”按钮，然后点击“处理投影数据…”按钮，进入主窗体.其界面如图4-4所示.
图4-3CT影像模拟重建
图4-4对扫描数据进行运算
（5）点击“显示图像”按钮，显示其界面如图4-5所示（未运算）;点击“清空重建图像”.
图4-5显示原物及重建图像
（6）点击“运行程序求解像素值”按钮，开始运算。
状态栏内提示：
“正在运行程序，请稍等”运行完毕，提示消失。
（7）再次点击“显示图像”按钮，四幅图形分别显示在四个Picture框中。
观察像素大小不同对应的图象质量的差别。
（8）单击“转画图窗体”按钮，点击“像素值逐点转灰度像”，进入如图4-6所示的界面.将在Picture框中从左下脚开始按从左向右，由上而下的顺序逐点成像。
点击“重建图像清空”按钮，清空Picture框，再点击“返回主窗体”按钮，返回主窗体。
图4-6转画图窗体
（9）为了更清楚地观察图像，请点击“转放大图像窗体”观看放大图像。
并记录为图3.
（10）在（3）的框中输入物体名（a），并改选“旋转扫描”重复（3）-（9）,并记录为图4.
（11）按照同样方法观察其他图像（b,c,d…）的成像过程，并体会像素大小与图像质量之间的关系。
（12）回到“扫描”窗体，点按“返回目录页”回到目录窗体，单击“结束”按钮结束实验。
[实验记录]
1.数字图像灰度变换技术的仿真图形（图1；图2）
2.CT图象重建模拟实验的仿真图形（图3；图4）
[实验结果]
1.数字图像灰度变换技术的仿真结果
（比较图1；图2的结果）
2.CT图像重建模拟实验的仿真结果
（比较图3与图4）
[思考题]
1．灰度变换的定义及分类是什么？
2．关于变换变倍的两点注意事项是什么？
3．扫描的目的是什么？
扫描方式有哪几种？
4．采用各种数学算法的目的是什么？
实验五CT图像后处理技术的计算机模拟实验
（simulationexperimentofCTdigitalimageprocessing）
经扫描获取的像素CT值数字矩阵直接转换成的图像，往往不能直接被临床利用，必须使用图像后处理技术对图像加工处理之后，才能转变为可利用的医学图像。
“窗口技术”便是图象处理技术中最典型的一种。
所谓窗口技术是指放大某段范围内灰度的技术，即把生物体中与被观察组织的CT值范围相对应的灰度范围定为放大的灰度范围，把放大灰度范围的上限增强为全白，把放大灰度范围的下限压缩为全黑，这样就放大或增强了局部灰度范围内不同灰度之间黑白对比的程度。
CT图像的后处理技术，是根据一定的数学方法应用计算机技术和电子技术，对已获取的像素CT值数字矩阵进行有目的的再加工处理，使图像能被方便识别辨认，以利快速地获取准确诊断信息的技术。
【实验目的】
1.通过实验加深对CT窗口技术的理解。
2.体会不同窗位
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