《醫學影像物理學》實驗教學大綱課程名稱：醫學影像物理學適應專業：影診、影工專業實驗指導書名稱：《醫學影像物理學實驗》主編：仇惠人民衛生出版社一、學時：總學時：16二、實驗教學目的：培養學生的動手能力，使學生在物理實驗的基礎知識、基本方法和實驗技能等方面得到嚴格的訓練，掌握基本物理量測量的原理和方法，學會正確選擇和使用基本物理儀器、對實驗數據進行正確判斷和處理并對實驗結果進行合理分析。通過對實驗現象的觀察、對物理量的測量和對實驗結果的分析，使學生加深對物理學基本理論和定律的理解和掌握，熟悉某些物理現象，逐步提高觀察、分析實驗現象和總結實驗規律的能力。學習用所學過的理論知識分析和解決實驗中所存在的問題。在獨立操作的實驗過程中，逐步培養學生獨立思考和獨立工作的能力，培養學生用實驗手段解決實際問題的能力，同時培養學生嚴肅認真、實事求是的科學作風。三、實驗基本要求：1.端正學習態度，充分認識物理學實驗課的重要性。學生應充分利用較短的實驗課教學時間。實驗前充分地預習，并對實驗要求合理進行實驗操作，仔細觀察認真思考實驗現象，正確記錄實驗數據，并對實驗結果加以全面分析，實驗結束后認真寫好實驗報告，認真上好每一次實驗課。2.實驗前要認真預習好基本物理儀器的原理和使用方法，實驗過程中要創造更多的使用和熟悉物理儀器的機會，盡可能做到熟練操作，為掌握復雜的醫療儀器打下基礎。3.要注意養成良好的實驗習慣。首先確保安全第一。根據實驗場所的環境和實驗所需的裝置，正確合理地安排好各種裝置、電源及導線的位置，做到實驗線路一目了然，盡可能減少實驗過程中可能發生的人為故障，使實驗得以準確、無誤、順利進行。4.要注意掌握實驗中所采用的基本測量方法。基本測量方法是復雜測量方法的基礎，實驗過程中不但要理解其原理，同時要勁力熟悉和牢記。5.養成真實記錄原始實驗數據的習慣，字跡一定要清楚、整潔。對原始實驗數據一定要實事求是地進行記錄。對于原始數據決不能隨意更改。有些學生當看到自己的實驗結果與所預期的不相符合時便隨意改動原始數據，這是物理實驗的大忌。所以真實地記錄原始數據是取得正確實驗結果的前提。6.培養對實驗結果進行分析、判斷的能力。當實驗結果與所預期的結果不相符合時，先根據不合理程度的大小來判斷問題可能存在的環節，加以改正后重作實驗，從而提高判斷分析問題的能力。7.珍惜每次實驗課的時間。有時在完成規定測量內容后還有剩余的時間，可以用來分析一下實驗可能存在的問題，找出本實驗的關鍵步驟所在，怎樣做才能使實驗更準確。四、醫學物理學實驗課的三個教學環節：物理學實驗課是學生在教師指導下獨立進行實驗的課程。因此在整個實驗課過程中要充分發揮學生的主觀能動性，通過以下三個教學環節培養學生獨立的工作能力和嚴肅認真、實事求是的工作作風。1.課前認真預習認真閱讀實驗教材，充分了解本次實驗的目的、原理和方法、內容和注意事項，同時對驗所用的儀器、設備、元件及實驗步驟有一個大概地了解，在充分預習的基礎上寫出預習報告，并設計好數據記錄表格。2.實驗中正確操作實驗時要遵守實驗室的規章制度，仔細閱讀儀器的使用方法和注意事項，在教師指導下正確使用儀器。實驗進行時應合理操作，認真思考、仔細觀察，及時認真的把原始數據記錄在預先設計好的表格內，測量完畢后請教師檢查實驗數據，合格后方可結束實驗并請教師簽字。3.寫好實驗報告先對實驗數據進行整理計算，然后用簡潔的文字寫好實驗報告。實驗報告要字跡清晰、文理通順、圖表正確完整。實驗報告的內容為：實驗題目、日期。實驗目的：實驗所要達到的基本目標。實驗器材：實驗原理：實驗內容及步驟：完成數據表格及圖線、圖表等：實驗結果的表示及討論：原始數據：五、醫學物理學實驗室規則1.實驗室內肅靜和整潔，指導教師和學生一律穿白服進入實驗室。2.實驗前根據指導教師的講述或實驗書上的說明檢查儀器、元器件，如有缺損應立即向指導教師報告。3.未了解儀器性能之前切勿動手操作，使用儀器時必須嚴格遵守操作規程，不得拆卸儀器，不做與本實驗內容無關的實驗。4.使用消耗品時要注意節約。5.實驗完畢后，要清理儀器及元器件，填寫儀器使用登記表。關閉電源和水道，做好衛生清掃。6.損壞儀器或丟失器材，按情節輕重，有關責任者要賠償損失并交出書面檢查。參加實驗人員要嚴格遵守上述規則。六、實驗項目[實驗名稱一]電子束的聚焦與偏轉實驗[項目性質]綜合性實驗[實驗目的]1．了解電子束聚焦與偏轉的原理。2．觀察電子束在電場和磁場中的聚焦現象。3．學會測量電子束在電場和磁場中的偏轉位移。4．理解各種成像設備中顯像管的基本原理。[實驗原理]各種成像設備中的示波管、顯示器、電視顯像管以及攝像管等的外形和功用雖然各不相同，但它們都有一個共同點，即利用了電子束的聚焦和偏轉。電子束的聚焦與偏轉可以通過電場和磁場對電子的作用來實現。本實驗就是利用示波管研究電子束在電場和磁場中的運動規律。[實驗時數]2學時[實驗要求]1．觀察縱向電聚焦。2．測量電偏轉位移。3．測量磁偏轉位移。4．觀察縱向磁聚焦思考題1．如果在偏轉板上施加交流電壓，會出現什么現象？2．除偏轉磁場外，如果在其中一對偏轉板上再加電壓，那么兩種偏轉將會互相抵消，為此應該選用哪一對偏轉板？極性如何？假如已滿足凈偏轉為零的條件，然后增大加速電壓，將出現什么現象？[實驗名稱二]光電效應及普朗克常數的測定[項目性質]驗證性實驗[實驗目的]1．加深對光電效應和光的量子性的理解。2．學習驗證愛因斯坦光電效應方程的實驗方法，并測定普朗克常數。[實驗原理]在光的照射下，從金屬表面釋放電子的現象稱為光電效應。光電效應的基本規律可歸納為：光電流與光強成正比；入射光頻率低于某一臨界值時，不論光的強度如何，都沒有光電子產生，稱為截止頻率；光電子的動能與光強無關，與入射光頻率成正比。愛因斯坦突破了光的能量連續分布的觀念，他認為光是以能量的光量子的形式一份一份向外輻射。光電效應中，具有能量的一個光子作用于金屬中的一個自由電子，光子能量或者被完全電子吸收，或者完全不吸收。電子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，剩余部分成為逸出電子的最大動能為）此式稱為愛因斯坦方程。式中為普朗克常數。[實驗時數]2學時[實驗要求]1.測定光電管的電流電壓特征曲線、測定截止電壓。2.求普朗克常數和實驗誤差。思考題1.實驗時能否將干涉濾光片插到光源的光闌口上？為什么？2.從截止電壓Uc與入射光頻率的關系曲線,你能確定陰極材料的逸出功嗎？3.測定普朗克常數的實驗中有哪些誤差來源？實驗中如何減少誤差？[實驗名稱三]CT計算機模擬實驗——圖像重建[項目性質]模擬性實驗[實驗目的]1．通過實驗熟悉重建CT像的過程。2．體會像素大小對圖像質量的影響。[實驗原理]CT圖像重建是運用一定的物理技術，獲取生物體某斷層上的生物信息，采用一定的數學方法，求得該斷層上的CT值分布，再應用計算機技術把此二維分布矩陣轉變為灰度分布。掃描是為獲取投影（Projection）而采用的物理技術，是用近于單能窄束的X射線束以不同的方式、沿不同的方向、按一定的順序對受檢體體層進行投照。掃描的方式有平移掃描、旋轉掃描、平移加旋轉掃描等。對生物體掃描后，獲取足夠的投影數據，然后采用一種數學算法，求得二維μ值分布μ（χ，y），再將μ值分布轉換成對應像素的CT值分布CT（x，y）。此后，通過電子計算機技術再把圖像畫面上的CT值分布轉換為灰度圖像。本實驗中用三維動畫的方式模擬了對頭部的平移掃描和旋轉掃描，學生可以形象地感受這兩種掃描的掃描方式及掃描過程。求解投影數據、像素矩陣分布、不同像素矩陣方式顯示以及逐點成像等都是應用MicrosoftVisualBasic6.0軟件編寫完成。[實驗時數]2學時[實驗要求]1.打開計算機，安裝VisualBasic6.0。2.打開ctsy\CT實驗課件,運行應用程序。3.在CT實驗動畫片頭中，點擊“開始”進入目錄頁，再點擊“進入實驗”按鈕進入實驗環境。4.在Text框中輸入物體名（a、b、c、d等，參見幫助），點擊“旋轉掃描”或“平移掃描”，觀察掃描方式。5.掃描結束，點擊“關閉掃描”按鈕，然后點擊“對掃描數據進行運算”按鈕，進入主窗體。6.點擊“顯示原物及重建圖像”按鈕。7.點擊“運行像素值求解程序求解像素”按鈕，開始運算。8.運算完畢再次點擊“顯示原物及重建圖像”按鈕，四幅圖像分別顯示在四個Picture框中。觀察像素大小不同對應的圖像質量的差別。思考題1．CT像的重建過程有哪幾個步驟？2．掃描的目的是什么？掃描方式有哪幾種？3.采用各種數學算法的目的是什么？4.圖像矩陣大小對CT像有何影響？[實驗名稱四]CT計算機模擬實驗——窗口技術[項目性質]驗證性實驗[實驗目的]1．通過實驗加深對窗口技術的理解。2．體會不同的窗位、窗寬對圖像的影響。[實驗原理]經掃描獲取的像素CT值數字矩陣直接轉換成的圖像，往往不能直接被臨床利用，必須對圖像加工處理之后，才能轉變為可利用的圖像。“窗口技術”便是圖像處理技術中最典型的一種。所謂窗口技術是指放大某段范圍內灰度的技術，即把生物體中與被觀察組織的CT值范圍相對應的灰度范圍定為放大的灰度范圍，把放大灰度范圍的上限增強為全白，把放大灰度范圍的下限壓縮為全黑，這樣就放大或增強了局部灰度范圍內不同灰度之間黑白對比的程度。被放大或增強的灰度范圍叫做窗口（Window），放大的灰度范圍上下限之差叫窗寬，放大的灰度范圍的平均值，即所放大灰度范圍的灰度中心CT值叫窗位。如果用CT值表示，則：窗寬=CTmax-CTmin窗位=（CTmax+CTmin）/2要觀察的病變組織不同，應選擇的窗位、窗寬也不同，需根據理論，結合經驗選擇合適的窗位、窗寬。[實驗時數]2學時[實驗要求]1．打開計算機。2．打開ctsy\CT實驗課件,運行“課件”應用程序。3．在CT實驗動畫片頭中，點擊“開始”進入目錄頁，再點擊“進入實驗”按鈕進入實驗環境。4．在“原圖像名”Text框中輸入原始數字圖像名（a、b、c……i、j；aa、bb、cc……；cka、ckb等，參見幫助），窗口1、窗口2的窗位、窗寬Text框中分別輸入數值，點擊“運行窗口程序”開始運行。5.運算完畢點擊“圖像顯示”按鈕，在窗口1、窗口2Picture框中將顯示運行結果。6.點擊“清空窗口圖像”按鈕，清空窗口。7.重復第4步，輸入不同的原始圖像名，選擇不同的窗位、窗寬，運行窗口程序，觀察運行結果，為每個原圖找出你認為最理想的窗位、窗寬填入表中。8.點按“返回目錄頁”按鈕，退到目錄窗口，再按“結束”按鈕結束實驗。思考題1．怎樣理解窗位、窗寬？2．窗位高、低對圖像灰度有何影響？3.窗寬寬、窄對CT像有何影響？[實驗名稱五]磁共振成像[項目性質]驗證性實驗[實驗目的]1.采用定標樣品對一維成像有所認識。觀察梯度場各個參數對一維成像的影響。2.了解瞬間梯度場，對二維空間相位編碼有所認識。觀察瞬間梯度大小和瞬間梯度保持時間對二維成像的影響。[實驗原理]磁共振成像是利用核磁共振的共振頻率嚴格正比于磁場這一基本規律，采用梯度磁場達到不同位置對應不同共振頻率，并在共振中采集重建數據，再經傅里葉變換處理，從本質上講，得出成像參數值的分布，從而完成磁共振圖像重建。核磁共振成像利用的是樣品原子核在主磁場、梯度磁場及射頻電磁波的激勵下產生的MR信號強度及MR信號頻率和位相隨空間位置不同而異來完成的。[實驗時數]2學時[實驗要求]1.頻率設置。2.調節勻場。3.設置Z梯度場和一維成像。4.二維核磁共振成像記錄及處理。[思考題]1.梯度場各個參數對一維成像的影響？2.瞬間梯度場的梯度大小和瞬間梯度保持時間對二維成像的影響？[實驗名稱六]放射性測量[項目性質]驗證性實驗[實驗目的]1.了解閃爍計數器的工作原理。2.了解射線在空氣中的衰減規律。3.【掌握】射線的測量方法。[實驗原理]放射性是指原子核的一種自發衰變性質。對一定質量的一種放射性核素來說，單位時間內發生衰變的原子核數稱為放射性活度。引起射線在物質內傳播過程中強度減弱的方式有：擴散衰減（能量的分散）和吸收衰減（與物質的相互作用）。對于均勻介質中的射線點源在向空間各個方向輻射時，若不考慮介質的吸收，與普通點光源一樣，在半徑不同的球面上，射線強度的減弱遵循距離平方反比規律。單能窄束射線在物質中吸收服從指數衰減規律，即式中是線衰減系數，n0、n分別是射線在穿過厚度為d的物質前后光子的計數率。本實驗所用的射線源母核的半衰期約為30.2年，它放出0.662MeV的光子。[實驗時數]2學時[實驗要求]1.測量本底計數率n0，測量3次求其平均值。2.測量刻度場本底計數率。3.測量137Cs工作源放出的射線在空氣中的衰減規律。思考題1.劑量儀的基本原理是什么？[實驗名稱七]超聲聲速與聲阻抗的測定[項目性質]驗證性實驗[實驗目的]1.了解超聲波的產生及駐波的形成原理。2.用駐波法測定超聲波的聲速。3.測定空氣的聲阻抗。4.觀察相互垂直諧振動合成的李薩如圖形。[實驗原理]1．駐波的形成及測定超聲波的聲速機械振動在彈性介質中的傳播形成機械波。波在介質中的傳播速度c完全由介質的物理性質所決定。它和波長λ及振源的頻率ν有如下關系：c=λν本實驗是采用駐波法測量聲波在空氣中的傳播速度。某頻率的一維行波在介質中沿一直線傳播時，若遇到障礙物（假設全反射），就在其界面處以相同的頻率、振幅，沿同一直線反射回去，從而形成兩個相向傳播的相干波的疊加，介質中有些質點（兩波位相相同的點）因為兩個聲波的疊加而使振動加強，其振幅是兩列波的振幅之和，這些點稱為波腹；而另一些質點（兩波位相相反的點）則因聲波的疊加而使振動減弱，合振幅為零，這些點稱為波節。因此在介質中形成一個強弱穩定分布的聲場，這種特殊的干涉現象形成了駐波。相鄰兩波節或兩波腹間的距離為半個波長。駐波的特點是在駐波區域沒有能量的傳播，只有質點的振動。形成駐波時，駐波場是一個振動體，其頻率與入射波頻率相同，但最大振幅增值一倍，這一特征應用于探頭，可提高探頭的發射效率。波在發生反射的界面處形成波節還是波腹，決定于兩種介質的聲阻。如果波的反射是從較密的介質反射回到較疏的介質時，則在反射處形成波節，反之形成波腹。[實驗時數]2學時[實驗要求]1.連接實驗儀器。2.調整系統固定卡環上的緊定螺絲，使系統的平面端面與卡尺游標滑動方向垂直。3.接通儀器電源，使儀器預熱15min左右，并將儀器的旋鈕旋至適當位置。4.極緩慢地調節游標尺的附尺，使系統B緩慢地離開系統A，同時仔細觀察毫伏表上的指示，每當出現一個最大的指示數時，從游標尺上讀出兩系統間的距離，作好記錄。5.記錄室溫。6.用屏蔽導線將系統A（同時連著高頻信號源的輸出端）和系統B的輸出接線柱分別與示波器x軸和y軸輸入端相連接。接通示波器電源，調節X、Y軸衰減和增益旋鈕，使示波器熒光屏上顯示兩個相互垂直的諧振動合成的李薩如圖形。思考題1.在本實驗裝置中駐波是怎樣形成的？2.為什么在測L時不測量波腹間的距離，而要測量波節間的距離？3.為什么在測量L時系統A、B兩端面要始終保持嚴格平行？4.當兩換能系統端面間的距離較遠，接收信號又較弱，這時如果毫伏表的量程太大，不便于觀察，應當如何處理？[實驗名稱八]B型超聲波診斷儀的基本原理及其聲像圖觀察[項目性質]驗證性實驗[實驗目的]1.了解超聲波成像的基本原理。2.【掌握】B型超聲波診斷儀的使用方法。3.觀測腎臟標本聲像圖。4.觀察人體主要臟器切面聲像圖。[實驗原理]超聲是一種高頻機械波。它的聲源振動頻率超過20kHz最高可達1015Hz。臨床診斷用的超聲頻率一般在1—40MHz之間，其中又以2.5—10MHz最為常用。超聲的發生與檢測是由壓電材料制成的器件完成，稱為探頭，實際上它是電能、機械能相互轉換的換能器。目前，臨床診斷中普遍使用多元線陣電子掃描探頭。超聲在人體軟組織間（包括體液、血液）常以縱波形式傳播，其平均聲速為1540m·s-1[實驗時數]2學時