医学影像技术概论.ppt

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1、第1章医学影像技术概论 1 1医学影像技术发展历程1 2医学影像系统成像的物理共性1 3计算机医学影像1 4影响对医学图像评价的因素1 5医学影像设备的分类与组成 现代医学影像技术的应用与发展 印证了100多年来医学 生物 物理 电子工程 计算机和网络通信技术的诞生与沿革 数字医学影像新技术 新设备对医学影像诊断和数字影像治疗带来许多根本的改变 医院里有哪些医学影像设备和是否开展数字影像介入治疗 在很大程度上代表了这家医院的现代化检查治疗的条件与诊治水平 目前现代医学技术的提升和现代影像技术的发展相互融合 相互推动 相互依存的趋势已经成为共识 新的现代医学影像技术和设备的研制也已经成为21世纪

2、现代医学技术和生命科学发展的经济技术增长点 1 1医学影像技术发展历程 从1895年德国物理学家伦琴发现X光并由此拍出世界上第一张伦琴夫人手部的X线透视照片以来 医学影像技术从无到有 从不完善到功能齐全 分类精细 经历了一个 0 多年的发展过程 教学目标 了解X射线 CT 超声 MRI DSA CR DR 核医学 ECT PET SPECT 等医学影像技术的发展历程 1 1895年11月8日 德国物理学家伦琴在做真空管 高压 放电实验时 发现了X射线或称X线 并用于临床的骨折和体内异物的诊断 1896年 德国西门子公司研制出世界上第一支X线球管 20世纪10 20年代 出现了常规X线机 20世

3、纪60年代中 末期形成了较完整的放射诊断或放射学 radiology 学科体系 第一张X线照片 伦琴 国产直接数字化X摄影系统 2 1971年 世界上第一台用于颅脑的CT扫描机 计算机人体断层摄影术 由柯马克 A M Cormack 和郝恩斯费尔 G N Hounsfield 首次研制成功 1979年因此项技术的发明 柯马克 郝恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖 世界上第一台4层CT扫描机 豪恩斯费尔德 CT机的分代主要以其 线管和探测器的关系 探测器的数目 排列方式以及 线管与探测器的运动方式来划分 到今天为止CT经历了5代发展 现在第6代CT正在研发中 第1代CT机只有一个探测器 扫描角度为

4、1 扫描时间270s 层 仅用头部的扫描 图像质量差 以平移加旋转的扫描运动方式进行 称为平移 旋转型 第2代CT机探测器的数目增加5 20个左右 X线束呈扇型 扫描角度增加为360 扫描时间仍较长 一般在20s 1min 层 扫描方式为窄扇形束扫描平移 旋转方式 第3代CT探测器数目一般多超过100个 有的接近1000个 X线扇形束扩大到40 50 足以覆盖人体的横径 这样扫描就不需要再平移 而只需要旋转就可以了 故称为旋转 旋转型 扫描时间一般均在几秒钟 最快速度0 5s 实现了亚秒级扫描 第1代到第3代CT机的X线管和探测器都是同步旋转的 而第4代CT机与之不同 探测器呈360 环状固定

5、排列在机架内 目前有的机型多达4800个探测器 X线管则围绕人体和机架作360 旋转 把第4代称固定 旋转型 螺旋CT属此型 第5代CT机与第1到第4代CT机不同 在成像过程中X线管不需环绕机架作机诫运动 它是用电子束方法产生旋转的X线源 再穿透人体由探测器接受 这种CT机称为电子束CT 也称超高速CT 特点是扫描速度很快 50 100ms 层 每秒最多可扫34层 就其扫描速度是普通CT的40倍 螺旋CT的20倍 可用于心脏一类运动器官的扫描 第1代CT 扫描方式为平移 translate 旋转 rotate T R 方式的CT 第2代CT 扫描方式为平移 translate 旋转 rotat

6、e T R 方式的CT 第3代CT 扫描方式为旋转 旋转 R R 扫描方式的CT 第4代CT 扫描方式为静止 stationary 旋转 S R 扫描方式的CT 第5代CT 扫描方式为静止 静止 S S 电子束扫描方式的CT 现代螺旋CT结构图 第二代16层CT 第五代CT 3 20世纪50年代和60年代超声和放射性核素也相继出现 1942年奥地利科学家达西科 Dussik 首先将超声技术应用与临床诊断 从此开始了医学超声影像设备的发展 1954年瑞典人应用M型超声显示运动的心壁 称为超声心动图 人类从20世纪50年代开始研究二维B型超声 至70年代中期 实时二维超声开始应用 超声检查 二尖瓣

7、粘连 彩色超声检查 胎儿发育 4 70年代末80年代初 超声 放射性核素 MR CT和数字影像设备与技术逐步兴起 其中磁共振成像 MagneticResonanceImaging MRI 是目前最为先进的影像检查方法之一 MRI是基于MR现象的医学影像技术 MR现象是1946年分别由美国斯坦福大学物理系Bloch教授和哈佛大学的Puecell教授领导的小组同时独立发现的 由于这一发现在物理 化学上具有重大意义 Bloch和Puecell共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖 曼斯 菲尔德 裴奥 劳特伯 GESignaProfile oMRI 5 20世纪80年代推出了数字减影血管造影 DSA 和

8、计算机X线摄影 CR 成像设备与技术 其后又推出了数字X线设备 DR 数字减影血管造影术是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型成像技术 血管造影检查是对注入血管造影剂前后的图像进行相减 得到无骨骼 内脏 软组织背景的清晰的血管影象 而血管的形态 结构反映了多种疾病的基本信息 计算机X线摄影 CR 是将X线摄照的影像信息记录在影像板 IP板 上 这种可重复使用的IP影像板 替代了胶片 不需要冲印 因此也称为干板 干板经激光读取装置读取 由计算机精确计算处理后 即可得到高清数字图像 最后经数字 模拟转换器转换 在荧屏上显示出灰阶图像 有利于观察不同的组织结构 直接数字化X射线摄影系统 d

9、igitalrayDR 是利用电子技术将X线信息的其它载体转变为电子载体 X线照射人体后不直接作用于胶片 被探测器 Detector 接收并转换为数字化信号 获得X线衰减值 attenuationvalue 的数字矩阵 经计算机处理 重建成图像 6 20世纪90年代推出了更新 更强的核医学影像设备ECT 包括PET SPECT等设备 PET也称正光电子成像设备 主要的优势是超强的医学影像的识别与诊断的能力 尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂 在体内循环可以动态地 靶向目标清晰地显示被检部位形态和功能的异常情况 甚至可以检查出细胞级别的病变 1 2医学影像系统成像的物理共性 医学影像成像源共

10、性是充分和准确的利用成像源的物理作用 获得人体内携带有某种物理量分布信息的影像数据 医学影像系统成像主要包括以下4个共性 源源与物体 目标 的相互作用检测器电子系统 1 2 1源与目标的作用1 源体外源 如X射线源 磁场源 超声源 电磁波源 红外线源等 这些人体外部的能源称为外源 外源共同的特点是对人体组织或器官具有已知和可控的作用 体内源 如注入人体内部的同位素辐射源 或人体自身的热辐射源等 这些增强显影剂的辐射非常低 对人体无损害 但由此产生的医学影像却非常的清晰 并且受检查的部位靶向性 命中率 准确 2 源与物体 目标 的相互作用例如X射线穿过人体时 就可以准确检测出某种源与每部分人体组

11、织器官相互作用后的结果 指标和参数 据此来进行医学影像的诊断或治疗 注意 源的生物安全剂量 质量指标和检测标准 3 检测器检测器的主要作用是在体外检测携带有体内信息的信号 检测器的形式与各种源的类型有一一对应的关系 这些影像信号检测器共同的作用和主要功能评价指标很多是一样的 如检测弱信号的灵敏度 检测与处理信号的速度 以及检测用的源剂量的低强度 达到向更清晰 更快速 更安全 更多维和更智能的方向发展 1 2 2源的控制与信号检测医学图像信息的清晰或准确与否 最基本和最重要的关键问题就在于对产生图像信息源的精确控制与信号检出灵敏度的设计 例如 X光影像设备的性能指标主要有5个 X线光源尺寸 X线

12、剂量 图像分辨率 图像灰度级和信噪比 目前对X线剂量控制指标 1 X光源尺寸 一般包括光源直径和X光发射角度 2 X线剂量又可分为入射剂量 表面剂量 出射剂量 图像接收器剂量 身体剂量和有效剂量6种 3 图像分辨率 用于测量一台设备能记录或生成的空间细节精度 分辨率越高 细节越精细 4 图像灰度级 灰度级的数量由2N决定 N是二进制数的位数 常称为位 用来表示每个像素的灰阶精度 如果N 8则有256个灰度级 图像灰度精度的范围为灰度分辨力 也称为图像的对比度分辨力 位数越大 图像的灰度分辨力越高 5 信噪比 有用的图像信息 信号 与无用信息 噪声 的数量之比 X线图像占医院中全部影像的80 左

13、右 是目前医学影像检查的主要方法 常规X线成像操作简单 费用低廉 它一直是临床诊断中的主要成像设备 1 3计算机医学影像 教学要求 1 了解点阵与矢量医学影像格式2 熟悉医学图像处理常用技术 虚拟医学影像 虚拟内窥镜 基于影像的计算机辅助外科与辅助诊断 3 掌握数字医学影像的颜色或灰度及计算机医学图像的分辨率概念 1 3 1点阵与矢量医学影像点阵图 位图 与矢量图的区别 计算机图像分为点阵图 又称位图或栅格图像 和矢量图形两大类 1 点阵图像 Bitmap 点阵图像 亦称为位图图像或绘制图像 是由称作像素的单个点按行列有序排列点阵组成的 这些点以其不同的排列位置和染色 灰阶 程度构成图 形 像

14、 一幅二维的医学数字灰阶影像是由M行 N列的像素点构成 其中每个像素点用28 212个二进制数位来记录该位像素的灰度值 即每个像素可以保存256 4096灰度值 2 点阵图的文件格式点阵图可以被保存成的文件类型很多 如 bmp pcx gif jpg tif Photoshop的 psd kodakphotoCD的 pcd corelphotopaint的 cpt等 点阵图文件大小的规律 图形面积越大 文件的字节数越多 文件的色彩越丰富 文件的字节数越多 这些特征是所有点阵图文件所共有的 3 矢量图 vector 1 矢量图及矢量图的特性矢量图 也称为面向对象的图形或绘图图形 数学上定义矢量图

15、为一系列由线连接的点 矢量图主要由线条和色块组成 这些图形可以分解为单个的线条 文字 圆 矩形 多边形等单个的图形元素 再用一个代数式来表达每个被分解出来的元素 例如 一个矩形可以通过指定左上角的坐标 x1 y1 和右下角的坐标 x2 y2 的四边形来表示 1 3 2数字医学影像的颜色或灰度现在的医学数字X光成像设备主要有CR和DR两类 产生图像的灰度一般可以达到8 12bit 既图像中每个像素点的灰度信息可以表现出256 4096个灰度级别 如果采集的是彩色图像信息 则每个像素至少需要用三个字节24位二进制数来保存RGB 红 绿 兰 信息 甚至有些彩色图像每个像素的信息量达到32位 40位精

16、度 1 3 3计算机医学图像的分辨率计算机医学图像的分辨率和采集方式 转换精度 处理方法及显示视窗的清晰度等诸多因素有关 1 图像分辨率2 时间分辨率3 空间分辨率4 显示分辨率 1 3 4医学图像处理常用技术医学图像处理的目的是提高医学图像目视判读的清晰度 进而提高诊断的准确率 减少漏诊和误诊 1 图像增强2 图像分割 3 边缘检测 4 纹理分析相同的组织在相同的成像条件下每次都会产生相同的纹理模式 不同组织其超声图像纹理特征不同 同一组织当其内部结构发生改变后 其超声图像的纹理特征亦不相同 利用计算机图像处理技术可对这种纹理特征进行数理模式分析 寻找能反映纹理特征的数理参量 从而达到对组织

17、结构特征进行评价的目的 5 配准与融合医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种 或一系列 空间变换 使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致 这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置 医学影像的融合 就是影像信息的融合 即利用计算机技术 将各种影像学检查如CT MRI CT SPECT MRI PET MRI DSA等所得到的图像信息进行数字化综合处理 将多源数据协同应用 进行空间配准后 产生一种全新的信息影像 以获得研究对象的一致性描述 同时融合了各种检查的优势 从而达到计算机辅助诊断的目的 6 图像压缩图像压缩就是把图像文件的大小进行压缩变小 同时图片的质量又不

18、会失真到不能接受的程度 1 3 5三维医学影像很多实用的影像设备不断开发出具有三维图像重建的功能 像三维CT 彩色三维超声 核素成像SPECT PET等具有三维立体成像功能 同时为深化研究人体的器官形态和生理 生化 细胞 蛋白质 基因等重要的人类信息 各个国家正在研究 数字虚拟人 虚拟人 在医学领域有着广泛的应用前景 为医学科研 教学和临床手术提供形象而真实的模型 也为疾病诊断 新药检验及新诊疗手段的开发提供参考 1 三维数字图像重建越来越多的图像以及三维重建技术已经变成外科手术计划 治疗处理及放射科以外其他应用的有效手段 它可以提供器官和组织的三维结构信息 辅助医生对病情做出正确的诊断 如

19、多平面重建 MPR 最大强度投影 MaxIP 最小密度投影 MinIP 平均密度投影 AIP 表面重建 SSD CT仿真内窥镜 CTVE 等 图1 17额骨骨纤维肉瘤三维重建图像 2 数字虚拟人数字虚拟人简称 数字人 或 虚拟人 是为更加准确的描述和研究人体自身形态结构和生理 生化功能指标而采用高科技手段和计算机图像处理技术 通过对 标准人体 真人尸体的从头到脚做高精细水平断层 小于1mm层厚 解剖处理 并实时采集全部数字高清晰图像 通过大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体 数字化虚拟人包括三个研究阶段 虚拟可视人 虚拟物理人和虚拟生物人 数字化人体切片 美国男性数字化人 中国虚拟人女一号 中

20、国虚拟人女一号人体切片 3 三维立体医学图像的临床应用 1 3 6虚拟内窥镜虚拟内窥镜技术 VirtualEndoscope VE 是将CT和MR获得的原始容积数据与计算机三维图像技术相结合 借助导航技术 Navigation 或漫游技术 Flythrough 以及伪彩技术来逼真地模拟腔道内镜检查的一种方法 1 3 7基于影像的计算机辅助外科 computeraidedsurgery CAS 随着CT MRI等图像诊断仪的发展 使计算机虚拟现实技术在医学中的应用得到了飞速的发展 计算机利用这些图像信息进行三维图像重建 为外科医生进行手术模拟 手术导航 navigator 手术定位 术前规划提供

21、了客观 准确 直观 科学的手段 1 手术模拟2 术前规划3 手术导航 1 3 8基于医学影像的计算机辅助诊断 1 4计算机医学影像 对医学图像的评价产生影响包括成像质量的客观物理因素与人的视觉系统等主观因素 1 4 1影响对医学图像评价的客观因素各种成像系统最后供给医生的图像都是经过加工处理的实际信号 但有一些物理因素可影响成像的质量 包括X线的发射光谱 待测对象的吸收特性和散射特性 增感屏的吸收特性及其发射光谱 噪声的物理源密切地同源本身和检测系统有关 因此测量时应按需选择 医学中的放射摄影 有如下几种类型的噪声干扰 即感光乳胶的结团 胶片的物理形变 增感屏磷光物质的无规则漫射 胶片处理中杂

22、斑的形成以及量子杂斑等 1 4 2影响对医学图像评价的主观因素探讨主观因素对医学图像评价的影响应该从眼睛这个特殊的光学系统说起 观察物体时 要想看清楚它 首先要使它在视网膜上形成清晰的像 为了使不同距离的物体都能在网膜上形成清晰的像 必须随着物距的改变相应的改变眼睛的焦度 晶状体实际上是一个可变焦距的透镜 这使它具有很强的适应能力 医学中所遇到的各种图像基本上是由许多分离的亮点 像素 排列显示出来 因此人的眼睛对于不同亮度之间的分辨能力 在评价图像处理结果中也是必须考虑的重要方面 人的视觉系统适应光强度的范围很宽 由视觉刺激阈值到强闪光之间 光强度的级别约为1010级 医学成像系统中 常将各种

23、信息用具有各种灰度级别的像素点构成阵列 以显示 图像 其光强度表示为该点的灰度级 灰度级的最小值认为是黑 最大值认为是白 而所有中间值都是由黑连续变为白时的灰度渐变级 可见 平面上的像素位置可用坐标表示 其灰度级也可用数字表示 因此所谓数字图像就是在空间坐标上和亮度上都是已经离散化了的像素矩阵图像 为了得到高质量的数字图像 阵列像素的数目和灰度级别需要多少才好 很明显 图像清晰度主要取决于像素数目 固然 这些参量的增加将使图像更加接近原始信息 但当像素数目增加时 对系统的存储量和数据处理量也随之增加 1 5医学影像设备的分类与组成 数字化医学影像设备的发展和应用 已经成为建设数字化医院的基础和

24、提高诊断与治疗水平的保证 现在医院里常用的各种医学影像设备种类与型号很多 大致分为五种类型 X线摄影系统 磁共振摄影系统 超声诊断系统 核医学图像系统 核医学图像系统 红外影像系统与医用内窥镜检查系统 各类影像系统的功能和适宜检查的范围是不同的 因此人们正在研究运用医学影像比较学 各类医学影像融合技术来进一步提高诊断和治疗的水平 1 5 1X线摄影系统医学X线摄影系统 泛指所有采用X线源获取医学影像的设备 这里包括常规胶片X光机 计算机成像X线机 CR 数字X线机 DR 断层扫描X线机 CT 和血管数字减影 DSA 等设备 1 常规X线影像技术传统的X线成像是经X线摄照 将影像信息记录在胶片上

25、 在显定影处理后 影像才能于照片上显示 这类胶片影像属于连续变化的光学模拟图像 现今仍有70 以上X线影像诊断是用增感屏 胶片方式的常规X线摄影技术 原因是 一是新型X线胶片感光粒度非常高 且新胶片是按不同波长 不同能谱段的专用胶片 在能谱内的敏感度非常高 比原来胶片高出三个数量级 而对此能谱段外的射线又有极强的排它性 尤其对可见光极不敏感 从而可以免去采用增感屏和在暗室中操作的限制 二是新X线胶片的敏感度高 检查时所用X线剂量也必然要降低 可减少1 2个数量级 这些新型的胶片保持住了传统的成像快 空间分辨率高的优势 结果也使X线机由大功率变为小功率 可制作出体积小重量轻 便于携带的精密型小功

26、率X线机 2 计算机成像X线机 ComputedRadiographyCR 目前己能做到从X射线曝光到将模拟信号影像变为数字化影像 但这中间要有较多的复杂处理过程 需要许多设备和处理时间 如将影像增强 电视系统摄取到的X线影像 从视频 模拟 信号经数字化转换成数字影像 并先用存储屏将X线影像记录下来 再经激光扫描转换成数字信号 送入计算机工作站的数字化X线摄影方式 被称为ComputedRadiography CR系统 CR的成像要经过影像信息的记录 读取 处理和显示等步骤 CR系统首先将X线摄照的影像信息记录在影像板 imageplate IP 上 影像信息的记录是用一种含有微量元素铕的钡氟

27、溴化合物结晶制成的IP代替X线胶片 接受透过人体的X线 使IP感光 形成潜影 IP上的潜影用激光束对匀速移动的IP整体进行精确而均匀的扫描 产生由激光激发出的辉尽性荧光 由自动跟踪的集光器收集 再经光电转换器转换读取潜影信息并转换成数字信号 再经数字 模拟转换器转换 在荧屏上显示出灰阶图像 X线影像信息由IP记录 IP可重复使用达2 3万次 IP经过激光扫描后 则可得到一帧数字化图像 影像的数字化信号经图像后处理系统处理 可以在很大的范围内调整图像的特性 提高图像的可视化程度 这是CR优于X线照片之处 而X线胶片上的影像信息是不能改变的 图像后处理的主要功能有 灰阶处理 窗位处理 数字减影血管

28、造影处理和X线吸收率减影处理等 灰阶处理是通过图像处理系统的调整 可在人眼能辨别的范围内进行选择 以达到最佳的视觉效果 这有利于观察不同的组织结构 例如处理胸部片可以同时显示两张显示肺和纵隔的最佳图像 窗位处理是对某一灰阶数字信息的 上下限范围 内容 例如选择骨的灰阶范围 突出显示指定灰阶范围内的组织结构 以其对X线吸收率的细微差别 得到最佳的显示 同时可对这些数字信号进行增强处理 窗位处理可提高影像对比度 这有利于显示不同的组织结构 如骨窗 纵隔窗等 目前CR系统可提供与屏 片摄影相一致的分辨率 CR数字化的信息经过计算机图像处理 可大大提高图像的目视判读的信息量 增加了显示图像的层次 降低

29、X线辐射剂量 减少辐射损伤 同时医学数字图像还可以长时间保存而不失真 避免了胶片冲洗的环境污染 不易保管等诸多问题 3 数字X线机 DigitalRadiographyDR 目前有直接数字化X射线摄影技术和DR设备 这些新型装置不再采用X线胶片 而是利用一种外形似X线胶片暗盒的探测器 将入射的X线能量直接转化为数字信号 由Sterkung公司研制出的 直接X线摄影探测器 DRD 是用非晶态硒涂覆在薄膜晶体营 TFT 阵列上 而Trixeil公司开发出的平板式探测器 FPD 是用薄膜非晶态氢化硅制成的光电二极管组成的矩阵 每个光电二极管即为最小感光单元或象素 这两种探测器都可在接收X线摄影曝光后

30、 直接输出数字化影像信号 4 断层扫描X线机CT20世纪70年代英国EMI实验室G N Hounsfield工程师在参考1963年美国物理学家A M Cormack发表的应用数学重建图像理论的基础上 把电子计算机断层摄像技术引入医学 使电子计算机技术与X射线机相结合 完成图像重建过程 首先推出了世界上第一台X射线计算机断层扫描机 X CT机 它解决了X射线照相的前后物体图像重叠问题 大大提高了医学诊断的可靠性和准确性 使医学成像技术向前跨了一大步 X CT的出现使医学成像形成了全新的概念 X CT是利用围绕人体的脏器扫描时得到的大量X射线吸收数据来重建人体的脏器的断层图像的 当一束细 扇型 X

31、射线通过人体的脏器的一个断层时 沿X射线路径的总的衰减系数为体素衰减系数的线积分 它可用一探测器进行测量 探测器将射线强度转换成电信号 这些信号经过数字化后由计算机处理 通过围绕人体的脏器在不同角度上进行多次测量 计算出与人体某一层面上每个体素相关的吸收系数 并将该层面的二维吸收系数矩阵存储到计算机中 用不同灰度在图像显示器上表示矩阵的信息 所显示的图像上每个象素的灰度即为层面上相应体素的吸收系数的量度 从而得到断层面上衰减系数的分布的信息 由于X CT技术得到的是人体的脏器一个断层面的图像 因此称为断层照相 这种数字影像装置已从第一代发展到第五代 目前常用的则是第三 四代 这两代CT技术的持

32、续发展主要体现在提高速度 改善图像质量 开发新的功能 拓展应用范围以及便于操作等方面 如对螺旋扫描而言 扫描同样的覆盖长度可节省四分之一到五分之一的时间 或者同样的时间可以使扫描覆盖长度增加25 33 提高速度的另一表现是 缩短图像重建的时间 有的CT产品采用了新的图像重建技术 分别使重建时间达到1s 从而加快了扫描周期 有些高档CT均有了连续成像或称透视的功能 每秒钟可以显示6 8幅图像 CT透视对开展介人放射学非常重要 可减少扫描层数 降低病人的X线曝射剂量 有的产品仅用15mA剂量进行扫描即可得到512x512矩阵的影像 目前正在进一步研究用10mA的X线曝射剂量进行CT透视技术 在图像

33、质量方面 高档的低压环螺旋CT机的空间分辨率已达201p cm 低对比度分辨率也很高 这大大提高了辨别软组织间差异的能力 新一代的CT被称作电子束CT EBCT 系由电子枪发射电子束 经偏转线圈改受电子束方向 打在一组半圆形的靶环上产生出X射线 当X线通过被检人体后 由对侧排列的探测器组接收 因无机械运动 扫描速度可高达每一层面仅用50ms 时间分辨率很好 但空间分辨率不如高档的第三代和第四代机 今后电子束CT将会有更进一步的发展 我国有些医院已正式启用电子束CT 并因其成像速度比普通CT快20 40倍 可提供心脏等活动器官的非常清晰的影像 X CT经过多代的发展 在医学上已获得广泛的应用 目

34、前已可用来诊断脊柱和头部损伤 颅内肿瘤 脑中血凝块 心脏病早防早治及肌体软组织损伤 胃肠疾病 腰部和骨盆恶性病变等等 5 数字减影血管造影系统 DSA DSA即数字减影血管造影系统 为放射科各类血管造影及介入治疗的专用设备 是与计算机相结合的血管造影技术 该技术可得到除去骨骼 软组织影像的纯血管影像 从而更精确诊断血管疾病和介入治疗 DSA数字减影血管造影系统具有以下特点 实时成像 即每个曝光序列终止 立即得到减影图像 可实时指导诊断与治疗 提高了密度分辨率 DSA可使1mm直径小血管和3mm直径肿瘤染色 减少造影剂用量 新型造影剂的靶向性更好 动态示综性清晰 且安全无毒副作用 各种管处理功能

35、 为介入手术导航提供了可靠的保证 突出微小密度差 可高清晰显示微小血管循环状态图像 减少胶片用量 高清晰的数字图像完全取代了胶片图像 降低成本 减少环境污染 目前 应用DSA可以开展如心脑血管 神经 呼吸 消化 骨骼 泌尿 妇科等涉及临床各科各系统疾病检查与治疗的高难度技术项目 如肝 肺 头颈部 盆腔等肿瘤介入治疗 心脏大血管介入治疗 如冠状动脉造影术 冠脉内支架直接置入术 冠状动脉内溶检术 埋藏式心脏复率除颤器植入术 全脑治疗造影术 椎体成型术 大介入治疗 食管狭窄扩张 良恶性肿瘤的灌注栓塞治疗 各种血管畸形造影等 DSA可以为广大患者提供更为高效 低价 优质 安全可靠的医疗服务 1 5 2

36、磁共振摄影系统20世纪80年代将核磁共振技术应用于临床医学 由强磁场与人体被成像部位机体组织的原子核相互作用 机体组织的原子核及其所处的生理条件 在磁场作用下产生共振 改变所在位置的磁场强度而生成图像 既解决了CT机对人体组织细胞的一定损害性 又解决了可测出机体病变前的微小生理变化 核磁共振成像已成为医学影像诊断中的一个新的分支 磁共振成像 MagneticResonanceImaging MRI 是目前最为先进的影像检查方法之一 是一门新兴的无创性显示人体内部结构的影像诊断技术 这一技术在问世不到20年的时间里得到了迅猛发展 设备制造技术和诊断理论日臻完善 目前 MRI设备在大中城市医院已较

37、广泛应用 其对人体组织器官高分辨的图像 为临床提供了更为直观的人体内部结构图像信息及更丰富的有意义的诊疗信息 核磁共振成像原理的原子核带有正电 许多元素的原子核 如1H 19FT和31P等进行自旋运动 通常情况下 原子核自旋轴的排列是无规律的 但将其置于外加磁场中时 核自旋空间取向从无序向有序过渡 自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长 当系统达到平衡时 磁化强度达到稳定值 如果此时核自旋系统受到外界作用 如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应 在射频脉冲停止后 自旋系统已激化的原子核 不能维持这种状态 将回复到磁场中原来的排列状态 同时释放出微弱的能量 成为射电信号 把这许多信号检出 并使之时进

38、行空间分辨 就得到运动中原子核分布图像 原子核从激化的状态回复到平衡排列状态的过程叫弛豫过程 它所需的时间叫弛豫时间 弛豫时间有两种即T1和T2 T1为自旋 点阵或称为纵向驰豫时间 T2为自旋一自旋或称为横向弛豫时间 MRI的影像虽然也以不同灰度显示 但反映的是MR信号强度的不同或弛豫时间T1与T2的长短 而不像CT图像 灰度反映的是组织密度 MRI图像一般可分为T1加权像 T2加权像 质子密度像这三种基本图像 脂肪在上述图像上为高信号 肌肉 肝脏 胰腺等组织器官在T1加权像上为中等信号 而在T2加权像上则为较低信号 肺组织 大血管 钙化等在上述图像上一般均为低信号 而肾 脾等组织器官在T1加

39、权像上为较低信号 在质子像和T2加权像上为较高信号 而CT图像的对比度依赖于组织的X线衰减系统 脂肪为低密度 钙化为高密度 大血管为与肝 肾等相仿的密度 肿瘤密度与软组织密度近似 一般需注射造影剂才能更好的显示及定性 MRI提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术 而且不同于已有的成像术 因此 它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性 它可以直接作出横断面 矢状面 冠状面和各种斜面的体层图像 不会产生CT检测中的伪影 不需注射造影剂 无电离辐射 对机体没有不良影响 与CT相比 它具有无放射线损害 无骨性伪影 能多方面 多参数成像 有高度的软组织分辨能力 几乎适用于全身各系统的不同疾病 如肿瘤

40、 炎症 创伤 退行性病变以及各种先天性疾病的检查 对颅脑 脊椎和脊髓病的显示优于CT 它可不用血管造影剂 即显示血管的结构 故对血管 肿块 淋巴结和血管结构之间的相互鉴别 有其独到之处 它还有高于CT数倍的软组织分辨能力 敏感地检出组织成份中水含量的变化 因而常比CT更有效和更早地发现病变 MRI能清楚 全面地显示心腔 心肌 心包及心内其它细小结构 是诊断各种心脏病以及心功能检查的可靠方法 从20世纪80年代初第一台磁共振扫描仪的问世到2003底 全世界已有大约22000台MRI设备应用于医学影像诊断 医学基础研究甚至应用于医学治疗 MRI介入治疗 等 每年接受MRI检查的人数已超过6000万

41、 近2 3年中磁共振的发展特别是超高磁场MRI系统发展十分迅速 2003年美国FDA已批准了3T全身MRI系统 注 磁场强度单位用特斯拉表示 3TMRI指的就是磁场强度达3特斯拉的磁共振系统 后面类推 用于临床 4TMRI系统最近已通过FDA无明显危险许可证 7TMRI已走出实验室并已对近百名健康志愿者完成无事故和无明显危险安全记录测试 在实验室中9 4TMRI样机已完成对成年动物与后代等不良生物效应测试 由于市场对超高场MRI的需求驱动 超高场磁体的研制目前已有明显进展如12T或更高场强MRI磁体的技术难题已部分攻克或攻克 由于原来困扰MRI发展的各种技术障碍被一个又一个的克服 加速了MRI

42、技术的普及与应用 1 5 3医学超声诊断系统超声波是当今人体病变无创伤 无痛苦的最佳检查手段之一 20世纪60年代将超声波技术应用于临床诊断 研制了A型 M型 B型和C型超声诊断仪 可用于观察人体内部结构和肿瘤 囊肿的诊断以及检查脏器 胎儿等的正常与否 经过长期的实际使用及观察分析 超声成像设备的频率和强度对人体安全基本无害 超声诊断的工作原理是应用超声波的良好指向性和与光相似的反射 折射 衰减等物理特性 通过超声仪 采用各种扫描方法 将超声波发射到体内 并在组织中传布 当正常的与病理组织的声抗有一定差异时 将此回声信号接收处理后 构成一幅二维切面声像图 由于各组织的界面形态 运动状态和对超声

43、吸收程度不同 其回声有一定的共性和特性 结合生理 病理与临床知识和一系列人体切面声像图 可对病变的部位 性质或功能障碍程度作出准确诊断 彩色多普勒超声显像仪 彩超 是在B超的基础上增加了多普勒血液成像技术的影像检查方法 被誉为 无创伤的血管造影 配有高 中 低三种频率探头 检查时探头通过粘合剂与相应部位皮肤接触 扫描结果在监视器上形成二维切面声像图 并以彩色照片形式把结果保存下来 开展心脏 大血管 大脑动脉 肝 脾 肾 子宫 附件 前列腺 睾丸等器官检查 对血流情况 结石 包块大小 质地 边界测值准确 同时还能配合临床开展介入检查和治疗 1 5 4核医学图像系统核医学成像技术是一种以脏器内 外

44、正常组织与病变组织之间的放射性差别为基础的脏器或病变的显像方法 核医学成像检查是先通过有选择的让人体摄入某种放射性 微量 靶向准确 安全 无害的增强示踪剂 药物 这些药物聚集在人体某个脏器中或参与体内某种代谢过程 体内的放射性核素能够放出 射线 核医学成像仪器可以对脏器组织中的放射性核素的浓度分布和代谢过程进行拍摄成像 核医学成像检查的方法 在医学上有广泛的应用 它与X CT的不同之处是X CT的射线源在成像体的外部 而核医学成像的射线源在成像体的内部 核医学成像技术不仅可得人体脏器的解剖图像 还可得到生理 生化 病理过程及功能图像 甚至经过数学算法在计算机内可以重建人体内放射元素密度分布的三

45、维 透明人体 图像 核医学影像设备主要有 照相机 发射型计算机断层 ECT 单光子发射型计算机体层 SPECT 正电子发射型计算机体层 PET 1 相机既是显像设备 又是一种无创伤性的功能检测与诊断的仪器 相机通过连续的显像 跟踪和记录放射性药物 示踪剂 通过时某脏器的形态和功能 可以进行医学动态的观察研究 相机由于检查的时间相对较短 检查方便简单安全 因此特别适合儿童和危重病人的临床医学影像检查 也由于检查迅速 更便于多体位 多部位观察 通过对图像的数字化处理 可以获得更多有助于诊断的信息 临床上经常用它对人体脏器进行静感式动态照相检查 主要用于心血管疾病的检查 2 发射型计算机断层 Emi

46、ssionComputrdTomography ECT 简称ECT 它是继 相机之后又一重大发展的核素脏器显影检查的仪器 其基本原理是在体外从多角度采集体内某脏器放射性示踪剂分布的二维影像 而后经过计算机数据处理重建和显示脏器的三维图像 亦可获得脏器的各种不同切面 水平 冠状 失状 或角度的剖面影像 不仅可以准确定位病变部位 做体层显像检查 还能精确分析生理 生化 代谢指标的改变 进行脏器组织功能的检查 3 单光子发射型计算机体层 SPECT SPECT有两种类型 多探头型 称为扫描型 和 相机型 多探头SPECT的探头由多个小型闪烁探测器组成 相机型SPECT是由高性能 大视野 多功能的 相

47、机和支架旋转装置 及图像分析处理 三维图像重建软件等软件组成 可进行多角度 多方位人体器官探查 由于SPECT具有 相机的全部功能 还有新近开发出来的多种放射性示踪剂药物 因此在动态器官功能检查或早期疾病诊断方面具有独到之处 从而SPECT在临床影像检查的应用上得到了越加广泛的重视 4 正电子发射型计算机体层 PET 是现代核素脏器显影检查技术中处于前沿的一种新仪器 它不仅克服了平面显影的缺点 而且大大促进了核医学影像学的发展 被认为是核医学发展的一个重要的 划时代的里程碑 PET可以用人体物质组成元素 150 11C 13N等 来制造放射性药物 PET特别适合做人体器官功能和生理变化等方面观

48、察与研究 尤其是对脑神经功能的研究具有独到之处 其图像的清晰性 真实性被称为 生命体层 或 生化体层 它也是目前唯一能够提供神经活动信息的医学仪器设备 PET作为核医学成像设备与技术发展的新方向 日益受到人们的普遍重视 1 5 5红外影像 医用内窥镜20世纪80年代以来内窥镜技术 红外线乳腺造影技术的应用和基因图谱的建立使临床对人体器脏的检查和手术手段往前跨了一大步 对人体的研究更加透明 更深入具有实质性 红外热成像装置是利用红外线探测器检测人体表面辐射的红外线 并将其转变为电信号 由红外线摄像头 IRCCD 获取视频信号 再经过放大 滤波处理 送人计算机进行成像 因此用它可以诊断与温度有关的

49、疾病 特别是对浅表部位的肿瘤的诊断 乳房癌的早期诊断 末稍血管疾病的诊断 断肢再植成活情况的鉴别 及皮肤伤痛的评价等 医用红外热像仪通过对人体温度分布的显示 热图像 显现人体温度分布有无变化 变化的部位及其程度 各种炎症 恶性肿瘤导致热图上相应部位的温度偏高 栓塞 微循环下降 积液在热图上则有温度偏低的显示 医用内窥镜是一种直接插入人体器官内腔进行实时观察内腔表面形态的诊断器械 它所得到的图像是逼真和直观的 内窥镜品种更多 几乎对人体所有腔体均有相应的内窥镜 如食道镜 胃镜 小肠镜 大肠镜 胆道镜 纵膈镜 支气管镜 尿道镜 膀胱镜 肾盂镜 阴道镜 子宫镜 腹腔镜 关节镜等 最近推出的细径内窥镜

50、 其直径仅为0 07rnm 一个内窥镜可以作多种用途 甚至能进行冠状动脉的检查 激光内窥镜和三维内窥镜亦在发展之中 激光内窥镜是将诊断和治疗功能结合在一起的新一代内窥镜产品 三维内窥镜可提供立体图像 能使高难度的手术得以顺利施行 且大大提高了手术的安全系数 20世纪60年代激光新技术的发明是20世纪的重大科技成就之一 激光的高方向性 高亮度性 高单色性及高相干性和生物学效应已广泛用于医学 医学激光器常用于手术切割 组织烧灼 凝结止血 光针穴位照射 激光血细胞计数 激光显微光谱分析 激光全息照相诊断和激光多普勒血流测速等 激光医学 已成为医学重要的分支学科 本章小结 现代医学影像技术的发展推动了