醫(yī)學(xué)影像技術(shù)概論

1、本節(jié)內(nèi)容：一、醫(yī)學(xué)影像的主要內(nèi)容；二、醫(yī)學(xué)影技術(shù)的發(fā)展歷程；三、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的分類；四、醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別；五、醫(yī)學(xué)影像的技術(shù)展望；一、醫(yī)學(xué)影像學(xué)主要內(nèi)容 1. 醫(yī)學(xué)影像成像原理：根據(jù)臨床需求或醫(yī)學(xué)研究需要，對(duì)成像原理、成像系統(tǒng)的分析研究，將人體內(nèi)感興趣感興趣的信息提取出來(lái)，以圖像的形式進(jìn)行顯示，并對(duì)各種醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)量因素進(jìn)行分析。 提取的信息：形態(tài)的、功能的或成分的等 信 息 載 體：電磁波或機(jī)械波 顯 示 形 式：一維、二維或三維甚至是四維的等不同層次的圖像。2. 醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù) 是對(duì)獲得的圖像作進(jìn)一步的處理，如對(duì)其進(jìn)行分析、識(shí)別分割、分類等，確定哪些部分應(yīng)增強(qiáng)或某些特征應(yīng)被提取。 目的：使原

2、來(lái)不夠清晰的圖像變得清晰，或者是為了突出圖像中的某些特征信息等等。3. 醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用技術(shù) 是在診斷和治療過(guò)程中對(duì)于需要解決的醫(yī)學(xué)問(wèn)題，根據(jù)各種醫(yī)學(xué)影像的特點(diǎn)，在臨床上以最敏感的信息、最快的速度、最經(jīng)濟(jì)的手段獲得最客觀的診斷和最優(yōu)治療方案的選擇、確定和實(shí)施。 二、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)發(fā)展的歷程 什么是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)？ 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)是借助某種介質(zhì)與人體相互作用，用理工學(xué)基礎(chǔ)理論和技術(shù)，把人體內(nèi)部組織、功能等具有醫(yī)療情報(bào)的信息源傳遞給影像接收器，最終以影像的方式表現(xiàn)出來(lái)，提供給診斷醫(yī)生，使醫(yī)生能根據(jù)自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)針對(duì)醫(yī)學(xué)影像中所提供的信息進(jìn)行判斷，從而對(duì)患者的健康狀況進(jìn)行診斷的一門科學(xué)技術(shù)。二、醫(yī)學(xué)影像

3、技術(shù)發(fā)展的歷程 （一）放射技術(shù)伊始（一）放射技術(shù)伊始 （二）醫(yī)技一體階段（二）醫(yī)技一體階段 （三）醫(yī)技分家階段（三）醫(yī)技分家階段 （四）形成獨(dú)立學(xué)科階段（四）形成獨(dú)立學(xué)科階段國(guó)際放射技術(shù)會(huì)議（ISRRT）三、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)分類 根據(jù)醫(yī)學(xué)影像所研究的內(nèi)容，按其成像原理和技術(shù)的不同，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)分兩大領(lǐng)域：1、以微觀結(jié)構(gòu)為主要對(duì)象的生物醫(yī)學(xué)顯微圖像學(xué)生物醫(yī)學(xué)顯微圖像學(xué)（BMMI)BMMI)；2、以人體宏觀解剖結(jié)構(gòu)及功能為研究對(duì)象的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)三、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)分類 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)按信息載體分：按信息載體分：（1）X線成像：測(cè)量穿過(guò)人體組織、器官后的X線強(qiáng)度；（2）磁共振成像：測(cè)量人體組

4、織中同類元素原子核的磁共振信號(hào)； （3）超聲成像：測(cè)量人體組織、器官對(duì)超聲的反射波； （4）放射性核素成像：測(cè)量放射性藥物在體內(nèi)放射出的射線； （5）光學(xué)成像、紅外、微波成像。（一）X線成像 X線圖像數(shù)占臨床影像總數(shù)70 80 。 普通X線成像（屏-片系統(tǒng)）是一種模擬成像，X線照片、熒光屏的記錄或顯示從幾乎完全透明（白色）到幾乎不透明（黑色）的一個(gè)連續(xù)的灰階范圍。 是X線透過(guò)人體內(nèi)部器官的投影，這種不同的灰度差別即為任何一個(gè)局部所接受的輻射強(qiáng)度的模擬；或者說(shuō)是相應(yīng)的成像組織結(jié)構(gòu)對(duì)X線衰減程度的模擬。（一）X線計(jì)算機(jī)體層成像 1972年英國(guó)工程師Hounsfield、美國(guó)物理學(xué)家Cormack發(fā)

5、明的X線計(jì)算機(jī)體層掃描技術(shù)（computed tomography，CT），CT以高密度分辨力和無(wú)重疊的清晰的體層圖像，顯示出普通X線檢查不能顯示的病變，提高了臨床診斷的正確性和效率。 1989年，螺旋CT問(wèn)世，目前正發(fā)展到256排螺旋CT、雙源CT。 （一）X線計(jì)算機(jī)體層成像 CT的概念：的概念：自X線管發(fā)出的X線首先經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器形成很細(xì)的直線射束，用于穿透人體被檢測(cè)層面。經(jīng)人體薄層內(nèi)組織、器官衰減后射出的帶有人體信息的X線束到達(dá)探測(cè)器，探測(cè)器探測(cè)器將含有受檢體層面信息的X線轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。通過(guò)測(cè)量電路將信號(hào)放大，有A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)處理。計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)好的

6、方法進(jìn)行圖像重建和處理，得出圖像。CT成像CT成像與常規(guī)成像與常規(guī)X線成像比較有哪些優(yōu)勢(shì)？線成像比較有哪些優(yōu)勢(shì)？獲得無(wú)層面外組織干擾的橫斷面圖像；獲得無(wú)層面外組織干擾的橫斷面圖像；密度分辨力高；密度分辨力高；正確測(cè)量各組織的正確測(cè)量各組織的X線吸收衰減值；線吸收衰減值；可進(jìn)行各種圖像后處理；可進(jìn)行各種圖像后處理；（二）磁共振成像 magnetic resonance imaging，MRI是在物理學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)磁共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)70年代末繼CT后，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像重建方法的進(jìn)展和成果發(fā)展起來(lái)的一種新型醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。 磁共振通常由主磁體、梯度系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備等五

7、部分組成。 生活中常見(jiàn)的共振現(xiàn)象？什么是共振？生活中常見(jiàn)的共振現(xiàn)象？什么是共振？什么是核磁共振現(xiàn)象？什么是核磁共振現(xiàn)象？（二）磁共振成像 MRI：通過(guò)對(duì)靜磁場(chǎng)中的人體施加某種特定頻率的射頻脈沖（radio frequency，RF），使人體組織中的氫質(zhì)子(1H)受到激勵(lì)而發(fā)生磁共振現(xiàn)象，當(dāng)中止RF脈沖后， 1H在弛豫過(guò)程中發(fā)射出射頻信號(hào)（MR信號(hào)），接收器（線圈）接收信號(hào)重建成像。 （二） 磁共振成像 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1. 射頻脈沖為成像的能源，不使用電離輻射，對(duì)人體安全、無(wú)創(chuàng)； 2. 圖像對(duì)腦和軟組織分辨力極佳，能清楚地顯示腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)、肌肉、肌腱、脂肪等軟組織以及軟骨結(jié)構(gòu)，解剖結(jié)構(gòu)和病變形

8、態(tài)顯示清楚、逼真； 3. 多方位成像，能對(duì)被檢查部位進(jìn)行軸、冠、矢狀位以及任何傾斜方位的層面成像且不必變動(dòng)病人體位； 4. 多參數(shù)成像，T1加權(quán)像（T1 weighted image，TlWI）、T2加權(quán)像（T2 weighted image，T2WI）、質(zhì)子密度加權(quán)像（proton density weighted image，PDWI）、流空效應(yīng)血管成像以及T2*WI、重T1WI、重T2WI，在影像上取得組織之間、組織與病變之間在T1 、 T2 、 T2 *和PD上的信號(hào)對(duì)比，對(duì)顯示解剖結(jié)構(gòu)和病變敏感； 5. 能進(jìn)行功能、組織化學(xué)和生物化學(xué)方面的研究。 （三）超聲成像 超聲成像（ultra

9、sound imaging，USI）系統(tǒng)（B超、M超、多普勒）大多是采用脈沖回波方式成像，即用一個(gè)短暫的電脈沖激勵(lì)換能器晶片電脈沖激勵(lì)換能器晶片，使之振動(dòng)產(chǎn)生超聲波并射入體內(nèi)，進(jìn)入人體的超聲波在遇到組織界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的回波信號(hào)。根據(jù)接收到的回波信號(hào)可以直接獲取掃查平面上的人體結(jié)構(gòu)圖像。 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)人體無(wú)損、無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射，能提供人體斷面實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，廣泛用于心臟或腹部的檢查。USI除斷面成像外，可借助多普勒原理進(jìn)行超聲血流測(cè)量，用于對(duì)心血管與腦血管等疾病診斷。（四）放射性核素成像 利用人體內(nèi)不同組織對(duì)放射性核素的吸收狀況不同，通過(guò)示蹤劑在體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移速度和數(shù)量的差異及變化而產(chǎn)生特征圖

10、像， 提供臟器的形狀、大小、功能和血流量的動(dòng)態(tài)測(cè)定指標(biāo)，測(cè)量病變部位的范圍，能反映體內(nèi)生理、生化和病理過(guò)程，可以顯示出組織、器官的功能等。（四）放射性核素成像 核醫(yī)學(xué)成像中所使用的射線的能量范圍一般在25 keV 1.0 MeV，與X線成像時(shí)應(yīng)用的能量相近，但平均能量要高些。 圖像的分辨力較低（約為1cm左右） 。 1958年，美國(guó)人Anger研制的閃爍照相機(jī)（gamma scinticamera）具有快速顯像的本領(lǐng)，使核素影像診斷從靜態(tài)進(jìn)入到動(dòng)態(tài)觀察，能指示臟器的生理代謝功能。（四）放射性核素成像 20世紀(jì)80年代初，放射性核素掃描與CT技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研制出發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層掃描術(shù)（emiss

11、ion computed tomography，ECT）。 ECT不僅對(duì)各種臟器及其病變進(jìn)行立體顯像，能動(dòng)態(tài)觀察各種臟器的形態(tài)、功能和代謝的變化，還能進(jìn)行體層、立體顯像。（四）放射性核素成像 發(fā)射型CT（ECT）分： 單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層（single proton emission computed tomography，SPECT） 正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)體層（positron emission computed tomography，PET） 兩者的數(shù)據(jù)采集原理不相同。 PET研究人腦功能等有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。四、醫(yī)學(xué)圖像的識(shí)別 是將圖像與解剖學(xué)、生理學(xué)、病理學(xué)知識(shí)作對(duì)照，捕捉圖像中有意義的細(xì)

12、節(jié)和特征，來(lái)判斷是否有異?；?qū)儆谑裁葱再|(zhì)。 圖像識(shí)別的基礎(chǔ) 充分理解、掌握成像原理和方法是醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別的基礎(chǔ)。 醫(yī)學(xué)圖像中有的由于成像方法和條件的不同，得出的圖像有很大差異時(shí)，從成像方法上理解分析醫(yī)學(xué)圖像就尤為重要。圖像識(shí)別的基礎(chǔ) CT成像時(shí)，由于圖像重建所選用的濾波函數(shù)不同，得出的圖像就有差異； MRI中，由于所用的射頻脈沖的性質(zhì)和成像序列的不同，得出的影像的信息是不同的，形成的圖像有很大的差異； 即使是同種方法，由于射頻脈沖的時(shí)間間隔不同，所得的圖像也有很大差別。 由于時(shí)間間隔大小不同，在圖像上，不但病變組織與正常組織的對(duì)比度不同，正常組織間，如大腦中的腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)的對(duì)比度也不相同。四、

13、醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)評(píng)價(jià) 各種成像方式的成像原理、成像參數(shù)及適用范圍等各不相同。不同的成像系統(tǒng)并不能相互取代，在臨床應(yīng)用中起著相互補(bǔ)充的作用。 評(píng)價(jià)一個(gè)成像系統(tǒng)，應(yīng)從各個(gè)不同角度全面分析成像系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并了解其臨床適用的范圍。（一）電磁波透射成像 用透射方法成像時(shí)，并不是所有的電磁波都可以用來(lái)進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像。 考慮的主要因素是分辨力與衰減，從分辨力的角度考慮，用于成像的輻射波的波長(zhǎng)至少應(yīng)小于1.0cm。 當(dāng)射線照射人體時(shí)人體組織會(huì)將其部分吸收或散射，或者說(shuō)對(duì)射線起某種衰減作用。（一）電磁波透射成像 如果衰減過(guò)多，只有少量射線透過(guò)人體，很難檢測(cè)到。 反之若射線幾乎毫無(wú)衰減地透過(guò)人體，則不可能得到對(duì)比清晰

14、的圖像。因?yàn)閳D像的對(duì)比度是靠經(jīng)過(guò)一定的衰減后射線強(qiáng)度的差異來(lái)形成的。 紅外、可見(jiàn)光及紫外線照射人體時(shí)產(chǎn)生過(guò)度的衰減，不能用于透射成像。（二）超聲成像與X線成像 超聲波與X線在人體組織中的傳播過(guò)程不同，成像方式有明顯不同的特點(diǎn)。 超聲儀器是采用反射回波成像的方法。在反射回波成像系統(tǒng)中，可以根據(jù)超聲波往返傳播的時(shí)間來(lái)決定探查的深度。 超聲波在水中或大多數(shù)人體組織中的傳播速度約為1540 m/s，在體內(nèi)傳播1cm距離的時(shí)間約為6.5s，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)現(xiàn)代電子技術(shù)完全有能力區(qū)分來(lái)自人體不同深度處的回波信號(hào)。（二）超聲成像與X線成像 脈沖回波式超聲對(duì)觀察實(shí)質(zhì)性臟器的軟組織結(jié)構(gòu)很合適，但對(duì)胸腔檢查超聲波方法

15、就不行了。 用X線來(lái)探查胸腔則是很成功的，但探查腹部時(shí)則很難分辨出內(nèi)部的臟器（軟組織對(duì)X線的衰減差異小）。（三）形態(tài)學(xué)成像與功能成像 X線成像顯示的是人體結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)形態(tài)，對(duì)疾病的診斷主要根據(jù)形態(tài)上的密度變化，較難在病理研究中發(fā)揮作用。 放射性同位素圖像的分辨力比較低的，但是能直接顯示臟器功能，特別是代謝方面問(wèn)題，功能成像在臨床診斷與醫(yī)學(xué)研究中已越來(lái)越顯示出它的作用。 MRI不僅能提供組織形態(tài)方面的信息，而且可以提供有關(guān)臟器功能及組織化學(xué)特性方面的信息，并具有較高的圖像分辨力。（四）對(duì)人體的安全性 評(píng)價(jià)醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，需要特別注意的是對(duì)人體的安全性。 電離輻射對(duì)人體造成的損傷可大致分為： 一種是

16、對(duì)照射體的直接損傷，如局部發(fā)紅、脫發(fā)、有可能增加某些疾病（如白血?。┑陌l(fā)病率等； 另一種遺傳性的，可能會(huì)影響到下幾代?？紤]X線對(duì)人體可能的傷害，X線檢查時(shí)應(yīng)盡可能減少對(duì)人體的照射劑量。 放射性同位素成像也給人體造成電離輻射損傷。（四）對(duì)人體的安全性 在X線攝影中，盡管輻射的強(qiáng)度相對(duì)比較大，但病人只是在一個(gè)很短的時(shí)間里接受照射。 放射性同位素成像用的放射性材料的濃度雖然是很低的，但放射性藥物對(duì)人體的照射則會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，直至其排出體外或衰變完了。選擇放射性材料時(shí)應(yīng)考慮用較短的半衰期。（四）對(duì)人體的安全性 醫(yī)學(xué)診斷中使用的超聲波照射水平不會(huì)對(duì)人體造成傷害。 特別是對(duì)那些敏感的區(qū)域，如胎兒與眼部的檢

17、查，使用超聲檢查要比X線安全得多。 對(duì)發(fā)育初期的胚胎，超聲檢查也應(yīng)慎用。五、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)展望 （一）提高影像設(shè)備的性能 磁共振波譜成像（MRS）、功能成像（f MRI）； 彩色血流成像研究高速和低速血流測(cè)量新方法，腔內(nèi)超聲成像。 CT提高空間分辨力和掃描速度，重點(diǎn)研究疾病在新陳代謝方面的變化。（二）醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化（二）醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化 醫(yī)學(xué)影像成像方法：醫(yī)學(xué)影像成像方法：模擬方法和數(shù)字方法。模擬方法和數(shù)字方法。 普通屏普通屏- -片系統(tǒng)成像、片系統(tǒng)成像、光學(xué)系統(tǒng)成像和電視光學(xué)系統(tǒng)成像和電視技術(shù)技術(shù)( (透視透視) )的圖像都的圖像都屬模擬成像方式；屬模擬成像方式； 計(jì)算機(jī)化的各種醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)化的各

18、種醫(yī)學(xué)影像成像如影像成像如CTCT、MRIMRI、DSADSA、ECTECT、超聲等都、超聲等都是用數(shù)字方法給出圖是用數(shù)字方法給出圖像信息的。像信息的。（二）醫(yī)學(xué)影像數(shù)字化 隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展。 醫(yī)學(xué)成像從模擬到數(shù)字圖像。 從平面到立體圖像、從局部到整體圖像。 從宏觀到微觀圖像、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)圖像。 從形態(tài)到功能圖像。 從單一圖像到綜合圖像等方向發(fā)展。（三）計(jì)算機(jī)輔助診斷 CAD是把數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等作為圖像分析輔助工具，應(yīng)用于各種疾病的診斷。利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行特定的處理以提高診斷準(zhǔn)確性的一種方法。 1966年，ledley首次提出CAD并應(yīng)用于臨床放射診斷。70年代，國(guó)外首先將此技術(shù)應(yīng)用于乳腺疾病診斷，進(jìn)行大量技術(shù)及臨床應(yīng)用方面研究。 80年代起，美國(guó)芝加哥大學(xué)又對(duì)胸部疾病的CAD進(jìn)行了大量研究并取得了階段性成果，某些方面已具有臨床實(shí)用價(jià)值。（三） 計(jì)算機(jī)輔助診斷 在乳腺疾病