醫(yī)學影像系統(tǒng)原理1匯總

1、 醫(yī)學影像系統(tǒng)原理導論丁明躍華中科技大學生命科學與技術學院“圖像信息處理與智能控制”教育部重點實驗室2022-6-272 一、什么是醫(yī)學影像技術？二、醫(yī)學影像技術分類三、醫(yī)學影像技術在臨床醫(yī)學及醫(yī)學研究中的應用四、醫(yī)學影像技術發(fā)展與未來目錄目錄 3什么是醫(yī)學影像技術？醫(yī)學影像技術是借助于某種介質(如X-射線、電磁場、超聲波、放射性核素等)與人體內部組織、器官的形態(tài)結構、密度、功能等，以影像的方式表現(xiàn)出來，提供給診斷醫(yī)生，使醫(yī)生能夠根據(jù)自己的知識和經(jīng)驗針對醫(yī)學影像中所提供的信息進行判斷，從而對病人的健康狀況進行判斷的一門科學技術（李月卿，李萌，醫(yī)學影像成像原理，人民衛(wèi)生出版社，）。What is

2、 medical imaging?Medical imaging is the technique and process used to create images of the human body (or parts and function thereof) for clinical purposes (medical procedures seeking to reveal, diagnose or examine disease) or medical science (including the study of normal anatomy and physiology). A

3、lthough imaging of removed organs and tissues can be performed for medical reasons, such procedures are not usually referred to as medical imaging, but rather are a part of pathology. 醫(yī)學影像技術與醫(yī)學影像學6SPECTPET/CT光聲成像11MRI images acquired on 7T Varian/Magnex超聲圖像13醫(yī)學影像技術所涉及的專業(yè)領域醫(yī)學影像成像，medical imaging,又稱為醫(yī)

4、學成像，是指對于人體內部組織、器官的形態(tài)結構、密度、功能等信息的獲取，以及圖像的形成、存儲、處理、分析、傳輸、識別與應用的一門多學科交叉科學技術，它涉及到物理學、材料、計算機、圖像處理、醫(yī)學等，是醫(yī)學物理學的重要分支。醫(yī)學影像成像主要內容可歸納為三大部分：醫(yī)學影像成像原理、醫(yī)學影像處理技術和醫(yī)學影像臨床應用技術。14醫(yī)學影像技術與系統(tǒng)醫(yī)學影像技術的目的就是要研究各種成像系統(tǒng)原理、技術與處理算法,積累有關成像系統(tǒng)軟硬件基礎知識.其目標是培養(yǎng)能夠勝任使用、設計與研制成像系統(tǒng)的醫(yī)學物理師（Medical physicist）,以便為醫(yī)學成像設備的研制,生產(chǎn),維護和使用提供所需要的工程技術人員。能夠進

5、行醫(yī)學成像并提供處理、傳輸、管理等功能的硬件和軟件系統(tǒng)的總和稱之為醫(yī)學影像系統(tǒng)。15醫(yī)學影像成像技術分類醫(yī)學影像成像技術根據(jù)所研究的內容和層次，按其成像原理和技術的不同，可分為兩大領域：一是以研究生物體微觀結構為主要對象的生物醫(yī)學顯微成像（Bio-medical micro-imaging, BMMI）;二是以人體宏觀解剖結構及功能為研究對象的現(xiàn)代醫(yī)學成像(modern medical imaging, MMI)。16現(xiàn)代醫(yī)學影像成像技術分類X射線成像：測量穿過人體組織、器官后的X射線強度磁共振成像：測量人體組織中同類元素原子核的磁共振信號；超聲成像：測量人體組織、器官對超聲的反射波或透射波；

6、核素成像：測量放射性藥物在體內發(fā)射出的射線；光學成像：直接利用光學及電視技術觀察人體器官的形態(tài)；紅外、微波成像：測量人體表皮的紅外和體內的微波輻射信號。17醫(yī)學成像系統(tǒng)的評價醫(yī)學成像的模式或方法粗略地可以分為兩類：在大多數(shù)情況下，醫(yī)學影像的獲得有賴于某種形式的能量與人體組織相互作用的物理過程（如X-射線、超聲成像、核磁共振成像等）；也有一些醫(yī)學成像是反映人體生命過程中自身所發(fā)出的某種信息（如紅外成像等）。在透視方法成像時，并不是所有的電磁波都可以用來進行醫(yī)學成像。需要考慮的主要因素是分辨率與衰減，從分辨率的角度考慮，用于成像的電磁波的波長至少應小于1厘米。此外，當射線照射人體組織時，人體組織會

7、將其部分吸收或散射，或者說對射線起到某種衰減作用。如果衰減過快，那么只有少量的射線透過人體，很難檢測到。反之，若射線幾乎毫無衰減地透過人體，則不可能得到對比清晰的圖像。18醫(yī)學成像系統(tǒng)的評價形態(tài)學成像與功能成像。X射線成像等所能夠顯示的是人體結構的解剖學形態(tài)，對于疾病的診斷主要是依據(jù)形態(tài)學上的密度變化，它較難在病理研究中發(fā)揮作用。盡管放射性同位素成像的分辨率是比較低的，但是它能直接顯示臟器功能，特別是代謝方面的問題，功能成像在臨床診斷與醫(yī)學研究中已越來越顯示出它的作用。對人體的安全性。電離輻射對人體造成的損傷可大致分為兩種：一種屬于對照射體的直接損傷，如局部發(fā)紅、脫發(fā)、增加某種疾病，如白血病的

8、發(fā)病率等；另一種損傷是屬于遺傳性的，可能影響到下一代。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的故事他先把一個涂有磷光物質的屏幕放在放電管附近，結果發(fā)現(xiàn)屏幕馬上發(fā)出了亮光。接著，他嘗試著拿一些平時不透光的較輕物質比如書本、橡皮板和木板放到放電管和屏幕之間去擋那束看不見的神秘射線，可是誰也不能把它擋住，在屏幕上幾乎看不到任何陰影，它甚至能夠輕而易舉地穿透它甚至能夠輕而易舉地穿透15毫米厚的鋁毫米厚的鋁板！直到他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間，屏幕板！直到他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間，屏幕上才出現(xiàn)了金屬板的陰影上才出現(xiàn)了金屬板的陰影看來這種射線還是沒有能力穿透太厚的物質。接下來更為神奇的現(xiàn)象發(fā)生了，當這

9、位學者小心翼翼地伸出手當這位學者小心翼翼地伸出手掌，試圖擋在放電管與屏幕之間時，他居然發(fā)現(xiàn)自己的手骨和掌，試圖擋在放電管與屏幕之間時，他居然發(fā)現(xiàn)自己的手骨和手的輪廓被清晰地映射到了屏幕的上面手的輪廓被清晰地映射到了屏幕的上面。原來這是這種射線一個更為奇特的性質：具有相當強度的X射線，可以使肌體內的骨骼在磷光屏幕或者照相底片上投下陰影！1920X-射線成像系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 X-ray photograph taken by Wilhem Conrad Roentgen (1845-1923), of his wifes hand in December 1895 (some sources gi

10、ve the date as 22 December 1895). 21X-射線成像X-射線的發(fā)明是醫(yī)學影像發(fā)展史上的重要里程碑。于是，基于人體不同器官和組織對X-射線的不同吸收的基本原理，我們可以采用不同量化等級（即灰度）對于人體組織密度進行表征，從而區(qū)分不同器官和組織，達到對人體內部進行成像的目的。Wilhem Conrad Roentgen 因發(fā)明了X-射線成像技術于1901年12月10日榮獲首次諾貝爾物理學獎。22X-射線成像發(fā)展經(jīng)歷模擬X射線成像增感屏-膠片成像系統(tǒng)計算機X射線成像數(shù)字減影血管造影DSA(Digital subtraction angiography) CR（comp

11、uted radiography):采用可紀錄并由激光讀出X射線的成像板(Imaging plate, IP)DR（digital radiography):采用平板探測器(Flat panel detector,FPD)的數(shù)字X射線成像23什么是X射線？X射線是由于在真空條件下，高速運動的電子撞擊到金屬原子內部，使原子核外層軌道電子發(fā)生躍遷而放射的一種能。X射線的產(chǎn)生，必須具備以下條件：電子源；在真空條件下，高電壓產(chǎn)生的強電場和高速運動的電子流；適當?shù)恼系K物（靶面）來接受高速運動電子所帶的能量，使高速電子所帶的動能部分轉變?yōu)閄射線能。硬X射線(8-80pm,15-150Kev)、軟X射線(8

12、0pm-8nm, 150ev-15Kev)電磁波頻譜分布圖24 2526X 射線機基本構成27C臂X光機2829CT成像發(fā)展經(jīng)歷1972年英國工程師G.N. Hounsfield發(fā)明了X射線計算機斷層成像（X-ray computed tomography, X-CT）掃描方式：單束平移-旋轉方式窄扇形束平移-旋轉方式寬扇形束旋轉-旋轉方式寬扇形束靜止-旋轉方式電子束掃描3031左- Fenster教授，右-Peters教授與Fenster和Peters教授在2005年世界醫(yī)學成像大會上合影32與美國GE公司CT醫(yī)學成像部首席科學家謝強教授合影34CT成像發(fā)展經(jīng)歷三維CT(3-dimensio

13、nal CT)螺旋CT（Spiral CT)多層CT(Multi-slice CT)：1998年11月北美放射學會年會(Radiology Society in Northern America,RSNA)上推出了多層CT系統(tǒng)。如今,28排、256排乃至320排多層CT系統(tǒng)已投入臨床應用。錐體CT(Cone bean CT)35 三維CT圖像1930年代，物理學家伊西多拉比發(fā)現(xiàn)在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉。這是人類關于原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由于這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。 36核磁

14、共振成像發(fā)展經(jīng)歷 37核磁共振成像發(fā)展經(jīng)歷 1946年，美國哈佛大學的E.Purcell及斯坦福大學的F.Bloch領導的兩個研究小組各自對立地發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象。由于這一發(fā)現(xiàn)在物理和化學領域具有的重要意義，E.Purcell和F.Bloch兩人共同獲得了1952年的諾貝爾物理獎。1971年美國紐約州立大學的R. Damadian利用核磁共振儀對鼠的正常組織和癌變組織樣品研究發(fā)現(xiàn)，癌變組織的T1,T2馳豫時間值比正常組織長。38核磁共振成像發(fā)展經(jīng)歷1973年美國紐約州立大學的P.Lauterbur利用梯度磁場進行空間定位，用兩個充水試管獲得了第一幅共振圖像。1978-1980年磁共振成像方法得

15、到不斷發(fā)展，先后研究出梯度選層方法、相位編碼成像方法、自旋回波成像方法以及傅立葉變換成像方法等。1978年在英國取得了第一幅人體頭部的磁共振圖像。此后，又獲得了人體的第一幅胸、腹部圖像。2003年，保羅勞特伯爾和英國諾丁漢大學教授彼得曼斯菲爾因為他們在核磁共振成像技術方面的貢獻獲得了當年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。40核磁共振成像發(fā)展經(jīng)歷1980年磁共振機以商品出售磁共振血管成像（Magnetic resonance angiography）:時間飛躍法（Time of flight）相位對比法(Phase contrast)對比增強法(Contrast enhanced MRA)41人腦核磁共

16、振圖像42GE 3T MRI Scanner開放式磁共振成像系統(tǒng)國產(chǎn)開放式磁共振成像系統(tǒng)(0.3T)Animation from 3D MRI454647超聲成像技術發(fā)展經(jīng)歷人耳能夠感知的聲音頻率在，頻率高于該范圍的叫做超聲波，簡稱超聲。1950年，美國的D.H.Howry利用復合圓周掃描法得到了第一張人體組織橫切面的超聲影像圖。1952年，Wild應用A型超聲儀在臨床進行超聲診斷。1954年B型超聲診斷應用于臨床實踐。48超聲成像技術發(fā)展經(jīng)歷1957年，美國的J.J.Wild首次應用機械旋轉探頭（P型）伸入直腸內探查，攝取下腹腔內的體層像。同年，日本的里村茂夫首先將多譜勒效應的聲學原理應用于

17、超聲診斷，利用連續(xù)波多譜勒判斷心臟瓣膜病，為多譜勒超聲醫(yī)學診斷的臨床應用作出了重大貢獻。1991年美國一家公司推出世界上第一臺數(shù)字化超聲系統(tǒng)。我國隸屬于清華大學工業(yè)研究院的北京天惠華公司也在2003年推出了類似系統(tǒng)。49超聲成像技術發(fā)展經(jīng)歷 三維超聲是在傳統(tǒng)二維超聲基礎上發(fā)展起來的一項應用技術，加拿大西安大略大學Robarts Research Institute 是世界上最早從事三維超聲成像技術與應用的研究單位之一。以Fenster教授為首的研究小組從二十世紀九十年代就成功開發(fā)出該項技術，并先后申請了二十余項專利技術。 50加拿大Robarts研究所51與世界著名超聲專家Chehem和Fen

18、ster教授合影(2006年2月)523D Ultrasound image system based on rotational scanning迪正雅合公司53AllSee-7 三維/四維彩超四維胎兒圖像天惠華TH-5000三維彩超在無錫海鷹調試4D系統(tǒng)重建的胎兒圖像5657平行掃描三維成像裝置58用于扇形掃描的直腸探頭59隨機掃描三維超聲成像裝置60華中科技大學附屬協(xié)和醫(yī)院膽囊圖像肝癌圖像全身超聲成像檢查胎兒體模三維圖像62胎兒缺陷檢查胎兒脊椎，華中科技大學附屬協(xié)和醫(yī)院介入手術導引6364放射性核素成像發(fā)展經(jīng)歷放射性藥物中所含的放射性同位素是不穩(wěn)定性核素，其原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要經(jīng)過

19、核內結構和能級的變化才能趨于穩(wěn)定的核素。它能自發(fā)地釋放出核射線和能量而轉換為另一種核素。放射性核素示蹤技術放射性核素示蹤技術就是以放射性核素或其標記物作為示蹤劑（Tracer），借助核探測儀器追蹤示蹤劑在生物體內或體外的運動規(guī)律，并進行定量或定性分析，動態(tài)地研究物質的一些變化規(guī)律的方法，亦稱為“示蹤原子分析法”。 65放射性核素成像發(fā)展經(jīng)歷1958年美國的Hal-Anger成功研制出第一臺照相機。發(fā)射型計算機斷層成像（Emission computed tomography,ECT）是在體外從不同角度采集體內某臟器放射性分布的二維影像，后經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理重建，顯示出三維圖像。ECT根據(jù)所用的

20、放射性核素放出射線類型的不同分為兩大類：一類是利用能放射光子的核素成像的單光子發(fā)射型計算機斷層成像（Single proton emission computed tomography，SPECT）；另一類是利用+衰變核素成像的正電子發(fā)射型計算機斷層成像(Positron emission tomography，PET)。66放射性核素成像發(fā)展經(jīng)歷SPECT只被動接受引入人體內的單光子放射性核素所發(fā)出的射線，在體外測定其分布濃度轉化成電信號，在計算機輔助下經(jīng)過重建影像得到斷層圖像。PET發(fā)射出的正電子在組織中很快與負電子相互碰撞而發(fā)生湮沒輻射(annihilation radiation)，同時產(chǎn)生兩個方向相反、能量相同（511kev）的光子。由于正電子在組織中只能瞬態(tài)存在，故不能直接測量，只有利用測量湮沒輻射的光子探測正電子的存在。67PET實物圖片：GE Discovery系列68P