生物醫(yī)學(xué)工程概論之生物醫(yī)學(xué)圖像-1-part2課件

1、山東大學(xué)控制學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 劉忠國生物醫(yī)學(xué)圖像生物醫(yī)學(xué)工程概論之2022/10/11生物醫(yī)學(xué)工程中心2. 超聲成像系統(tǒng) 超聲成像設(shè)備是目前醫(yī)院中僅次于投影X射線機(jī)使用得最頻繁的成像設(shè)備。目前臨床上使用的超聲成像系統(tǒng)基本上都是采用脈沖回波亮度調(diào)制方式成像(即B型超聲顯像儀)。超聲成像的突出優(yōu)點(diǎn)是對人體無損、無創(chuàng)、無電離輻射，同時(shí)又能提供人體斷面實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)圖像。因此廣泛地用于心臟或腹部的檢查。 2022/10/12生物醫(yī)學(xué)工程中心（1）B超2022/10/13生物醫(yī)學(xué)工程中心2022/10/14生物醫(yī)學(xué)工程中心超聲成像圖2022/10/15生物醫(yī)學(xué)工程中心超聲圖象Photo courtesy

2、Philips Research 3D ultrasound images 2022/10/17生物醫(yī)學(xué)工程中心2022/10/18生物醫(yī)學(xué)工程中心20世紀(jì) 80年代初問世的超聲彩色血流圖（color flow mapping，簡稱CFM）是目前臨床上使用的高檔超聲診斷儀。它的特點(diǎn)是把血流信息疊加到二維B型圖像上。凡是指向換能器的血流在B超圖中用紅顏色表示，而背離換能器的血流則用藍(lán)顏色表示。由于在一張圖像上既能看到臟器的解剖形態(tài)，又能看到動(dòng)態(tài)血流，它在心血管疾病的診斷中發(fā)揮了很大的作用。超聲彩色血流圖2022/10/110生物醫(yī)學(xué)工程中心Color Flow Mapping, CFM2022/

3、10/111生物醫(yī)學(xué)工程中心超聲診斷2022/10/112生物醫(yī)學(xué)工程中心腎臟多普勒2022/10/114生物醫(yī)學(xué)工程中心（3）高能量聚焦超聲波治療儀（ high-intensity focused ultrasound, HIFU） 是利用超聲波良好的組織內(nèi)聚焦性、方向性和能量的可滲透性，通過一定的聚焦方式，將超聲源發(fā)出的超聲能量聚焦于人體組織，在組織內(nèi)形成一個(gè)聲強(qiáng)較高的區(qū)域焦域，使焦域組織溫度瞬間內(nèi)達(dá)到70以上，致使焦域內(nèi)的組織細(xì)胞凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉(zhuǎn)移能力，而對焦域以外的組織影響甚少。2022/10/115生物醫(yī)學(xué)工程中心聚焦超聲在其所穿過的非治療部位的能量不足以對組織造成損傷

4、。而在其聚焦點(diǎn)，由于聲強(qiáng)很高，通過超聲的熱效應(yīng)使該處組織的溫度瞬間上升至56100，從而導(dǎo)致蛋白變性及組織細(xì)胞凝固性壞死；同時(shí)還通過超聲的空化效應(yīng)使組織間液、細(xì)胞間液和細(xì)胞內(nèi)氣體分子在超聲波正、負(fù)壓相作用下形成氣泡，并隨之收縮和膨脹以致最終爆破，所產(chǎn)生的能量導(dǎo)致細(xì)胞損傷、壞死。聚焦超聲聲焦域的形態(tài)、大小以及組織對超聲的效應(yīng)和反作用等因素對超聲治療的深淺度、組織損傷范圍和損傷程度起著決定性的作用。因此，通過對超聲換能器參數(shù)的設(shè)置可以達(dá)到靶向破壞病變的目的，而對治療靶點(diǎn)周圍組織卻沒有損傷，從而實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)治療的目標(biāo)。高強(qiáng)度聚焦超聲與超聲熱療區(qū)別：高強(qiáng)度聚焦超聲聚焦區(qū)域瞬間溫度可升高到60以上，直接凝固

5、細(xì)胞蛋白。 超聲熱療則完全不同，超聲作用區(qū)的溫度一般為4045，不能直接造成細(xì)胞組織凝固性壞死，只能令其變性，故療效不可靠。2022/10/117生物醫(yī)學(xué)工程中心HIFU刀重慶醫(yī)科大學(xué)研制的HIFU刀是我國第一個(gè)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 大型醫(yī)療設(shè)備2022/10/118生物醫(yī)學(xué)工程中心HIFU 刀無錫海鷹醫(yī)療電子有限公司生產(chǎn)的HY2900聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)2022/10/119生物醫(yī)學(xué)工程中心 HIFU的優(yōu)點(diǎn)：手術(shù)精確 治療中電腦實(shí)時(shí)計(jì)劃，實(shí)時(shí)監(jiān)控，術(shù)中不出血 體外治療，不開刀，不出血，無疼痛，創(chuàng)傷反應(yīng)明顯小于開放手術(shù)病人耐受性好。并發(fā)癥少 住院時(shí)間短 治療過程大約在半小時(shí)內(nèi)完成，病人術(shù)后當(dāng)

6、天可下地活動(dòng)，康復(fù)快，身體狀況好者則無需住院風(fēng)險(xiǎn)小 尤其適用于因其他疾病或原因不能手術(shù)的患者,如高血壓，糖尿病，心血管疾病，高齡患者等。2022/10/120生物醫(yī)學(xué)工程中心3. 磁共振成像系統(tǒng) 1945年美國學(xué)者Bloch和Purcell首先發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，從此產(chǎn)生了核磁共振譜學(xué)這門科學(xué)。它在廣泛的學(xué)科領(lǐng)域中迅速發(fā)展成為對物質(zhì)的最有效的非破壞性分析方法之一。核磁共振作為一種成像方法的應(yīng)用是一個(gè)較新的發(fā)展。2022/10/121生物醫(yī)學(xué)工程中心Bloch和Purcell于1945年因發(fā)現(xiàn)宏觀物質(zhì)核磁共振NMR現(xiàn)象獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 2022/10/122生物醫(yī)學(xué)工程中心1973

7、年P(guān).C.Lauterbur把物體放置在一個(gè)穩(wěn)定的磁場中，然后再加上梯度磁場，再用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈溥@一物體，這樣根據(jù)物體釋放出的電磁波就可以繪制成物體某個(gè)截面的內(nèi)部圖像；之后，Mansfield 改進(jìn)了其方法，并發(fā)現(xiàn)不均勻磁場的快速變化可使上述方法能更快地繪制成物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像；他還證明可以用數(shù)學(xué)方法分析獲得的數(shù)據(jù)，為利用計(jì)算機(jī)快速繪制圖像奠定了基礎(chǔ)。直至上世紀(jì) 80 年代初第一臺(tái)醫(yī)用核磁共振成像儀才問世。核磁共振成像系統(tǒng)也稱為磁共振成像（magnetic resonance imaging，簡稱MRI）系統(tǒng)。核磁共振成像儀的研制2022/10/124生物醫(yī)學(xué)工程中心74歲的美國科學(xué)家保羅La

8、uterbur和即將70歲的英國的彼得-曼斯菲爾德Mansfield因發(fā)明核磁共振成像技術(shù)MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。 2022/10/125生物醫(yī)學(xué)工程中心MRI的三要素靜態(tài)磁場梯度磁場射頻電磁場2022/10/127生物醫(yī)學(xué)工程中心 磁共振圖像也是通過計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生的圖像。與CT不同的是，CT圖中每個(gè)像素的數(shù)值代表的是人體組織中某一個(gè)體素對X線的衰減；而在磁共振圖像中，每個(gè)像素的值代表的是從某個(gè)體素來的磁共振信號(hào)的強(qiáng)度，它與共振核子的密度有關(guān)。 磁共振成像與CT圖像比較2022/10/128生物醫(yī)學(xué)工程中心MRI的突出優(yōu)點(diǎn)基于核磁共振，無高能（XRay）輻射，故安全、對

9、人體無創(chuàng)可以對人體組織作出形態(tài)和功能的診斷；fMRI：磁共振功能成像提供精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)信息MRI分辨率可達(dá)0.5mm；獲取人體的三維圖像數(shù)據(jù)較容易直接產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)，無需重建另外，它還可以在不注射造影劑的情況下顯示血管影像。2022/10/129生物醫(yī)學(xué)工程中心MRI2022/10/130生物醫(yī)學(xué)工程中心開放式MRI2022/10/131生物醫(yī)學(xué)工程中心 MRI2022/10/132生物醫(yī)學(xué)工程中心 MRI2022/10/133生物醫(yī)學(xué)工程中心MR Angiography血管造影術(shù)HeadS/I ProjectionMRI Center, University of Rochester Medi

10、cal School2022/10/134生物醫(yī)學(xué)工程中心Hydrocephalus 腦水腫MRI Center, University of Rochester Medical School2022/10/135生物醫(yī)學(xué)工程中心Multispectral Tissue ClassificationT1T23D HistogramSegmentedImageFletcher, Barsotti, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:623 (1993)2022/10/136生物醫(yī)學(xué)工程中心Morphological Image ProcessingChen, Doughe

11、rty, Totterman, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:358 (1993)NormalCysticScleroticOsteoporosis2022/10/137生物醫(yī)學(xué)工程中心Motor Activation - Right Index Finger Movement1 Hz2 Hz3 Hz% 100755025Schlaug, et al, 1995, Harvard Medical School and Beth Israel Hospital2022/10/138生物醫(yī)學(xué)工程中心Asymmetry of Auditory Regions in Mus

12、icians with Perfect PitchSchlaug, et al, Science 267:699 (1995)2022/10/139生物醫(yī)學(xué)工程中心自旋磁矩核磁共振成像（MRI）原理2022/10/140生物醫(yī)學(xué)工程中心原子核（質(zhì)子）進(jìn)動(dòng)氫核（質(zhì)子）自旋產(chǎn)生一個(gè)小小的磁場，產(chǎn)生磁矩矢量2022/10/141生物醫(yī)學(xué)工程中心進(jìn)動(dòng)（Spin）與極化（Polarization）無外界作用時(shí)，質(zhì)子自旋，磁矢量朝向隨機(jī)有外界磁場 B0作用時(shí)，質(zhì)子會(huì)繞著磁場方向進(jìn)動(dòng)（極化）。進(jìn)動(dòng)的相位存在兩種情況：平行（與B0同向）: 低能量, 原子數(shù)目多反平行（與B0同向） : 高能量, 原子數(shù)目少對齊

13、后產(chǎn)生凈磁矩M2022/10/142生物醫(yī)學(xué)工程中心Larmor頻率在外磁場作用下，自旋的質(zhì)子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)進(jìn)動(dòng)頻率稱為Larmor 頻率 =*B0為旋磁比,是質(zhì)子的固有特性B0=1T, =42.58 MHzLarmor頻率在 射頻（RF）范圍2022/10/143生物醫(yī)學(xué)工程中心凈磁矩（Net Magnetization）不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同將M 分解為Mz 和 Mxy不同原子磁矩的平均值稱為凈磁矩若Mxy相互抵消，凈磁矩由Mz給出若Mz=0, 凈磁矩為Mxy2022/10/144生物醫(yī)學(xué)工程中心凈磁矩2022/10/145生物醫(yī)學(xué)工程中心核磁共振（NMR）在外加

14、磁場B0作用的同時(shí)，施加脈沖射頻場的作用當(dāng)RF的頻率合適（取決于B0）時(shí)，進(jìn)動(dòng)的相位趨向一致，當(dāng)完全一致時(shí)就發(fā)生核磁共振，原子由低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)共振時(shí)，質(zhì)子大量吸收交變場的能量，同時(shí)向外輻射能量，此即為成像信號(hào)兩種可能的激發(fā) 90脈沖: 自旋從平行方向至垂直方向 (lower RF) 180脈沖: 自旋從平行方向至反平行方向 (higher RF)2022/10/146生物醫(yī)學(xué)工程中心Signal2022/10/147生物醫(yī)學(xué)工程中心馳豫時(shí)間（Relaxations Times）脈沖B1作用之后, 被激發(fā)的自旋漸漸恢復(fù)到低能態(tài)，同時(shí)向外輻射RF信號(hào)，此過程成為馳豫。 MRI通過測量兩個(gè)馳豫時(shí)

15、間信號(hào)成像T1: 90RF作用之后，Mz恢復(fù)到平衡態(tài)的63% 所需要的時(shí)間T2: 90RF作用之后，Mxy衰減到原始靜磁矩的37% 所需要的時(shí)間T1和T2對不同的組織是不同的，因此可以反映解剖結(jié)構(gòu)的信息2022/10/148生物醫(yī)學(xué)工程中心2022/10/149生物醫(yī)學(xué)工程中心2022/10/150生物醫(yī)學(xué)工程中心MRI與CT比較，其主要優(yōu)點(diǎn)1. 對腦組織無放射性損害，也無生物學(xué)損害。 2.可以直接做出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像。 3.不受骨像干擾，對后顱凹底和腦干等處的小病變能滿意顯示，對廣泛轉(zhuǎn)移的腫瘤有很高的診斷價(jià)值。 4.顯示疾病的病理過程較CT更廣泛，結(jié)構(gòu)更清楚。能發(fā)現(xiàn)

16、CT顯示完全正常的等密度病灶。5.對神經(jīng)、血管、肌肉等軟組織成分顯示明顯優(yōu)于CT。2022/10/151生物醫(yī)學(xué)工程中心MRI與CT比較，其主要缺點(diǎn)1和CT一樣，MRI也是影像診斷，很多病變單憑MRI仍難以確診，不像內(nèi)窺鏡可同時(shí)獲得影像和病理兩方面的診斷； 2對肺部的檢查不優(yōu)于X線或CT檢查，對肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優(yōu)越，但費(fèi)用要高昂得多； 3對胃腸道的病變不如內(nèi)窺鏡檢查； 4體內(nèi)留有金屬物品者不宜接受MRI。 5. 危重病人、妊娠3個(gè)月之內(nèi)的、帶有心臟起搏器的患者不能做MRI。 2022/10/152生物醫(yī)學(xué)工程中心XCT與MRI成像比較的特點(diǎn)：分辨率高，對骨、鈣化、早期腦

17、出血的顯示優(yōu)于MRI；成像速度快，器官的運(yùn)動(dòng)偽影較小。CT價(jià)格較為低廉。軟組織之間的分辨能力差對人體有一定的輻射只給出解剖結(jié)構(gòu)信息，幾乎無功能信息2022/10/153生物醫(yī)學(xué)工程中心4. 放射性核素成像 把放射性同位素標(biāo)記在藥物上引入病人體內(nèi)，當(dāng)被吸收后，人體自身便成了放射源。放射性同位素在衰變過程中，將向體外輻射射線。用核子探測器在體外定量地觀察這些放射性同位素在體內(nèi)的分布情況，以此成象。2022/10/154生物醫(yī)學(xué)工程中心 從所得的放射性同位素圖像中，不僅可以看到器官的形態(tài)，更重要的是可以從中了解到人體臟器新陳代謝的情況。這是其他成像系統(tǒng)所不容易做到的。因此，盡管放射性同位素圖像的分辨

18、率比較低(約為1cm左右)，但它仍是臨床診斷中的重要工具。放射性核素成像 特點(diǎn)2022/10/155生物醫(yī)學(xué)工程中心 早期的同位素成像裝置是同位素掃描儀，成像速度非常低。目前臨床上用得比較多的是照相機(jī)，可快速地拍攝體內(nèi)臟器的圖片，并從一系列連續(xù)的圖像中了解器官新陳代謝的功能。放射性核素成像 特點(diǎn)2022/10/156生物醫(yī)學(xué)工程中心放射性核素成象設(shè)備射線照相機(jī)發(fā)射型CT（ECT: Emission Computed Tomography）單光子發(fā)射型CT（Single Photon ECT，簡稱SPECT）正電子發(fā)射型CT（ Positron Emission Computed Tomogra

19、phy ，簡稱PET ）2022/10/157生物醫(yī)學(xué)工程中心SPECT成像示意圖目前，SPECT在臨床上已得到較廣泛的應(yīng)用。它是將照相機(jī)的探測器圍繞探查部位旋轉(zhuǎn)并采集相應(yīng)的投影數(shù)據(jù)，然后采用與XCT類似的重建算法計(jì)算出放射性同位素分布的斷層圖像。（放射性核，如TC-99m 、TI-201）2022/10/158生物醫(yī)學(xué)工程中心SPECT2022/10/159生物醫(yī)學(xué)工程中心PET是根據(jù)這一類放射性同位素在衰變過程中釋放正電子的物理現(xiàn)象來設(shè)計(jì)的。正電子與電子相互作用發(fā)生湮滅現(xiàn)象后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)能量為511Kev且傳播方向完全相反的光子，用一個(gè)符合檢測器就可以檢測出這種成對出現(xiàn)的射線光子。根據(jù)這樣

20、采集到的數(shù)據(jù)同樣能重建出斷層圖像。PET系統(tǒng)價(jià)格昂貴，主要是在實(shí)驗(yàn)室或研究中心使用, 但目前已有少數(shù)醫(yī)院將該設(shè)備用于臨床。PET貧中子核素 半衰期以分鐘計(jì)。2022/10/160生物醫(yī)學(xué)工程中心Positron emission and annihilation 2022/10/161生物醫(yī)學(xué)工程中心PET成像示意圖2022/10/162生物醫(yī)學(xué)工程中心PET成像機(jī)理2022/10/163生物醫(yī)學(xué)工程中心PETPhilips_Precedence_SPECT-CTSiemens Dual Head-E.CAM SPECT CameraGE Discovey PETCT Camera2022/1

21、0/164生物醫(yī)學(xué)工程中心PET2022/10/165生物醫(yī)學(xué)工程中心PET -CT圖示2022/10/166生物醫(yī)學(xué)工程中心PET2022/10/167生物醫(yī)學(xué)工程中心PET的臨床應(yīng)用神經(jīng)疾病2022/10/168生物醫(yī)學(xué)工程中心放射性同位素成像的特點(diǎn)不僅能看到器官的形態(tài)，可以得到臟器的功能和代謝情況；分辨率較低：1cm；PET設(shè)備價(jià)格昂貴、不易于維護(hù)。2022/10/169生物醫(yī)學(xué)工程中心PET相較于CT和MRI來說主要特點(diǎn)為 1.靈敏度高。PET是一種反映分子代謝的顯像，當(dāng)疾病早期處于分子水平變化階段，病變區(qū)的形態(tài)結(jié)構(gòu)尚未呈現(xiàn)異常，MRI、CT檢查還不能明確診斷時(shí)，PET檢查即可發(fā)現(xiàn)病灶

22、所在，并可獲得三維影像，還能進(jìn)行定量分析，達(dá)到早期診斷，這是目前其它影像檢查所無法比擬的。 2.特異性高。MRI、CT檢查發(fā)現(xiàn)臟器有腫瘤時(shí)，是良性還是惡性很難做出判斷，但PET檢查可以根據(jù)惡性腫瘤高代謝的特點(diǎn)而做出診斷。 2022/10/170生物醫(yī)學(xué)工程中心PET相較于CT和MRI來說主要特點(diǎn)為 3.全身顯像。PET一次性全身顯像檢查便可獲得全身各個(gè)區(qū)域的圖像。 4.安全性好。PET檢查需要的核素有一定的放射性，但所用核素量很少，而且半衰期很短（短的在12分鐘左右，長的在120分鐘左右），經(jīng)過物理衰減和生物代謝兩方面作用，在受檢者體內(nèi)存留時(shí)間很短。一次PET全身檢查的放射線照射劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一

23、個(gè)部位的常規(guī)CT檢查，因而安全可靠。 2022/10/171生物醫(yī)學(xué)工程中心CompareCT / MRI show that you have a brain PET / SPECT show that you use it!組合 MRI / CT PET / CT2022/10/172生物醫(yī)學(xué)工程中心5：醫(yī)學(xué)成像新技術(shù) 由于人體臟器結(jié)構(gòu)是一個(gè)三維空間分布，因此僅僅依靠一幅或幾幅二維圖像來理解三維結(jié)構(gòu)是有一定的局限性的，它不能完全滿足臨床上在疾病診斷、治療決策及外科手術(shù)研究中的需要。（1）三維成像2022/10/173生物醫(yī)學(xué)工程中心為了給醫(yī)生提供真正的三維結(jié)構(gòu)顯示圖，自70年代開始就有人著

24、手研究醫(yī)學(xué)三維成像的方法。早期的三維成像曾經(jīng)采用過全息攝影等方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成熟應(yīng)用，醫(yī)學(xué)三維成像在近十年中有了很大的發(fā)展。2022/10/174生物醫(yī)學(xué)工程中心三維圖像一般是由一系列二維圖像疊合構(gòu)成。將二維數(shù)據(jù)的集合變成三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，人們就可以根據(jù)需要取出任意角度下的剖面來觀察。這樣可以使醫(yī)生更準(zhǔn)確、更全面地了解臟器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2022/10/175生物醫(yī)學(xué)工程中心 此外，醫(yī)生還可以“剝出”任意局部區(qū)域作進(jìn)一步分析，或模擬外科手術(shù)過程，從而制定最佳的手術(shù)方案。目前，三維圖像已應(yīng)用于放射學(xué)診斷、腫瘤學(xué)、心臟學(xué)與外科手術(shù)的研究中，并已成為計(jì)算機(jī)輔助制定治療方案的得力工

25、具。腹部X刀立體三維重建圖像2022/10/176生物醫(yī)學(xué)工程中心（2）微型內(nèi)窺鏡最新型的M2A微型內(nèi)窺鏡，可以像藥丸一樣服下2022/10/177生物醫(yī)學(xué)工程中心微型內(nèi)窺鏡2022/10/178生物醫(yī)學(xué)工程中心M2A微型內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：1、光學(xué)圓蓋 2、透鏡固定環(huán) 3、透鏡 4、照明發(fā)光二極管 5、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像器 6、電池 7、專用集成電路 8、天線微型內(nèi)窺鏡2022/10/179生物醫(yī)學(xué)工程中心內(nèi)窺鏡影像-潰瘍性腺癌2022/10/180生物醫(yī)學(xué)工程中心內(nèi)窺鏡影像-皮革狀胃2022/10/181生物醫(yī)學(xué)工程中心（3）紅外成像2022/10/182生物醫(yī)學(xué)工程中心紅外圖象2022/10/183生物醫(yī)學(xué)工程中心（4）醫(yī)學(xué)圖象顯微圖象2022/10/184生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)學(xué)圖象顯微圖象2022/10/185生物醫(yī)學(xué)工程中心其他成像設(shè)備2022/10/186生物醫(yī)學(xué)工程中心其他成像設(shè)備2022/10/187生物醫(yī)學(xué)工程中心 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各類醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)據(jù)庫與醫(yī)學(xué)圖像的管理系統(tǒng)也日趨成熟。醫(yī)學(xué)圖像的管理是建立在實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)字圖像存儲(chǔ)的基礎(chǔ)