生物醫(yī)學工程概論之生物醫(yī)學圖像-1-part2

山東大學控制學院生物醫(yī)學工程系劉忠國生物醫(yī)學圖像生物醫(yī)學工程概論之2023/2/51生物醫(yī)學工程中心2.超聲成像系統(tǒng)

超聲成像設備是目前醫(yī)院中僅次于投影X射線機使用得最頻繁的成像設備。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制方式成像(即B型超聲顯像儀)。超聲成像的突出優(yōu)點是對人體無損、無創(chuàng)、無電離輻射，同時又能提供人體斷面實時的動態(tài)圖像。因此廣泛地用于心臟或腹部的檢查。2023/2/52生物醫(yī)學工程中心（1）B超2023/2/53生物醫(yī)學工程中心2023/2/54生物醫(yī)學工程中心超聲成像圖2023/2/55生物醫(yī)學工程中心

超聲圖象2023/2/56生物醫(yī)學工程中心超聲圖象PhotocourtesyPhilipsResearch

3Dultrasoundimages2023/2/57生物醫(yī)學工程中心2023/2/58生物醫(yī)學工程中心除斷面成像外，血流測量也是超聲成像設備中的重要組成部分。超聲血流測量是借助多普勒頻移原理完成的。射入人體的一定頻率的超聲波在遇到運動的紅血球時，血球產(chǎn)生的后向散射信號會出現(xiàn)多普勒頻移。通過對多普勒回波信號的分析就能得到血流的方向與速度信息，這些信息是心血管疾病與腦血管疾病診斷中的重要依據(jù)。（2）多普勒超聲診斷2023/2/59生物醫(yī)學工程中心20世紀80年代初問世的超聲彩色血流圖（colorflowmapping，簡稱CFM）是目前臨床上使用的高檔超聲診斷儀。它的特點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2023/2/510生物醫(yī)學工程中心ColorFlowMapping,

CFM2023/2/511生物醫(yī)學工程中心超聲診斷2023/2/512生物醫(yī)學工程中心超聲診斷2023/2/513生物醫(yī)學工程中心腎臟多普勒2023/2/514生物醫(yī)學工程中心（3）高能量聚焦超聲波治療儀

（high-intensityfocusedultrasound,HIFU）是利用超聲波良好的組織內聚焦性、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，在組織內形成一個聲強較高的區(qū)域——焦域，使焦域組織溫度瞬間內達到70℃以上，致使焦域內的組織細胞凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉移能力，而對焦域以外的組織影響甚少。2023/2/515生物醫(yī)學工程中心HIFU原理示意圖2023/2/516生物醫(yī)學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。而在其聚焦點，由于聲強很高，通過超聲的熱效應使該處組織的溫度瞬間上升至56～100℃，從而導致蛋白變性及組織細胞凝固性壞死；同時還通過超聲的空化效應使組織間液、細胞間液和細胞內氣體分子在超聲波正、負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)生的能量導致細胞損傷、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)的設置可以達到靶向破壞病變的目的，而對治療靶點周圍組織卻沒有損傷，從而實現(xiàn)無創(chuàng)治療的目標。高強度聚焦超聲與超聲熱療區(qū)別：高強度聚焦超聲聚焦區(qū)域瞬間溫度可升高到60℃以上，直接凝固細胞蛋白。超聲熱療則完全不同，超聲作用區(qū)的溫度一般為40～45℃，不能直接造成細胞組織凝固性壞死，只能令其變性，故療效不可靠。2023/2/517生物醫(yī)學工程中心HIFU刀重慶醫(yī)科大學研制的HIFU刀是我國第一個完全擁有自主知識產(chǎn)權的大型醫(yī)療設備2023/2/518生物醫(yī)學工程中心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)2023/2/519生物醫(yī)學工程中心HIFU的優(yōu)點：手術精確治療中電腦實時計劃，實時監(jiān)控，術中不出血

體外治療，不開刀，不出血，無疼痛，創(chuàng)傷反應明顯小于開放手術病人耐受性好。并發(fā)癥少

住院時間短

治療過程大約在半小時內完成，病人術后當天可下地活動，康復快，身體狀況好者則無需住院風險小尤其適用于因其他疾病或原因不能手術的患者,如高血壓，糖尿病，心血管疾病，高齡患者等。2023/2/520生物醫(yī)學工程中心3.磁共振成像系統(tǒng)

1945年美國學者Bloch和Purcell首先發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，從此產(chǎn)生了核磁共振譜學這門科學。它在廣泛的學科領域中迅速發(fā)展成為對物質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用是一個較新的發(fā)展。2023/2/521生物醫(yī)學工程中心Bloch和Purcell于1945年因發(fā)現(xiàn)宏觀物質核磁共振NMR現(xiàn)象獲得1952年諾貝爾物理學獎。2023/2/522生物醫(yī)學工程中心RichardR.Ernst于66年和70年代的研究因發(fā)明了傅立葉變換核磁共振分光法和二維核磁共振技術而獲得1991年諾貝爾化學獎。2023/2/523生物醫(yī)學工程中心1973年P.C.Lauterbur把物體放置在一個穩(wěn)定的磁場中，然后再加上梯度磁場，再用適當?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截面的內部圖像；之后，Mansfield改進了其方法，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部結構圖像；他還證明可以用數(shù)學方法分析獲得的數(shù)據(jù)，為利用計算機快速繪制圖像奠定了基礎。直至上世紀80年代初第一臺醫(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（magneticresonanceimaging，簡稱MRI）系統(tǒng)。核磁共振成像儀的研制2023/2/524生物醫(yī)學工程中心74歲的美國科學家保羅Lauterbur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MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。2023/2/525生物醫(yī)學工程中心核磁共振成像（MRI）基本原理將人體置入一個強磁場中；對人體施加一個一定頻率的交變射頻場，使被探測的質子共振并向外輻射能量；在人體周圍的接收線圈中就會有感應電勢產(chǎn)生；接收到電信號經(jīng)過計算機處理后，得到人體的斷層圖像；圖像灰度代表磁共振信號的強度及弛豫時間T1和T2

典型的MRI對氫核（或質子）成像氫核在人體組織中普遍存在氫核產(chǎn)生強的磁共振信號2023/2/526生物醫(yī)學工程中心MRI的三要素靜態(tài)磁場梯度磁場射頻電磁場2023/2/527生物醫(yī)學工程中心磁共振圖像也是通過計算機處理后產(chǎn)生的圖像。與CT不同的是，CT圖中每個像素的數(shù)值代表的是人體組織中某一個體素對X線的衰減；而在磁共振圖像中，每個像素的值代表的是從某個體素來的磁共振信號的強度，它與共振核子的密度有關。磁共振成像與CT圖像比較2023/2/528生物醫(yī)學工程中心MRI的突出優(yōu)點基于核磁共振，無高能（X－Ray）輻射，故安全、對人體無創(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的解剖結構信息MRI分辨率可達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。2023/2/529生物醫(yī)學工程中心MRI2023/2/530生物醫(yī)學工程中心開放式MRI2023/2/531生物醫(yī)學工程中心

MRI2023/2/532生物醫(yī)學工程中心

MRI2023/2/533生物醫(yī)學工程中心MRAngiography血管造影術HeadS/IProjectionMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool2023/2/534生物醫(yī)學工程中心Hydrocephalus腦水腫MRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool2023/2/535生物醫(yī)學工程中心MultispectralTissueClassificationT1T23DHistogramSegmentedImageFletcher,Barsotti,Hornak,Magn.Reson.Med.29:623(1993)2023/2/536生物醫(yī)學工程中心MorphologicalImageProcessingChen,Dougherty,Totterman,Hornak,Magn.Reson.Med.29:358(1993)NormalCysticScleroticOsteoporosis2023/2/537生物醫(yī)學工程中心MotorActivation-RightIndexFingerMovement1Hz 2Hz 3Hz%100755025Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital2023/2/538生物醫(yī)學工程中心AsymmetryofAuditoryRegionsinMusicianswithPerfectPitchSchlaug,etal,Science

267:699(1995)2023/2/539生物醫(yī)學工程中心自旋磁矩核磁共振成像（MRI）原理2023/2/540生物醫(yī)學工程中心原子核（質子）進動氫核（質子）自旋產(chǎn)生一個小小的磁場，產(chǎn)生磁矩矢量2023/2/541生物醫(yī)學工程中心進動（Spin）與極化（Polarization）無外界作用時，質子自旋，磁矢量朝向隨機有外界磁場B0作用時，質子會繞著磁場方向進動（極化）。進動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)目少對齊后產(chǎn)生凈磁矩M2023/2/542生物醫(yī)學工程中心Larmor頻率在外磁場作用下，自旋的質子產(chǎn)生進動進動頻率稱為Larmor頻率ω=γ*B0γ為旋磁比,是質子的固有特性B0=1T,ω=42.58MHzLarmor頻率在射頻（RF）范圍2023/2/543生物醫(yī)學工程中心凈磁矩（NetMagnetization）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Mxy2023/2/544生物醫(yī)學工程中心凈磁矩2023/2/545生物醫(yī)學工程中心核磁共振（NMR）在外加磁場B0作用的同時，施加脈沖射頻場的作用當RF的頻率合適（取決于B0）時，進動的相位趨向一致，當完全一致時就發(fā)生核磁共振，原子由低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)共振時，質子大量吸收交變場的能量，同時向外輻射能量，此即為成像信號兩種可能的激發(fā)

90°脈沖:自旋從平行方向至垂直方向(lowerRF)180°脈沖:自旋從平行方向至反平行方向(higherRF)2023/2/546生物醫(yī)學工程中心Signal2023/2/547生物醫(yī)學工程中心馳豫時間（RelaxationsTimes）脈沖B1作用之后,被激發(fā)的自旋漸漸恢復到低能態(tài)，同時向外輻射RF信號，此過程成為馳豫。

MRI通過測量兩個馳豫時間信號成像T1:90°RF作用之后，Mz恢復到平衡態(tài)的63%所需要的時間T2:90°RF作用之后，Mxy衰減到原始靜磁矩的37%所需要的時間T1和T2對不同的組織是不同的，因此可以反映解剖結構的信息2023/2/548生物醫(yī)學工程中心2023/2/549生物醫(yī)學工程中心2023/2/550生物醫(yī)學工程中心MRI與CT比較，其主要優(yōu)點1.對腦組織無放射性損害，也無生物學損害。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，對廣泛轉移的腫瘤有很高的診斷價值。4.顯示疾病的病理過程較CT更廣泛，結構更清楚。能發(fā)現(xiàn)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。2023/2/551生物醫(yī)學工程中心MRI與CT比較，其主要缺點1．和CT一樣，MRI也是影像診斷，很多病變單憑MRI仍難以確診，不像內窺鏡可同時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，但費用要高昂得多；3．對胃腸道的病變不如內窺鏡檢查；4．體內留有金屬物品者不宜接受MRI。5.危重病人、妊娠3個月之內的、帶有心臟起搏器的患者不能做MRI。2023/2/552生物醫(yī)學工程中心XCT與MRI成像比較的特點：分辨率高，對骨、鈣化、早期腦出血的顯示優(yōu)于MRI；成像速度快，器官的運動偽影較小。CT價格較為低廉。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構信息，幾乎無功能信息2023/2/553生物醫(yī)學工程中心4.放射性核素成像

把放射性同位素標記在藥物上引入病人體內，當被吸收后，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的分布情況，以此成象。2023/2/554生物醫(yī)學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2023/2/555生物醫(yī)學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γ照相機，可快速地拍攝體內臟器的圖片，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2023/2/556生物醫(yī)學工程中心放射性核素成象設備射線照相機發(fā)射型CT（ECT:EmissionComputedTomography）單光子發(fā)射型CT（SinglePhotonECT，簡稱SPECT）正電子發(fā)射型CT（PositronEmissionComputedTomography，簡稱PET

）2023/2/557生物醫(yī)學工程中心SPECT成像示意圖目前，SPECT在臨床上已得到較廣泛的應用。它是將γ照相機的探測器圍繞探查部位旋轉并采集相應的投影數(shù)據(jù)，然后采用與X－CT類似的重建算法計算出放射性同位素分布的斷層圖像。（放射性核，如TC-99m、TI-201）2023/2/558生物醫(yī)學工程中心SPECT2023/2/559生物醫(yī)學工程中心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)象來設計的。正電子與電子相互作用發(fā)生湮滅現(xiàn)象后，會產(chǎn)生兩個能量為511Kev且傳播方向完全相反的光子，用一個符合檢測器就可以檢測出這種成對出現(xiàn)的γ射線光子。根據(jù)這樣采集到的數(shù)據(jù)同樣能重建出斷層圖像。PET系統(tǒng)價格昂貴，主要是在實驗室或研究中心使用,

但目前已有少數(shù)醫(yī)院將該設備用于臨床。PET貧中子核素半衰期以分鐘計。2023/2/560生物醫(yī)學工程中心Positronemissionandannihilation2023/2/561生物醫(yī)學工程中心PET成像示意圖2023/2/562生物醫(yī)學工程中心PET成像機理2023/2/563生物醫(yī)學工程中心PETPhilips_Precedence_SPECT-CTSiemensDualHead-E.CAMSPECTCameraGEDiscoveyPETCTCamera2023/2/564生物醫(yī)學工程中心PET2023/2/565生物醫(yī)學工程中心PET-CT圖示2023/2/566生物醫(yī)學工程中心PET2023/2/567生物醫(yī)學工程中心PET的臨床應用－神經(jīng)疾病2023/2/568生物醫(yī)學工程中心放射性同位素成像的特點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設備價格昂貴、不易于維護。2023/2/569生物醫(yī)學工程中心PET相較于CT和MRI來說主要特點為1.靈敏度高。PET是一種反映分子代謝的顯像，當疾病早期處于分子水平變化階段，病變區(qū)的形態(tài)結構尚未呈現(xiàn)異常，MRI、CT檢查還不能明確診斷時，PET檢查即可發(fā)現(xiàn)病灶所在，并可獲得三維影像，還能進行定量分析，達到早期診斷，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，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而做出診斷。2023/2/570生物醫(yī)學工程中心PET相較于CT和MRI來說主要特點為

3.全身顯像。PET一次性全身顯像檢查便可獲得全身各個區(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，在受檢者體內存留時間很短。一次PET全身檢查的放射線照射劑量遠遠小于一個部位的常規(guī)CT檢查，因而安全可靠。2023/2/571生物醫(yī)學工程中心CompareCT/MRIshowthatyouhaveabrainPET/SPECTshowthatyouuseit!組合MRI/CTPET/CT2023/2/572生物醫(yī)學工程中心5：醫(yī)學成像新技術由于人體臟器結構是一個三維空間分布，因此僅僅依靠一幅或幾幅二維圖像來理解三維結構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研究中的需要。（1）三維成像2023/2/573生物醫(yī)學工程中心為了給醫(yī)生提供真正的三維結構顯示圖，自70年代開始就有人著手研究醫(yī)學三維成像的方法。早期的三維成像曾經(jīng)采用過全息攝影等方法。隨著計算機技術的發(fā)展及計算機圖形學的成熟應用，醫(yī)學三維成像在近十年中有了很大的發(fā)展。2023/2/574生物醫(yī)學工程中心三維圖像一般是由一系列二維圖像疊合構成。將二維數(shù)據(jù)的集合變成三維數(shù)據(jù)結構后，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)生更準確、更全面地了解臟器的內部結構。2023/2/575生物醫(yī)學工程中心此外，醫(yī)生還可以“剝出”任意局部區(qū)域作進一步分析，或模擬外科手術過程，從而制定最佳的手術方案。目前，三維圖像已應用于放射學診斷、腫瘤學、心臟學與外科手術的研究中，并已成為計算機輔助制定治療方案的得力工具。腹部X刀立體三維重建圖像2023/2/576生物醫(yī)學工程中心（2）微型內窺鏡最新型的M2A微型內窺鏡，可以像藥丸一樣服下2023/2/577生物醫(yī)學工程中心微型內窺鏡2023/2/578生物醫(yī)學工程中心M2A微型內窺鏡的內部結構：1、光學圓蓋2、透鏡固定環(huán)3、透鏡4、照明發(fā)光二極管5、互補金屬氧化物半導體成像器6、電池7、專用集成電路8、天線微型內窺鏡2023/2/579生物醫(yī)學工程中心內窺鏡影像--潰瘍性腺癌2023/2/580生物醫(yī)學工程中心內窺鏡影像--皮革狀胃2023/2/581生物醫(yī)學工程中心（3）紅外成像2023/2/582生物醫(yī)學工程中心紅外圖象2023/2/583生物醫(yī)學工程中心（4）醫(yī)學圖象顯微圖象2023/2/584生物醫(yī)學工程中心醫(yī)學圖象顯微圖象2023/2/585生物醫(yī)學工程中心其他成像設備2023/2/586生物醫(yī)學工程中心其他成像設備2023/2/587生物醫(yī)學工程中心