醫(yī)學(xué)空間分辨率的技術(shù)問題

醫(yī)學(xué)空間分辨率的技術(shù)問題

1顯微診斷是醫(yī)學(xué)診斷的基礎(chǔ)病理診斷是臨床醫(yī)學(xué)診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)展與細(xì)胞病理學(xué)的進(jìn)展密切相關(guān)。病理學(xué)診斷可分為宏觀尸檢和顯微切片兩大部份。宏觀尸檢主要依靠肉眼的觀察作出判斷,如腫塊,出血,缺損,潰瘍,空洞,腫脹,肥大,狹窄,梗塞,囊腫,壞死,化膿,結(jié)節(jié)等宏觀的病理形態(tài)學(xué)的變化,更精確的定性診斷,則必需依靠顯微切片的觀察。例如一塊甲狀腺上的腫物,只有病理切片觀察才能明確診斷是良性甲狀腺腺瘤還是惡性甲狀腺腺癌。細(xì)胞病理學(xué)診斷是現(xiàn)在醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。臨床病理討論會(huì)(ClinicalPathologicalConference)對(duì)臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有不可替代的作用。1973年,Hounsfield等首次報(bào)告CT的臨床應(yīng)用。25年來,醫(yī)學(xué)影像學(xué)有了飛速的發(fā)展。高分辨率X線CT,MRI,超聲影像儀,SPECT,PET2在過去25年中，ct技術(shù)取得了進(jìn)展2.1代ct成像技術(shù)近25年來,醫(yī)學(xué)CT經(jīng)歷了原始的第1代CT發(fā)展至目前第5代高分辨CT和高速電子束CT。其空間分辨率及時(shí)間分辨率掃描成像皆有所提高。其主要進(jìn)展表現(xiàn)為以下方面;2.1.1高精度ct檢測(cè)結(jié)果原來的第1代CT的空間分辨率僅為cm數(shù)量級(jí),目前第七代高精度CT已可達(dá)到0.35mm(350μm)。將空間分辨率提高將近2個(gè)數(shù)量級(jí)。2.1.2提高了生產(chǎn)級(jí)由原來的cm數(shù)量級(jí)減薄到目前的1.0mm,提高了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。2.1.3高速ct掃描1幀由于將機(jī)械式掃描裝置改進(jìn)為電子束掃描裝置,使CT的成像速率大大提高。第1代CT掃描1幀需用數(shù)分鐘(100s以上)。目前的高速CT掃描1幀僅需20～50ms,已將時(shí)間分辨率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由于電子束掃描,消除了慣性,理論上其掃描速率還可以更進(jìn)一步提高。2.1.4度分辨率進(jìn)展近25年來密度分辨率進(jìn)展不大,仍為1/1000左右。2.1.5病料重構(gòu)處理第1代CT是應(yīng)用求解矩陣方法,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖象重構(gòu),處理速度慢,而且很難避免病態(tài)方程的出現(xiàn)。目前已采用卷積反投影法,不僅克服了上述困難,而且提高了運(yùn)算速度和改善了圖像的質(zhì)量。2.1.6樣品檢測(cè)性能第1代CT應(yīng)用碘化鈉(NAI)晶體為檢測(cè)材料,后來改用鍺酸鉍(BGO)晶體檢測(cè),性能進(jìn)一步改善。目前應(yīng)用鎢酸鎘(CdWO4)晶體為檢測(cè)器材料,其檢測(cè)效率較BGO晶體提高約3倍。同時(shí)檢測(cè)器探頭的尺寸,進(jìn)一步縮小,檢測(cè)器探頭的數(shù)目進(jìn)一步增加,為提高空間分辨率和改善圖像質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。2.1.7ct計(jì)算機(jī)軟件選型因計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展,目前CT所用的計(jì)算機(jī),比起第1代CT的計(jì)算機(jī)不僅運(yùn)算速度快,而且存儲(chǔ)容量大,已能充分滿足CT圖像處理的需要。2.1.8動(dòng)偽差最小時(shí)期的觸發(fā)和成像技術(shù)可在心臟舒張末期亦即心搏運(yùn)動(dòng)偽差最小的時(shí)期進(jìn)行觸發(fā)掃描成像,從而大大減少由于心臟收縮造成的心搏運(yùn)動(dòng)偽差。2.2“三自”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用CT3顯微鏡ct的定義以及治療結(jié)束時(shí)的臨床醫(yī)學(xué)中的作用3.1“三自”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用CT3.2“三自”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用CT4醫(yī)學(xué)顯微ct的前進(jìn)階近25年來醫(yī)學(xué)CT的空間分辨率已提高2個(gè)數(shù)量級(jí),按此推算,最多再用25年,再提高2個(gè)數(shù)量級(jí),即可達(dá)到顯微CT的要求。因此,目前醫(yī)學(xué)CT正處在突破的前夜,再向前邁進(jìn)就是顯微CT光明的彼岸。但要進(jìn)一步提高醫(yī)學(xué)CT的空間分辨率,目前還存在很大的困難,需要認(rèn)真對(duì)待和克服。但我們認(rèn)為這些困難并非不可逾越的障礙,只要技術(shù)上進(jìn)行革新,這些困難是可以克服的?，F(xiàn)將顯微CT的技術(shù)難點(diǎn),逐項(xiàng)分析如下:4.1“三自”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用CT4.2“三自”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用CT4.2.1顯微ct的設(shè)備特點(diǎn)一般認(rèn)為,CT的空間分辨率與探頭的大小屬于同一數(shù)量級(jí)。因此縮小探頭尺寸是提高CT空間分辨率的關(guān)鍵?？梢圆捎眉呻娐饭饪碳夹g(shù),作成以鎢酸鎘晶體為材料的CCD陣列探測(cè)器。每個(gè)探頭的寬度為1μm～10μm。目前醫(yī)學(xué)CT探頭的寬度為MM數(shù)量級(jí),其空間分辯率比μ-CT低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。由于探頭的寬度變小,所以單位長(zhǎng)度內(nèi)所含探頭的數(shù)目,將成倍增加。以探頭寬度為10μm間隔為10μm的檢測(cè)器為例,其探頭的線密度達(dá)到每cm5000個(gè)。單個(gè)探頭的長(zhǎng)度決定CT切面每層的厚度。目前醫(yī)學(xué)CT的層厚已可達(dá)1mm。一般病理切片的厚度為5μm～10μm微米。所以顯微CT為了能看見組織結(jié)構(gòu),層厚最多不能超過去50μm,即層厚尚需降低20倍。檢測(cè)器探頭的數(shù)目,第1代CT為幾十個(gè),目前醫(yī)學(xué)CT探頭數(shù)目已有數(shù)百個(gè),高分辨工業(yè)CT的探頭數(shù)目已多達(dá)幾千個(gè)。因人體頭部的尺寸較軀體小,為了先易后難,顯微CT可以先從頭部入手。按頭圍長(zhǎng)50cm計(jì)算,則μ-CT的總探判斷數(shù)將達(dá)到達(dá)25萬個(gè),這是一個(gè)很龐大的數(shù)目,而且由于探頭變小,單個(gè)探頭檢測(cè)的信號(hào)亦變小,需要高靈敏低噪聲的放大系統(tǒng)。技術(shù)難度的確很大,但在理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。4.2.2.4低功率t電子束焦斑直徑和CT的空間分辯率有直接聯(lián)系。目前CT的焦斑直徑為mm數(shù)量級(jí),顯微CT至少應(yīng)降至10μm或50μm。由于焦斑直徑縮小,單位面積的能量密度亦成比例增大100-400倍。為了避免損壞鎢靶可以采用降低電流密度以及提高掃描速度,減少照射靶點(diǎn)時(shí)間等辦法解決。如焦斑面積小100倍,掃描速率相應(yīng)提高100倍即可克服焦斑過熱問題。4.2.3x-ct分析因?yàn)镃T發(fā)出的X射線是一組波長(zhǎng)不同的射線束。所以當(dāng)穿過人體時(shí),波長(zhǎng)較長(zhǎng)能量較小的X射線首先被組織吸收,而相對(duì)高能量短波長(zhǎng)的X射線則較易通過,從而在CT圖像上出現(xiàn)硬化偽影誤差。在顯微CT這一現(xiàn)象更加突出。為了消除硬化偽影誤差的干擾可以用兩組能譜不同的X射線束相繼掃描,然后通過校正計(jì)算即可消除其硬化偽影誤差。因此顯微CT的X線球管的高壓值應(yīng)能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),根據(jù)不同組織,選取兩組最合適的X射線能譜進(jìn)行掃描,以達(dá)到最佳圖像質(zhì)量的效果。4.2.4環(huán)境振動(dòng)位移環(huán)境的振動(dòng)傳導(dǎo)至CT機(jī)造成圖像因振動(dòng)位移而模糊,在宏觀CT這一現(xiàn)象并不嚴(yán)重。但在顯微CT由于其空間分辨率很高,所以微小的振動(dòng)位移將使圖像嚴(yán)重模糊。目前應(yīng)用抗震地基,已可將環(huán)境的振動(dòng)位移降至1μm以下。所以顯微CT必需加上抗震地基以消除環(huán)境振動(dòng)偽差。4.2.5消除運(yùn)動(dòng)干擾工業(yè)CT沒有人體運(yùn)動(dòng)干擾,但在醫(yī)學(xué)CT必需消除人體運(yùn)動(dòng)干擾。人體運(yùn)動(dòng)偽差可分為呼吸運(yùn)動(dòng)、心搏沖擊運(yùn)動(dòng)以及肌肉顫動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)偽差現(xiàn)分述如下:4.2.5.呼吸運(yùn)動(dòng)偽差的消除這是第1代CT迂到的難題,因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都有很難摒息呼吸1分鐘以上。目前由于CT掃描速度的提高,在數(shù)秒內(nèi)即完成1幀的掃描,所以除了呼吸困難患者之外,都能停止呼吸以消除呼吸運(yùn)動(dòng)偽差。顯微CT掃描時(shí)間更短,所以更不成問題。4..5.速射血期作用心臟收縮射血時(shí)由于反作用力產(chǎn)生一個(gè)向下的沖擊運(yùn)動(dòng),這一沖擊搏動(dòng)在心臟急速射血期作用最大,位移為mm或cm數(shù)量級(jí)。但在舒張末期,心臟處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。所以采用心電門控觸發(fā)掃描技術(shù),在心臟舒張末期沖擊運(yùn)動(dòng)最小的時(shí)期進(jìn)行觸發(fā)掃描成像,掃描時(shí)間很短,基本上可以消除心搏沖擊運(yùn)動(dòng)所致的偽差。4.2.5.高掃描速度修復(fù)在病人檢查時(shí),因病人不能完全放松,以致造成肌肉緊張出現(xiàn)隨機(jī)顫動(dòng)?？朔霓k法是讓病人盡量放松并用提高掃描速度來解決。例如每秒振動(dòng)3次、波幅0.3mm的隨機(jī)顫動(dòng),若掃描時(shí)間為1ms,則肌肉隨機(jī)顫動(dòng)位移為1μm,則可以接受這一誤差。但如果病人是巴金森病患者,則難以進(jìn)行顯微CT觀察。必要時(shí)可采用工業(yè)CT上行之有效的光柵位置檢測(cè)系統(tǒng)以校正人體的空間絕對(duì)位置,通過計(jì)算可以消除肌肉隨機(jī)顫動(dòng)造成的偽差。5準(zhǔn)直器的研制綜上所述,未來顯微CT應(yīng)具備以下性能規(guī)格,才能滿足臨床醫(yī)學(xué)顯微診斷的要求:5.1應(yīng)用防震地基減震,振幅小于1μm;5.2微焦點(diǎn)技術(shù),焦斑直徑小于100μm;5.3快速電子束掃描成像,時(shí)間分辨率為每幀1ms～10ms;5.4鎢酸鎘CCD檢測(cè)器,每個(gè)探頭寬度為10μm,長(zhǎng)度為50μm;5.5空間分辨率10μm,切片層厚50μm5.6X射線球管的高電壓自40kV至140kV分級(jí)可調(diào);5.7雙線雙能量雙光錐束X射線相繼掃描裝置;5.8采用軟件虛擬準(zhǔn)直技術(shù)(VirtualCllimation),取消常規(guī)準(zhǔn)直器以提高信號(hào)強(qiáng)度,改善圖象質(zhì)量;5.9X射線硬化偽差校正軟件;5.10心電門控舒張末期觸發(fā)掃描技術(shù);5.11高靈敏度低噪聲電子放大技術(shù);5.1216位A/D高精度,高速信號(hào)采集裝置;5.13高速采樣,高速運(yùn)算及海量存儲(chǔ)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及圖像工作系統(tǒng);5.14高速,高質(zhì)量圖像重建與圖像處理軟件系統(tǒng);5.15感興趣區(qū)快速選擇成像技術(shù)。與感興趣區(qū)無關(guān)的數(shù)據(jù),不參與圖像處理;感興趣區(qū)的大小為1mmX1mm,共有2048X2048個(gè)象素點(diǎn);5.16圖像變焦縮放技術(shù)(Zoomingtechnique):可將圖像的局部進(jìn)行放大或縮小;5.17人體三維自動(dòng)精密移動(dòng)框架系統(tǒng):可將人體移動(dòng)至任意部位進(jìn)行觀察;5.18多窗口顯示技術(shù):在屏幕上不僅顯視顯微的結(jié)構(gòu)圖像同時(shí)顯示觀測(cè)的精確位置;5.19顯微CT與顯微定位聚焦手術(shù)結(jié)合,可以進(jìn)行精細(xì)的顯微定位手術(shù)操作;5.20按CT密度凋色的特殊顯微CT染色技術(shù):目前一般圖像的偽彩色編碼是按CT的灰階進(jìn)行色度編碼,和常規(guī)病理切片的染色相差很大。所以顯微CT圖像的顯色應(yīng)盡量和病理切片保持一致。例如,顯微CT的“蘇木素-伊紅染色程序”,按CT密度值將胞核染成蘭色,胞漿染成紅色。此外,神經(jīng)元在興奮時(shí)其胞內(nèi)鈣離子濃度在1ms的瞬間增加近