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1、2019/10/18,1,生物医学工程中心,山东大学控制学院 生物医学工程系 刘忠国,生物医学图像,生物医学工程概论之,2019/10/18,2,生物医学工程中心,2. 超声成像系统,超声成像设备是目前医院中仅次于投影X射线机使用得最频繁的成像设备。目前临床上使用的超声成像系统基本上都是采用脉冲回波亮度调制方式成像(即B型超声显像仪)。超声成像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时又能提供人体断面实时的动态图像。因此广泛地用于心脏或腹部的检查。,2019/10/18,3,生物医学工程中心,（1）B超,2019/10/18,4,生物医学工程中心,2019/10/18,5,生物医学工程中心
2、,超声成像图,2019/10/18,6,生物医学工程中心,超声图象,2019/10/18,7,生物医学工程中心,超声图象,Photo courtesy Philips Research,2019/10/18,8,生物医学工程中心,2019/10/18,9,生物医学工程中心,除断面成像外，血流测量也是超声成像设备中的重要组成部分。超声血流测量是借助多普勒频移原理完成的。射入人体的一定频率的超声波在遇到运动的红血球时，血球产生的后向散射信号会出现多普勒频移。通过对多普勒回波信号的分析就能得到血流的方向与速度信息，这些信息是心血管疾病与脑血管疾病诊断中的重要依据。,（2）多普勒超声诊断,2019/1
3、0/18,10,生物医学工程中心,20世纪 80年代初问世的超声彩色血流图（color flow mapping，简称CFM）是目前临床上使用的高档超声诊断仪。它的特点是把血流信息叠加到二维B型图像上。凡是指向换能器的血流在B超图中用红颜色表示，而背离换能器的血流则用蓝颜色表示。由于在一张图像上既能看到脏器的解剖形态，又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。,超声彩色血流图,2019/10/18,11,生物医学工程中心,Color Flow Mapping, CFM,2019/10/18,12,生物医学工程中心,超声诊断,2019/10/18,13,生物医学工程中心,超声诊断
4、,2019/10/18,14,生物医学工程中心,肾脏多普勒,2019/10/18,15,生物医学工程中心,（3）高能量聚焦超声波治疗仪 （ high-intensity focused ultrasound, HIFU）,是利用超声波良好的组织内聚焦性、方向 性和能量的可渗透性，通过一定的聚焦方式， 将超声源发出的超声能量聚焦于人体组织，在 组织内形成一个声强较高的区域焦域，使 焦域组织温度瞬间内达到70以上，致使焦域 内的组织细胞凝固性坏死，失去增殖、浸润和 转移能力，而对焦域以外的组织影响甚少。,2019/10/18,16,生物医学工程中心,HIFU原理示意图,2019/10/18,17,
5、生物医学工程中心,聚焦超声在其所穿过的非治疗部位的能量不足以对组织造成损伤。而在其聚焦点，由于声强很高，通过超声的热效应使该处组织的温度瞬间上升至56100，从而导致蛋白变性及组织细胞凝固性坏死；同时还通过超声的空化效应使组织间液、细胞间液和细胞内气体分子在超声波正、负压相作用下形成气泡，并随之收缩和膨胀以致最终爆破，所产生的能量导致细胞损伤、坏死。聚焦超声声焦域的形态、大小以及组织对超声的效应和反作用等因素对超声治疗的深浅度、组织损伤范围和损伤程度起着决定性的作用。因此，通过对超声换能器参数的设置可以达到靶向破坏病变的目的，而对治疗靶点周围组织却没有损伤，从而实现无创治疗的目标。 高强度聚焦
6、超声与超声热疗区别： 高强度聚焦超声聚焦区域瞬间温度可升高到60以上，直接凝固细胞蛋白。 超声热疗则完全不同，超声作用区的温度一般为4045，不能直接造成细胞组织凝固性坏死，只能令其变性，故疗效不可靠。,2019/10/18,18,生物医学工程中心,HIFU刀,重庆医科大学研制的HIFU刀是我国第一个 完全拥有自主知识产权的 大型医疗设备,2019/10/18,19,生物医学工程中心,HIFU 刀,无锡海鹰医疗电子有限公司生产的HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统,2019/10/18,20,生物医学工程中心,HIFU的优点：,手术精确 治疗中电脑实时计划，实时监控， 术中不出血 体外治疗，不开刀
7、，不出血，无疼痛，创伤反应明显小于开放手术病人耐受性好。 并发症少 住院时间短 治疗过程大约在半小时内完成，病人术后当天可下地活动，康复快，身体状况好者则无需住院 风险小 尤其适用于因其他疾病或原因不能手术的患者,如高血压，糖尿病，心血管疾病，高龄患者等。,2019/10/18,21,生物医学工程中心,3. 磁共振成像系统,1945年美国学者Bloch和Purcell首先发现了核磁共振现象，从此产生了核磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科领域中迅速发展成为对物质的最有效的非破坏性分析方法之一。核磁共振作为一种成像方法的应用是一个较新的发展。,2019/10/18,22,生物医学工程中心,Bloc
8、h和Purcell于1945年因发现宏观物质核磁共振NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖。,2019/10/18,23,生物医学工程中心,Richard R.Ernst于66年和70年代的研究因发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术而获得1991年诺贝尔化学奖。,2019/10/18,24,生物医学工程中心,1973年P.C.Lauterbur把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上梯度磁场，再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像；之后，Mansfield 改进了其方法，并发现不均匀磁场的快速变化可使上述方法能更快地绘制成物体内部
9、结构图像；他还证明可以用数学方法分析获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。直至上世纪 80 年代初第一台医用核磁共振成像仪才问世。核磁共振成像系统也称为磁共振成像（magnetic resonance imaging，简称MRI）系统。,核磁共振成像仪的研制,2019/10/18,25,生物医学工程中心,74岁的美国科学家保罗Lauterbur和即将70岁的英国的彼得-曼斯菲尔德Mansfield因发明核磁共振成像技术MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。,2019/10/18,26,生物医学工程中心,核磁共振成像（MRI）基本原理,将人体置入一个强磁场中； 对人体施加一个一
10、定频率的交变射频场，使被探测的质子共振并向外辐射能量； 在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生； 接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图像； 图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间T1和T2 典型的MRI对氢核（或质子）成像 氢核在人体组织中普遍存在 氢核产生强的磁共振信号,2019/10/18,27,生物医学工程中心,MRI的三要素,静态磁场 梯度磁场 射频电磁场,2019/10/18,28,生物医学工程中心,磁共振图像也是通过计算机处理后产生的图像。与CT不同的是，CT图中每个像素的数值代表的是人体组织中某一个体素对X线的衰减；而在磁共振图像中，每个像素的值代表的是从某个体素来的
11、磁共振信号的强度，它与共振核子的密度有关。,磁共振成像与CT图像比较,2019/10/18,29,生物医学工程中心,MRI的突出优点,基于核磁共振，无高能（XRay）辐射，故安全、对人体无创 可以对人体组织作出形态和功能的诊断； fMRI：磁共振功能成像 提供精细的解剖结构信息 MRI分辨率可达0.5mm； 获取人体的三维图像数据较容易 直接产生三维数据，无需重建 另外，它还可以在不注射造影剂的情况下显示血管影像。,2019/10/18,30,生物医学工程中心,MRI,2019/10/18,31,生物医学工程中心,开放式MRI,2019/10/18,32,生物医学工程中心,MRI,2019/1
12、0/18,33,生物医学工程中心,MRI,2019/10/18,34,生物医学工程中心,MR Angiography 血管造影术,Head S/I Projection,MRI Center, University of Rochester Medical School,2019/10/18,35,生物医学工程中心,Hydrocephalus 脑水肿,MRI Center, University of Rochester Medical School,2019/10/18,36,生物医学工程中心,Multispectral Tissue Classification,T1,T2,3D Hist
13、ogram,Segmented Image,Fletcher, Barsotti, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:623 (1993),2019/10/18,37,生物医学工程中心,Morphological Image Processing,Chen, Dougherty, Totterman, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:358 (1993),2019/10/18,38,生物医学工程中心,Motor Activation - Right Index Finger Movement,1 Hz 2 Hz 3 Hz,Schlaug, et
14、 al, 1995, Harvard Medical School and Beth Israel Hospital,2019/10/18,39,生物医学工程中心,Asymmetry of Auditory Regions in Musicians with Perfect Pitch,Schlaug, et al, Science 267:699 (1995),2019/10/18,40,生物医学工程中心,自旋磁矩,核磁共振成像（MRI）原理,2019/10/18,41,生物医学工程中心,原子核（质子）进动,氢核（质子）自旋产生一个小小的磁场，产生磁矩矢量,2019/10/18,42,生物医
15、学工程中心,进动（Spin）与极化（Polarization）,无外界作用时，质子自旋，磁矢量朝向随机 有外界磁场 B0作用时，质子会绕着磁场方向进动（极化）。进动的相位存在两种情况： 平行（与B0同向）: 低能量, 原子数目多 反平行（与B0同向） : 高能量, 原子数目少 对齐后产生净磁矩M,2019/10/18,43,生物医学工程中心,Larmor频率,在外磁场作用下，自旋的质子产生进动 进动频率称为Larmor 频率 =*B0 为旋磁比,是质子的固有特性 B0=1T, =42.58 MHz Larmor频率在 射频（RF）范围,2019/10/18,44,生物医学工程中心,净磁矩（Ne
16、t 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 将M 分解为Mz 和 Mxy 不同原子磁矩的平均值称为净磁矩 若Mxy相互抵消，净磁矩由Mz给出 若Mz=0, 净磁矩为Mxy,2019/10/18,45,生物医学工程中心,净磁矩,2019/10/18,46,生物医学工程中心,核磁共振（NMR）,在外加磁场B0作用的同时，施加脉冲射频场的作用 当RF的频率合适（取决于B0）时，进动的相位趋向一致，当完全一致时就发生核磁共振，原子由低能态激发到高能态 共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量，此即为成像信号 两种可能的激发 90脉冲: 自旋从平行方向至垂直方向 (lower RF) 180脉冲: 自旋从平行方向至反平行方向 (higher RF),2019/10/18,47,生物医学工程中心,Signal,2019/10/18,48,生物医学工程中心,驰豫时间（Relaxations Times）,脉冲B1作用之后, 被激发的自旋渐渐恢复到低能态，同时向外辐射RF信号，此过程成为驰豫。 MRI通
