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1、,医学影像技术总论-对比剂,华中科技大学同济医学院附属 协和医院放射科 余建明,定 义：,医学影像技术学是研究在某种能量发射物质的作用下，图像成像链的形成过程、图像后处理、图像存储、图像显示和图像记录，以及影响图像成像链各种因素的科学。,内 涵：, 普通X线成像技术 数字X线成像技术 CT成像技术 MR成像技术 DSA成像技术 超声成像技术 核医学成像技术 激光打印技术,外 延：,医学影像技术学涵盖了医学、工学、理学、信息学等学科，其技术涉及到电子计算机技术、电学、电子学、光电子学、微电子学、生物工程学、材料学等，是多学科交叉的边缘学科。,特 点：, 年轻的学科 各种先进技术向其渗透 新生与消
2、亡并存 发展迅速、不断扩展、周期变短,发 展：, 1895年11月8日发现X线 20世纪60年代出现影像增强技术 20世纪70年代出现CT、介入治疗 20世纪80年代出现DSA、MR、ECT、CR 20世纪90年代出现DR、激光打印、PACS、功能图像、图像融合。,基 本 淘 汰 的 技 术：, 心脏计波摄影 心脏造影 脑室、膝关节、胆囊、腹膜后等造影 体层摄影 手工冲洗照片,具 有 生 命 力 的 技 术：, 普通平片的体位及摄影方法 胃肠道钡剂检查 泌尿系碘剂检查 生殖等部位碘剂检查,基 本 理 论, X线成像的基本理论 激光与光电子理论 电磁理论 核素理论 超声波理论,在X线发现的最初7
3、0年代时间里，传统X线成像一直采用模拟影像技术，即X线穿透人体后照射在荧光屏使之发光进行透视，或作用于胶片使溴化银离子感光进行照相。其技术的发展主要集中在X线管、荧光屏、胶片、增感屏以及影像增强器的制作和性能的提高。,近40多年来，随着物理学、电子学、光电子技术和计算机科学的飞速发展以及在医学影像领域的应用，衍生出一系列新的X线成像技术。如CT、DSA、CR、DR、正电子发射CT等，这些方法提供的影像不仅反映人体内的解剖结构，还包括一些生理代谢过程。伴随着电子计算机和数字信号处理技术的发展而产生了数字成像技术，以及用数字方法处理、存储、传输图像，用高分辨率显示器显示图像。,我国X线机大约10万
4、台（全球约44万台），但普通X线检查仍是最主要的方法，约占影像检查的50%以上。X线机的基本结构由X线发生装置，X线成像装置和辅助设备三大部分构成。X线发生装置包括X线管、高压发生器；X线成像装置包括影像增强器、荧光屏、胶片、电视系统、影像板、平板采测器等。辅助设备包括检查床、各种支撑和保持装置等。,在普通X线机的发展道路上，普通数字化成像技术的发展更为重要，主要包括CR、DR、CCD。CR装置包括图像采集的影像板，图像扫描的读取器，图像后处理的计算机，CR用一种具有特殊辉尽性荧光物质的影像板取代传统的X线胶片，影像板感光后形成的潜影通过读取器中的激光束扫描，其信号经光电转换和模数转换成数字化
5、图像。它的最大优势在于充分利用原有的X线机，又具有数字化特点。,DR的关健部件是电子成像板，由大量微小的带有薄膜的晶体管（TFT）的探测器排列而成。可分为间接DR板和直接DR板，前者使用含碘化铯闪烁体的单片非结晶硅面板，将X线先转变成可见光，通过光电转化方式被探测器接收，后者使用非晶硒直接释放电子被探测器接收。随着成像速度的提高，DR正在由静态向动态方向发展，使数字化透视成为可能。,影像增强电耦合技术（I、I-CCD）是在X线影像增强透视的基础上发展起来，将X线信号通过影像增强器在荧光屏上转换成可见光信号，再通过电荷耦合器（CCD）作为探测器采集荧光影像并转换成电信号，经模数转换和计算机处理得
6、到数字化图像。这种方式常用于数字胃肠机和DSA系统。,GE CONFIDENTIAL,19,数学化成像的特点,（1）图像分 辨 率：数学化图像是由许许多多的像素构成，它的空间分辨率不如传统胶片的模似图像（3.6lpmn_10lpmn)，而数学图像的密度分辨率远高于传统胶片（214-216），通过计算机软件实现图像优化，可以显示出摸似图像不能显示的软组织内玻璃和木块 。,（2）图像质量稳定：自动曝光控制技术(AEC)是通过设定不同的探测区域（电离室），在曝光前准确测量了打在患者身后X线探测器的辐射剂量，当达到预定剂量时自动关闭X线系统。通过AEC技术，配合工作站上的多种处理模式，无需进行人为的调
7、整和再处理，使成像质量稳定且操作简单化。,（3）图像后处理；数学化图像能进行多种后处理，如图像滤波，窗宽窗位调节、放大缩小、图像拼接，以及距离、面积、密度测量等，为影像诊断中的细节观察、前后对比、定量分析提供支持，同时可对图像进行注释、标记、测量大小、多幅显示、多幅打印、测量多种角度，具有减影处理和加伪影功能。,（4）数字图像的质量取决于信噪比，与X线剂量密切相关。X线量子检测率（DQE）有机结合了图像对比度、噪声、空间分辨率和X线剂量等因素。DQE高说明X线转换率高，X线的利用率就高。数字化成像在对比度和宽容度上有较大的动态范围，再加上DR探测器的高灵敏度，使数字成像的DQE从传统胶片的20
8、-30%提高到60-70%，X线剂量却降低了2/3以上。,（5）图像存储与传输；传统模拟图像存储是通过胶片，需要大量存储空间，人力和管理成本。数学图像的中短期存储用磁盘或磁盘阵列，长期存储可用光盘或数字磁带。数字存储将以往胶片存储的死信息变成了活信息，随时调出并进行图像后处理。数字图像可通过网络在院内外传输，提高信息利用率，做到资源共享。,（6）优化流程、节约资源：传统X线诊断过程是在完成摄影、胶片冲洗后才开始，而数字化成像是在摄影完成1-2分钟后就可以通过网络终端进行无胶片诊断。数字化图像节约资源包括四方面：图像质量高，无废片率。 节约硬拷贝胶片。节约胶片存储空间。节约显、定影液消耗，有利于
9、环保。,数字图像密度分辨率高,动态范围大, X线剂量仅为常规摄影的110。可进行 多种图象后处理，调节不同的灰阶对比。,数字图像使影像诊断变得直观，诊断 与技术正共同向影像方法学融合和发展,影 像技术工作将转移到图像形成的前期技术、 图像后处理技术、图像存储与传输、开发影 像学设备。从单纯的技术操作，向发挥设 备，软件功能最优化的能力转移。,C R, 普通X线机 激光读取 图像重建 影像板（IP） 数字化采集,D R, DDR、IDR、CCD、LDRD DDR：X线非晶硒电子空穴对分离信息电流 FFT接收计算机 IDR： X线荧光体光图像电子图像数字图像 计算机 CCD：X线荧光屏光信号电信号
10、数字图像 计算机 LDRD：X线多丝正比室气体分子电离数据采 集计算机,数 字 图 像 共 性, 曝光动态范围大 密度分辨率高 数字化存储与传输 量子检测率高（DQE） 图像多种后处理 省去胶片、暗室、贮片室,激光打印技术, 激光胶片：分干式和湿式；干式分含银盐 和不含银盐； 激光打印机：分干式和湿式；氦氖激光和 半导体激光； 干式相机分卤化银激光成像，热敏成像和 喷墨成像； 干式热敏相机分助烙热敏、升华热敏和直 式热敏；,C T 成 像, 20世纪70年代单层CT 多层CT和电子束CT 三维乃至四维重建图像 仿真内镜 20世纪90年代低压滑环技术（原理变化） 平板容积CT 功能CT（动态、灌
11、注、CT-PET） CT介入,CT成像技术,自20世纪70年代CT应用临床以来，经历了扫描架结构及扫描方式的多次改进，在扫描速度、图像质量方面有几次飞跃。CT数据从单纯断层到断层与三维重建相结合；静态影像与动态影像相结合；单纯定性诊断到定性、功能诊断相结合。,CT扫描机分为数据采集系统，包括X线管、高压发生器、准直器、滤过器、探测器、扫描机架、病床和前置放大器及接口电路等；计算机和图像重建系统和图像显示、记录和存储系统。,CT的技术基础是计算机技术和X线断层摄影技术，成像原理实质是滤波反投影重建技术。工作过程是首先通过对三维物体的某一断层进行扫描采集数据，根据一定的数学原理对数据进行逆运算，最
12、后将这些参数值转换为灰度图像。简单地概括为图像扫描、图像重建和图像显示三阶段。,扫描架的进步经历四代主要变革，从第一代2-3个探测器的旋转平移式扫描架到第二代有几十个探测器的扇形扫描架，再发展为几百个探测器的旋转方式扫描架，最后发展到数 十个探测器的旋转固定式扫描架。,扫描方式经历了单层断面扫描到螺旋扫描的进步；一个扫描序列的完成从几十分钟缩短到几十秒钟；探测器从单排到多排，以及现在临床应用的64排；单层螺旋CT扫描速度从几十秒提高数秒；将单层的时间分辨从1秒提高到0.33秒；将单层的空间分辨率从几毫米提高到0.33mm。,电子束CT(EBCT)是CT的一种特殊类型，X线源用电子枪发射电子束，
13、使用环形排列的探测器收集信息。这种技术使扫描时间缩短到50ms，适应心脏大血管快速扫描检查。由于成本高、辐射剂量大。加之32排和64排CT的出现，该CT没有得到广泛普及。,影像分析方式的改变是现代CT进步的另一种表现，主要有多平面重建（MPR）、表面遮盖重建（SSD）、最大密度投影MIP）、三维容积渲染（VR）、仿真内窥镜等。,多平面重建（multi-plane reformation, MPR）是将多个连续的平面断面图像组成三维模型，再将模型沿冠状面、矢状面或任意斜面甚至曲面断开，形成新的断层图像，从不同角度反映兴趣区的解剖关系，可进行密度测量。,表面遮盖重建（surface shaclin
14、g display, SSD）是将连续平面图像形成的三维模型, 以不同CT值为界线形成多组平面，并以光照和投影方式，显示不同界面之间的关系。优点是三维关系清晰，各组织器官边界明确，可进行三维关系测量。但不能作内部结构的分析，图像失真。,最大（最小）密度投影重建（maximum/minimun intersity projection, MIP）应用广泛，它是在三维的数据库中，根据密度变化比率，提取与周围密度对比最大（最小）的部分构建实体的三维模型。这种方法由于使用了计算机自动提取模型，使用标的形态准确，失真小，可信度高，目标的三维关系显示清晰。,容积渲染重建（Volume rendering,
15、 VR）又称容积再现，这种方法采集全部体素，将特定CT值体素赋予相应的颜色亮度、对比度和透明度，并把相应结果映射到显示平面上，人为改变体素的亮度和对比度，在不失真的情况下，改变组织与周围的对比度，突出目的的形态。,虚拟内窥镜（Virtual endosoope, VE）技术并不是一种三维重建方法，而是一种三维显示技术。普通显示方式是把不同方法建立的三维模型旋转并投射到显示平面上观察，而虚拟内窥镜方法是将视点沿一定线路进入三维模型内部飞行，将内部结构的投影显示在平面上。它象普通纤维内窥镜一样沿空腔脏器（肠管、气管）内部飞行，或沿着有固定边界的非空腔脏器（血管、输尿管）内部飞行，以了解兴趣区的走行
16、及内部有无狭窄、隆起和凹陷性病变。,在以上方法的三维重建技术基本上，又衍生出许多智能分析软件。最常见的血管分析软件、冠状动脉分析软件、心脏功能分析软件，肺结节自动检测及分析软件、肺功分析软件、结肠病变自动检测软件、头部及体部灌注分析软件等。,CT未来的发展方向，依然面临着提高时间和空间分辨率，减少辐射剂量，提高辅助诊断水平的挑战。人们正在探索通过提高探测器的性能，改善X线管的响应参数来减少无效的X线辐射，在图像质量允许时尽量选择低剂量扫描方式。,D S A 成 像, 基本原理 DSA与介入治疗结合 动态DSA（旋转、步进、高速） 平板DSA、CCD-DSA、摄影管-DSA 高压注射器,DSA成
