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1、 医学影像系统原理导论丁明跃华中科技大学生物医学工程系 “图像信息处理与智能控制”教育部重点实验室*2一、什么是医学影像技术？二、医学影像技术分类三、医学影像技术在临床医学及 医学研究中的应用四、医学影像技术发展与未来目录 3什么是医学影像技术？医学影像技术是借助于某种介质(如X-射线 、电磁场、超声波、放射性核素等)与人体 内部组织、器官的形态结构、密度、功能 等，以影像的方式表现出来，提供给诊断 医生，使医生能够根据自己的知识和经验 针对医学影像中所提供的信息进行判断， 从而对病人的健康状况进行判断的一门科 学技术（李月卿，李萌，医学影像成像原 理，人民卫生出版社，）。What is me
2、dical imaging?Medical imaging is the technique and process used to create images of the human body (or parts and function thereof) for clinical purposes (medical procedures seeking to reveal, diagnose or examine disease) or medical science (including the study of normal anatomy and physiology). Alth
3、ough imaging of removed organs and tissues can be performed for medical reasons, such procedures are not usually referred to as medical imaging, but rather are a part of pathology. SPECTPET/CT光声成像10MRI images acquired on 7T Varian/Magnex超声图像12医学影像技术所涉及的专业领域医学影像成像，medical imaging,又称为医学 成像，是指对于人体内部组织、
4、器官的形态结 构、密度、功能等信息的获取，以及图像的形 成、存储、处理、分析、传输、识别与应用的 一门多学科交叉科学技术，它涉及到物理学、 材料、计算机、图像处理、医学等，是医学物 理学的重要分支。医学影像成像主要内容可归纳为三大部分：医 学影像成像原理、医学影像处理技术和医学影 像临床应用技术。13医学影像技术与系统医学影像技术的目的就是要研究各种成像 系统原理、技术与处理算法,积累有关成像 系统软硬件基础知识.其目标是培养能够胜 任使用、设计与研制成像系统的医学物理 师（Medical physicist）,以便为医学成 像设备的研制,生产,维护和使用提供所需 要的工程技术人员。能够进行医
5、学成像并提供处理、传输、管 理等功能的硬件和软件系统的总和称之为 医学影像系统。14医学影像成像技术分类医学影像成像技术根据所研究的内容和层 次，按其成像原理和技术的不同，可分为 两大领域：一是以研究生物体微观结构为 主要对象的生物医学显微成像（Bio- medical micro-imaging, BMMI）;二是以 人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现 代医学成像(modern medical imaging, MMI)。15现代医学影像成像技术分类X射线成像：测量穿过人体组织、器官后的X射线强度磁共振成像：测量人体组织中同类元素原子核的磁共 振信号；超声成像：测量人体组织、器官对超声的反
6、射波或透 射波；核素成像：测量放射性药物在体内发射出的射线；光学成像：直接利用光学及电视技术观察人体器官的 形态；红外、微波成像：测量人体表皮的红外和体内的微波 辐射信号。16医学成像系统的评价医学成像的模式或方法粗略地可以分为两类：在大多数情况下 ，医学影像的获得有赖于某种形式的能量与人体组织相互作用 的物理过程（如X-射线、超声成像、核磁共振成像等）；也有 一些医学成像是反映人体生命过程中自身所发出的某种信息（ 如红外成像等）。在透视方法成像时，并不是所有的电磁波都可以用来进行医学 成像。需要考虑的主要因素是分辨率与衰减，从分辨率的角度 考虑，用于成像的电磁波的波长至少应小于1厘米。此外，
7、当射 线照射人体组织时，人体组织会将其部分吸收或散射，或者说 对射线起到某种衰减作用。如果衰减过快，那么只有少量的射 线透过人体，很难检测到。反之，若射线几乎毫无衰减地透过人体，则不可能得到对比清晰的图像。17医学成像系统的评价形态学成像与功能成像。X射线成像等所能够显示的是 人体结构的解剖学形态，对于疾病的诊断主要是依据 形态学上的密度变化，它较难在病理研究中发挥作用 。尽管放射性同位素成像的分辨率是比较低的，但是 它能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题，功 能成像在临床诊断与医学研究中已越来越显示出它的 作用。对人体的安全性。电离辐射对人体造成的损伤可大致 分为两种：一种属于对照射体的
8、直接损伤，如局部发 红、脱发、增加某种疾病，如白血病的发病率等；另 一种损伤是属于遗传性的，可能影响到下一代。18X-射线成像系统的历史与发展X-ray photograph taken by Wilhem Conrad Roentgen (1845-1923), of his wifes hand in December 1895 (some sources give the date as 22 December 1895). 19X-射线(伦琴射线)的发明Roentgen was Professor of Physics at the University of Wurzburg, an
9、d it was in 1895 that he experimented with cathode rays and made the discovery which he named X-rays: the X signifying their unknown origin. The property which made X-rays so interesting was their ability to pass through matter. As a result it became possible for the first time to make visible image
10、s of the bones inside the body. This is the oldest surviving X-ray image of a part of the human body. 20X-射线成像X-射线的发明是医学影像发展史上的重要里 程碑。于是，基于人体不同器官和组织对X- 射线的不同吸收的基本原理，我们可以采用 不同量化等级（即灰度）对于人体组织密度 进行表征，从而区分不同器官和组织，达到 对人体内部进行成像的目的。Wilhem Conrad Roentgen 因发明了X-射线 成像技术于1901年12月10日荣获首次诺贝尔 物理学奖。21X-射线成像发展经历模拟
11、X射线成像增感屏-胶片成像系统计算机X射线成像数字减影血管造影DSA(Digital subtraction angiography) CR（computed radiography):采用可纪录并由激光 读出X射线的成像板(Imaging plate, IP)DR（digital radiography):采用平板探测器(Flat panel detector,FPD)的数字X射线成像22CT成像发展经历1972年英国工程师G.N. Hounsfield发明了X射线 计算机断层成像（X-ray computed tomography, X-CT）扫描方式：单束平移-旋转方式窄扇形束平移-旋转
12、方式宽扇形束旋转-旋转方式宽扇形束静止-旋转方式电子束扫描23左- Fenster教授，右-Peters教授与Fenster和Peters教授在2005年 世界医学成像大会上合影24与美国GE公司CT医学成像部 首席科学家谢强教授合影26CT成像发展经历三维CT(3-dimensional CT)螺旋CT（Spiral CT)多层CT(Multi-slice CT)：1998年11月北美 放射学会年会(Radiology Society in Northern America,RSNA)上推出了多层CT系 统。如今,排、排乃至排多层 CT系统已投入临床应用。锥体CT(Cone bean CT)
13、27三维CT图像28核磁共振成像发展经历 1946年，美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大 学的F.Bloch领导的两个研究小组各自对立地发 现了核磁共振现象。由于这一发现在物理和化 学领域具有的重要意义，E.Purcell和F.Bloch 两人共同获得了1952年的诺贝尔物理奖。1971年美国纽约州立大学的R. Damadian利用核 磁共振仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究 发现，癌变组织的T1,T2驰豫时间值比正常组织 长。29核磁共振成像发展经历1973年美国纽约州立大学的P.Lauterbur利用 梯度磁场进行空间定位，用两个充水试管获 得了第一幅共振图像。1978-1980年
14、磁共振成像方法得到不断发展， 先后研究出梯度选层方法、相位编码成像方 法、自旋回波成像方法以及傅立叶变换成像 方法等。1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共 振图像。此后，又获得了人体的第一幅胸、 腹部图像。30人脑核磁共振图像32核磁共振成像发展经历1980年磁共振机以商品出售磁共振血管成像（Magnetic resonance angiography）: 时间飞跃法（Time of flight） 相位对比法(Phase contrast) 对比增强法(Contrast enhanced MRA)33超声成像技术发展经历人耳能够感知的声音频率在 ，频率高于该范围的叫做超声波，简称超 声
15、。1950年，美国的D.H.Howry利用复合圆周扫描 法得到了第一张人体组织横切面的超声影像 图。1952年，Wild应用A型超声仪在临床进行超声 诊断。1954年B型超声诊断应用于临床实践。34超声成像技术发展经历1957年，美国的J.J.Wild首次应用机械旋转探 头（P型）伸入直肠内探查，摄取下腹腔内的体 层像。同年，日本的里村茂夫首先将多谱勒效 应的声学原理应用于超声诊断，利用连续波多 谱勒判断心脏瓣膜病，为多谱勒超声医学诊断 的临床应用作出了重大贡献。1991年美国一家公司推出世界上第一台数字化 超声系统。我国隶属于清华大学工业研究院的 北京天惠华公司也在2003年推出了类似系统。
16、35超声成像技术发展经历三维超声是在传统二维超声基础上 发展起来的一项应用技术，加拿大西安 大略大学Robarts Research Institute 是世界上最早从事三维超声成像技术与 应用的研究单位之一。以Fenster教授为 首的研究小组从二十世纪九十年代就成 功开发出该项技术，并先后申请了二十 余项专利技术。 36加拿大Robarts研究所39与世界著名超声专家Chehem和 Fenster教授合影(2006年2月)403D Ultrasound image system based on rotational scanning41The comparison of 3D pork liver US image：TopviewTraditional methodOur method42The comparison of 3D pork liver US imag
