6现代医学影像技术

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1、第六章 现代医学影像技术 Modern medical imaging technigue,生物医学工程教研室,第一节 概 述 第二节 投影X射线成像 第三节 X射线断层摄影 第四节 超声成像系统 第五节 放射性核素成像系统 第六节 磁共振成像系统 第七节 医学图象的未来发展,现代医学影像技术,第一节 概 述,图像科学是现代科学技术领域中的一个重要 分支，它包含图像的形成、获取、传输、存储、 处理、分析与识别等。在医学图像研究领域中包 含以下两个相对独立的研究方向：医学成像系统 ( medical imaging system ) 医学图像处理 ( medical image processi

2、ng ),医学成像系统：是指图像形成的过程，包括 对成像机理、成像设备、成像系统分析等问题的 研究。,医学图像处理：是指对已经获得的图像作进 一步的处理，其目的或者是使原来不够清晰的图 像复原；或者是为了突出图像中的某些特征信息； 或者是对图像作模式分类等等。,医学图像是20世纪生物医学工程领域中发展最 为迅速的学科之一。从生物医学工程学科发展的角 度看，由于医学图像能提供器官、组织、细胞甚至 分子水平的图像，它是生物医学工程各分支学科研 究中不可或缺的重要手段。,从临床诊断的角度看，由于医学图像以非常直 观的形式向人们展示人体内部的结构形态与脏器功 能，已成为临床诊断中最重要的手段之一。图像

3、设 备的装备情况实际上已成为现代化医院的一个重要 标志。,从科技产业发展的角度看，由于强劲需求的推 动，医学图像产业规模也在整个生物医学工程产业 中占有很大的比重，并已经达到了十分可观的水平。,医学图像的发展历史一般可追溯到1895年伦琴 发现 X 射线。人们很快地将X射线应用于医学成像 并获得成功。在这之后的几十年中，X 射线摄影技 术有了不小的发展，包括使用影像增强管、旋转阳 极 X 射线管及采用运动断层摄影等。但是，由于这 种常规的 X 射线成像技术是将人体三维结构投影到 一个二维平面上来显示，因此产生了图像重叠，读 片困难等问题。此外，投影X射线成像对软组织的 分辨能力较差，使得它在临

4、床中的应用也受到一定 的限制。,为了获得脏器的清晰图像，人们又设计了一 些特殊的 X 射线成像装置。其中的 X射线数字减 影装置（digital subtraction angiography，DSA) 就是一个例子。DSA在临床中已成功地用于血管 网络的功能检查。,如何从根本上克服在投影X射线成像中出现 的影像重叠间题，一直是医学界迫切希望解决的 问题。这个问题的数学描述应该是：如何根据接 收到的投影数据计算出人体内的断层图像（而不 是结构重叠的图像）。,X 射线计算机断层摄影 (X-ray computedtomography, X -CT) 成功地解决了这一问题。实现 X-CT 的理论基

5、础 是从投影重建图像的数学原理。,虽然奥地利的数学家Radon早在1917年就证 明了从投影重建图像的原理，但他的论文一直未 被世人所重视。,当代图像重建理论最杰出的贡献者之一是美国 的物理学家Cormacko他不仅证明了在医学领域中 从X射线投影数据重建图像的可能性，而且提出了 相应的实现方法并完成了仿真与实验研究。,真正设计出一个装置来实现人体断面成像的 是在1978年。在那一年的英国放射学年会上，一 位名叫Hounsfield的工程师公布了计算机断层摄影 的结果。,这项研究成果可以说是在X射线发现后的七八 十年中放射医学领域里最重要的突破性进展，它也 是20世纪科学技术的重大成就之一。由

6、于Hounsfield 与Cormack在放射医学中的划时代贡献，1979年的 诺贝尔生理与医学奖破例地授给了这两位没有专门 医学资历的科学家,1917年Radon提出了图像重建的数学方法。 1971年英国工程师Hounsfield设计成功第一台颅脑CT机 1972年应用于临床 1974年，美国工程师Ledley设计出全身CT机. Hounsfield和美国物理学家Cormark获得了1979年度诺贝尔医学生理学奖。,Hounsfield于2004年8月12日在英国逝世，享年84岁,超声成像设备的发展得益于在第二次世界大 战中雷达与声纳技术的发展。50 年代，简单的A型超声诊断仪开始用于临床。

7、70 年代，能提供断面动态图像的B型仪器问世，这是超声诊断设备发展史上的一大进步。80年代初问世的超声彩色血流图(color flow mapping, CFM)是目前临床上使用的高档超声诊断仪。,超声彩色血流图 (CFM) 的特点是把血流信息 叠加到二维B型图像上。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。超声成像的突 出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时它 又能提供人体断面实时的动态图像。从体外经皮检 查到腔内探查，乃至血管内的成像，超声检查几乎 可涉及全身每一个部位。,放射性核素成像是把某种放射性同位素标记 在药物上，然后

8、引入病人体内，当它被人体组织 吸收后，人体自身便成了辐射源。放射性同位素 在衰变的过程中，将向体外放射射线。,人们可以用核子探测器在体外定量地观察这 些放射性同位素在体内的分布情况。从所得的放 射性同位素图像中，不仅可以看到器官的形态， 更主要的是可以从中了解到人体脏器新陈代谢的 情况。这是其他成像系统所不容易做到的。,目前临床上用得比较多的是照相机，它可用来快速地拍摄体内脏器的图片，并从一系列连续的图像中了解器官新陈代谢的功能。发射型 CT（emission computed tomography，ECT) 是放射性同位素成像系统的进一步发展。ECT 分为：单光子发射型CT（single p

9、hoton ECT，SPECT)正电子CT (positron emission tomography,PET)两类。,SPECT在临床上已得到较广泛的应用。它是 将了照相机的探测器围绕探查部位旋转，并采集 相应的投影数据，然后采用与X-CT类似的重建算 法计算出放射性同位素分布的断层图像。,PET 系统的数据采集原理与 SPECT 完全不 同。它是根据有一类放射性同位素在衰变过程中 释放正电子的物理现象来设计的。由于PET系统 价格昂贵，目前还只有少数医院开始装备。,1945年美国学者首先发现了磁共振现象，从此 产生了核磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科领 中迅速发展成为对物质的最有效的非破

10、坏性分析方 法之一。之后，人们将磁共振技术用于成像。,70年代后期，对人体的磁共振成像获得成功。 磁共振成像 (magnetic resonance imaging, MRI ) 的过程是将人体置入强磁场中。这时，如果同时对 人体施加一个一定频率的交变射频场，那么被探查 的质子就会产生共振，并向外辐射共振信号。于是， 在接受线圈中就会有感应电势产生。所接收到的信 号经过计算机处理后，就可以得到清晰的人体断面 图像。,与X-CT不同的是，在MRI图像中，每个像素 的灰度值代表的是从该位置上来的磁共振信号的 强度，这个强度与共振核子的密度及两个化学参 数 弛豫时间T1与T2有关。磁共振成像的突出优

11、点是对人体无创、无电 离辐射，图像分辨率比较高，并且可以对人体组 织作出形态与功能两方面的诊断。,近年来，功能磁共振成像（functional MRI， fMRI）技术还被广泛地应用于脑功能成像。,第二节 投影X射线成像,一、X射线成像的物理基础,X射线的产生及其性质：X射线管是产生X射线 的主要设备，图是一个旋转阳极X射线管的示意图。,它由阴极、阳极和真空玻璃管等部分 组成。阳极由一个带倾斜角的圆盘构 成，四周嵌有环状钨面，圆盘后壁与 转子轴相连，可以旋转。给阴极的灯 丝加一个低电压，灯丝加热后就能发 射电子。再给X射线管的阳极与阴极 间加上高压，自由电子群就会在电场 的作用下高速向阳极端靶

12、面撞击。当 高速运动的电子突然受阻时，其中的 一部分能量转换成了X射线。,X射线是肉眼看不见的一种电磁波。它的波 长较短，一般在(0.01100)范围内。,X射线管产生的射线为一束波长不同的射线。 其中：波长小（光子能量大）的叫硬射线，它的穿透力强；波长大（光子能量小）的叫软射线，易被其他物质吸收。,X射线具有下列性质： 穿透作用：X射线波长短、能量大、能穿透一般光线不能穿透的物质； 荧光作用：当X射线照射某些物质（如磷、钨酸钙等）时能产生荧光； 电离作用：具有足够能量的X射线光子能击脱物质原子轨道上的电子而使之产生电离； 生物效应：生物细胞在受到X射线的电离辐射后有可能会造成损伤甚至坏死。这

13、一点在X射线检查中要特别注意。不过，在另一方面，利用X射线的这个效应，可用放射治疗的方法来破坏肿瘤组织。,二、X射线与人体组织的相互作用,X射线穿过人体时，将出现衰减。假设强度为 I0的射线穿过厚度为 z 的探查物后其输出强度为I， 则探查物对射线造成的衰减可表示为,式中，被称为线性衰减系数。,在诊断X射线的范围内（能量低于800 keV )， 射线的衰减主要是由瑞利散射、光电吸收和康普 顿散射引起的。正是由于人体组织对X射线不同 的衰减系数，使得当X射线穿过人体到达检测器 时能使图像上显示出相应的差别。,三、投影X射线成像设备,传统的投影X射线成像方法有两种：透视与摄影。,（一）透视成像系统

14、,目前大量使用的投影X射线成像系统，常用来做 透视检查。在透视X射线成像系统中，X射线先通过 影像增强管得以增强，其输出的图像由摄像管采集后 送入对数放大器。经过模拟数字转换器，将模拟信 号转换为数字信号，并送入图像存储器。所采集的数 字图像经过各种处理后可以再经过数字模拟转换器 送到监视器上显示，也可以用各种存储媒体将它们保 存起来。整个系统在计算机的控制下协调工作的。,（二）胶片摄影系统,如果用X射线直接对胶片曝光，其效率是比较 低的。在临床中使用屏胶片系统作为投影X射线 成像系统的接收器。这种接收器是由涂上感光乳胶 的胶片和与胶片紧密接触的一个或两个荧光增强屏 组成的。荧光增强屏是涂有荧

15、光材料的薄层（厚度 约为100-500m)。X射线的能量由增强屏吸收，并 将其能量的一部分(5%80）转变为光线。此光线 将使胶片曝光。由于增强屏对光线较敏感，使胶片 曝光所需的实际X射线辐射剂量大幅度地降低。,（三）数字X射线摄影,胶片的使用已经有很长的历史，但大量胶片的 保持、数据查询等问题一直困扰着人们。随着技术 的进步，数字图像的存储和显示技术已日趋完善。 以此为基础，开发各种数字化成像系统已成为当今 技术发展的主流。数字图像不仅可以实现快速的检索和异地传输， 而且还可以对存储的图像做各种各样的后处理，包 括计算机辅助诊断等以满足临床应用的要求。在X 射线成像方面，有两种数字化成像系统

16、在临床获得 应用，它们是计算放射摄影和数字放射摄影。,1. 计算放射摄影,计算放射摄影实际上是用一块加入了钡卤化物晶体 的荧光屏（通常称为成像板）来取代传统的屏胶片系 统。成像板在 X射线的照射下，荧光物质吸收了入射的 X 射线并将其能量存储起来，形成“潜影”。之后可用激 光束扫描荧光屏，屏上存储的信息由此转换成光信号放 射出来。光信号经光电倍增管放大后由A/D转换器转换 成数字信号存入计算机。计算机可对存入的图像做进一 步的处理，并显示。存储屏上的信号可用强光照射加以 擦除，以便下一次使用。这样的系统也被称为计算放射 摄影系统。,2. 数字放射摄影,数字放射摄影是指一种基于大面积的平板检 测器(FPD)的直接数字化X射线成像系统。FPD是 由在玻璃基底上生成的薄膜硅晶体管（TFT）阵 列组成。每一个检测器像素由一个光电二极管和 相连的TFT组成。在阵列的上面由掺铊的碘化铯 （CsI）闪烁物、反射层和石墨保护层构成。当入 射的X射线照射到CSI 时，CSI 闪烁体产生可见光 通过内部光纤传到TFT阵列，并转换成电信号。,