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1、,第七章 现代生物医学影像设备 生物医学电子及设备学,信息与通信工程学院,姓名：,本章内容,7.1 医学影像设备概述,7.2 超声影像设备,7.3 XCT断层扫描系统,7.4 核医学影像设备,7.1 医学影像设备概述,1、医学影像设备发展史 2、医学影像主要设备及临床应用,医学影像设备发展简史,1895年11月8日，德国物理学家伦琴（Withelm Conrad Roentgen，18451923）在做真空管高压放电实验时，发现了一种肉眼看不见、但具有很强的穿透本领、能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线，简称为X线。,世界上第一张X光照片,伦 琴,医学影像设备发展简史,1896
2、年，德国西门子公司研制出世界上第一只X线管。20世纪1020年代，出现了常规X线机。其后，由于X线管、高压变压器和相关的仪器、设备以及人工对比剂的不断开发利用，尤其是体层装置、影像增强器、连续摄影、快速换片机、高压注射器、电视、电影和录像记录系统的应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的学科体系，称为影像设备学。,1972年，英国工程师汉斯菲尔德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一台用于颅脑的X线计算机体层摄影（x-ray computed tomography，X-CT）设备，简称为X-CT设备，或CT设备。 CT设备是横断面体层，无前后影像重叠，不受层面上下组织
3、的干扰；同时由于密度分辨力显著提高，能分辨出0.1%0.5% X 线衰减系数的差异，比传统的X线检查高1020倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。,近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0.75s（512512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛的普及，功能有了进一步的扩展。大孔径CT设备可兼顾日常应用与肿瘤病人定位，组合型CT设备可在完成CT检查后直接进行正电子发射型计算机体层（positive emission computed tomography，PET）检查，使CT的形态学信息与PET
4、的功能性信息通过工作站准确融合，可以更准确地完成定性与定量的诊断。,平板探测器CT设备目前尚在开发阶段，一旦技术成熟，从机器设计、信息模式、成像速度、射线剂量到运行成本都会有根本性的改变，将会引起CT设备的又一次革命。,20世纪80年代初用于临床的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一种新的非电离辐射式医学成像设备。MRI设备的密度分辨力高，通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像，这是它优于CT设备的特点之一。迄今，MRI设备已广泛用于全身各系统，其中以中枢神经、心血管系统、肢体关节和
5、盆腔等效果最好。,中场超导（0.7T）开放型MRI设备进一步普及，它便于开展介入操作和检查中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检查的限制。双梯度场技术可在较小的范围内达到更高的梯度场强，有利于完成各种高级成像技术，如功能成像、弥散成像等。降噪措施和成像专用线圈也都有了较大的进步，如功能成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊断效果已接近和达到CT设备水平，脑影像的分辨力在常规扫描时间下提高了数千倍，而显微成像的分辨力达到5010m，现已成为医学影像诊断设备中最重要的组成部分。,生物体磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）具有研究机体
6、物质代谢的功能和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合的临床应用，将会引起医学诊断学上一个新的突破。,数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、计算机X线摄影（computed radiography，CR）和数字摄影（digital radiography，DR）是20世纪80年代、90年代开发的数字X线机。前者具有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，目前，正向快速旋转三维成像实时减影方向发展，从而扩大了血管造影的应用范围。后者具有减少曝光量和宽容度大等优点，更重要的是可作为数字化图像纳入图像存储与传输系统（picture ar
7、chiving and communication systems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途的影像探测器之一。,20世纪50年代和60年代，超声成像（ultrasonography，USG）设备和核医学设备相继出现，当时在医学上的应用往往各成系统。1972年X-CT设备的开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。70年代末80年代初，超声CT（ultrasonic CT，UCT）、放射性核素CT和数字X线机逐步兴起，并应用于临床。尽管这些设备的成像参数、诊断原理和检查方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进
8、行诊断。,介入放射学自20世纪60年代兴起，于70年代中期逐步应用于临床，近年来尤以介入治疗进展迅速。因其具有安全、简便、经济等特点，深受医生和病人的普遍重视与欢迎，现仍处于不断发展和完善的过程之中。90年代倍受人们青睐的立体定向放射外科学设备，由于它可以不作开颅手术而治疗一些脑疾患，很受欢迎，全世界都在积极开发和应用这种高新设备。介入放射学设备与立体定向放射外科学设备，都是通过医学影像设备来引导或定位的，所以也属于医学影像设备的范畴。,综上所述，多种类型的医学影像诊断设备与医学影像治疗设备相结合，共同构成了现代医学影像设备体系。,第二节 医学影像设备的分类,现代医学影像设备可分为两大类，即医
9、学影像诊断设备和医学影像治疗设备。 一、诊断用设备 按照影像信息的载体来区分，现代医学影像诊断设备主要有以下几种类型：X线设备（含X-CT设备）；MRI设备；超声设备；核医学设备；热成像设备；光学成像设备（医用内镜）。,（一）X线设备 X线设备通过测量穿透人体的X线来实现人体成像。X线成像反映的是人体组织的密度变化，显示的是脏器的形态，而对脏器功能和动态方面的检测较差。此类设备主要有常规X线机、数字X线机和X-CT设备等。 以X线作为医学影像信息的载体，出于两方面的考虑，即分辨力和衰减系数。从分辨力来看，为了获得有价值的影像，辐射波长应小于510-11m。另一方面，当辐射波通过人体时，应呈现衰
10、减特性。若衰减过大，则透射人体的辐射波微弱，当测量透射人体的辐射波时，由于噪声的存在，很可能导致测量结果无意义。反之，若辐射波透射人体时几乎无衰减，则因无法精确的测量衰减部分而失效。,在X线设备中，屏-片组合分辨力较高，可达到510LP/mm，且使用方便、价格较低，是目前各级医院中使用最普遍的设备之一。但它得到的是人体不同深度组织信息叠加在一起的二维图像，所以病变的深度很难确定，且对软组织分辨不佳。数字X线机使用曝光量宽容度大，可获得数字化影像，便于进行图像的后处理，且扩大了诊断范围，利于胃肠和心脏等部位的检查。X-CT影像的空间分辨力可小于0.5mm，能分辨组织的密度差别可达到0.5。X-C
11、T影像的清晰度很高，可确定受检脏器的位置、大小和形态变化。,（二）MRI设备 MRI设备通过测量构成人体组织中某些元素的原子核的磁共振信号，实现人体成像。20世纪40年代发现了物质的磁共振现象，20世纪80年代MRI设备应用于临床。 MRI影像的空间分辨力一般为0.51.7mm，不如X-CT；但它对组织的分辨远远好于X-CT，在MRI影像上可显示软组织、肌肉、肌腱、脂肪、韧带、神经、血管等。此外，它还有一些特殊的优点：MRI剖面的定位完全是通过调节磁场，用电子方式确定的，因此能完全自由地按照要求选择层面；MRI对软组织的对比度比X-CT优越，能非常清楚地显示脑灰质与白质；MR信号含有较丰富的有
12、关受检体生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度测量值；MRI能在活体组织中探测体内的化学性质，提供关于内部器官或细胞新陈代谢方面的信息；MRI无电离辐射。目前，尚未见到MR对人体危害的报道。,MRI的缺点：与X-CT相比，成像时间较长；植入金属的病人，特别是植入心脏起搏器的病人，不能进行MRI检查；设备购置与运行的费用较高。 总之，MRI设备可作任意方向的体层检查，能反映人体分子水平的生理、生化等方面的功能特性，对某些疾病（如肿瘤）可作早期或超早期诊断，是一种很有发展前途和潜力的高技术设备。,（三）诊断用超声设备 诊断用超声设备分为利用超声（ultrasound，US）回波的USG设备和
13、利用US透射的超声CT（ultrasonography CT，UCT）两大类。USG设备，根据其显示方式不同，可以分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、C型（亮度显示）、M型（运动显示）、P型（平面目标显示）等。目前，医院中用的最多的是B型USG设备，俗称B超，其横向分辨力可达到2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。利用US多普勒系统，可实现各种血流参量的测量，是近年来广泛应用的又一种US技术。临床上，USG设备在甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有其独到之处。目前UCT所需扫描时间较长，且分辨力低，有待于进一步改进与提高。但由于它是一种无损伤和非侵入式的诊断设备
14、，因此将来可能成为主要的影像诊断设备。,X线成像与US成像是当前用得最为普遍的两种检查方法，但对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。就X线来说，尽管现在已经显著地降低了诊断用剂量，但其危害性仍不容忽视。实践表明，它将导致癌症、白血症和白内障等疾病的发病率增加。而从现有资料来看，目前诊断用US剂量还未有使受检者发生不良反应的报道。 此外，X线在体内沿直线传播，不受组织差异的影响，是其有利的一面，但不利的一面是难以有选择地对所指定的平面成像。对US波来说，不同物质的折射率变化范围相当大，这将造成影像失真。但它在绝大部分组织中的传播速度是相近的，骨骼和含有空气的组织（如肺）除外。US波和X线这些不
15、同的辐射特性，确定了各自最适宜的临床应用范围。例如，US脉冲回波法适用于腹内结构或心脏的显像，而利用X线对腹部检查只能显示极少的内部器官（若采用X线造影法，也可有选择地对特定器官显像）；对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用US检查，用X线则可获得较为满意的结果。,（四）核医学设备 核医学设备通过测量人体某一器官（或组织）对标记有放射性核素药物的选择性吸收、储聚和排泄等代谢功能，实现人体功能成像。主要有相机、单光子发射型CT（single photon emission CT，SPECT）和正电子发射型CT（positive emission CT，PET）。 相机既是显像仪器，又是功能仪器。临床上
16、可用它对脏器进行静态或动态照相检查。动态照相主要用于心血管疾病的检查。因为SPECT具有相机的全部功能，又具有体层功能，所以明显提高了诊断病变的定位能力；加上各种新开发出来的放射性药物，从而在临床上得到日益广泛的应用。SPECT能做动态功能检查或早期疾病诊断。缺点是图像清晰度不如X-CT，检查时要使用放射性药物。PET可以用人体组织的某些组成元素（如15O、11C、13N等）来制造放射性药物，特别适合作人体生理和功能方面的研究，尤其是对脑神经功能的研究。在其附近需要有生产半衰期较短的放射性核素的加速器和放射化学实验室。,核医学成像只需极低浓度的放射性物质，这与X线成像时口服硫酸钡不同。一般情况下，核医学成像的横向分辨力很难达到1.0cm；且图像比较模糊，这是因为有限的光子数目所致。相比之下，X线成像具有高分辨力和低量子噪声。,（五）热成像设备 热成像设备通过测量体表的红外信号和体内的微波信号实现人体成像。红外辐射能量与温度有关，因此又可以说，热成像就是利用温度信息成像。 研究人体的温度分布，对于了解
