概论（医学影像成像理论）

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1、医学影像成像理论,第一章 概论,2019/4/17,2,概论 第一节 医学成像技术的分类 第二节 医学成像的基本条件 第三节 医学成像系统的评价 第四节 医学影像展望,概 论,2019/4/17,3,一、医学影像技术 医学影像技术：是借助于某种介质（如X 线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体相互作用，用理工学基础理论和技术，把人体内部组织、器官的结构、功能等具有医疗情报的信息源传递给影像信息接收器，最终以影像的方式表现，提供给诊断医生，使医生能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。,2019/4/17,4,医学影像技术包括： X

2、 线成像（ radiography ） X 线计算机体层成像（computed tomography，CT）、 磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、 超声成像（ultrasound imaging）、 放射性核素成像（radiosotope imaging） 可见光成像、红外成像和微波成像等。,医学影像成像理论作为医学影像技术专业的一门重要专业课程，将为学生对实现医学自动化所必须的图像化诊断提供依据，使学生从医学成像原理、医学成像设备及医学成像系统分析等方面系统掌握该研究领域的基础知识，了解该领域的最新发展方向。,2019/4/17,5,医学成像的目的：

3、通过各种方式探测人体，获得人体内部结构的形态、功能等信息，将其转变为各种图像显示出来，进行医学研究和诊断。,现代医学影像技术的应用与发展，印证了100多年来医学、生物、物理、电子工程、计算机和网络通信技术的诞生与沿革。 数字医学影像新技术、新设备对医学影像诊断和数字影像治疗带来许多根本的改变。 医院里有哪些医学影像设备和是否开展数字影像介入治疗，在很大程度上代表了这家医院的现代化检查治疗的条件与诊治水平。 目前现代医学技术的提升和现代影像技术的发展相互融合、相互推动、相互依存的趋势已经成为共识。 新的现代医学影像技术和设备的研制也已经成为21世纪现代医学技术和生命科学发展的经济技术增长点。,学

4、习目标,掌握X射线成像、CT成像、磁共振成像、核医学成像、超声成像的基本原理； 了解各种基本的成像装置及系统的性能，培养较强的抽象与逻辑思维能力以及用理论解决实际问题的能力，从而初步具备研究医学成像方法、系统以及设备的能力。,2019/4/17,7,课时安排,2019/4/17,8,考核方式,平时成绩所占比例为10，实验成绩所占比例为20%，期末考试成绩所占比例为70%。,2019/4/17,9,第一节 医学成像技术的分类,按其成像原理和技术的不同，分为两大领域： 一、以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微图像学(biomedical microimaging,BMMI) 二、以人体宏观

5、解剖结构及功能为研究对象的现代医学影像学(modern medical imaging,MMI),2019/4/17,10,2019/4/17,11,2019/4/17,12,现代医学成像按其信息载体可分为以下几种基本类型,(1)X线成像：测量穿过人体组织、器官后的X线强度； (2)磁共振成像：测量人体组织中同类元素(H)原子核的磁共振信号； (3)核素成像：测量放射性药物在体内放射出的射线； (4)超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波； (5)光学成像：直接利用光学及电视技术，观察人体器官形态； (6)红外、微波成像：测量体表的红外信号和体内的微波辐射信号。,12,一、X 线成

6、像,X 线成像：是由X 线管发出的X 线透过被检人体的组织结构时会发生衰减，由于各种组织的密度（）、原子序数（Z）以及厚度（d）的不同，而对X 线的衰减系数（）不同，使得穿过人体出射的X线强度不同而产生X线对比度（KX），含有人体信息的KX由屏-片系统（影像增强器、成像板或平板探测器）接收，再经过处理形成可见的光学影像。 数字X 线成像：是采用影像板（IP）、平板探测器（FPD）等来代替屏-片系统作为X线信息接收器，应用各种探测器将X线信息转换成电信号，再经模/数（A/D）转换成数字化影像。数字X线成像包括计算机X线摄影（CR）、数字X线摄影（DR）、数字减影血管造影（DSA）和数字X 线透视

7、等。,2019/4/17,14,2019/4/17,15,传统X线机,数字X线影像设备,（1）计算机X线摄影（computed radiography，CR) 是X线平片数字化的比较成熟的技术。 CR系统是使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板（imaging plate ，IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片图像。,2019/4/17,16,2019/4/17,17,CR （Computed Radiography),（2）数字X线摄影(digital radiography，DR） 直接数字化X射线摄影是指在具有图像处理功能的计算机控制下，采用专门研制的X射线探测器

8、直接把X射线信息影像转化为数字图像信息的技术。 具有成像速度快、图像质量高，照射剂量低、曝光宽容度大、曝光条件易掌握、可以根据临床需要进行各种图像后处理的特点。,2019/4/17,19,2019/4/17,20,（3）数字血管减影仪（DSA） 20世纪80年代推出了数字减影血管造影。 数字减影血管造影术是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型成像技术。 血管造影检查是对注入血管造影剂前后的图像进行相减，得到无骨骼、内脏、软组织背景的清晰的血管影象，而血管的形态，结构反映了多种疾病的基本信息。,2019/4/17,21,DSA,2019/4/17,22,2019/4/17,23,医学影

9、像减影图像,注入造影剂前的影像,注入造影剂后的影像,相减后的影像,2019/4/17,24,DSA影像,二、X 线计算机体层成像,1971年，世界上第一台用于颅脑的CT扫描机（计算机人体断层摄影术）由柯马克(A.M.Cormack)和郝恩斯费尔(G.N.Hounsfield)首次研制成功。1979年因此项技术的发明，柯马克、郝恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖。,2019/4/17,25,CT成像：自X线管发出的X线首先经过准直器形成很细的直线射束，用以穿透人体被检测层面。经人体薄层内组织、器官衰减后射出的带有人体信息的X线束到达检测器，检测器将含有被检体层面信息的X线转变为相应的电信号。通过测

10、量电路将电信号放大，由A/D转换器变为数字信号，送给计算机处理系统处理。计算机系统按照设计好的方法进行图像重建和处理，得出人体层面上组织、器官衰减系数（）分布情况，并以灰度方式显示人体这一层面上组织、器官的图像。 CT成像优势：获得无层面外组织结构干扰的横断面图像，能准确地反映横断平面上组织和器官的解剖结构；密度分辨力高，能显示出普通X线检查所不能显示的病变；能够准确地测量各组织的X线吸收衰减值，可通过各种计算进行定量分析；可进行各种图像的后处理。,2019/4/17,26,三、磁共振成像,1946 年美国斯坦福大学的布洛赫（Felix Bloch）和哈佛大学的珀塞尔（Edward Purce

11、ll）首先发现了磁共振现象，由此产生的磁共振波谱学被广泛地应用于对物质的非破坏性分析。20 世纪70 年代美国纽约州大学的达马迪安（Raymond Damadian）和劳特伯（Pual Lauterbur）将磁共振用于医学成像，20 世纪80 年代被快速地发展起来成为医学影像新技术。 磁共振成像（MRI）技术是在物理学领域发现磁共振现象的基础上，于20 世纪70 年代末继CT之后，借助计算机技术和图像重建方法的进展和成果而发展起来的一种新型医学影像技术。,2019/4/17,27,MR 成像：是通过对静磁场（B0）中的人体施加某种特定频率的射频脉冲（RF）电磁波，使人体组织中的氢质子（1H）受

12、到激励而发生磁共振现象，当RF 脉冲中止后，1H 在弛豫过程中发射出信号（MR 信号），被接收线圈接收，利用梯度磁场进行空间定位，最后进行图像重建而成像的。,2019/4/17,28,四、超声成像,1942年奥地利科学家达西科（Dussik）首先将超声技术应用与临床诊断，从此开始了医学超声影像设备的发展。 1954年瑞典人应用M型超声显示运动的心壁，称为超声心动图。 人类从20世纪50年代开始研究二维B型超声，至70年代中期，实时二维超声开始应用。,2019/4/17,29,五、核医学成像,20世纪90年代推出了更新、更强的核医学影像设备ECT，包括PET、SPECT等设备。PET也称正光电子

13、成像设备，主要的优势是超强的医学影像的识别与诊断的能力，尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循环可以动态地、靶向目标清晰地显示被检部位形态和功能的异常情况，甚至可以检查出细胞级别的病变。,2019/4/17,30,六、其他成像,可见光成像：在医学上的应用主要是内镜技术。 1958 年第一台纤维胃镜诞生以来，至今制成了光纤内镜、电子内镜、超声内镜、激光内镜等各种不同性能的内镜。电子内镜抛弃了光导纤维传像的方式，在镜头端装有一只微型电视摄像机，由电荷耦合器件（CCD）将物镜所成的图像变换为电视信号，再转换成为光学图像。它对官腔内状态既可直接在屏幕显示，供多人同时观察；也可用磁带录相机录相

14、或打印机输出；还可直接夹取活体组织进行活检、止血和局部病灶治疗。目前内镜的使用范围已由消化道扩展到泌尿、循环、呼吸、生殖等多个系统，以及腹腔、耳、喉、血管、关节腔等器官。,2019/4/17,31,激光纤维内镜：成功地用于支气管癌、肺癌等疾病的腔内诊治。激光全息摄影技术能复原出被摄体的立体图像，激光透照影像能很好地显示体内异物和骨骼畸形。这些检查技术有的已用于临床诊断。 红外成像：在医学上主要用于人体浅表疾病的探查，主要可分为被动成像方式的红外摄影术和主动成像方式的红外摄影术。红外医学成像的最大优点：对人体无辐射损害；不会因检查而引起人体状态的改变；操作方法简便、经济，是一种具有应用前途的医学

15、影像检查方法。 微波成像：微波是指波长从0.00llm波段的电磁波（3*1083*1012Hz），除利用微波热效应制成的各种临床治疗仪器外，微波还是CT 机的一种理想能源，也可作为显微镜的光源。近年来微波医学成像技术在不断进步。,2019/4/17,32,第二节 医学影像成像的基本条件,一、 信息影响传递与形成 二、 信息源 三、 影像信息载体 四、 影像信息接收器 五、 影像视读,广义的摄影：是应用光或其它能量来表现被照体的信息状态，并以可见的光学影像加以记录的一种技术。X线摄影、X线透视、CT、MR等成像均需要具备有一个成像系统，成像系统即是将信息载体表现出来的信号加以处理，形成表现信息影

16、像的系统。 成像程序：能量信息信号检测图像形成。 成像三大要素：成像的信息源（被检体）、信息载体与信息接收器。,一、 信息影像的传递与形成,（一）模拟X线信息影像的传递与形成,X线信息影像的形成与传递5个阶段： 1X线信息影像的产生 X线信息影像的形成基础是被照体对X线束的衰减。X线在物质中的衰减符合如下规律： 2X线信息影像的转换 将不均匀的X线强度分布，通过接受介质（屏-片系统、X线电视等）转换为密度影像，或二维的光强度分布（荧光屏、影像增强器系统等）影像，以用于观察诊断。 3密度分布转换成可见光的空间分布 借助观片灯可将密度分布转换成可见光的空间分布，然后投影到视网膜。 4视觉影像的形成 通过视网膜上明暗相间的图案，形成视觉影像。 5意识影像的形成 通过对视觉影像的识别、判断，作出评价或诊断。,（二）数字信息影像的传递与形成 数字X线信息影像的传递与形成基本上与模拟信息影像的传递与形成相同，不同之处主要是影像信息的传递过程中增加了模/数转换，将模拟信息转换成数字信息，而后进行各种处理和图像重建，最后还要将数字影像通过数