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1、医学影像调研综述目前，主流的医学影像的成像仪器主要有超声，X线，CT, MRI, PET等。它们的成像原理 和成像特点也各不相同，所以它们的主要用途也不同。（一）超声超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声 能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军 事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。 基本原理： 超声波是由机械振动引起的波动通过介质传播后而产生的。超声利用其在人体组织中的反射、 折射、衍射与散射等性质测定出各组织界面的位置，反映出组织的一维信息。尽管超声在人 体各组织中
2、的传播速度不同，但这种差异的范围只有百分之五，因此可认为超声在人体软组 织中的传播速度皆为1500米/秒。回波大小与界面处组织声阻抗或密度有关，界面一定则反 射的超声波大小一定，可以根据回波强弱判定界面处的参数。利用反射波的幅度反映反射波 的强度以获取该介质的密度。利用回波信号距发射脉冲时间与超声波速相乘后可得到反射界 面与探头的距离。由此二者构建出图像。结构框图：| 振荡器|发射器| 换能器各部分功能：1、振荡器：即同步脉冲发生器。产生控制系统工作的同步脉冲。2、发射器：产生高压振荡脉冲，激励超声换能器。3、换能器：电-声换能，发射超声；声-电换能，接收回波。4、回波信息处理系统： 对回波信
3、号进行各种信号处理。包括：放大，衰减补偿，动态压缩，滤波，检波等5、显示器/记录器：显示回波信号，必要时记录信号。6、扫描发生器：输出扫描信号给显示器。（二）X射线X射线是波长介于紫外线和Y射线间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波 长约为0.0110nm之间。X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质， 如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片 感光以及空气电离等效应。基本原理：X射线应用于医学诊断，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。由 于X射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸
4、收的量要多， 那么通过人体后的 X 射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上 或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶片 上（经过显影、定影）将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验 结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，X射线诊断技术便成了世界上最 早应用的非刨伤性的内脏检查技术。结构框图：各部分功能：X线源：提供成像用的X射线，并且照射在病人身体上。影响增强管：将不可见的X线图像转换为可见光图像，并且将图像亮度提高近万倍。 摄像机：由摄像管、光学镜头、偏转系统、扫描电路、补偿电路等组成，将可见光
5、信号转换 为电信号。控制器：对视频信号加以处理，变为全电视信号，完成摄像给予监视器的同步。 监视器：将电视信号还原为图像。（三）CT传统X射线成像有着一些弊端。比如说它由于只从一个方向对人体进行透视，所以会造成影 像重叠，即深度方向上的信息重叠在一起，会引起混淆。另外，它的密度分辨率低，尤其是 对于软组织的分辨能力低。而且，它照射一次需要的剂量也相对较大CT,即X射线计算机 断层扫描成像技术，也是利用X射线成像，在根本的成像原理上与传统相同，但是它通过扫 描和投影，能够减少影响重叠，一定程度上克服噪声和伪影。基本原理：CT是运用物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用数学方法，经计
6、算机 处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，转变为图像画面上的灰度分布， 从而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术。CT成像的本质就是衰减系数成像。CT主要是扫描和投影，用X射线束以不同方式、按一定顺序、沿不同方向对体层进行投照， 并用高灵敏度的探测器接受出射X射线的强度。之后再用一定的图像重建算法，得到扫描图 像。CT 扫描机的结构：扫描控制台（显ZF）高压妊器电蘇控制计算机系统成像系统的核心扫描架CT成像的原理框图：%线球管平移各结构的功能：X线球管：在圆形的轨道内旋转，并且射出狭窄的X射线，透过人体成像。准直器：限制X射线通过的细长狭窄通道，X射线只能从此通过。 探测器及
7、电路：接受透射之后的信号，并且转化为图像信号。（四）MRIMRI 也就是磁共振成像，磁共振成像是断层成像的一种。磁共振成像技术与其它断层成像技 术（如CT）有一些共同点，比如它们都可以显示某种物理量（如密度）在空间中的分布； 同时也有它自身的特色，磁共振成像可以得到任何方向的断层图像，三维体图像，甚至可以 得到空间一波谱分布的四维图像。像PET和SPECT 一样，用于成像的磁共振信号直接来自于 物体本身，也可以说，磁共振成像也是一种发射断层成像。但与PET和SPECT不同的是磁共 振成像不用注射放射性同位素就可成像。这一点也使磁共振成像技术更加安全。 基本原理：原子核带有正电，许多元素的原子核
8、都进行着自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列 是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡。这样一来，自 选的核同时也以自旋轴和外加磁场的向量方向的夹角绕外加磁场向量旋进，这种旋进叫做拉 莫尔旋进。自选系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。 如果此时核自旋系统受到外界作用，比如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。这 样，自旋核还要在射频方向上旋进，这种叠加的旋进状态叫做章动。在射频脉冲停止后，自 旋系统已激化的原子核，不能维持这种状态，将回到磁场中原来的排列状态，同时释放出微 弱的能量，成为射电信号，把许许多多这样的信号检测出来，并进
9、行空间分辨，就得到运动 中原子核分布图像。原子核从激化的状态回复到平衡排列状态的过程叫做弛豫过程，它所需 的时间叫做弛豫时间。弛豫时间有两种，即T1和T2。T1为自旋-点阵或纵向驰豫时间，T2 为自旋-自旋或横向弛豫时间。生物体组织能被电磁波谱中的短波成分穿透，而中波成分紫外线、红外线、微波将受到阻挡。 但是，人体组织能被磁共振产生的长波成分穿透，这是磁共振能用于临床的基本原理。 磁共振最常用的核是氢原子核质子（1H）,因为它的信号最强，在人体组织内也广泛存在。 影响磁共振影像因素包括：质子的密度；弛豫时间长短；血液和脑脊液的流动；顺磁性物质； 蛋白质。 结构框图主磁体：MRI的核心部分，它提
10、供一个具有一定场强的均匀稳定的静磁场。磁体性能的优势 取决于其磁场的均匀度、稳定度和磁场强度梯度系统：梯度线圈产生并控制磁场中的梯度，以实现NMR信号的空间编码。这个系统有 三组线圈，产生x、y、z三个方向的梯度线圈，线圈组的磁场叠加起来，可得到任意方向的 梯度场。射频线圈：1. 射频（RF）发生器：产生短而强的射频场，以脉冲方式加到样品上，使样品中的氢核产 生 NMR 现象。2. 射频（RF）接收器：接收NMR信号，放大后进入图像处理系统。主计算机：由射频接收器送来的信号经A/D转换器，把模拟信号转换成数学信号，根据与 观察层面各体素的对应关系，经计算机处理，得出层面图像数据，再经D/A转换
11、器，加到图 像显示器上，按NMR的大小，用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像（五） PET 正电子是与负电子相似的一种带电粒子。正电子带一个正电荷，有一定质量和能量。正电子 所带能量的大小决定了正电子在组织中的消失射程。正电子与物质作用能量耗尽时，和物质 中的自由电子结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个能量相等、方向相反的 Y光子而自身消失。基本原理：正电子发射断层扫描装置（PET）是利用注入至人体的放射性示踪剂如含1年的氟脱氧葡萄 糖（FDG）经衰变后所释放的正电子与临近负电子湮灭所产生的一对Y光子来对人体代谢状 况进行成像的一种技术。正电子与负电子湮灭后所产生的这一对Y光子在
12、时间、方向、能量 上有很好的相关性，可通过对这对Y光子的符合探测来进行示踪剂的定位与成像，从而反映 出人体各组织代谢与功能方面的信息。结构框图：各部分功能：加速器：现场制造PET所使用的半衰期极短的示踪剂。放射性药物合成系统：将放射性药物与其他化合物合成以参与人体生化反应的示踪剂PET扫描机：由Y照相机为核心所构成，用于探测湮灭后所释放的Y光子。控制系统用：操作其余各部分的运动。 图像处理和重建系统：负责将所获得的信息转化成医学图像各影像设备比较：仪器发射波类型对人体危害观察对象成像性质超声超声波无解剖结构重叠成像X线X射线辐射危害解剖结构重叠成像CTX射线辐射危害解剖结构断面成像PETY光子辐射危害功能层面断面成像MRI磁场无解剖结构断面成像参考文献：1、高上凯：医学成像系统，清华大学出版社，2010 年第二版，1-4；11-24；73-80；86-98 105-113；144-150 页。2、刘松：X射线成像特质及医学中的应用，医学信息,2011,No.07,3158-31583、王云楠：三维超声成像的原理与应用， 2011，科技前沿649 期， 167
