医学影像成像原理简介

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1、医学医学影像成像原理影像成像原理1 X线成像原理线成像原理2 X-CT成像原理成像原理3 MRI成像原理成像原理4 超声波成像原理超声波成像原理5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理1 X线成像原理线成像原理X线的本质：电磁辐射线的本质：电磁辐射常用常用X线诊断设备：线诊断设备： X线机、数字线机、数字X线摄影设备线摄影设备（DSA、CR、DR）和）和X线计算机断层扫描设备（线计算机断层扫描设备（ X线线CT）等。）等。1.1 X线的特征线的特征1.2 X射线成像原理射线成像原理1.3 计算机计算机X线摄影（线摄影（CR）1.4 直接数字化直接数字化X线摄影系统（线摄影系统（DR）3

2、.1.1 X线的特征线的特征3.1.1 X线的特征线的特征X射线在电磁辐射中的特点属于射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短高频率、波长短的射线的射线X射线的频率约在射线的频率约在3101631020 Hz之间，之间，波长约在波长约在1010-3nm之间之间 X线诊断常用的线诊断常用的X线波长范围为线波长范围为0.0080.031nm 3.1.1 X线的特征线的特征1. X射线的波粒二象性射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性性 。X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，

3、且有干涉、衍射、偏振、反射、折射等率和波长，且有干涉、衍射、偏振、反射、折射等现象发生。现象发生。X射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。地位，具有质量、能量和动量。3.1.1 X线的特征线的特征2. X射线与物质间的相互作用射线与物质间的相互作用(6点点)（1）X射射线的穿透作用。的穿透作用。 其贯穿本领的强弱与物质的性质有关其贯穿本领的强弱与物质的性质有关 3.1.1 X线的特征线的特征2. X射线与物质间的相互作用射线与物质间的相互作用（2）X射射线的的荧光作用。光作用。 X射射线线是是肉肉眼眼看看不不见见的的，但

4、但当当它它照照射射某某些些物物质质时时，如如磷磷、铂铂氰氰化化钡钡、硫硫化化锌锌、钨钨酸酸钙钙等等，能能够够使使这这些些物物质质的的原原子子处处于于激激发发态态，当当它它们回到基态时就能够发出荧光们回到基态时就能够发出荧光，这类物质称荧光物质。，这类物质称荧光物质。 医医学学中中透透视视用用的的荧荧光光屏屏、X射射线线摄摄影影用用的的增增感感屏屏、影影像像增增强强器器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。 （3）X射射线的的电离作用。离作用。 X射射线线虽虽然然不不带带电电，但但具具有有足足够够能能量量的的X光光子子能能够够撞撞击击原原子子中中轨道

5、电子，使之脱离原子产生一次电离。轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。 电离作用也是离作用也是X射射线损伤和治和治疗的基的基础。 3.1.1 X线的特征线的特征2. X射线与物质间的相互作用射线与物质间的相互作用（4）X射射线的的热作用。作用。 X射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热能，使物体温升。射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热能，使物体温升。 （5）X射射线的化学效的化学效应(感光作用和着色作用感光作用和着色作用)。 X射射线线能能使使多多种种物物质质发发生生光光化化学学反反应应。例例如如，X射射线线能能使使照照相相底片感光。底片感光。（6）X射射线的生物效的生物效应。 生生物物组组

6、织织经经一一定定量量的的X射射线线照照射射，会会产产生生电电离离和和激激发发，使使细细胞胞受受到到损损伤伤、抑抑制制、死死亡亡或或通通过过遗遗传传变变异异影影响响下下一一代代，这这种种现现象象称称为为X射射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理当当高高速速带带电电粒粒子子撞撞击击物物质质受受阻阻而而突突然然减减速速时时，能能够够产产生生X 射射线线。医医学学影影像像诊诊断断所所用用的的X线线产产生生设设备备是是X线线管管（X-ray tube，球管）。，球管）。1X射线的产生射线的产生X射线的

7、产生需要的基本条件射线的产生需要的基本条件是：是：（1）有高速运动的电子流有高速运动的电子流；（2）有有阻阻碍碍带带电电粒粒子子流流运运动动的的障障碍碍物物（靶靶），用用来来阻阻止止电子的运动，可以将电子的动能转变为电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量。射线光子的能量。3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理X射射线线的的产产生生装装置置主主要要包包括括三三部部分分：X射射线线管管、高高压压电电源源及及低压电源低压电源，如图，如图3.2所示。所示。 3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理2. X射线人体成像射线人体成像使使用用X射射线线对对人人体体进进行行照照射射，并并对对透透

8、过过人人体体的的X射射线线信信息息进进行行采采集集、转转换换，并并使使之之成成为为可可见见的的影影像像，即即为为X射射线线人人体成像。体成像。（1）X射线影像的形成射线影像的形成 当当一一束束强强度度大大致致均均匀匀的的X射射线线投投照照到到人人体体上上时时，X 射射线线一一部部分分被被吸吸收收和和散散射射，另另一一部部分分透透过过人人体体沿沿原原方方向向传传播播。由由于于人人体体各各种种组组织织、器器官官在在密密度度、厚厚度度等等方方面面存存在在差差异异，对对投投照照在在其其上上的的X射射线线的的吸吸收收量量各各不不相相同同，从从而而使使透透过过人人体体的的X射射线线强强度度分分布布发发生生

9、变变化化并并携携带带人人体体信信息息，最最终终形形成成X射射线线信信息息影影像像。X射射线线信信息息影影像像不不能能为为人人眼眼识识别别，须须通通过过一一定定的的采采集集、转转换换、显显示示系系统统将将X射射线线强强度度分分布布转转换换成成可可见光的强度分布，形成人眼可见的见光的强度分布，形成人眼可见的X 射线影像。射线影像。3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理 人体不同厚度组织与人体不同厚度组织与X线成像的关系线成像的关系 密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件线成像的基本条件3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理2. X射线

10、人体成像射线人体成像（2）X射线的采集与显示射线的采集与显示 医用医用X 射线胶片与增感屏射线胶片与增感屏 医医用用X射射线线胶胶片片的的主主要要特特性性是是感感光光，即即接接受受光光照照并并产产生生化化学反应，形成潜影（学反应，形成潜影（latent image）。）。 经经过过对对有有潜潜影影的的胶胶片片处处理理（暗暗室室处处理理：显显影影、定定影影等等）。使使胶胶片片上上的的潜影转变为可见的不同灰度（潜影转变为可见的不同灰度（gray）分布像。）分布像。胶胶片片感感光光层层中中的的卤卤化化银银还还原原成成金金属属银银残残留留在在胶胶片片上上，形形成成由由金金属属银银颗颗粒粒组组成成的的黑

11、黑色色影影像像。人人体体组组织织的的物物质质密密度度高高，则则吸吸收收X射射线线多多，在在X射射线线照照片片上上呈呈白白影影；反反之之，如如果果组组织织的的物物质质密密度度低低，则则吸吸收收X射射线线少少，在在X射线照片上呈黑影。射线照片上呈黑影。3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理2. X射线人体成像射线人体成像（2）X射线的采集与显示射线的采集与显示 医用医用X 射线胶片与增感屏射线胶片与增感屏 医医用用X射射线线增增感感屏屏为为荧荧光光增增感感屏屏，其其增增感感原原理理为为增增感感屏屏上上的的荧荧光光物物质质受受到到X射射线线激激发发后后，发发出出易易被被胶胶片片所所接接收收的的荧荧

12、光光，从从而而增增强强对对X 射射线线胶片的感光作用。胶片的感光作用。 主主要要目目的的是是：在在实实际际X 射射线线摄摄影影中中，仅仅有有不不到到10%的的X射射线线光光子子能能直直接接被被胶胶片片吸吸收收形形成成潜潜影影，绝绝大大部部分分X射射线线光光子子穿穿透透胶胶片片，得得不不到到有有效效的的利利用用。因因此此需需要要利利用用一一种种增增感感方方法法来来增增加加X射射线线对对胶胶片片的的曝曝光光，以以缩缩短短摄摄影影时时间间，降降低低X射射线线的的辐辐射射剂剂量量。常常采采用用的的增增感感措措施施是是在在暗暗盒盒中中将将胶胶片片夹夹在在两两片片增增感感屏屏（intensifying s

13、creen）之之间间，然然后后进进行行曝光。曝光。3.1. 2 X射线成像原理射线成像原理2. X射线人体成像射线人体成像（2）X射线的采集与显示射线的采集与显示 X射线电视系统射线电视系统X射射线线电电视视系系统统主主要要包包括括X射射线线影影像像增增强强器器、光光学学图图像像分分配配系系统统、含含有有摄摄像像机机与与监监视视器器的的闭闭路路视视频频系系统统与与辅辅助助电电子子设备。设备。 X射线影像增强管射线影像增强管是影像增强器的核心部件。是影像增强器的核心部件。 3.1.3 计算机计算机X线摄影（线摄影（CR） 计计算算机机X线线摄摄影影（Computed Radiography，CR

14、）是是将将X线线透透过过人人体体后后的的信信息息记记录录在在成成像像板板（Image Plate，IP）上上，经经读读取取装装置置读读取取后后，由由计计算算机机以以数数字字化化图图像像信信息息的的形形式式储储存存，再再经经过过数数字字/模模拟拟（D/A）转转换换器器将将数数字字化化信信息息转转换换成成图图像像的的组组织织密密度度（灰灰度度）信信息息，最最后后在在荧荧光光屏上显示。其中，屏上显示。其中，成像板是成像板是CR 成像技术的关键成像技术的关键。3.1.3 计算机计算机X线摄影（线摄影（CR）1. 成像板（成像板（IP）成成像像板板（IP）是是使使用用一一种种含含有有微微量量素素铕铕（E

15、u2+）的的钡钡氟氟溴溴化化合合物物结结晶晶制制作作而而成成能能够够采采集集（记记录录）影影像像信信息息的的载载体体，可以代替可以代替X线胶片并重复使用线胶片并重复使用2-3万次。万次。当当透透过过人人体体的的X线线照照射射到到IP板板上上时时可可以以使使IP板板感感光光并并形形成成潜影以记录潜影以记录X线影像信息。线影像信息。 成像板的构造：成像板的构造： （1）表面保护层。）表面保护层。（2）辉尽性荧光体层。）辉尽性荧光体层。（3）基板（支持体）。）基板（支持体）。（4）背面保护层。）背面保护层。3.1.3 计算机计算机X线摄影（线摄影（CR）2. CR 系系统统成像的基本成像的基本过过程

16、程 （1）影像信息的采集：）影像信息的采集：（2）影像信息的读取：）影像信息的读取：与与普普通通X摄摄影影相相比比较较，CR的的优优点点是是： 宽宽容容度度大大，摄摄影影条条件件易易选选择择。 可可降降低低投投照照辐辐射射量量：CR可可在在IP获获取取信信息息的的基基础础上上自自动动调调节节放放大大增增益益，最最大大幅幅度度地地减减少少X线线曝曝光光量量，降降低低病病人人的的辐辐射射损损伤伤。 影影像像清清晰晰度度较较普普通通片片高高。 对对影影像像可可进进行行后后处处理理，对对曝曝光光不不足足或或过过度度的的胶胶片片可可进进行行后后期期补补救救。 可可进进行行图图像像传传输输、存存储储。由由

17、于于激激光光扫扫描描仪仪可可以以对对IP上上的的残残留留信信号号进进行行消消影影处处理理，IP板板可可重重复复使使用用2-3万次。万次。3.1.4 直接数字化直接数字化X线摄影系统线摄影系统（DR） 直直接接数数字字化化X射射线线摄摄影影（Digital Radiography，DR）是是在在具具有有图图像像处处理理功功能能的的计计算算机机控控制制下下，采采用用一一维维或或二二维维的的X射射线线探探测测器器直直接接把把X射射线线信信息息影影像像转转化化为为数数字字图图像像信信息的技术息的技术。 当当前前DR设设备备主主要要采采用用二二维维平平板板X射射线线探探测测器器（flat panel d

18、etector，FPD)，包括：，包括：（1）非晶态硅平板探测器）非晶态硅平板探测器 先先经经闪闪烁烁发发光光晶晶体体转转换换成成可可见见光光，再再转转换换为为数数字字信号信号（2）非晶态硒平板探测器）非晶态硒平板探测器 将将X线直接转换成数字信号线直接转换成数字信号3.1.4 直接数字化直接数字化X线摄影系统（线摄影系统（DR）（3）DR与与CR成像技术的比较成像技术的比较 3.2 X-CT成像原理成像原理X-CT与与X射射线摄影相比影相比较有很大区有很大区别， X射射线摄影影产生的生的是多器官重叠的平片是多器官重叠的平片图像像CT是用是用X射射线对人体人体层面面进行行扫描，取得信息，描，取

19、得信息，经计算机算机处理而理而获得重建得重建图像，像，显示的是断面解剖示的是断面解剖图像，其密度分像，其密度分辨力明辨力明显优于于X线图像，可以像，可以显著的著的扩大人体的大人体的检查范范围，提高病提高病变的的检出率和出率和诊断的准确率断的准确率X射线平片与CT断层对比图 2.1. X-CT成像技术X-CT（X-ray computed tomography, X-CT）是运用扫描）是运用扫描并采集投影的物理技术，以测定并采集投影的物理技术，以测定 X 射线在人体内的衰减射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出求解出人体组

20、织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再将人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再将其转为图像上的灰度分布其转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术，现代医学成像技术，X-CT成像的本成像的本质是衰减系数成像。是衰减系数成像。3.2.1. X-CT成像技术1. X-CT成像装置与流程成像装置与流程X-CT成像装置主要由成像装置主要由X线管管、准直器准直器、检测器器、扫描机构描机构，测量量电路路、电子子计算机算机、监视器器等部分所等部分所组成的。成的。X-CT成像流程是：成像流程是：X线-准直器（准直器（可以大幅度地减少可以大幅度地减

21、少散射散射线的干的干扰,并可决定并可决定扫描描层的厚度的厚度 ）-检测器器-转变电信号信号-放大放大电信号信号-转变为数字信号数字信号-计算算机系机系统-存入存入计算机的存算机的存贮器器-编码-显示示图像像3.2.1. X-CT成像技术2. X-CT成像的数据采集与处理成像的数据采集与处理X-CT成成像像的的数数据据采采集集是是利利用用X线管管和和检测器器等等的的同同步步扫描描来来完完成成的的。检测器器是是一一种种X线光光子子转换为电流流信信号号的的换能能器器。X-CT成像的数据采集根据成像的数据采集根据X-CT成像的物理原理成像的物理原理进行的。行的。 X线管发出直线波束 3.2.2 X-C

22、T 的扫描方式 CT的各种扫描方式中，的各种扫描方式中，单束平移单束平移-旋转方式旋转方式、窄扇形束扫描平移窄扇形束扫描平移-旋转方式旋转方式、旋转旋转-旋转方式旋转方式、静止静止-旋转方式旋转方式的共同点是都需要的共同点是都需要X射线管和检射线管和检测器之间进行同步扫描机械运动。为满足人体测器之间进行同步扫描机械运动。为满足人体动态器官的检查，需要进一步提高扫描的速度，动态器官的检查，需要进一步提高扫描的速度，在静止在静止-旋转扫描模式基础上发展出来的旋转扫描模式基础上发展出来的电子束电子束扫描方式扫描方式，没有机械运动，大大地提高了扫描，没有机械运动，大大地提高了扫描速度速度 。2.2 X

23、-CT 的扫描方式1. 单束平移单束平移-旋转（旋转（T/R）方式）方式单束扫描是由一个单束扫描是由一个X射线管和一个检射线管和一个检测器组成，测器组成，X射线束被准直成笔直单射线束被准直成笔直单射线束形式射线束形式，X射线管和检测器围绕射线管和检测器围绕受检体作同步平移受检体作同步平移-旋转扫描运动。这旋转扫描运动。这种扫描首先进行同步平移直线扫描。种扫描首先进行同步平移直线扫描。当平移扫完一个指定断层后，同步扫当平移扫完一个指定断层后，同步扫描系统转过一个角度（一般为描系统转过一个角度（一般为1）后）后再对同一指定断层进行平移同步扫描，再对同一指定断层进行平移同步扫描，如此进行下去，直到扫

24、描系统旋转到如此进行下去，直到扫描系统旋转到与初始值位置成与初始值位置成 180角为止，这就是角为止，这就是平移旋转扫描方式平移旋转扫描方式 单束平移-旋转方式 2.2 X-CT 的扫描方式1. 单束平移单束平移-旋转（旋转（T/R）方式）方式这种扫描方式的缺点这种扫描方式的缺点:射线利用率极低，扫描速度很慢射线利用率极低，扫描速度很慢，对一个断层扫描约需对一个断层扫描约需 5分钟时分钟时 间，间，只适用于无体动器官的扫描。只适用于无体动器官的扫描。单束平移-旋转方式 2.2 X-CT 的扫描方式2.窄扇形束扫描平移窄扇形束扫描平移-旋转旋转（T/R）方式）方式 窄扇形束扫描称为第二代窄扇形束

25、扫描称为第二代CT扫描。扫描。扫描装置由一个扫描装置由一个X射线管和射线管和630个的个的检测器组构成同步扫描系统。扫描时，检测器组构成同步扫描系统。扫描时，X射线管发出角度为射线管发出角度为320的窄扇形射的窄扇形射线束，线束，630个检测器同时采样，并采个检测器同时采样，并采用平移用平移-旋转扫描方式旋转扫描方式 。窄扇形束扫描平移-旋转方式 2.2 X-CT 的扫描方式2.窄扇形束扫描平移窄扇形束扫描平移-旋转旋转（T/R）方式）方式这种扫描的主要缺点是：这种扫描的主要缺点是：由于检测器排由于检测器排列成直线，对于列成直线，对于X射线管发出的扇形束射线管发出的扇形束来说，来说，扇形束的中

26、心射束和边缘射束的扇形束的中心射束和边缘射束的测量值不相等，需校正测量值不相等，需校正，否则扫描会因，否则扫描会因这种运动而这种运动而出现运动伪影出现运动伪影，影响，影响CT图图像的质量。像的质量。 窄扇形束扫描平移-旋转方式 2.2 X-CT 的扫描方式3. 旋转旋转-旋转（旋转（R/R）方式）方式 这这种种扫扫描描称称为为第第三三代代CT扫扫描描，扫扫描描装装置置由由一一个个X射射线线管管和和由由250700个个检检测测器器（或或用用检检测测器器阵阵列列）排排列列成成一一个个可可在在扫扫描描架架内内滑滑动动的的紧紧密密圆圆弧弧形形。X射射线线管管发发出出张张角角为为3045，能能覆覆盖整个

27、受检体的宽扇形射线束。盖整个受检体的宽扇形射线束。 由于这种宽扇束扫描一次由于这种宽扇束扫描一次即能覆盖整个受检体，故即能覆盖整个受检体，故只需只需X射线管和检测器作射线管和检测器作同步旋转运动。同步旋转运动。旋转-旋转扫描方式 2.2 X-CT 的扫描方式3. 旋转旋转-旋转（旋转（R/R）方式）方式 这这种种扫扫描描的的缺缺点点是是：要要对对每每个个相相邻邻检检测测器器的的接接收收灵灵敏敏度度差差异异进进行行校校正正，否否则则由由于于同同步步旋旋转转扫扫描描运运动动会会产生环形伪像。产生环形伪像。 旋转-旋转扫描方式 2.2 X-CT 的扫描方式4. 静止静止-旋转（旋转（S/R）方式）方

28、式这这种种扫扫描描称称为为第第四四代代CT扫扫描描方方式式，扫扫描描装装置置由由一一个个 X射射线线管管和和 6002000个个检检测测器器所所组组成成。在在静静止止-旋旋转转扫扫描描方方式式中中，每每个个检检测测器器得得到到的的投投影影值值，相相当当于于以以该该检检测测器器为为焦焦点点，由由 X射射线线管旋转扫描一个扇形面而获得。管旋转扫描一个扇形面而获得。静止静止-旋转扫描方式的优点是：旋转扫描方式的优点是：每一个检测器上获得多个方每一个检测器上获得多个方向的投影数据，能很好地克向的投影数据，能很好地克服宽扇形束的旋转服宽扇形束的旋转-旋转扫描旋转扫描方式中由于检测器之间差异方式中由于检测

29、器之间差异所带来的环形伪影，扫描速所带来的环形伪影，扫描速度与静止度与静止-旋转方式相比也有旋转方式相比也有所提高。所提高。检测器检测器X线管轨迹线管轨迹X线管线管静止-旋转扫描方式 3.2.2 X-CT 的扫描方式5.电子束扫描方式电子束扫描方式电子束扫描又称为第五代电子束扫描又称为第五代CT，扫描装置由一个特殊制造的大，扫描装置由一个特殊制造的大型型X射线管和静止排列的检测器环组成。这种机构在射线管和静止排列的检测器环组成。这种机构在50100ms内能完成内能完成 216的局部扫描的局部扫描 。电子束扫描方式 3.2.3 螺旋螺旋CT工作原理工作原理 螺旋螺旋扫描描是指在是指在扫描期描期间

30、， X线管管连续旋旋转并并产生生X线束，束，同同时扫描床在描床在纵轴方向方向连续移移动，这样，扫描区域描区域X线束束进行行的的轨迹相迹相对被被检查者而言呈螺旋运者而言呈螺旋运动，扫描描轨迹迹为螺旋形曲螺旋形曲线，这样可以一次收集到可以一次收集到扫描范描范围内全部容内全部容积的数据，所以的数据，所以也称也称为螺旋容螺旋容积扫描。描。 螺旋螺旋CT扫描装置包括探描装置包括探测器、器、X线管滑管滑环、机架与、机架与检查床、床、控制台与控制台与计算机。其中算机。其中滑滑环技技术是螺旋是螺旋扫描的基描的基础，螺旋，螺旋扫描是通描是通过滑滑环技技术与与扫描床的描床的连续移移动相相结合而合而实现的。的。3.

31、2.3 螺旋螺旋CT工作原理工作原理多多层螺旋螺旋CT扫描特点描特点 ：（1）降低）降低X射射线球管球管损耗。耗。（2）扫描覆盖范描覆盖范围更更长。（3）扫描描时间更短。更短。（4）扫描描层厚更薄。厚更薄。 3.3 MRI成像原理成像原理磁磁磁磁 共共共共 振振振振 成成成成 像像像像 （ magnetic resonance imaging, MRI）是是一一多多种种特特征征参参数数、多多种种靶靶位位核核素素的的成成像像技技术。磁共振成像基本原理磁共振成像基本原理: 利利用用特特定定频率率的的电磁磁波波，向向在在磁磁场中中的的人人体体进行行照照射射，人人体体内内各各种种不不同同组织的的氢核核

32、在在电磁磁波波的的作作用用下下会会发生生核核磁磁共共振振，并并吸吸收收电磁磁波波的的能能量量，随随后后再再发射射出出电磁磁波波，MRI系系统接接收收电磁磁波波经过计算机算机处理和理和图像重建，即可得到人体的断像重建，即可得到人体的断层图像。像。3.1 磁共振现象磁共振现象在在磁磁场场中中旋旋转转的的原原子子核核有有一一个个特特点点，即即可可以以吸吸收收频频率率与与其其旋旋转转频频率率相相同同的的电电磁磁波波，使使原原子子核核的的能能量量增增加加，当当原原子子核核恢恢复复原原状状时时，就就会会把把多多余余的的能能量量以以电电磁磁波波的的形形式式释释放放出出来来。这这种种现现象象称称为为磁磁共共振

33、现象振现象(magnetic resonance，MR)。3.2 磁共振成像的原理磁共振成像的原理MRI成成像像方方法法是是将将检检查查层层面面分分成成体体素素信信息息，用用接接收收器器收收集集信信息息，数数字字化化后后输输入入计计算算机机处处理理，同同时时获获得得每每个个体体素素的的T1（纵纵向向弛弛豫豫时时间间，指指高高能能态态的的核核将将其其能能量量转转移移到到周周围围分分子子而而转转变变成成热热运运动动，从从而而恢恢复复到到低低能能态态的的过过程程所所需需要要的的时时间间）值值与与T2（横横向向弛弛豫豫时时间间，通通过过相相邻邻的的同同种种核核之之间间的的能能量量交交换换来来实实现现，

34、反反映映横横向向磁磁化化衰衰减减、丧丧失失的的过过程程所所需需要要的的时时间间）值值，用用转转换换器器将将每每个个T值值转转为为模模拟拟灰灰度度，而而重重建建图图像像。当当MRI应应用用于于人人体体成成像像时时，由由于于人人体体各各组组织与器官的织与器官的T值不同，从而形成不同的影像。值不同，从而形成不同的影像。3.2 磁共振成像的原理磁共振成像的原理MRI成成像像的的指指导思思想想是是用用磁磁场值来来标定定受受检体体共振核的空共振核的空间位置。位置。 （1）层面的面的选择 将将待待测物物体体置置于于一一均均匀匀磁磁场B0中中，设磁磁场方方向向是是Z轴方方向向，在在均均匀匀磁磁场的的基基础上上

35、，再再叠叠加加一一相相同同方方向向的的线性性梯梯度度场GZ使使磁磁感感应强强度度沿沿Z轴方方向向由小到大均匀改由小到大均匀改变 。层面的选择 3.2 磁共振成像的原理磁共振成像的原理（2）编码）编码 编编码码是是将将研研究究的的物物体体断断层层分分为为若若干干个个体体素素，对对每每个个体体素素标标定定一一个个记记号号，常常用用nz ny nx来来标标定定层层面面每每个个体体素素的的标标号号。经经过过选选片片后后取取出出层层面面的的若若干干个个体体素素，由由于于整整个个层层面面处处于于相相同同的的磁磁场场中中，故故每每个个体体素素中中的的磁磁矩矩在在磁磁场场中中旋旋进进的的频频率率和和相相位位均

36、相同。均相同。目目前前MRI使使用用的的是是频频率率与与相相位位二种编码方法。二种编码方法。 选片后层面的若干个体素 3.2 磁共振成像的原理磁共振成像的原理（3）图像重建）图像重建 经经过过选选片片、相相位位编编码码和和频频率率编编码码，可可以以对对整整个个层层面面的的体体素素进进行行标标定定。由由于于观观测测层层面面中中的的磁磁矩矩是是在在RF脉脉冲冲激激励励下下旋旋进进，因因此此停停止止RF脉脉冲冲照照射射时时，各各体体素素的的磁磁矩矩在在回回到到平平衡衡态态的的过过程程中中，磁磁矩矩的的方方向向发发生生变变化化，在在接接收收线线圈圈中中可可以以感感应应出出这这种种由由于于磁磁矩矩取取向

37、向变变化化所所产产生生的的信信号号。这这种种感感应应信信号号是是各各个个体体素素带带有有相相位位和和频频率率特特征征的的MR信信号号的的总总和和。为为取取得得层层面面各各体体素素MR信信号号的的大大小小，需需要要根根据据信信号号所所携携带带的的相相位位编编码码和和频频率率编编码码的的特特征征，把把各各体体素素的的信信号号分分离离出出来来，这一过程称为解码，由计算机完成。这一过程称为解码，由计算机完成。3.2 磁共振成像的原理磁共振成像的原理2. 人体的磁共振成像人体的磁共振成像氢核核是是人人体体MRI的的首首选核核种种。(人人体体内内水水分分子子中中的的氢氢原原子子可可以以产产生生核核磁磁共共

38、振振现现象象，利利用用这这一一现现象象可可以以获获取取人人体体内内水水分分子子分分布布的的信信息，从而精确绘制人体内部结构息，从而精确绘制人体内部结构 ) 除除了了氢核核密密度度可可以以作作为成成像像特特征征信信息息外外，人人体体不不同同组织的的T1、T2值也可以提供也可以提供诊断依据。断依据。人人体体组织的的MR信信号号强强度度取取决决于于该组织中中的的氢核核密密度度及其及其氢核周核周围的的环境。境。T1、T2反反映映了了氢核核周周围环境境的的信信息息。换句句话说，人人体体不不同同组织之之间、正正常常组织与与该组织中中的的病病变组织之之间氢核核密密度度、T1和和T2三三个个参参数数的的差差异

39、异及及变化化，是是MRI用用于于临床床诊断最主要的物理学依据。断最主要的物理学依据。 3.3磁共振成像系统磁共振成像系统 磁磁共共振振成成像像系系统统主主要要由由磁磁场场系系统统、射射频频系系统统、图图像像重重建建系统系统三大部分组成。三大部分组成。1. 磁场系统磁场系统（1）静磁）静磁场。（2）梯度磁）梯度磁场。（3）场强强与精度。与精度。2. 射频系统射频系统（1）射）射频发生器。生器。（2）射）射频接收器。接收器。3.4 超声波成像原理超声波成像原理产生超声波有两个必要条件产生超声波有两个必要条件：一是要有：一是要有高频声高频声源源，二是要有，二是要有传播超声的介质传播超声的介质。在固体

40、中，超声振。在固体中，超声振动可以以纵波的形式传播，也可以以横波的形式传动可以以纵波的形式传播，也可以以横波的形式传播；但在气体和液体中，因为介质没有切变弹性，播；但在气体和液体中，因为介质没有切变弹性，超声只能以纵波的形式传播。由于这种特性，超声超声只能以纵波的形式传播。由于这种特性，超声波在不同介质中传播时会产生波形的转换。波在不同介质中传播时会产生波形的转换。3.4 超声波成像原理超声波成像原理 医学上医学上应用的超声成像是靠反射或散射回波来运用的超声成像是靠反射或散射回波来运载生物信息的。超声回波运生物信息的。超声回波运载信息主要包括三个方信息主要包括三个方面：面：大界面造成的反射波大

41、界面造成的反射波小粒子所引起的散射波小粒子所引起的散射波生物生物组织对声能吸收所声能吸收所导致的回波幅致的回波幅值衰减衰减 3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.1 超声波的特性超声波的特性超声波的超声波的传播特性播特性（1）方向性好。）方向性好。（2）强强度高。度高。（3）对液体和固体的穿透力液体和固体的穿透力强强。（4）反射与折射。）反射与折射。（5）衍射与散射。）衍射与散射。（6）声波衰减。）声波衰减。（7）超声多普勒效）超声多普勒效应。衍射与散射示意图 反射与折射示意图 3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.1 超声波的特性超声波的特性2超声波与物超声波与物质作用的特性作用的特性（

42、1）热作用机制作用机制被被组织吸吸收收的的超超声声波波对分分子子产生生作作用用会会导致致两两种种基基本本的的结果果：分分子子振振动和和转动能能量量可可逆逆转性性增增加加，使介使介质温度上升。温度上升。分子分子结构永久性地被改构永久性地被改变 。（2）机械作用）机械作用（3）超声空化作用）超声空化作用（4）化学效）化学效应3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.2 超声波的产生超声波的产生 常常用用的的超超声声波波检检查查使使用用脉脉冲冲振振荡荡发发射射器器与与超超声回波接收器一体装置。声回波接收器一体装置。 1. 压电效应压电效应 医用超声波仪器主要采用压电式超声波发生器。医用超声波仪器主要采

43、用压电式超声波发生器。 2. 超声波对人体的作用超声波对人体的作用 （1）无反射型。）无反射型。 （2）少反射型。）少反射型。 （3）多反射型。）多反射型。 （4）全反射型。）全反射型。3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像技术超声波成像技术 超超声声波波探探测测技技术术可可以以分分为为两两大大类类，即即基基于于回回波波扫扫描描的超声探测技术和基于的超声探测技术和基于多普勒效应多普勒效应的超声探测技术。的超声探测技术。 基基于于回回波波扫扫描描的的超超声声探探测测技技术术主主要要用用于于解解剖剖学学范范畴的检测、了解器官的畴的检测、了解器官的组织形态学组织形态学方面的状况和变化

44、。方面的状况和变化。 基基于于多多普普勒勒效效应应的的超超声声探探测测技技术术主主要要用用于于了了解解组组织织器器官官的的功功能能状状况况和和血血流流动动力力学学方方面面的的生生理理病病理理状状况况，如如观观测测血血流流状状态态、心心脏脏的的运运动动状状况况和和血血管管是是否否栓栓塞塞检检查查等等方方面。面。3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像技术超声波成像技术1. 脉冲回波检测技术脉冲回波检测技术基基于于回回波波扫扫描描的的超超声声探探测测技技术术是是利利用用超超声声波波在在传传播播路路线线上上遇遇到到介介质质的的不不均均匀匀界界面面能能发发生生不不同同频频率率与与密密度度

45、的的回回声声波波反反射射的的物物理理特特性性来来检检测测回回波波信信号号，并并对对其其进进行行接接收收放放大大和和信信号号处处理理，最后在显示器上显示超声检查图像。最后在显示器上显示超声检查图像。 目目前前，医医生生们应用用的的超超声声诊断断方方法法有有不不同同的的形形式式，可可分分为A型、型、B型、型、M型及型及D型型四四大大类。 3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像技术超声波成像技术1. 脉冲回波检测技术脉冲回波检测技术（1）A 型超声型超声A型显示是最基本的超声显示方式型显示是最基本的超声显示方式A型超声是以波形来显示组织特征的方法，主要用型超声是以波形来显示组织特征的

46、方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性变组织的一些物理特性A超主要用于颅脑的占位性病变超主要用于颅脑的占位性病变的诊断的诊断3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像技术超声波成像技术1. 脉冲回波检测技术脉冲回波检测技术（2）M型超声型超声M型超声诊断仪（简称型超声诊断仪（简称M超）又叫超声心动仪之称。超）又叫超声心动仪之称。M型超声是用于型超声是用于观察心脏等活动界面时间变化的一观察心脏等活动界面时间变化的一种方法种方法。3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像技术超声波成像技术1.

47、 脉冲回波检测技术脉冲回波检测技术（3）B型超声型超声 B型超声诊断仪（简称型超声诊断仪（简称B超）是目前超声图像诊断超）是目前超声图像诊断应用最广泛的机型。应用最广泛的机型。B型超声是型超声是用平面图形的形式来显示被探查组织的用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况具体情况。3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像技术超声波成像技术2. 多普勒效应的超声探测技术多普勒效应的超声探测技术多多普普勒勒效效应的的超超声声探探测技技术是是利利用用运运动物物体体散散射射或或反反射射声声波波时造造成成的的频率率偏偏移移现象象来来获得得人人体体内内部部器器官官如如心心脏、血血液等液等动态检

48、查信息信息。（1）D型超声型超声 D型超声全名为超声多普勒血流测量技术。型超声全名为超声多普勒血流测量技术。 （2）彩色多普勒血流）彩色多普勒血流显像像仪 提取的信号转变为红色、蓝色、绿色的色彩显示。提取的信号转变为红色、蓝色、绿色的色彩显示。 彩彩色色多多普普勒勒血血流流显像像仪（彩彩超超）能能用用彩彩色色反反映映出出血血流流的的运运动状状态：红色色表表示示朝朝向向探探头的的血血流流，蓝色色表表示示离离开开探探头的的血血流流，而而湍湍流流的的程程度度用用绿色色成成份份的的多多少少表表示示，色色彩彩的的亮亮度表示速率大小。度表示速率大小。 3.4 超声波成像原理超声波成像原理4.3 超声波成像

49、技术超声波成像技术3. 超声波成像特点超声波成像特点（1）有高的）有高的软组织分辨力。分辨力。（2）具有高度的安全性。）具有高度的安全性。（3）实时成像。成像。4超声的应用超声的应用（1） 超声超声检验（2） 超声超声处理理（3） 基基础研究研究3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理放射性核素显像（放射性核素显像（RNI）是核医学诊断中的重）是核医学诊断中的重要技术手段。目前要技术手段。目前RNI的主要技术有的主要技术有照相照相、单光、单光子发射型计算机断层（子发射型计算机断层（SPECT）及正电子发射型计）及正电子发射型计算机断层（算机断层（PET），后两者又统称为发射型计算机

50、），后两者又统称为发射型计算机断层（断层（ECT）。）。3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理5.1 核医学技术基础核医学技术基础 核核医医学学技技术基基础包包括括射射线探探测技技术、放放射射性性示示踪技踪技术、放射性制、放射性制剂等。等。 1射射线探探测原理原理 放放射射性性测量量的的原原理理是是建建立立在在射射线与与物物质的的相相互互作作用的基用的基础之上的。之上的。 射射线探探测的原理的原理主要有以下三种：主要有以下三种：（1）电离作用离作用（2）荧光光现象象（3）感光作用）感光作用3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理5.1 核医学技术基础核医学技术基础2放

51、射性示踪技放射性示踪技术 示示踪踪技技术是是能能指指示示物物质踪踪迹迹的的技技术，将将能能指指示示被被测物体踪迹的物物体踪迹的物质称称为示踪示踪剂。 示示踪踪剂事事先先标记或或部部分分顶替替被被研研究究物物质。将将示示踪踪剂引引入入生生物物体体后后，它它们随随着着被被研研究究物物质一一起起参参与与机机体体内的循内的循环、集聚和代、集聚和代谢。 在在RNI中中是是以以放放射射性性核核素素作作为示示踪踪物物质，故故有有放放射射性性核核素素示示踪踪技技术的的称称谓。放放射射性性核核素素在在其其衰衰变过程程中中会会发出出在在体体外外可可以以检测到到的的射射线，通通过对射射线的的检测可以做到可以做到对超

52、微量定量及精确的定位。超微量定量及精确的定位。3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理5.1 核医学技术基础核医学技术基础3放射性制放射性制剂 临床床工工作作RNI检查引引入入人人体体的的是是放放射射性性制制剂，所所谓放放射射性性制制剂是是指指制制剂分分子子中中含含有有放放射射性性核核素素的的放放射性制射性制剂或放射性或放射性药物的物的总称。称。 放射性制放射性制剂在其制在其制备过程中的要求程中的要求为：（1）高）高产率。率。（2）微量、低）微量、低浓度。度。（3）简便、快速。便、快速。（4）安全。）安全。3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理3.5.1 核医学技术基

53、础核医学技术基础几种常用核医学探几种常用核医学探测仪器器（1）井型）井型计数器。数器。（2）液体）液体闪烁计数器。数器。（3）微机多功能）微机多功能测定定仪。（4）甲状腺功能）甲状腺功能测定定仪。3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理3.5.2SPECT成像系统成像系统1SPECT显像原理显像原理SPECT单单光光子子发发射射型型计计算算机机断断层层成成像像是是通通过过示示踪踪技技术术，将将具具有有选选择择性性聚聚集集在在特特定定脏脏器器或或病病变变部部位位的的放放射射性性核核素素或或其其标标记记化化合合物物引引入入体体内内（吸吸入入、静静注注或或口口服服），根根据据示示踪踪剂剂

54、在在体体内内器器官官发发射射到到体体表表的的光光子子（射射线线）密密度度，由由计计算算机机检检测并通过重建处理生成断层影像。测并通过重建处理生成断层影像。SPECT基本原理示意图 3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理3.5.2SPECT成像系统成像系统2SPECT的基本结构的基本结构 SPECT主主要要由由探探头头、电电子子线线路路、计计算算机机影影像像处处理理系系统统和和显示记录装置显示记录装置四部分组成。四部分组成。（1）探头）探头 探探头头是是在在体体表表检检测测放放射射性性射射线线的的分分布布状状态态的的传传感感器器，由由准准直直器器、晶晶体体、光光导导、光光电电倍倍增

55、增管管、前前置置放放大大器器和和计计算电路等部件组成。算电路等部件组成。（2）电子线路）电子线路 电电子子线线路路指指含含光光电电倍倍增增管管的的高高压压电电源源、线线性性放放大大器器和和脉冲高倍分析器等电子控制装置。脉冲高倍分析器等电子控制装置。SPECT仪仪 3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理5.3PET成像系统成像系统1PET的基本原理的基本原理 PET为正正电子子发射射型型计算算机机断断层成成像像。以以正正电子子核核素素在湮没在湮没时发射出的双光子射出的双光子为探探测对象。象。2. 正电子放射性药物正电子放射性药物 目目前前临床床上上较常常用用的的正正电子子放放射射性

56、性药物物主主要要包包括括代代谢类、受体、受体类、灌注、灌注类与乏氧与乏氧类，共，共4类。如上所示为一位年轻女性的骨扫描图像，其中右侧眼眶下方有一处病变。 3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理5.3PET成像系统成像系统3PET的基本结构的基本结构 PET的的结构构主主要要由由探探测器器、电子子装装置置和和计算算机机影影像像处理系理系统组成成 PET结构示意图 3.5 核医学设备成像基本原理核医学设备成像基本原理5.3PET成像系统成像系统4PET的技术优势：的技术优势：（1）PET 所所用用的的放放射射性性示示踪踪剂中中的的核核素素是是构构成成人人体体生生物物分子的主要元素。分子的主要元素。（2）由于采用了）由于采用了贫中子核素，其半衰期极短。中子核素，其半衰期极短。（3）PET采用了具有自准直的符合采用了具有自准直的符合电路路计数方法数方法（4）由于正）由于正电子子发生生电子子对湮湮灭的距离的距离为 1.0 mm 左右。左右。（5）因）因为衰减校正更衰减校正更为精确，精确，PET便于做定量分析。便于做定量分析。（6）PET多多环检测技技术可可以以获得得大大量量容容积成成像像数数据据，从从而可以而可以进行三行三维图像重建。像重建。