医学成像技术

课程介绍•医学影像由于含有及其丰富的人体信息，能以非常直观的形式向人们展示人体内部组织结构、形态或脏器的功能等，因此，医学成像已成为医学研究及临床诊断中最活跃的领域之一。•医学成像技术作为医学图像研究领域中的一个研究方向，是物理学、电子技术、计算机技术、工程数学及材料科学与精细加工等多种高新技术相互渗透的产物。••作为生物医学工程专业的一门重要专业方向课程，医学成像技术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。学习目的掌握X射线成像、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。参考书：医学影像物理学（第2版）张泽宝人民卫生出版社2005年医学成像系统高上凯清华大学出版社2000年医学影像成像原理李月卿人民卫生出版社2001年医学影像设备学（第2版）徐跃人民卫生出版社2005年医学仪器（下册）齐颁扬高等教育出版社1991年课时安排总学时：38学时第一章医学成像技术概论2学时第二章X线成像技术14学时第三章医学磁共振成像8学时第四章核医学成像6学时第五章超声医学成像6学时成绩评定•平时占30%，期末考试占70%。第一章医学成像原理概论•问题：什么是医学成像?医学成像是借助于某种介质（如X线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以图像的方式表达出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学图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。•问题：医学成像的目的是什么？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。医学影像学的组成医学影像学的主要内容专业现状及发展前景•伦琴（wilhelmkonradRoentgen)1895年发现X线以后不久，X线就被用于对人体进行检测，从而形成了放射诊断学（diagnosticradiology)的新学科，并奠定了医学影像学（medicalimaging)的基础。•上世纪50－60年代开始应用超声与核素扫描进行人体检查，出现了超声成像（USG）和γ闪烁成像（γ－scientigraphy)。•70年代和80年代相继出现了X线计算机体层成像（X-CT)、磁共振成像（MRI)和发射体层成像（ECT),包括单光子发射体层成像（SPECT)与正电子发射体层成像（PET)等新的成像技术。•70年代迅速兴起了介入放射学（interventionalradiology)，介入超声和超声组织定位，MRI和CT的立体组织定位等，以及PET在分子水平上利用影像技术研究人体心、脑代谢和受体功能，大大扩展了本专业的应用领域。•近年来，我国医学影像学发展非常迅速，医学影像设备不断更新，检查技术不断完善，介入治疗的效果已提高到一个新的水平，并有力地促进了临床医学的发展。•现在，除了X线诊断设备外，USG、CT等已在较多医疗单位应用，PET、X-刀、全身γ刀等也在较高的医疗中心使用。作为学术团体的中华医学会放射、超声、磁共振等有力地推动了国内和国际地学术交流，世界性的北美放射学会也代表了世界医学影像学最高水平。•我国医学影像学高等教育已开展十余年，是目前发展较快的一门学科。“全国高等医学影像教育研究会”于1999年8月23日在天津正式成立，这可以说是我国医学影像学高等教育发展史中的里程碑。我国医学成像设备的发展•1951年上海精密医疗器械厂试制第一台X线机•1983年第一台颅脑CT试制成功•1988年第二代颅脑CT问世•1990年第三代全身CT装置研究成功•近期永磁型和超导型MRI,X-刀,全身刀等设备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(biomedicalmicroimaging,BMMI)•二、以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现代医学影像学(modernmedicalimaging,MMI)•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γ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。•诊断用X线机分类(1)透视用X线机(2)普通摄影用X线机(3)消化道造影用X线机(4)胸部摄影用X线机(5)心血管造影用X线机(6)其他数字血管减影系统---计算机与常规X线血管造影的结合•减影技术的基本内容:把人体同一部位的两帧影像相减,从而得出其差值部分，减影像中骨骼和软组织等背景影像被消除，只留下含有造影剂的血管影像。二、磁共振成像•概述：不但能从形态上，而且能从器质上和新陈代谢的情况上诊断各种疾病，因此在临床上的应用范围在不断扩大。三、核医学成像•概述：核医学成像是一种以脏器内外或脏器内正常组织与病变之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变的显像方法。经典的核医学成像系统•同位素闪烁扫描机•照相机•发射型计算机断层成像（ECT）•单光子发射型计算机体层（SPECT)•正电子发射型计算机体层（PET）四、超声成像超声成像的发展•1928年研究超声的生物效应；•1950年应用A型超声显示仪对人体进行检查；•60年代应用超声波进行理疗，眼科及牙科手术；•70年代实时B型超声显像仪应用于临床；•80年代图像质量大为提高，各种特殊探头出现彩色多普勒超声诊断仪出现。超声诊断仪的基本结构•超声诊断仪的基本结构包括：探头、显示器、基本电路超声诊断仪的类型•A型超声诊断仪（幅度显示）•M型超声诊断仪（运动显示）•B型超声诊断仪（切面显示）•彩色多普勒超声诊断仪第二节医学成像技术的比较•应从各个不同角度全面分析成像系统的优缺点，并指明其临床适用范围。一、电磁波透射成像的分析–用透射方法成像时，需考虑的主要因素：分辨力、衰减。•从分辨力的角度考虑：用于成像的辐射波的波长至少应小于1.0cm•从衰减的角度考虑：若衰减过大，则很难检测到透过人体的射线；若衰减过小，则不能得到对比清晰的图像。•二、超声成像与X线成像的比较•超声波与X线在人体组织中的传播过程不同，因此这两种成像方式有明显不同的特点：•1、X线波长短（1×10－12～5×10－11m），在人体内沿直线传播，不受组织差异的影响，图像分辨率高；诊断用超声波波长为0.5mm左右，在人体中传播时将发生衍射，造成图像分辨力降低，这是超声成像制约因素。•2、空气对超声波呈现明显的衰减特性；而空气对X线的衰减作用可忽略不计•3、超声成像可直接获取三维空间中某一特定点的信息，即可方便地获取人体断面图像；而X线难以有选择地对所指定的平面成像。•4、对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。•5、具有各自最适宜的临床应用范围。脉冲回波式超声适用于腹内软组织结构或心脏的显像，不宜对胸腔肺部进行检查；X线探查胸腔很成功，但对腹部检查只能显示极少的器官（若采用X线造影法，也可有选择地对特定器官显像。）三、形态学成像与功能成像•形态学成像：X线成像显示的是人体结构的解剖学形态，对疾病的诊断主要是根据形态上的密度变化，较难在病理研究中发挥作用。•功能成像：放射性同位素能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题。•四、对人体的安全性•评价X线与放射性同位素成像给人体造成电离辐射损伤时注意其差别：•X线摄影时，辐射强度相对较大，但照射时间短；•放射性同位素材料浓度虽低，但对人体的照射持续较长时间，直至其排出体外或衰变结束。•因此，进行X线检查时应尽可能减少对人体的照射剂量；选择放射性材料时，应考虑其具有较短的半衰期。•超声成像无损、无创，特别是对敏感区域，如胎儿与眼部的检查，比X线安全得多。但对发育初期的胚胎，也应慎用。第三节医学成像技术展望•现代医学影像学未来发展趋向：在保证人身安全的前提下，努力改进信息传递方式，提高信息传递效率并开创新的信息表达方式，提高图像显示质量；其最终的医疗意义是更精确地发现人体组织初期病理变化，为早期诊断、治疗提供依据。一、开发超高分辨力的显示系统二、提高成像设备的性能，增加新的功能•磁共振方面：磁共振波谱成像（MRS）•超声方面：彩色血流成像（CFM）、腔内超声成像、数字处理三维图像显示、超声CT等。•CT方面：继续提高空间分辨力和扫描速度；重点研究疾病在新陈代谢方面的变化；降低成本。•三、医学图像数字化•综合数字图像诊断装置（TDIS）将得到发展•四、医学图像存储与通讯系统（picturearchivingandcommunicationsystems,PACS)PACS是基于现代计算机和通讯技术，替代传统的胶片格式图像，以数字格式处理图像，从而以高效率、高性能价格比来检查、存储、查询、提取医学图像。其特点是利用计算机通讯网络在图像获取设备、图像存储设备、医学图像工作站等PACS设备之间实现数据传送。PACS类型及其特征•1.全规模PACS(full-servicePACS)涵盖全放射科和医学影像学科范围，包括所有医学成像设备，有独立的影像存储及管理亚系统，足够量的软拷贝显示和硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览，会诊系统和远程放射学服务。2.数字化PACS(digitalPACS)•包括常规X-线影像以外的所有数字影像设备如（CT、MRI、DSA等），具备独立的影像存储及管理亚系统和必要的软硬拷贝输出设备。3.小型PACS(mini-PACS)•局限于单一医学影像部门或影像亚专业范围内，在医学影像学科内部分地实现影像的数字化传输、存储和软拷贝显示功能。应用PACS系统可望取得以下明显效果：※实现过去与现在的图像对比，提高诊断精度；※经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病灶；※除查询病历和其他资料外，还可以作化验、心电图记录，比人工取片、查寻等更省时省力。※从临床使用的角度来看，其操作的实时性和获得图像信息的可靠性，尤其可贵。•医学成像系统的发展趋势医学成像系统将向着从模拟图像到数字图像、从平面图像到立体图像、从局部图像到整体图像、从宏观图像到微观图像、从静态图像到动态图像、从形态图像到功能图像、从单一图像到综合图像等方向发展。即是要获得多时相（动态）图像、多维图像、多参数图像、多模式图像，以供临床多种诊断指标（包括病灶检测、定性、脏器功能评估、血流估计等）、治疗（包括三维定位、体积计算、外科手术规划等）的多种参考以及多地域显示观察。医学超声成像技术UltrasoundImagingTechnology成像原理与系统之夏志勋深圳大学生物医学工程重点实验室医学超声成像技术目录夏志勋深圳大学生物医学工程重点实验室第一节概述第二节超声波的基本性质第三节超声成像原理与系统第四节超声多普勒成像原理与系统第五节新技术目录医学超声成像技术概述夏志勋深圳大学生物医学工程重点实验室研究和应用超声的物理特性，以某种方式扫查人体、诊断疾病的科学称为超声诊断学。是超声医学的一部分。第一节概述超声UltrasonictherapyactionreactionUltrasonicdiagnosisULTRASOUND超声诊断医学超声成像技术概述夏志勋深圳大学生物医学工程重点实验室超声成像超声成像是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。超声成像由于设备不似CT或MRI设备那样昂贵，可获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因此在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。不足之处在于