60医学成像系统

生物医学工程2020/3/141生物医学工程2020/3/142超声成像核医学成像磁共振成像单光子发射型计算机断层成像（SPECT）正电子发射断层成像（PET）计算机断层扫描成像（CT）生物医学工程2020/3/143生物医学工程2020/3/144历史•1928年开始研究超声的生物效应；•1950年应用A超对人体体内的肿块的检查；•1960年超声波理疗以及眼科，牙科手术；•70年代B超应用于临床，可实时获得人体脏器的解剖结构图像；特点：无（低）损伤，非侵入性，操作方便•80年代超声成像设备有了新的发展，图像分辨率达到了0.5mm，图像的灰阶等级满足了诊断要求；研制了各种特殊探头，可将探头伸入体腔内进行超声成像，显示出比较小的器官；彩色多普勒超声诊断仪的出现，提供心脏内的血流流动情况和血流量。生物医学工程2020/3/145超声成像的物理基础超声在均匀介质中传播时，不会发生发射；当介质的声阻抗发生变化时，超声会在其界面发生反射；声阻抗变化愈大，发射愈强；超声在人体组织内的传播速度为1540m/s；由于传播速度低，同一换能器既发射超声又接收回波；现代电子技术可区分来自不同深度的反射回波，使实现回波反射式超声成像仪成为可能；目前使用的各种超声成像仪都是回波反射型的，显示的是人体组织的各界面对超声波的反射特征；超声在人体组织中传播时产生衰减，与超声频率成正比；超声在人体组织中传播是一种复杂的过程，除了发射，还有透射，以及衍射，散射，折射；生物医学工程2020/3/146超声成像系统A型，M型，B型等超声诊断仪：利用脉冲回波法，应用超声在体内组织中幅度（能量衰减）变化的机理；多普勒超声诊断仪：应用超声的频移效应；利用超声在传播过程中相位变化的信息，目前正在研究中；生物医学工程2020/3/147A型超声诊断仪原理：用压电晶片作换能器，用重复频率1000～2000Hz的电脉冲激励发射单声束进入人体体内组织界面产生反射反射回波由同一发射换能器接收转换成电信号放大，检波CRT显示（横坐标：超声传播时间，纵坐标：回波的幅度）特性：从回波的分布：包络宽度及幅度大小，可以测度病灶的位置，大小等。缺点：这种显示缺少解剖信息，诊断困难；生物医学工程2020/3/148M型超声(超声心动图仪)显示时把A型仪器的时间基线加到示波管的垂直偏转板上，即用Y轴表示脏器的深度；把回波信号加到示波管亮度调制板上，于是Y方向上每一条亮暗不同的线相当于一个A型显示；在水平偏转板上加一个慢时间扫描电压，示波管上就能显示出各界面随时间的活动曲线；用途：主要用于心脏的诊断，可看到两个心动周期中各反射界面的运动情况，如二尖瓣开放与关闭的情况。生物医学工程2020/3/149B型超声诊断仪概念：使探头发射超声波时，按一定模式在一个水平上扫描，以亮度等级显示回波幅度，令探头扫描与X轴扫描电压同步，就可获得人体组织的二维断层图像。按扫描方式的不同，可分为：机械扇形扫描相控阵扇形扫描线阵扫描工作原理：时序电路产生触发脉冲使发射电路产生宽度为τ的一窄脉冲激励换能晶片，产生超声波（f由晶片决定）不同深度的反射回路按先后次序进入放大器检波后成了视频信号显示生物医学工程2020/3/1410B型的主要功能大都采用了数字扫描变换技术，采用大规模数字存储器，将图像实时地，数字化地存入存储器中，并可同时从存储器读出图像再到显示器显示；由于回波信号数字化，仪器可具有记忆功能，可存储多幅图像；对图像进行各种处理（例如伪彩色显示），以利于诊断；也可使图像静止，即图像冻结；提供各种字符显示和测量功能；生物医学工程2020/3/1411彩色多普勒超声诊断仪多普勒效应：当超声从运动物体反射时，其反射回波与发射频率不同，频率之差与运动速度有关，即相对运动引起频移。用途：•测量血管内的血流速度和血流量；由于血流中红血球等粒子速度的随机性，多普勒频移构成一个频谱，利用傅立叶变换，可分析多普勒频谱成分，不但可计算出血流速度，还可区分血流方向。彩色多普勒用不同的颜色表示血流方向。用颜色的深度表示血流速度，用色调的变化表示血流扰动情况；生物医学工程2020/3/1412线性扫描断层图像原理图生物医学工程2020/3/1413线性电子扫描的扫描原理生物医学工程2020/3/1414GE黑白超LOGIQ200PRO数字波束形成器所有穿透深度上保持同质分辨率，使诊断信心达到更高层次。参见这幅图像。生物医学工程2020/3/1415GE彩超Voluson730•Voluson730建立在数字技术平台之上，利用先进的信号处理技术，保证能够获得高分辨率的二维图像，并获得立体的三维图像和实时动态的四维图像。•由于应用了二次谐波成像技术、频谱和彩色多普勒技术，以及我们的最新成果——复合影像解析技术，影像质量得以进一步提高。•特点在于它的波束形成器，能够处理的数据量是传统超声影像系统信息量的4倍多，从而大大提高了系统的动态范围，提供更多细节性的、高质量的影像。•增加的动态范围增加了系统的数据处理能力，同时显著地提高了所有模式的超声工作性能。生物医学工程2020/3/1416CT机的历史:1969GodfreyHounsfield,EMILimitedDevelopedfirstPrototypeCTHeadScanner1971Atkinson-MorleyHospital,LondonFirstEMIScannerInstalled1972FirstPaperonCTpresentedbyHounsfieldattheBritishInstituteofRadiology1972RadiologicalSocietyofNorthAmerica(RSNA)FirstCommercializationofProduct1973MayoClinic(U.S.A)FirstBrainScannerInstalled1974Ledley(U.S.A.)IntroducedWhole-BodyCTScanner(ACTA)生物医学工程2020/3/1417CT机房示意图:CT机:X-CT与普通X摄影的区别：位于体内某一深度平面的病灶突出地显示出来，而使其他深度平面地组织影像模糊不清。生物医学工程2020/3/1418第一代平移/螺旋式第三代旋转/旋转式第二代平移/螺旋式，探测器增加第四代固定/旋转式生物医学工程2020/3/1419第五代（电子束CT，EBCT，超高速CT）1.电子枪2.真空泵3.电子束4.聚集线圈5.偏转线圈6.病人床7.靶环8.数据采集系统9.探测器环10..X线束生物医学工程2020/3/1420常用的辐射单位(1)照射量及单位照射量：衡量X或γ射线对空气的电离本领的一个量1=2.58×10-4C/Kg(2)吸收剂量1Gy＝1J/Kg=100rad(3)剂量当量＝吸收剂量×品质因素H=D×Q单位(Sr)=Gy×Q1Sr＝100rem常见幅值的Q值：X射线、γ射线和电子Q＝1热中子2.3快中子和质子10α粒子和多电荷粒子20电离辐射的基本知识电离辐射：能直接或间接使空气电离的辐射电离：原子的轨道电子逸离原子的过程生物医学工程2020/3/1421辐射的生物效应:躯体效应遗传效应随机性效应非随机性效应电离辐射的基本知识生物医学工程2020/3/1422X射线的物理基础--产生1985年德国物理学家伦琴发现X射线的产生需要两个条件：–高速运动的粒子流–适当的阻止粒子流运动的障碍物生物医学工程2020/3/14231物理特性穿透作用荧光作用电离作用2化学特性感光作用脱水作用3X射线通过物质时，会产生各种效应光电效应康普顿效应电子对的产生4生物作用X射线的物理基础—特性生物医学工程2020/3/1424量：X射线束内的光子数目（和管电流有关）质：X射线的光子的能量（和管电压有关）临床上常用“硬度”来描述X射线的穿透能力，硬度大--穿透强X射线的物理基础—量与质生物医学工程2020/3/1425X线投影设备分类与组成（1）X线诊断设备：不打开人体，观察人体内部情况，了解内部结构及器官功能（2）分类：•诊断X线机•治疗X线机（3）组成：控制台摄影台X线管高压发生器（4）X线诊断设备的任务发射X射线，对物体作中心投影，并由接受X射线的各图像转换系统转换成可视图像。生物医学工程2020/3/1426诊断X线机的发展趋势1.越来越高的专科X线机2.X线管a.阳极转速提高b.阳极靶盘材质的进步3.高压发生器a.三相十二段整流电路b．变频技术4.参量控制器5.数字影像存储器当前X线机存在的主要问题1.效率太低2.胶片敏感度不足3.参量控制台自动化程度不高4.80Kw以上的设备性能不够先进生物医学工程2020/3/1427生物医学工程2020/3/1428X-CT的基本工作原理X射线穿透人体—人体吸收射线—衰减—人体对侧的探测器接受—放大,产生模拟信号—A/D转换—计算机运算及图象重建—D/A转换—显示器显示,或用激光相机拍摄成胶片—最终得到人体的横断面解剖图象生物医学工程2020/3/1429非滑环技术生物医学工程2020/3/1430•代替传统的球管往复运动扫描方式（为防止电缆纤缠）•球管在扫描过程中可始终向一个方向旋转，从而提高扫描速度滑环技术生物医学工程2020/3/1431高压滑环：由CT机架内成对的电刷和圆环－滑环构成低压滑环：接受由机架外传输来的低电压，由滑环输送给放在机架内的高压发生器；生物医学工程2020/3/1432螺旋扫描方式借助滑环技术，球管围绕机架连续旋转曝光，同时检查床同步移动，连续采集人体的容积数据，进行各个扫描层面的图像重建，扫描轨迹呈螺旋线螺旋扫描的特点：1扫描速度快1S旋转360o，扫描一个层面2由于采集的是容积数据，没有层面的遗漏或重叠，有利于三维重建生物医学工程2020/3/1433探测器:钨酸镉晶探测器(CdWO4)---70年代高压氙气探测器(Xenon)---80年代闪烁晶体探测器(GOS)---80年代稀土陶瓷探测器(HiLight)---80年代末生物医学工程2020/3/1434探测器----高压氙气优点:•高稳定性－无需经常校准•耐受性－温度及湿度•首先应用于CT•价格便宜缺点:•低吸收效率•需要高mAs生物医学工程2020/3/1435探测器----钨酸镉:优点:•造价低•吸收效率高缺点:•吸潮-水中毒•受环境温湿度影响-不稳定•余辉效应•不易超小分割生物医学工程2020/3/1436探测器----闪烁晶体探测器GOS:优点:•高吸收率(99%)•发光效率(82%)•光电转换率(93%)缺点:•透光性差•Z轴均匀性差•能量转换时损失大•水中毒生物医学工程2020/3/1437现代CT的一些技术特点采用滑环技术高压滑环低压滑环螺旋扫描技术速度扫描速度快采集容积数据,有利三维重建生物医学工程2020/3/1438新型X线发生器和探测器•CT图像质量和X线剂量有关•剂量与扫描时间有关螺旋扫描由于扫描时间短，要求：•1大毫安量，大热容量的X球管（400mA,6.5MHn）•2X球管的高散热率（1000KHn）•3大功率的X线发生器（50Kw）生物医学工程2020/3/1439新型微机及存储介质以多台微机代替小型计算机64位机代替32位机图像的存储介质用光盘替代磁带，存储量提高，体积变小一些高档机配备了工作站，内存大，速度快，友好的界面，可构成医院的PACS系统的组成部分新软件功能的开发：动态扫描，冠装面，矢状面重组，多平面重组，三维重组已很普遍运动伪影校正，金属伪影校正，牙科软件包——提高图像质量，扩大使用范围生物医学工程2020/3/1440传统单层的CT多层CTX射线束窄的扇形X射线束，宽度可调，在扫描层厚为10mm时，宽度为10mm左右扇形线束的宽度较宽，最宽可达30mm以上，也可进行调整探测器在Z轴方向（即病床的长轴），为单排的探测器阵列在Z轴方向，