医学影像设备

第1节医学影像设备概述伴随着其他自然学科的全面发展，人类医学在近一百年来也获得了巨大的发展与进步。现代医学最重要的两个环节是诊断与治疗。诊断是治疗的前提，治疗以诊断的结果为根本依据,诊断结果的准确程度左右着治疗的成功与否。没有一个确切的诊断，治疗便仿若“无的之矢”而无从下手，所以诊断水平和治疗一样，是一个医疗机构水准的重要标志。于是人们在提高医疗技术的同时，更加注重于诊断技术条件和水平的发展与提高，从最原始的“望、闻、问、切”,听诊器加体温表，演化出当今形形色色的诊断检查设备。这是人类医学在发展中对诊断技术不断增高的要求所带来的结果，也是其他自然科学领域（光学、机械、声学、核物理、电磁学、微电子、计算机与网络技术、能源与材料科学等）的技术迅猛发展，推动医学诊断学前进所结出的累累硕果。医学诊断检查设备的种类尽管比较繁多，大致上也可将之划分为三大类别：①生物物理信号检测仪器（心电、脑电、肌电、血压、血流、呼吸、脉搏和听力等信号的检测与监视）；②生物化学成分分析检验仪器（血、尿等体液及细胞中包含的各种成分，微生物的分析与检验）；③影像观察用诊断仪器（采用X线、超声、核素、红外线、电子束、微波、可见光等所成影像）。后一类诸多仪器被我们统称为医学影像设备。医学影像设备是指利用各种不同媒介作为信息载体，将人体内部的结构重现为影像的各种仪器，其影像信息与人体实际结构有着空间和时间分布上的对应关系。需要指出的是，现代医学影像设备的发展已使“影像信息”不再是初期阶段时单纯意义上的“影像”涵义，它可以携带有人体机能、生化成分等生物学信息，形态学分析只是其基本内容，新概念的“影像”已成了综合信息的代名词。第2节医学影像设备与诊断学的发展1895年11月8日，在医学影像学的历史上是一个不平凡的日子，德国物理学家伦琴(W·K·Roentgrn)偶然在实验中发现了一种从阴极射线管中发出的射线,它能够穿过不透明的物体，却又不能被透镜折射，它自身不能被看到，却能导致荧光物质发光并让感光胶片曝光，为此伦琴给这种未被知晓的“光线”命名为X线，尔后人们也常将X线称为“伦琴射线”。随后，伦琴利用X线拍摄了人体内部的骨骼照片(第1张照片是其夫人的手掌影像)，这一成功堪称医学影像史上的最早记录，以至于我们现在都把1895年纪念为医学影像史的开篇元年。伦琴因此在1901年荣获了首次颁发的诺贝尔物理学奖。最为欢欣鼓舞并且因此受益匪浅的当属医学界，利用X线对人体内部结构进行成像诊断的技术由此在全世界迅速普及开来，西方各国纷纷研制出了X线机的初级产品。受限于当时社会经济和科学技术的水平，X线机只局限于透视检查和摄影，机器的功能和性能并没有新的提高，而X线对于人体的辐射损伤也是在以后逐渐被认识到的。1932年也是在德国，由柏林工科大学的鲁斯卡（E.Roska）和克诺尔（M.Knoll）根据对电磁波已有的物理认识,采用电子束成像，首先研制成功世界上第1台电子显微镜(electronnicmicroscope,EM)。这是一次先有理论，后有实践的研究，从而有力地证实了信息载体的多样性。对于医学诊断，人类便有了从宏观到微观对人体结构全面分析的工具，鲁斯卡对于电子束和电镜成像的发明被誉为20世纪最重要的发现之一，荣获1986年诺贝尔物理学奖。在战争年代，军事与国防是尖端科技的主要应用目标；进入和平时期，维护人类健康便成了科学技术中最重要的主题方向。第２次世界大战以后，1946年，声学和电子技术将海战时运用的声纳技术转化为医学中的A型超声（ultra-sonic，US）成像；美国哈佛大学的伯塞尔（Purceel）和斯坦福大学的布洛赫（Bloch）领导的两个研究小组，几乎在同一时期内，采用不同方法各自发现了物质的核磁共振现象（他们两人于1952年被授予诺贝尔物理学奖）。20世纪50年代初期起，在已有的成像技术不断得到改良与提高的同时，新的成像方式又开始活跃涌现。原子能技术转化为核素医学成像，出现了各种同位素闪烁扫描仪和1958年问世的一次成像γ照相机；进入20世纪60年代，B型超声成像仪研制成功，其连续的动态实时影像为医学诊断提供了更新的手段。20世纪70年代以后，自从美国的阿波罗登月计划完成以来，大批优秀的电子和计算机等技术方面的科学家、工程师纷纷转向了生物医学工程研究和医疗仪器设备制造领域，从此医学影像设备得到了空前的发展。在物理、化学、机械、真空、电子、电磁和计算机等相关学科技术的支持下，医学影像技术进入了成熟期，开始普遍地实用于人体解剖、组织学分析和临床诊断学等形态学科领域。1972年，第1台X线计算机断层成像仪（X-raycomputedtomography，X-CT）的问世给医学影像诊断技术带来了新的革命，这使影像的信息量得到了非常显著的提高，成为X线被发现以来医学影像技术史上新的里程碑。因此，两位研制医用CT机的学者：美国的物理学家考马克(A.M.Cormack)和英国工程师豪恩斯菲尔德（G.N.Hounsfield）获得了1979年度的诺贝尔医学和生理学奖。20世纪80年代前后，出现了第1台用于头部的单光子发射型计算机断层成像仪（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）成为核素成像的应用典型，多普勒（Doppler）技术开始应用于超声成像领域，而磁共振（magneticresonanceimaging，MRI）原理更显示出它在医学影像中的重要价值。在MRI成像仪问世以后，着实让放射科医生们醒悟到：几十年来沿用的放射学、放射科和放射诊断中的“放射”一词似乎过于狭义，而只会观察X线胶片已不能适应医学影像学的快速发展。MRI和US既无创伤又无损伤的成像方式，明显地映照出其他成像方式给受检者带来创伤或损伤的弊端，激励其向着无损或微损方向改进。另一方面，MRI和核素成像除了对人体结构的影像揭示外，还能提供功能上的信息，由此引发医生们产生了“成像方式已经多元化，影像诊断也应综合化”的新认识。迄今，X-CT、US、MRI和ECT已被公认为医学影像诊断的四大成像技术方式。20世纪80年代中期，在电子技术、计算机、网络通讯和全球数字化浪潮的推动下，医学影像设备在不断提高性能、拓宽功能的基础上，也普遍实现了自动化、智能化。并且由于尖端技术的应用，使得各类影像设备的更新换代速度加快，提高影像质量、缩短成像时间、降低有害辐射成了影像设备发展的总趋势。US成像队伍中出现了彩色多普勒血流成像仪(colordopplerflowimage，CDFI);核素成像家族新添了正电子发射断层成像仪(positronemissiontomography，PET)；MRI采用了超导高场强技术；传统的X线摄影开始向数字化进程迈入，出现了以计算机放射成像(computedradiography，CR)来代替感光胶片的新装置；小型的网络通讯系统开始在局部区域内传输医学影像。20世纪90年代以来，相继涌现了螺旋C和超高速电子束CT（EBCT，或称UFCT），在发达国家的医疗机构中，医学影像的网络通讯已进入了实用阶段，能高速传递影像和其他医学信息的网络可使医生们方便地检索、调阅影像，实现多方会诊、信息同时共享和远程通讯。医学影像设备的发展过程，推进了医学诊断从“放射诊断学”到“影像诊断学”以至现代的“影像信息综合分析诊断学”，同时，由于医学影像设备均是多学科技术间的汇集和渗透，从而造就了新的交叉学科——医学影像工程学。第3节典型医学影像设备的性能特点一、常规X线成像设备X线（X-ray）机利用X线穿透人体时，人体组织对X线的衰减程度不同，因而投射在荧光屏或胶片上可形成不同亮度（或密度），呈现出对比度差异的影像信息。X线机现在仍然是临床医师最常规的诊断工具之一,虽然它存在着信息效率低、影像重叠、对软组织鉴别能力差、射线对人体有一定损伤等缺点,但由于它的适用范围广,信息量大,影像丰富细腻,尤其是实时;形态观察方面,在骨科、胸科、断肢再植、介入放射治疗等临床应用上,有着不可比拟的优势;。同时,一些由X线机衍生的辅助设备和技术，如体层摄影、放大摄影、立体摄影、数字减影和各种腔内造影等，使得这个传统诊断技术在骨骼系统、胃肠道、心血管造影和动态观察方面仍具有举足轻重的地位。现代X线诊断技术的重要突破与发展有两个方面：①X线数字减影血管成像系统（digitalsubtractedangiography，DSA），它将常规的X线技术与现代计算机技术相结合，减除不必要的影像背景，清晰地显示临床诊断需要的血管影像；②计算机数字摄影技术（CR），采用涂有荧光体微结晶平板（影像板）取代普通胶片，X线照射后能产生潜影，然后可通过激光扫描后激发，使之重新产生与原激励强度成正比的青紫色荧光，经采样得到数字影像。二、X-CT成像设备X线计算机断层成像（X-raycomputedtomography，X-CT）通过X线射束从各个方向对被探测的断面进行扫描，利用现代计算机技术对检测器获得的各个方向投影数据进行分析和处理，然后重建断层影像。它的影像对比度较高，最突出的优点是可实现断层成像，有选择地对人体某一切面进行观察分析，综合观察相邻断面的影像，可获得不完全连续的准三维结构信息。在另一方面，常规X线摄影是各种结构重叠的影像，在有骨骼的情况下,它将掩盖掉重叠的细节，这特别对脑部是一个难题，因为脑部所有的组织均为颅骨所覆盖。而X-CT却能成功地应用于头部诊断的成像，并且对胸部、肋部、腹部和脊髓的成像均有特殊的诊断价值。X-CT机从20世纪70年代产生以来发展很快，现在已发展到第5代。第1～4代主要是显示二维静止断层影像，第5代CT机又称之为动态空间重建装置（DSR）。这是一种全电子空间扫描系统，扫描速度小于1s，可同时获得多个断面的投影数据，能很快获得立体影像，既能对静止或慢动的肌体组织做高密度分辨率检查，又能利用快速扫描的特点对心和肺的动态功能进行观察研究。近年来又有更先进的螺旋CT在临床上获得应用，它能在短时间内得到完整容积的扫描影像，通过X线射束围绕人体受检部位做螺旋性扫描，迅速而连续地采集大量数据，重建彩色三维影像，既能得到任意位置的断面影像，也能显示内部病灶结构。三、EM成像设备电子显微镜（electronmicroscope，EM）是以电子束作为影像信息载体来成像的，有透射式（transmissionelectronmicroscope，TEM）和扫描式（scanningelectronmicroscope，SEM）电镜之分。前者采用电磁线圈作为折射透镜来实现影像放大，影像的亮度（或密度）对应于被成像样品内部结构的疏密和对电子束吸收的衰减而形成差异；后者采用电磁偏转线圈控制电子束扫描被成像样品，样品的质地和表面形貌决定了反射电子能量的大小，转而在显示器上可再现放大了的样品形貌。EM是当今对超细微结构进行形态观察最有力的分析工具，分辨率(能清晰分辨出两点间的最小距离)高是电镜独具的特别优势，其最高分辨率已超过0.2nm(1nm=10-9m)，最新研制出的扫描隧道电子显微镜可以分辨出原子和原子间的隙距。另外，EM的信息容量大，辅之以X线波谱、能谱仪，可对样品进行定性、定量地分析。这对于生物医学分析,特别是病理诊断和基础医学科学研究有着十分重要的意义，并已获得非常普遍地应用。然而，它也存在着一些几乎无法弥补的缺点：必须在采样获得离体细胞后经过特殊制作才能进行观察，而观察过程又必须在高度真空的镜体内进行。这对临床诊断来说，采样将造成创伤，不能进行活体的实时观察分析。四、MRI成像设备磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）是一种崭新的医学成像技术，它采用静磁场和射频磁场对人体组织成像。在原子内部，电子、质子、中子都有自旋特性，当自旋的质子被置入一个外加磁场B时，就会绕着B方向进动。若人体内氢质子群被磁化后，再加上一个与B垂直的交变射频磁场，则质子群将吸收能量，从低能态跃迁到高能态，其进动相位趋于一致。当交变磁场一被切断，质子群就在弛豫时间内释放出能量，产生用于磁共振