医学成像系统

医学成像系统主讲：马慧彬课程简介•学时安排：理论52+实验20•主要内容：了解目前主流成像系统的基本原理、构造，并能进行简单的系统分析与维护–概述–投影X线成像系统–X-CT成像系统–放射性核素成像系统–超声成像系统–磁共振成像系统–医学成像新技术•参考教材：–高上凯，医学成像系统，清华大学出版社结束第一章概述•课程概述•发展历史与现状•医学成像系统评价–从电磁波谱看医学成像–几种成像系统技术比较•医学成像技术展望•本章小结•本章习题返回课程概述•图像科学研究内容–图像的形成、获取、传输、存储、处理、分析、识别等•医学图像研究内容–医学成像系统：图像形成的过程，包括对成像机理、成像设备构造、成像系统分析等问题研究–医学图像处理：对已获取的图像作进一步处理，使其更清晰，或更突出其特点，或对图像作模式分类等•主要医学成像系统•本课在课程体系中的地位返回医学成像系统医学成像系统X线成像CT成像磁共振成像放射性核素成像超声成像阻抗成像红外微波成像可见光成像返回本课在课程体系中的地位返回医学成像系统人体解剖学信号与系统计算机相关知识医用物理学高等数学普通物理发展历史与现状•投影X线成像系统•X-CT成像系统•放射性核素成像系统•超声成像系统•磁共振成像系统•其它医学成像技术•未来发展–多维、多模、多参成像系统–新的物理发展形成的新的成像系统–图像归档与通信系统PACS返回投影X线成像系统•X线产生–1895，伦琴，1895/12/22第一张X线照片–1896，英国，X线首次应用在医疗方面•X线管的早期发展–离子X线管：结构简单，效率低，无防护，曝光时间长–电子X线管：1913-1928，钨灯丝X线管，滤线栅，钨酸镉荧光屏，双焦点X线管–旋转阳极X线管•X线设备相关技术近几十年的改进–高千伏技术，荧光增强技术，高速增感屏，快速X线感光胶片，X线影像增强器等•现代设备–CR，DSA等•X线设备目前存在问题–X线产生效率低–胶片对X线的敏感度不足返回我国：1951，上海精密医疗器械厂试制第一台X线机伦琴与第一张X线照片1895年11月8日晚，意外发现。威廉·康拉德·伦琴（1845～1923）第一个诺贝尔物理奖，1901年授予1895/12/22第一张X线照片X-CT成像系统•人体断面成像，1969设计成功，1972公诸于世返回世界：1917，奥地利，雷当，重建算法1963，美国，柯马克，论文1967-1970，英国，EMI公司，豪斯菲尔德，第一台CT，1971/9放置在伦敦医院1972，第一张CT照片，用于诊断妇女脑囊肿1974，美国，第一台全身CT研制成功1975，美国，第一台全身CT临床使用1985，螺旋CT用于临床1998，多层探测器系统得到应用1979，柯马克与豪斯菲尔德获得诺贝尔生理与医学奖中国：1983，颅脑CT一代1988，颅脑CT二代1990，全身CT三代主要技术：图像重建算法主要问题：成像速度放射性核素成像系统•原理：–给病人口服或静脉注射某种放射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。这样我们就可在体外用各种专用探测仪器追踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式显示出病人体内脏器的形态和功能。•特点：–不仅可以看到器官形态，还可以了解脏器代谢情况–分辨率低，1CM左右•目前主要设备：–同位素扫描仪–γ相机–SPECT，单光子发射型CT–PET，正电子发射型CT返回超声成像系统•发展过程–1928年，R.W.Wood等人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。–本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波诊断疾病的先例，A型超声仪器–五十年代，超声心动图仪，即M型仪器–六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期，超声CT的研究工作开始进行–八十年代，将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合，还产生了双功能超声诊断仪。–九十年代，彩色B超诞生•医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.5MHz~15MHz，常用的是2.5MHz~5MHz•优点：对人体无损，无创，无电离辐射，实时动态，便宜•缺点：图像分辨力难以突破返回磁共振成像系统1946年，美国麻省理工学院（MIT）的E.Purcell及斯坦福大学的F.Block领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell和Block共同获得1952年诺贝尔物理学奖；1971年，美国纽约州立大学的达马迪安(RaymondDamadian)对移植入恶性肿瘤的小鼠进行磁共振波谱试验,发现肿瘤组织的T1时间比正常组织的长1973年，同为美国纽约州立大学的洛特波尔，获得第一幅MRI图像1973年，英国诺丁汉（Nottingham）大学的曼斯菲尔德（PeterMansfield）等用线性梯度场来获取磁共振信号的空间定位，并于1976年使用该方案开发出了一种快速扫描核磁共振成像技术。1977年，达马迪安及其同事经过7年的努力，终于建成了人类历史上第一台全身磁共振成像装置1980年，第一幅人体胸腹MRI图像产生，MRI商品化磁共振成像系统1984年，美国FDA批准核磁共振使用于临床；1986年，中国科健公司与美国波士顿的Analogic公司成立合资公司，名为安科公司，开始发展我国的磁共振成像产业，3年后，第一台磁共振成像设备通过鉴定，第二年，第一台国产磁共振落户河北；1998年，世界磁共振成像年；2003年的诺贝尔医学与生理学奖分别颁给了已是古稀老人的洛特波尔和曼斯菲尔德。•优点：–对人体无创–可对组织形态与功能两方面分析–分辨率高–任意截面成像，易构造三维图像–对软组织敏感返回•缺点：–成像速度慢–对钙化灶与骨皮质灶不敏感–铁磁性植入者禁忌–定量诊断有难度返回其它医学成像技术•红外成像–1933，哥本哈根大学国家医院，哈克塞森，利用红外成像进行皮肤病学研究。–目前主要用于静脉摄影（静脉曲张），透照技术（儿童脑疾），肝病理、肿瘤、皮肤病等方面检查•光学成像–可见光成像，观察人体器官•阻抗成像–近二十多年来发展起来的，利用物体表面电测量来重建反映内部组织结构及功能变化的图像技术–无创，简单，可进行连续脑图像监护–生物电阻抗断层成像EIT•另外还有微波成像、电磁感应成像等先进技术返回微波成像简介•也称为非均匀介质成像,是一种非接触式测量成像.诊断所用的微波源功率非常小,是非常安全的非电离辐射成像.•利用生物组织的复介电常数(介电常数:电容有电介质与无电介质时的电容比值)成像•主要用于得到生物的温度分布,血流含氧量等生理指标,对软组织形态也有较好成像•上世纪70年代开始欧洲帅先研究,目前有成像系统但未用于临床.返回音频射频红外线可见光紫外线X射线γ射线20k20300G100μ0.76μ0.4μ0.01Å100Å长波中波短波超短波微波亚毫米波超长波放射线设备使用的频谱频率(Hz)波长(M)电磁波谱成像技术基本原理测试对象观察目的分辨力P22对人体伤害临床适用性普通X线各种组织对X线吸收不同吸收系数组织形态高大胸，骨X-CT计算机重建与处理吸收系数组织形态高大脑，肾，胆MRI氢原子的磁共振现像重建图像质子参数密度分布T1，T2组织形态化学组成器官功能高小脑，心肾，胆血栓USI超声波在遇到组织界面时，产生较强回波声阻（回波信号）体内界面形状低低胎儿，胆，血管核素成像同位素放射重建图像放射活性分布组织形态器官代谢功能低中心脏，神经系统，多种器官几种成像系统技术比较医学成像技术展望•目的–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使用新的信息表达形式。提高图像质量，其最终的医疗目的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。•医学成像系统的主要临床应用–提高临床诊断水平–实现治疗中的监护，提高治疗的有效性–外科手术规划–图像的计算机管理•发展趋势–从模拟到数字；从平面到立体；从局部到整体；从宏观到微观；从静态到动态；从形态到功能；从单一到综合–多维，多参，多模•PACS–图像归档与通信系统。是利用现代计算机和通信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、高性价比来检查、存储、查询、提供医学图像返回应用PACS系统的好处•实现过去与现的图像对比,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•方便进行病历等资料查询•操作的实时性，图像信息的可靠性大大提高•使远程医疗成为可能返回本章小结•主要内容–发展历史与现状–医学成像系统评价–医学成像技术展望•重点–五种常用医学成像系统的历史，特点–五种常用医学成像系统的对比返回本章习题•1、目前主要的医学成像系统有哪几种•2、几种成像系统在原理、测试对象、观察目的、分辨力、对人体伤害、临床适用性等方面的比较•3、医学成像系统的总的发展趋势是什么•4、哪些成像系统会对人体造成电离辐射返回第二章投影X线成像系统•X线成像的物理基础–X线产生及其性质–X线的衰减•投影X线成像设备–荧光透视成像系统–胶片摄影系统•评价成像系统与图像质量的客观标准–对比度，不锐度，分辨力，调制传递函数•投影X线成像系统分析–X线源，记录器，系统总响应•数字X线摄影–数字X线图像的采集–数字X线减影–数字X线摄影的优点与应用前景•章节小结•作业返回说明X线成像系统说明•X线成像系统主要有–普通X线成像系统–数字化X线成像系统–计算机X线断层成像•X线机按功能分类–诊断用，治疗用•X线机按管电流划分–大500mA;中100~400mA;小50mA•临床应用主要机型–普通摄影用X线机;消化道造影用X线机;胸部摄影用X线机;血管造影用X线机;乳腺摄影用X线机;牙科用X线机;床旁用X线机;手术用X线机返回X线产生及其性质•产生X射线的主要设备：X射线管•旋转阳极X线管结构•X线产生的条件•旋转阳极用钨表面的原因•X线谱(按形状分）–连续线谱，也称韧致线谱。从较短波长到较长波长连续的谱，称为连续线谱–特征线谱，也称标识线谱。在连续线谱上叠加的一些突出尖峰称为特征线谱•X线的性质返回高速带电粒子撞击物质突然受阻而变速产生X射线旋转阳极技术:增大焦点面积，扩大球管散热面提高球管功率和寿命。旋转阳极球管的靶面旋转阳极X射线管示意图玻璃壳：防护，使内部真空阴极：灯丝，发射电子用阳极靶面：一般用钨表面，当高速电子撞击时产生X线转子：带动阳极转动X线产生的条件•有电子源–加了低电压的灯丝可发射电子•有高压电场–30-200千伏，加速电子•有真空条件–避免电子在加速运动中碰到过多阻力•有适当阻挡物–金属靶面，用来承受高速电子的能量，使高速电子的能量转化为X射线返回旋转阳极用钨表面的原因•高速运动的电子所失去的功能中大约有1%能量变成X线，其它99%的能量转化为热能，旋转阳极就是为了散热快•X线的转换效率由两个因素决定：靶面材料的原子序数Z与自由电子本身能量–转换效率η=1.4*10-9ZV•选择钨表面的原因是–钨的原子序数较大–钨的熔点较高，为3370˚–钨的导热性能比较好注：其它表面金属元素符号序数熔点钼Mo422917钯Pd461532铑Rh451966返回连续线谱•连续线谱的产生机制–高速运动电子在靶面原子核电场作用下，改变运动方向和速度。所损失的动能中有一部分转化成X线光子被辐射出去，由于带电粒子与原子核相互作用情况不同，所以辐射出来的X线光子能量也不一样，故有连续的能谱分布•连续线谱特点–强度随波长连续变化–每条曲线都有一个峰值–每曲线有一个短波极限–当管电压增大时，强度峰值与短波极限向短波方向移动较低管电压下钨的连续X射线谱短波极限强度峰值返回注：短波极限与管电压成反比，与其它无关特征线谱特征线谱的产生机制原子核外电子的跃迁。当高速电子撞击靶面时，可能与原子的内层电子相互作用而将内层电子轰出，使原子呈现出不稳定状态，当具有较高势能的外层电子填补内层电子空位时，即释放出多余能量，特征射线波长与靶面物质有关，并只有在高压下才能产生，原子序数越高产生特征辐射波长越短。注：特征放射的波长是由跃迁电子的能量差决定的，与高速电子的能量无关，主要取决于靶面物质的原子序数返回注意:在X线产生中