第三章 医学影像成像原理

第3章医学影像成像原理3.1X线成像原理3.2X-CT成像原理3.3MRI成像原理3.4超声波成像原理3.5核医学设备成像基本原理3.1X线成像原理X线的本质：电磁辐射常用X线诊断设备：X线机、数字X线摄影设备（DSA、CR、DR）和X线计算机体层（X线CT）等。3.1.1X线的特征3.1.2X射线成像原理3.1.3计算机X线摄影（CR）3.1.4直接数字化X线摄影系统（DR）3.1.1X线的特征X射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短的射线X射线的频率约在3×1016～3×1020Hz之间，波长约在10～10-3nm之间X线诊断常用的X线波长范围为0.008～0.031nm3.1.1X线的特征3.1.1X线的特征1.X射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性。X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，且有干涉、衍射等现象发生。X射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。3.1.1X线的特征2.X射线与物质间的相互作用（1）X射线的穿透作用。其贯穿本领的强弱与物质的性质有关3.1.1X线的特征2.X射线与物质间的相互作用（2）X射线的荧光作用。X射线是肉眼看不见的，但当它照射某些物质时，如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙等，能够使这些物质的原子处于激发态，当它们回到基态时就能够发出荧光，这类物质称荧光物质。医学中透视用的荧光屏、X射线摄影用的增感屏、影像增强器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。（3）X射线的电离作用。X射线虽然不带电，但具有足够能量的X光子能够撞击原子中轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。电离作用也是X射线损伤和治疗的基础。3.1.1X线的特征2.X射线与物质间的相互作用（4）X射线的热作用。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。（5）X射线的化学效应。X射线能使多种物质发生光化学反应。例如，X射线能使照相底片感光。（6）X射线的生物效应。生物组织经一定量的X射线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。3.1.2X射线成像原理当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-raytube，球管）。1．X射线的产生X射线的产生需要的基本条件是：（1）有高速运动的电子流；（2）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量。3.1.2X射线成像原理X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源，如图3.2所示。3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像使用X射线对人体进行照射，并对透过人体的X射线信息进行采集、转换，并使之成为可见的影像，即为X射线人体成像。（1）X射线影像的形成当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时，X射线一部分被吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异，对投照在其上的X射线的吸收量各不相同，从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息，最终形成X射线信息影像。X射线信息影像不能为人眼识别，须通过一定的采集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光的强度分布，形成人眼可见的X射线影像。3.1.2X射线成像原理①人体不同密度组织与X线成像的关系3.1.2X射线成像原理②人体不同厚度组织与X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X线成像的基本条件3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示①医用X射线胶片与增感屏医用X射线胶片的主要特性是感光，即接受光照并产生化学反应，形成潜影（latentimage）。经过对有潜影的胶片处理（暗室处理：显影、定影等）。使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度（gray）分布像。胶片感光层中的卤化银还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高，则吸收X射线多，在X射线照片上呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上呈黑影。3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示①医用X射线胶片与增感屏医用X射线增感屏为荧光增感屏，其增感原理为增感屏上的荧光物质受到X射线激发后，发出易被胶片所接收的荧光，从而增强对X射线胶片的感光作用。主要目的是：在实际X射线摄影中，仅有不到10%的X射线光子能直接被胶片吸收形成潜影，绝大部分X射线光子穿透胶片，得不到有效的利用。因此需要利用一种增感方法来增加X射线对胶片的曝光，以缩短摄影时间，降低X射线的辐射剂量。常采用的增感措施是在暗盒中将胶片夹在两片增感屏（intensifyingscreen）之间，然后进行曝光。3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示②X射线电视系统X射线电视系统主要包括X射线影像增强器、光学图像分配系统、含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。X射线影像增强管是影像增强器的核心部件。3.1.3计算机X线摄影（CR）计算机X线摄影（ComputedRadiography，CR）是将X线透过人体后的信息记录在成像板（ImagePlate，IP）上，经读取装置读取后，由计算机以数字化图像信息的形式储存，再经过数字/模拟（D/A）转换器将数字化信息转换成图像的组织密度（灰度）信息，最后在荧光屏上显示。其中，成像板是CR成像技术的关键。3.1.3计算机X线摄影（CR）1.成像板（IP）成像板（IP）是使用一种含有微量素铕（Eu2+）的钡氟溴化合物结晶制作而成能够采集（记录）影像信息的载体，可以代替X线胶片并重复使用2-3万次。当透过人体的X线照射到IP板上时可以使IP板感光并形成潜影以记录X线影像信息。成像板的构造：（1）表面保护层。（2）辉尽性荧光体层。（3）基板（支持体）。（4）背面保护层。3.1.3计算机X线摄影（CR）2.CR系统成像的基本过程（1）影像信息的采集：（2）影像信息的读取：与普通X摄影相比较，CR的优点是：①宽容度大，摄影条件易选择。②可降低投照辐射量：CR可在IP获取信息的基础上自动调节放大增益，最大幅度地减少X线曝光量，降低病人的辐射损伤。③影像清晰度较普通片高。④对影像可进行后处理，对曝光不足或过度的胶片可进行后期补救。⑤可进行图像传输、存储。⑥由于激光扫描仪可以对IP上的残留信号进行消影处理，IP板可重复使用2-3万次。3.1.4直接数字化X线摄影系统（DR）直接数字化X射线摄影（DigitalRadiography，DR）是在具有图像处理功能的计算机控制下，采用一维或二维的X射线探测器直接把X射线信息影像转化为数字图像信息的技术。当前DR设备主要采用二维平板X射线探测器（flatpaneldetector，FPD)，包括：（1）非晶态硅平板探测器先经闪烁发光晶体转换成可见光再转换为数字信号（2）非晶态硒平板探测器将X线直接转换成数字信号3.1.4直接数字化X线摄影系统（DR）（3）DR与CR成像技术的比较3.2X-CT成像原理X-CT与X射线摄影相比较有很大区别，X射线摄影产生的是多器官重叠的平片图像CT是用X射线对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像，可以显著的扩大人体的检查范围，提高病变的检出率和诊断的准确率X射线平片与CT断层对比图3.2.1.X-CT成像技术X-CT（X-raycomputedtomography,X-CT）是运用扫描并采集投影的物理技术，以测定X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，求解出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，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术，X-CT成像的本质是衰减系数成像。3.2.1.X-CT成像技术1.X-CT成像装置与流程X-CT成像装置主要由X线管、准直器、检测器、扫描机构，测量电路、电子计算机、监视器等部分所组成的。X-CT成像流程是：X线----准直器----检测器-----转变电信号------放大电信号----转变为数字信号----计算机系统----存入计算机的存贮器----编码----显示图像3.2.1.X-CT成像技术2.X-CT成像的数据采集与处理X-CT成像的数据采集是利用X线管和检测器等的同步扫描来完成的。检测器是一种X线光子转换为电流信号的换能器。X-CT成像的数据采集根据X-CT成像的物理原理进行的。X线管发出直线波束3.2.2X-CT的扫描方式CT的各种扫描方式中，单束平移-旋转方式、窄扇形束扫描平移-旋转方式、旋转-旋转方式、静止-旋转方式的共同点是都需要X射线管和检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，在静止-旋转扫描模式基础上发展出来的电子束扫描方式，没有机械运动，大大地提高了扫描速度。3.2.2X-CT的扫描方式1.单束平移-旋转（T/R）方式单束扫描是由一个X射线管和一个检测器组成，X射线束被准直成笔直单射线束形式，X射线管和检测器围绕受检体作同步平移-旋转扫描运动。这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，同步扫描系统转过一个角度（一般为1°）后再对同一指定断层进行平移同步扫描，如此进行下去，直到扫描系统旋转到与初始值位置成180°角为止，这就是平移旋转扫描方式单束平移-旋转方式3.2.2X-CT的扫描方式1.单束平移-旋转（T/R）方式这种扫描方式的缺点是射线利用率极低，扫描速度很慢，对一个断层扫描约需5分钟时间，只适用于无体动器官的扫描。单束平移-旋转方式3.2.2X-CT的扫描方式2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式窄扇形束扫描称为第二代CT扫描。扫描装置由一个X射线管和6～30个的检测器组构成同步扫描系统。扫描时，X射线管发出角度为3°～20°的窄扇形射线束，6～30个检测器同时采样，并采用平移-旋转扫描方式。窄扇形束扫描平移-旋转方式3.2.2X-CT的扫描方式2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式这种扫描的主要缺点是：由于检测器排列成直线，对于X射线管发出的扇形束来说，扇形束的中心射束和边缘射束的测量值不相等，需校正，否则扫描会因这种运动而出现运动伪影，影响CT图像的质量。窄扇形束扫描平移-旋转方式3.2.2X-CT的扫描方式3.旋转-旋转（R/R）方式这种扫描称为第三代CT扫描，扫描装置由一个X射线管和由250～700个检测器（或用检测器阵列）排列成一个可在扫描架内滑动的紧密圆弧形。X射线管发出张角为30°～45°，能覆盖整个受检体的宽扇形射线束。由于这种宽扇束扫描一次即能覆盖整个受检体，故只需X射线管和检测器作同步旋转运动。X线管旋转采样点检测器轨道检测器扇形X线束摄影区域旋转-旋转扫描方式3.2.2X-CT的扫描方式3.旋转-旋转（R/R）方式这种扫描的缺点是：要对每个相邻检测器的接收灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转扫描运动会产生环形伪像。X线管旋转采样点检测器轨道检测器扇形X线束摄影区域旋转-旋转扫描方式3.2.2X-CT的扫描方式4.静止-旋转（S/R）方式这种扫描称为第四代CT扫描方式，扫描装置由一个X射线管和600~2000个检测器所组成。在静止-旋转扫描方式中，每个检测器得到的投影值，相当于以该检测器为焦点，由X射线管旋转扫描一个扇形面而获得。静止-旋转扫描方式的优点是：每一个检测器上获得多个方向的投影数据，能很好地克服宽扇形束的旋转-旋转扫描方式中由于检测器之间差异所带来的环形伪影，扫描速度与静止-旋转方式相比也有所提高。检测器X线管轨迹X线管静止-旋转扫描方式3.2.2X-CT的扫描方式5.电子束扫描方式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型X射线管和静止排列的检测器环组成。这种机构在50～100ms内能完成216°的