医学成像系统

2017/12/9,1,医学成像系统,2017/12/9,2,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 ）,2017/12/9,3,超声成像,2017/12/9,4,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。,2017/12/9,5,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；,2017/12/9,6,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；,2017/12/9,7,A型超声诊断仪,原理：用压电晶片作换能器，用重复频率10002000Hz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；,2017/12/9,8,M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。,2017/12/9,9,B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,2017/12/9,10,B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；,2017/12/9,11,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；,2017/12/9,12,线性扫描断层图像原理图,2017/12/9,13,线性电子扫描的扫描原理,2017/12/9,14,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。,2017/12/9,15,Voluson 730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。,BACK,2017/12/9,16,CT机的历史:1969 Godfrey Hounsfield, EMI Limited Developed first Prototype CT Head Scanner 1971 Atkinson-Morley Hospital, London First EMI Scanner Installed 1972 First Paper on CT presented by Hounsfield at the British Institute of Radiology 1972 Radiological Society of North America (RSNA) First Commercialization of Product 1973 Mayo Clinic (U.S.A) First Brain Scanner Installed 1974 Ledley (U.S.A.) Introduced Whole-Body CT Scanner (ACTA),2017/12/9,17,CT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。,2017/12/9,18,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,2017/12/9,19,第五代 （电子束CT，EBCT，超高速CT）,电子枪真空泵电子束聚集线圈偏转线圈病人床靶环数据采集系统探测器环.X线束,2017/12/9,20,常用的辐射单位(1) 照射量及单位照射量：衡量X或射线对空气的电离本领的一个量1=2.5810-4 C/Kg(2)吸收剂量 1Gy1J/Kg=100rad(3) 剂量当量吸收剂量品质因素 H=DQ 单位 (Sr) =GyQ 1Sr100rem,常见幅值的Q值： X射线、射线和电子 Q1热中子 2.3快中子和质子 10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,2017/12/9,21,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,2017/12/9,22,X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,2017/12/9,23,物理特性穿透作用荧光作用电离作用化学特性感光作用脱水作用X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生物作用,X射线的物理基础特性,2017/12/9,24,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,2017/12/9,25,X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。,2017/12/9,26,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,2017/12/9,27,2017/12/9,28,X-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,2017/12/9,29,非滑环技术,2017/12/9,30,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,2017/12/9,31,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；,2017/12/9,32,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：扫描速度快 1S旋转360o，扫描一个层面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,2017/12/9,33,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,2017/12/9,34,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,2017/12/9,35,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,2017/12/9,36,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,2017/12/9,37,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,2017/12/9,38,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： 大毫安量，大热容量的X球管（400mA,6.5MHn）X球管的高散热率（1000KHn） 大功率的X线发生器（50Kw）,2017/12/9,39,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,2017/12/9,40,2017/12/9,41,特殊高速CT/e系统软件包包括如下功能： 扫描速度为1秒 60秒螺旋 三维图像分析 冠状头部固定器如今可用于 使用磁光碟（MOD） 不使用磁光碟（MOD） 或使用可读写光盘存储及检索工作站,2017/12/9,42,BACK,核医学成像,2017/12/9,44,核医学定义：研究放射性核素和核射线的医学应用及其理论基础的科学。用放射性核素进行医学研究核临床诊断是通过探测其放出的射线来实现的。需要对人体引入（注射或者口服）放射性药物。人体内的各种器官对某种放射性药物或它的化合物形成形式具有一定的选择性，一旦药物被吸收，该器官就变成放射源,核医学成像,2017/12/9,45,诊断甲状腺：用碘的同位素I131示踪材料。一种锝的同位素 Tc用于诊断心、脑、骨、肾等的病变。因为它可以用化学方法获得而无须使用回旋加速器。它的半衰期短（6H），放出的射线能量140KeV，是人体衰减与成像条件之间的半衰值,核医学成像,2017/12/9,46,核医学的研究领域：研制更多的放射性药物设计制造先进的仪器来检测或显示放射性元素的分布和活度确定放射性药物的活度与特殊生理过程的关系,核医学成像,2017/12/9,47,核医学成像系统的图像显示的是放射性药物在人体内的分布情况而不是X线成像中的衰减系数的分布。经典的核医学成像系统有两种：同位素闪烁扫描机照相机提供放射性药物在三维人体组织中分布的二维投影,核医学成像,2017/12/9,48,最新发展的发射型计算机断层成像系统（ECT）单光子发射型计算机断层成像（SPECT或ECT）正电子发射型断层成像（PET）优点：能获得放射性药物在断面上甚至三维体内的分布图,核医学成像,2017/12/9,49,同位素闪烁扫描机,工作原理：,探测器将射线的能量转换成电压脉冲信号形成的能量，信号幅度与入射线的能量成正比计数器，显示器：当脉冲信号幅度符合一定要求时，才计数、显示扫描机构：显示记录与探测器在扫描机构的控制下作同步运动,2017/12/9,50,同位素闪烁扫描机,组成：准直器，闪烁晶体，光电倍增管，前置放大器，屏蔽层作用：准直器（铅）：空间定位，使只有来自某一空间单元的射线进入探测器，直接影响仪器的分辨率与灵敏度闪烁晶体：与入射的射线光子发生相互作用时，发射短暂的荧光（要求：俘获率高，发光效率高）光电倍增管：将荧光变为电信号前置放大器：放大光电倍增管输出的电信号,探测器的结构图：,2017/12/9,51,同位素闪烁扫描机,同位素闪烁扫描机的缺点：每次对所研究的区域扫描需要较长的时间，无法对脏器进行动态观察。有被相机取代的趋势。,2017/12/9,52,照相机,1958年，Angor发明和同位素闪烁扫描机相比，性能改善之处：采用了特殊结构的探测器：闪烁晶体的面积较大光电倍增管：有19-91个，以角阵列排列，不仅把来自闪烁晶体的光变成电脉冲，而且能检测被晶体吸收的每个光子的位置内部配置有位置计算器，用以将电子定位于CRT屏幕上相应的位置，以形成图像,BACK,2017/12/9,53,发射型计算机断层成像：单光子发射型计算机断层成像（SPECT）正电子发射断层成像（ PET ）,2017/12/9,54,组成：高性能照相机和计算机原理：照相机的探测器可以在计算机控制下绕人体旋转360，以获得各个方向的投影数据。（放射性药物沿投影线的浓度分布），由计算机对这些投影数据进行处理，采用在X-CT中的图像重建算法，得到人体某一断面上放射性药物浓度的分布图缺点：分辨率较低（8-10mm），灵敏度低,单光子发射型计算机断层成像（SPECT）,BACK,2017/12/9,55,正电子发射断层成像（ PET ）,特点：采用在衰变过程中释放正电子的短寿命放射性核素，这种正电子在人体组织中只能传播几mm。正电子与电子相互作用后，产生两个能量相同，方向相反的光子。用安放于人体两侧的符合探测器束检测，两个探测点连线上是否有释放正电子的核素存在。实际系统中，采用环形探测器阵列，以获得各个方向的投影数据。然后用重建算法获得断面放射性核素的分布图。符合探测器起到了准直器的作用，不必使用铅准直器。所有PET的灵敏度高于SPECT，其分辨率也比SPECT高，达4mmPET使用的放射性核素（11C，15O，18F）。可用来标记一大批具有生物活性的化合物。这些化合物可以直接参与生物化学和生理活动过程，所以PET在研究人体生理，生化和代谢方向有着重要的作用。,2017/12/9,56,正电子发射断层成像（ PET ）,问题：设备昂贵，医院必须配置回旋加速器产生所需的短寿命放射性核素（11C的半衰期为20min），以便迅速合成示踪标记化合物，然后用洁净的压缩空气管道直接送到PET检查室供使用。整个装置的配套复杂，目前只用于研究，临床难以推广。,2017/12/9,57,GE Advanced Pet,Premier 2D/3D 全身PET系统GE Advance 全身PET系统是一流的PET扫描仪，系统优化可以进行常规2D和3D检查，功能强大而且足够灵活使应用不受限制，可以满足所有PET扫描的需要。2D 重复重建Advance的 多层面分组(MSRB)技术和功能强大的工作站已经与一种重复技术结合，为临床用户提供重复重建的益处。它使用排列子集(OS-EM)方法进行一种快速运算法则，用户能对视图、子集和重复进行数字选择。结果：改善成像质量用于低计数研究。缩短最小扫描时间可能应用于快速动态（Fast Dynamics），重建成像显示膀胱和心脏区域条纹及溢出减少。片段衰减校正 片段衰减校正（Segmented Attenuation Correction）技术使用一种适应方法获得高质量成像，能使常规全身传送扫描达到2分钟传送扫描/FOV，导致数据校正提高五倍。,BACK,2017/12/9,58,磁共振成像,2017/12/9,59,MR历史：1978年，第一幅人体头部图像1982年，第一幅胸、腹部图像MR成像参数较多，它不但能从形态上，而且能从器质上和新陈代谢的情况上诊断各种疾病。临床上，它在显示颅底及后颅凹的疾病上明显由于X-CT，是枕骨大孔部位病变最正确的诊断方法，对脑干，大脑和脊髓等中椎神经系统的病变有较高的探测灵敏度。,2017/12/9,60,MR成像的系统：,2017/12/9,61,1.磁体,产生主磁场B。（可分为：永磁体，电磁体，超导磁体）永磁体：维护费用小，磁场发射程度小，对周围环境影响小。但：热稳定性差，整个磁体的温度须保持恒定在1范围内电磁体：由几个大线圈以大电流而产生磁场 磁场可以关断，制造容易，价格低廉超导磁体：由超导材料制成的线圈组成，磁体浸在致冷剂内，磁场强度大，且均匀稳定； 但，制造困难，加个昂贵，维护费用高,2017/12/9,62,2.梯度磁场,由梯度信号发生器提供和调节通过梯度线圈的直流电流而产生，共有X,Y,Z三个梯度线圈。在扫描过程中，须要改变梯度场的强度和方向，因此梯度信号发生器必须能快速地改变电流地大小和方向。,20