医学影像技术研究进展及展望

摘要

医学影像设备更新换代快，成像技术日新月异，在临床上各种新技术的验证和应用成为医学影像技术的研究重点。X线摄影技术的发展体现在数字断层融合技术、对比增强乳腺X线摄影等方面；CT进展包含迭代算法、低剂量、双能量或能谱成像等方面；MRI进展包括MR集合序列、压缩感知技术、多层MR成像技术、MR弹性成像及四维血流分析MRI等方面；人工智能在智能摆位，检查流程优化和质量控制等方面有较大的发展空间。随着计算机科学、应用数学、材料学以及制造业等的迅速发展和交叉，医学影像技术取得了前所未有的发展。医学影像技术向四维成像、定性和定量分析、分子、生理、功能、代谢和基因成像、特异性增强、人工智能和5G传输等方向发展。笔者主要对近年医学影像技术中X线、CT和MRI的最新研究和进展进行讨论。一、X线摄影数字X线摄影（digitalradiography，DR）图像处理功能强大，价格低廉，检测流程较快，辐射剂量较低，广泛应用于医学影像检查的各个领域。近年来，数字体层融合（digitaltomosynthesis，DTS）技术、双能量减影（dualenergysubtraction，DES）技术等新技术不断发展和完善，使得DR成像质量更高，图像所含的信息量更为丰富、清晰确切，明显提高了诊断的阳性率。

1．DTS技术：该技术将传统断层技术与数字平板探测器相结合。在一系列低剂量曝光后获取扫描容积内物体多个角度的投影数据，通过后处理重建出任意层面的断层数字图像，能清晰显示被检部位的结构和周围组织，且无重叠。数字断层摄影已经在乳腺、骨关节、泌尿系统和胸部中应用。乳腺数字断层摄影合成的二维图像可代替常规全数字化乳腺摄影图像。在不增加辐射剂量的前提下，提高鉴别诊断良、恶性病变的效能，更为准确地显示病灶形态。DTS可以避免胃肠道内容物的干扰，发现更多更小的结石，特别是阴性结石。DTS结合T-SMART（tomosynthesis-shimadzumetalartefactreductiontechnology）技术，通过金属分离技术和迭代重建，能够有效地去除人工假体产生的伪影，清晰显示假体与周围骨组织的关系，克服X线片组织重叠、多层螺旋CT扫描的金属伪影，以及MRI检查金属扭曲变形等因素造成的伪影，对人工关节置换术后评价有一定的优势。DTS在不同层面图像的分辨率不同，中心层面和邻近中心层面上下一定范围内层面的图像清晰，距中心较远层面则比较模糊；空间分辨率和辐射剂量优于CT，对其成像参数的优化、临床应用范围及特点等各方面的研究还有待深入。

2．对比增强乳腺X线摄影（contrastenhancedspectralmammography，CESM）：基于碘剂的K边缘效应，在静脉注射对比剂后，进行高低能量曝光。利用不同组织对高、低能X线吸收系数的不同，以及后处理获得低能图和减影图。在一定程度上，该项检查反映乳腺病灶摄取碘对比剂的能力，间接反映其血供情况。剪影图像可去除周围正常重叠腺体，使病灶清晰显示，提高了诊断的灵敏度、特异度和准确度。CESM的诊断效能明显优于传统的乳腺X线摄影。低能图的诊断效能与全屏数字化乳腺X线成像类似，且对微钙化的检出优于全屏数字化乳腺X线成像，CESM显示和诊断乳腺疾病优于低能图。CESM与MRI的诊断效能相当，为MRI禁忌证患者提供了新的检查手段，亦可作为评价新辅助化疗效果的工具。目前CESM在乳腺病灶的强化程度仍依靠医师的经验来判断，定量分析应该是CESM的未来研究方向之一。二、CT新技术1．心肌CT灌注成像（computedtomographyperfusion，CTP）：冠状动脉造影诊断冠状动脉病变有明显优势，但难以发现心肌缺血，CTP能够获得心肌微循环血流信息，从而了解心肌血流灌注情况。近年来，由于短曝光时间、低辐射剂量以及图像后处理新技术的出现，研究者开始将两者提供的信息结合起来，在确定冠状动脉狭窄血流动力学方面显示出较高的准确性。与其他心脏检查不同，CTP需要满足高强度的心肌增强、快速心脏覆盖以及在合理的辐射剂量下进行采集的条件。由于正常心肌、缺血甚至梗死的心肌对碘对比剂的摄取存在差异，可通过定性、半定量或定量地分析心肌灌注是否正常，从而判断心肌活性。静息态CTP也称首过灌注，通过分析在首过阶段冠状动脉中的对比剂分布来判断灌注情况，具有单次扫描、辐射剂量低、无需药物负荷、适用性广泛等优势。负荷CTP是通过连续扫描获得感兴趣区的时间-密度曲线，得到以心肌血流量、心肌血容量等代表心肌灌注的参数值。图像质量和辐射剂量是心肌灌注成像较为关注的话题。近年来，CT采集速度更快，血管搏动和呼吸对图像质量的影响逐渐减小。同时，一站式冠状动脉CT成像+CTP检查辐射剂量降低，通常为3.3~4.6mSv，明显低于单光子发射计算机体层成像和传统CT的心肌灌注剂量。

2．能谱CT：能谱CT可在一次扫描后获得双能量图像，具有成像速度快、图像质量高、辐射剂量低等优点，在获得101个连续单能量的同时，能够显示解剖信息和功能信息。在不同X线能量下，每一种物质都有特定的衰减系数。并且，不同物质在不同能量的X线下产生的光电效应和康普顿效应所占的比例不同，故而任何一种物质在特定X线能量下的吸收系数可由两种基础物质在相同能量X线下吸收系数的权重和来表示。CT能谱成像即基于瞬时双管电压为核心技术的能谱CT和双X线管技术为核心的双源CT，完成高能和低能两组数据采集，以达到物质分离的目的。基于不同的后处理和分析算法，其临床应用研究主要有以下3个方面：（1）物质分离技术：通过物质分离去除或提取某种特殊物质，如去金属伪影、虚拟平扫、碘图等。（2）物质定量分析技术：如诊断痛风结节、泌尿系统结石、脂肪含量测量等。（3）降噪技术：如最佳单能成像能够优化图像质量和对比噪声比，且在脑创伤性出血、肺灌注、骨关节成像、心肌评估等方面应用，并取得了较大的成果。但是采用双管电压技术或双X线管技术成像时，由于能量时间分辨率不足，呼吸运动、器官蠕动和心脏跳动等会带来运动伪影。另外，低管电压的图像往往带有较严重的硬化效应，使得组合的减影图像也存在硬化效应。因此，图像空间的双能减影图像中存在诸多不准确性和不确定性。

近年来，光谱CT直接利用纳米钇合金的立体双层探测器，吸收低能量滤过高能量，一次扫描即可实现高低能量的直接分离，实现同源、同时、同向的光谱多参数数据成像。同时，也通过常规迭代重建获得高清低噪声的传统图像。与常规能谱CT比较，具有快速工作流、低辐射剂量等优点。非静态扫描的虚拟平扫采用以往的双能CT是无法实现或非常不准确的，而基于同源、同时、同向成像的光谱CT，在动态或非动态器官都可以获得精准的虚拟平扫，从而真正减少一次扫描。在脑卒中的检查中，可实现一站式急诊光谱成像，单次扫描可完成脑功能检查，部分可代替传统CT灌注，大幅降低辐射剂量。在肿瘤方面，光谱CT能够实现多参数鉴别、早期发现病灶并进行准确分析和辅助精准治疗。此外，在心血管方面，以往的双能CT低单能量技术受限于噪声，光谱CT全能级低噪声能够实现冠状动脉扫描不受限和更高的安全性，可实现快速精准的心肌灌注方法[14]，真正实现一站式扫描，即一次CTA扫描可同时进行斑块分析、冠状动脉光谱分析、心光谱灌注评估等。有学者利用50%用量的对比剂，实现了同等质量的冠状动脉成像，提示光谱CT有望在减少对比剂用量等方面有较好的应用前景。

3．光子CT：光子计数CT是一种新兴技术，使用能够将X线衰减转换为电信号光子计数探测器，使得每一个光子产生的信号脉冲都被计数，被电极的电路读取，实现多能成像。光子计数CT可以减少辐射剂量，以更高的分辨率重建图像，其空间分辨率可达0.1~0.5mm2，有望在颞骨成像、肺结节检测方面有所进展。在高空间分辨率下，减少光晕效应，对于冠状动脉支架可以获得更清晰的图像。同时，通过校正光束硬化伪影，优化使用对比剂，光子计数CT将提高对比度、优化光谱成像，为当前CT技术的定量成像创造机会。目前光子计数CT未在临床应用，但允许厂家收集数据来优化和设计临床实用的设备。有研究表明，其在腹部与常规探测器获得的图像没有差异，但它提供的光谱信息可用于物质分析。在胸部肺结节低剂量成像中，光子计数CT图像质量有所提高，且呈现出更高相对信噪比[16]。同时，光子计数探测器CT类似于双能CT有助于检测肾结石，能更好地帮助描述小肾结石[17]。未来CT的技术发展可能集中在能谱CT和光子技术探测器CT技术上。除此之外，细分市场可能也是CT发展的一个方向，如专门用于乳腺检查的乳腺CT及专门用于宠物检查的小孔径CT等。三、MRI新技术1．MRI集合（magneticresonanceimagecompilation，MAGiC）序列：基于多个延迟多回波（multiple-delaymultiple-echo，MDME）序列原理，在不同重复时间内施加4个120°饱和脉冲，同时进行双回波采集，共生产8组对比图像。MAGiC序列中的多饱和脉冲可定量组织的T1、T2，进而得到T1、T2定量图。获得组织T1值后，可计算出射频场的大小，即B1值。将T1、T2、B1值代入信号强度计算公式，可得到组织的磁化矢量M0值，进而获得质子密度（protondensity，PD）定量图。已知T1、T2、B1及PD值后，通过后处理可得到基于自旋回波序列任意对比的图像。目前该技术主要应用于头部的快速成像，如脑卒中或其他神经系统疾病。应用MAGiC序列可大幅减少采集时间，所得MR集合图像与常规PD、短时间反转恢复序列、T1和T2图像相似。但MAGiC只能轴向扫描，对于一些临床病例，在此方向上空间分辨率可能受限；并且合成T2液体衰减反转恢复序列图像伪影较多，主要出现在脑脊液和脑实质之间的界面，表现为沿皮层的薄层高信号，若要满足诊断需求，可能需要常规T2液体衰减反转恢复序列扫描。

2．压缩感知（compressedsensing，CS）技术：依据传统的Shannon、Nyquist信号采样理论，信号采集速率要达到信号带宽的2倍以上才能保证采样后形成的周期信号不发生重叠而实现信号精确重构。CS是直接感知压缩之后的信号，通过有选择性地采集少量重要数据并采用有效的重构算法实现原始信号的重构，实现缩短信号采集所需时间，减少计算量，并在一定程度上保持原始信号的重建质量的要求，同时减小后续数据传输、处理和存储压力。目前CS在临床MRI的研究和应用中备受关注，主要表现在以下方面：（1）利用K-tFOCUSS算法，结合受试者操作特性曲线（receiveroperatingcharacteristiccurve，ROC），可以有效地判断所发现的激活区域来自激活信号还是噪声信号，并将所得结果和全局采样的结果进行比较，从而获得高时间分辨率的MR功能成像。（2）利用降阶卡尔曼滤波压缩感知（KF-CS）重建MR实时动态成像，对时间序列原始信号进行处理，从而得到更稀疏的信号，使重构信号的误差大大减少，获得更高的时间分辨率。（3）利用插值压缩感知技术加速二维多层面MRI，实现高精度快速二维多层面MRI，并达到让人满意的信噪比。（4）利用压缩感知加速超级化13C三维MR波谱成像，可将成像速度提高到原来的7.53倍，并在肝转移基因老鼠模型上得到0.034cm3的空间分辨率。

CS技术是近年MRI技术的一大热门，已应用于心脏、神经、腹部甚至内耳道MRI中。有学者将CS技术与动态对比增强MRI结合，行超快速乳腺动态对比增强MRI，并评估最大斜率、增强时间和动静脉显影之间的时间间隔等参数对乳腺病变的诊断效能，结果显示，上述参数较常规动力学分析的诊断效能更高，动态对比增强和3个参数诊断的ROC下面积分别为0.76、0.78、0.76、0.69，证实了应用CS技术行超快速乳腺动态对比增强MRI得到的参数能够用于评估乳腺病变，且其诊断效能更高。但目前CS技术仍未能在临床推广应用，因理论体系未完善，且稀疏变换、采样方式及重建算法的标准化，MRI序列的设计与扫描等，都还需要进一步的研究。

3．4D-FlowMRI技术：是一种新型相位对比MRI技术，可同时对3个相互垂直的维度进行相位编码，多方向采集血流数据，从而获得复杂的三维动力学参数，目前主要应用于颅内动脉血流、胸腹部血管血流以及心脏。4DFlowMRI不仅提供常规的流量定量，还可以通过计算获得脉搏波速度、压力梯度、涡量、湍动动能、壁剪切应力等流体动力学指标。该技术主要用于观察疾病血流动力学情况，在颅内血管、心脏、胸部大血管成像中应用广泛，近年来在腹部中的应用也逐渐增多。有学者采用了2种4DFlow采集方式，即呼吸门控的笛卡尔采样和屏气螺旋采样行腹部4DFlowMR，测量主要腹部血管的定量血流参数，结果两种4DFlow采集方式显示动、静脉有中度以上一致性，腹部血管的定量测量显示螺旋和笛卡尔4DFlow技术之间具有良好的等效性，但对于门静脉血栓，螺旋4DFlow更好，提示高效螺旋采样与动态压缩感知相结合，可实现4DFlowMRI的显著加速，可以单次屏气全面评估腹腔血流动力学情况。应用4D-Flow对右侧心血管系统进行全面评估，并检验慢性阻塞性肺疾病和肺气肿患者右心静脉回流的关系，结果肺气肿患者更容易发生反流，并且主要发生在上腔静脉，证实了4DFlow是了解胸部血流状况的一项有前景的方法。但因相关序列仍需优化，目前该技术在国内应用较少，大部分研究是基于健康志愿者的可行性分析，在未来除了增加患者数量外，也需要4DFlow评估测量参数的准确性。尽管该技术目前未在临床推广，但不可否认4DFlow技术为临床无创评估血流动力学参数提供了新的思路。

4．多层同时成像（simultaneousmulti-slice，SMS）：SMS利用合成的射频脉冲同时激发多个片层，一次采集可同时得到多个片层的图像，使MRI扫描从单层跨入多层。多层采集技术或多带宽技术是新的快速采集技术，在保证图像质量的前提下快速成像，加快患者流动量，提高工作效率。SMS是由多频率激发的复合射频脉冲对多个层面同时激发，利用相控阵线圈的空间敏感性和去除混杂重叠信号的算法来进行多层面数据采集、提取及重建，并以二维的方式进行图像输出，可有效地缩短图像的采集时间。此外，SMS采用鸡尾酒并行采集技术，采用特殊的K空间填充方式，可有效地控制图像失真，从本质上提高了图像信噪比，且该技术不受信号欠采样限制。目前，SMS已应用于神经系统及高场强MRI的研究，如动脉质子自旋标记、动态磁敏感对比增强等灌注加权成像、脊髓大范围扩散张量成像、全身扩散成像及心脏动态成像等。优化的同时多层采集技术既可以提高图像空间分辨率也可以提高时间分辨率，其在神经学领域应用较广泛，与梯度回波平面成像、动脉质子自旋标记、扩散张量成像、血氧水平依赖、功能MRI等序列相结合，可得到高清图像，并明显缩短成像时间，保证各测量参数、观察指标无明显变化。

SMS也可应用于骨骼肌肉系统，SMS在髋关节成像中具有可行性，与常规成像在评估髋关节形态学方面图像质量相当，并且SMS成像减少了约40%的成像时间，SMS可以为髋关节疾病的形态学评估提供一种新的成像方案。但采用加速成像方法的图像更容易出现搏动伪影，尤其在心脏电影及灌注中，SMS图像测得的特殊吸收率值显著高于常规图像，这些因素可能限制其临床广泛应用。未来还需改进采集方式，优化扫描序列，以便更好地使用于临床扫描中。

5．MR弹性成像（MRelastography，MRE）：通过检测组织或器官在剪切波作用下产生的质点位移，利用运动敏感梯度获得MR相位图像，以此为基础对弹性力学的逆行求解，得出组织或器官内部各点弹性系数的分布图（即弹性图），获得组织弹性或硬度。MRE只需要另外加入一套能够对成像部位施加剪切波，即横波激励的机械装置，即可在普通的MR设备上完成。MRE可无创评估组织机械属性，在肝脏中的应用最成熟，用于肝脏多种疾病（如肝纤维化[37]、代偿和失代偿肝硬化、门静脉高压、非酒精性脂肪肝等）的诊断与评估。在区分肝脏良恶性病变时，MRE可能优于扩散加权成像，以4.54kPa为临界值，ROC下面积分别为0.98、0.82（P=0.002）。也有学者将MRE应用于儿童脑白质和灰质的硬度测量，并确定这些性质在整个正常发育过程中是否变化，也证实了儿童脑白质和灰质硬度值与成人相似，在儿童头部MRE中，可以用成人的相关参数值作为基线测量，对儿童的脑白质和灰质病变诊断有一定的提示意义。但因目前的技术限制，使得参数拟合模型、序列设置、射频脉冲、图像质量等多种因素都还有待进一步优化和提高。如何统一规范化的扫描序列，提高疾病诊断准确度，是未来需要关注的问题。

6．人工智能（artificialintelligence，AI）与5G：目前，结合基于大数据与深度学习技术的AI算法，可根据患者的性别、年龄和体位，自动根据扫描协议精准匹配扫描部位，达到系统智能判别，每次操作激发系统提前准备下一步操作。该算法优化检查流程、提高扫描速度，覆盖人体CT日常扫描范围的70%部位，并在临