数字化影像设备的学习

数字化影像设备技术与临床 一、医学影像数字化设备 自 1895 年伦琴发现 X 线至今，影响医学已 经为人类的防病治病 做出了巨大的贡献，今天的放射学数字化进程已不再是一种单纯的技 术，而是放射医师必须掌握的基本知识、基本技能和诊断手段。现在应 用于临床医学的数字化影响设备有： 1、X 线机：传统 X 线检查的必备设备。主要用于胸、腹部透视、消化 道钡餐检查、空气灌肠和常规 X 线摄片（屏胶 组合）。现已有全数字化 X 线机用于胃肠造影（DSI）、数字减影血管造影（DSA）和直接数字化 X 线（DR）， 还有一些专 用数字化 X 线机，如钼靶机等。 2、CR：计算机 X 线摄影，利用影像信息记录板（IP）存储于 X 线穿 透人体所产生的潜影，用激光扫描读取时 IP 发出辉尽性荧光，被自由 跟踪的集光器收集，经光电转换器转换成电信号，经放大再由模拟/数 字转换器转换成影像信息，输入图像后处理工作站作灰阶和窗位调整， 打印出符合诊断要求的激光相片，最后再把数据存储。在医学数字化方 面，CR 系统首先降低了 X 线的照射剂量，且其 IP 结构同照片暗盒，可 与原有的 X 线摄影设备匹配工作，放射技师 无需训练即可操作。CR 将 放射科的一切摄片检查均实现了数字化：血管造影、乳腺摄影、床边摄 影等。CR 还具有多种后 处理功能，如病灶测 量、局部放大、 对比度翻转、 影像边缘增强和多幅显示等，扩大了诊断信息量，提高了照片对比度， 降低了废片率，也减轻了工作人员的劳动强度。 3、DR：直接数字板 X 线成像，是近几年才发展起来的全新的数字 2 化成像技术。平板数字探测器（FP）将 X 线信号直接迅速转变为可视信 号。FP 有直接方式与间接方式两种类型。直接方式的 检测元件多用无 定形硅加薄膜晶体管，因检测器晶体的厚度较薄，转换速度快，但直接 方式 FP 的量子检测效率（ DQE）略低于间接方式，应用中需使用高电压， 导致噪声增加，但其空间分辨率优于间接方式。间接方式 FP 采用碘化 铯或硫氧化轧，其稳定性较好，但其空间分辨率比直接方式略差。FP 代 替了传统 X 线设备中由影像增强器、摄想头 、光电系统和模/ 数转换器 等结构的影像链。直接数字化取代模/数转换器而避免了影像链上诸多 环节对影像产生的影响，减少了图像的噪音和失真，提高了影像的对比 度和分辨率。 4、DSA：数字减影血管造影，分传统血管造影和 DSA，两者手术操 作方法基本相同，前者直接在 X 线胶片上显 示血管影像，DSA 是通过 计算机处理后的数字化影像。DSA 的基本原理是将不透 X 线的造影剂 注入血管后，把探测到的 X 线信息输入计算机，模 /数转换器将模拟信 号数字化，在造影剂抵达感兴趣区前摄取的无血管影像作为“蒙片” ，在 造影剂抵达感兴趣区时摄取的含血管的影像作为“被减影片” ，将蒙片 与被减影片的数据相减，去除背景结构的影像数据，在经模/数转换器 将数字信号还原成图像，即产生了只显示血管影像的减影片。DSA 的 FP 和 CR 的 IP 一样，也有直接和间接两种方式。直接和 间接型 FP 其 时间分辨率均可达到 7.5 帧/秒到 30 帧/秒，足以满足血管造影的要求。 随着图像处理技术的进步，实时减影功能已普及，最新研制的快速旋转 三维成像技术，四维导航仿真内窥镜技术，能量减影技术等也在逐步进 3 入实用阶段。 5、US:超声诊断技术,以超声波为能量 ,其机械波动频率 2104- 21010Hz 之间。50 年代用于临床的 A 型超声（示波诊断），以波高表示 回波幅度，探头在一个位置上只能探测组织器官的一条线，即反映人体 组织空间的一维信息。70 年代超声显像（B 型超声诊断），以亮度表示 回波幅度，实时 B 超能以黑白 图像观察人体器官的动态二维图像，可 做纵、横、斜切面的扫查。 图像清楚直观，大大提高了诊断准确性。80 年代兴起的超声多普勒显像（D 型超声诊断），利用多普勒信号 传递人 体组织的运动信息，使多普勒血流显像技术结合二维超声检查，提高了 对疾病的诊断与鉴别诊断能力。彩超技术的发展和数字扫描变换器及 数字波束形成器的应用，标志着超声诊断设备经历过模拟、模拟和数字 混合及全数字化三个发展阶段。数字波束形成器延迟精度高，系统活动 度大，稳定性能好，因而获得比模拟方式更清晰的图像。现在普及应用 的彩超，有以 B 模式和彩色血流土 组合的双套工作系统，并可有 M 模 式提供组织截面的时间活动曲线，D 模式获 取组织空间一维运动信息 及其他超声诊断模式，使彩超成为既可了解人体解剖学信息，又可了解 组织运动学信息的设备。自 90 年代起借助计算机图像处理技术，在采 集二维图像的同时，采集与该图像有关处理的位置信息，将图像与位置 信息同步输入计算机，并重建出三维超声图像。由于图像处理速度与信 息存储量大大提高，三维成像技术发展迅速，动态三维成像主要观察心 脏及血流情况。静态三维成像主要观察活动幅度较小的脏器，如眼球、 肝脏、膀胱等。 4 6、CT：计算机断层摄影，以 X 线作为 能量源，1973 年 CT 的问世从 根本上改变了 X 线诊断面貌，开创了影像医学向数字化 发展的先河。 80 年代后期，CT 技术趋向于成熟，滑环技术和螺旋扫描不但缩短了扫 描时间，同时提供了高质量的图像。重建技术、灌注城厢、仿真内窥镜 等已被普遍应用。近几年推出的多层面螺旋 CT，代表着更高的水平。 多层 CT 横断扫描所获取的各向同性三维数据，可进行多种方向重建。 多层面螺旋 CT 覆盖范围扩大，20 秒左右即可完成胸腹部扫描。扫描速 度的加快，对搏动的心脏和蠕动的胃肠道也可以进行 CT 检查。其微创 与操作的简便，易于病人接受，现被广泛用于体检和冠心病的检查。 7、EBCT（EBT）：又称电子束 CT，是 CT 的一种特殊类型。1983 年 首先在美国用于临床。现全球装机近 200 台，中国不足 10 台。EBCT 与 常规的 CT 的主要区别在于 X 线的产生源。常规 CT 是用 X 线球管发 射 X 线，由扫描架环绕患者做机械性往复运 动，实现对器官的扫描。 EBCT 则是由电子枪发 射电子束，通过电子枪内的偏转线圈使电子束 轰击扫描架上的钨靶环，产生往返运动的 X 线束，对靶器官进行扫描。 由于 EBCT 电子束扫描 钨靶环的速度远高于普通 CT 扫描架的机械旋 转运动，所以 EBCT 的成像 时间缩短至 0.1 秒左右，因而用 EBCT 检查 运动中的器官，如心脏大血管，均能得到清楚的图像，实现了电影 CT， 带来 CT 的又一次革命。EBCT 的主要检查方式有容积扫描、电影检查 及血流检查，也有平扫和增强两种扫描方式。EBCT 所提供的高空间、 高时间分辨率的图像，能清楚观察主动脉、肺动脉和冠状动脉的结构形 态，并可获得器官组织的灌注及血流动力学资料，实现了实时电影对心 5 脏大血管的检查。 8、MRI：磁共振成像，以外加磁场为能量源，即把人体置于磁场内， 细胞核中的质子在高频无线电波作用下能够产生的核磁共振现象用于 临床医学的一种影像学检查方法。以外加磁场能量大小分超低磁场 （0.1T）、低磁 场（ 0.5T）、中磁场（1T）、高磁场（1.5T）。磁体则有永 磁、常导和超导的差别。1980 年世界首台商用 MRI 问世，近年来，MR 在磁场强度方面趋向于向低场强（0.3T）极高场强（3.0 T）发展，由于电 子学、梯度场及射频场的开发应用，扩大了 MR 的应用范围。此外， MRI 具有任意方向直接切层成像，无观察死角。 二、医学影像数字化技术的进步推动了临床医学的发展 影像医学设备的数字化使信息量成千万倍增加，影像诊断以从大 体形学向生理性、功能性、代谢性和基因城厢技术过渡。现在医学影像 数字化诊断中最常用的成像技术有： 1、双能量减影：是 DR、CR 的一种摄影技 术。其原理是利用骨骼和 软组织对 X 线光子能量的吸收（或称衰减）方式不同。 X 线光子穿越人 体时的能量衰减主要发生在光电吸收效应和康普敦散射效应。前者是 不同能量的 X 线光子穿越人体时大部分被原子量大的骨骼、 钙化或碘 造影剂等物质吸收。X 线光子的能量越低，光 电吸收效应越明显；而后 者的 X 线光子的能量衰减与组织的原子量大小无关，在很大范 围内与 X 线光子的能量大小关系也不大。入射光子和 电子碰撞将一部分能量 给予电子，入射光子损失部分后，改变原来行进方向后成为散射线。随 意在投照后处理过程中，通过计算机将两种效应信息分离，选择性地去 6 除骨骼或软组织的衰减信息，则可获得体现组织化学结构成分的所谓 组织特性图像软组织像和骨骼像。DR 是根据 X 线球管以不同的输 出能量，在间隔仅为 200 毫秒的时间内一次屏气对被摄物体进行两次 独立的曝光，获得两幅图像数据。CR 的双能量减影是一次曝光法，即 在特制的暗盒内放两块 IP，中间用 2mm 厚薄铜板隔开，使低 剂量 X 线 在前 IP 板成像，而高能量 X 线在后 IP 成像，然后 经计算机进行信息处 理得到“骨肉分离 ”的减影 图像。双能量减影所 获得的骨骼像对相当厚 度（至少是 11.6cm）的软组织变化不敏感，而检出钙化的敏感性和正确 性却非常高，能检出 125mg/cm3 以上的含钙量，大大提高了医生肯定或 否定肺结节有无钙化的判断能力。 2、CTA：CT 血管造影检查，是螺旋 CT 问世后产生的一种非创伤性 血管造影方法。基本原理是经静脉团注射造影剂，在受检血管内造影剂 充盈达高峰时进行快速扫描，连续采集原始数据，利用计算机的后处理 功能重建出血管的立体造影所见。目前很多 CT 都配有造影剂示踪软 件，但靶血管造影达峰值时间受到病情、心脏功能、体重及造影剂注射 速度、位置、造影剂自身性质和阀值选择时限等诸多因素影响，仍有可 能错过最佳扫描时间。 3、MRA：磁共振血管成像，是利用磁共振技术对血流及血管形态的 显示，以其是否注射造影剂分为常规 MRA 和造影剂增强首次通过法 MRA 两种方法。常规 MRA 不用造影剂，利用 MR 的流动效应来显示 血管，基本原理是流动相关效应和流动相位效应。流动相关效应利用时 间飞跃法成像，即利用 MR 纵向磁化矢量成像，对快速血流敏感。相位 7 改变效应利用相位对比法成像，即利用 MR 横向磁矩成像，对极慢血 流敏感，能区分血管闭塞和极慢血流。造影剂增强首次通过法 MRA， 又称三维对比增强磁共振血管造影（3D CE MRA），是近几年伴随着 MR 超快速 扫描技术的 进展而产生的一种血管成像方法，在经静脉团 注射后通过调整扫描时间，一次屏气完成三维数据采集，可分别获得动 脉、静脉或毛细血管图像，造影增强 MRA 受到医学影像学家的普遍重 视，除可对血管性疾病进行形态诊断外，还可获得血管内的血流信息， 如血流速度、血流方向和血流量等，对多种疾病的诊断和鉴别均发挥了 重要作用。 4、计算机重建技术：此项技术应用极为普遍，是多种数字化设备所 比备的功能。如 DR、DSA、CT、MR、US、PET 等。我们将各种数字化 设备采集数据而变成成像数据的过程称为重建。最初采集的每个体素 X 线值称为原始数据，而经计算机处理后按一定大小排列成矩 阵的数 据则称为显示数据，在这方面各个厂家都是根据各自的扫描方式和数 学计算模式实际出不同类型的专用计算机。重建可全面观察病变的形 态、大小、解剖部位和内部结构，根据不同的需要重建方法有：最大 强度摄影（MIP ）：用线轨迹追踪法，把沿预定方向的平行线上所遇到的 高密度影作为图像像素，然后把原始数据进行叠加所获得的投影图像。 多平面重建（MPR）：在 MIP 投影图上根据观察要求对感兴趣区进行 不同角度、不同平面切割所获得的重建图像。这种技术可去除周围因素 影响，直接观察感兴趣区的内部结构，如血管腔内变化情况等并能跟踪 病变走行，将长而迂曲的的血管显示在一幅图像上。表面阴影重建 8 （SSD）：又称三维外表面重建.利用视点追踪 线选择可视体素,通过阀值 技术见选者的体素作为表面获得的线折射算法重建图像，以观察管腔 外壁的立体结构,但不能提供腔内信息。仿真内窥镜表面重建（VE ）： 利用三维重建的 SSD 和二维重建的 MIP 原理，以数学模 拟方式对管腔 表面像素成像，再调节阀值和视野。 5、仿真内窥镜技术（VE）：是以 CT 或 MRI 资料为资源数据，以模 拟光学内窥镜的方式，获得人体腔道内或动态三维影像解剖学的一种 方法。VE 的影像质量取决于影像数据源质量和 导航重组技巧。同一影 像资源，阀值和视角的不同，VE 图像也不同，且管腔及病 变形态，大小 也随之改变，直至消失而造成假象。所以 VE 重组时宜同时附上横断及 冠状、矢状三个方向的导航路标图，以判断其影像来源，同时必须和横 断面图像、多平面容积重建图像的综合分析，才能提高诊断的敏感度和 特异性。 6、灌注成像:是获得或体组织微循环血流信息的一种 检查方法，是 多种数字化影响设备所具有的功能，多用于 CT、MR、SPECT 等。MR 对心、脑的血流灌注日趋成熟，国内外应用已较为普遍。CT 灌注成像 是基于造影剂具有同位素的弥散特点，并给予色阶赋值形成灌注色彩 成像，力求通过量化标识的方式反映病灶内部的血流特点和血管特性， 以期鉴别病变的良恶性和预测其恶性程度以及转归等。CT 灌注成像是 在静脉团注射造影剂后，对选定层面进行同层动态扫描，从而获得该层 面的每一像素进出造影剂的“时间密度曲线” ，依据此曲线利用不同 的数字模