成像技术与临床应用ppt课件

绪论 第一章 成像技术与临床 应用 1.1 X线成像 1.2 CT成像 1.3 MRI成像 1.4 超声成像 1.5 图像解读与形象诊断思维 1.6 图像存档和传输系统与信息放射学 1 绪论 医学影像检查技术 是应用临床医学影像成 像设备，对病人进行检查并获得影像诊断 医生所需资料的检查技术。 医学影像检查技术主要包括内容： 1. X线检查技术 2. CT检查技术 3. MR检查技术 4. 超声检查技术 5. 核医学成像检查技术 6. 图像存档和传输系统（ PACS） 2 1.1 X线成像 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线计算机断层扫描设备（ X线 CT）等 。 1.1.1 X线的特征 1.1.2 X线的成像原理 1.1.3 计算机 X线摄影（ CR） 1.1.4 直接数字化 X线摄影系统（ DR） 1.1.5 数字减影血管造影（ DSA） 1.1.6 X线检查技术 3 1.1.1 X线的特征 4 1.1.1 X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 31016 31020 Hz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 0.031nm 5 1.1.1 X线的特征 （ 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 6 1.1.1 X线的特征 （ 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。 7 1.1.1 X线的特征 （ 3） X射 线 的感光作用 涂有溴化银的胶片，经 X线照射后，可以感光，产 生潜影，经显、定影处理，感光的溴化银中的银离子 (Ag+)被还原成金属银 (Ag)，并沉淀于胶片的胶膜内。 此金属银的微粒，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银 ，在定影及冲洗过程中，从 X线胶片上被洗掉，因而显 出胶片片基的透明本色。 依金属银沉淀的多少，便产生 了黑和白的影像。所以，感光效应是 X线成像的基础。 8 1.1.1 X线的特征 （ 4） 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 。 （ 5） 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 。 9 1.1.2 X线 的成像原理 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- ray tube，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。 10 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。 1.1.2 X线 的成像原理 11 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。 1.1.2 X线 的成像原理 12 人体不同密度组织与 X线成像的关系 1.1.2 X线 的成像原理 13 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 1.1.2 X线 的成像原理 14 2. X射线人体成像 （ 2） X射线的采集与显示 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（ latent image）。 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。 1.1.2 X线 的成像原理 15 2. X射线人体成像 （ 2） X射线的采集与显示 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（ intensifying screen）之间 ，然后进行曝 光。 1.1.2 X线 的成像原理 16 2. X射线人体成像 （ 2） X射线的采集与显示 X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。 1.1.2 X线 的成像原理 17 计算机 X线摄影 （ Computed Radiography， CR） 是将 X线透过人体后的信息记录在成像板（ Image Plate， 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 。 1.1.3 计算机 X线摄影（ CR） 18 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）光激发发光物质层。 （ 3）基板（支持体）。 （ 4）背面保护层。 1.1.3 计算机 X线摄影（ CR） 19 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： 宽容度大，摄影 条件易选择。 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。 影像清晰度较普通片高。 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。 可进行图像传输、存储。 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。 1.1.3 计算机 X线摄影（ CR） 20 直接数字化 X射线摄影 （ Digital Radiography， 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（ flat panel detector， 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 1.1.4 直接数字化 X线摄影系统（ DR） 21 （ 3） DR与 CR成像技术的比较 1.1.4 直接数字化 X线摄影系统（ DR） 22 1.1.5 数字减影血管造影（ DSA） DSA是通过计算机处理数字影像信息，消 除骨骼和软组织影像，使血管清晰显影的 成像技术。 DSA在使用时 采用的方法 有三种 :时间减影 、 能量减影 和 混合减影 。 23 1.1.6 X线检查技术 X线图像是由从黑到白不同灰度的影像所 组成。这些不同灰度的影像反映了人体组 织结构的解剖及病理状态。这就是赖以进 行 X线检查的自然对比。对于缺乏自然对 比的组织或器官，可人为地引入一定量的 在密度上高于或低于它的物质，便产生人 工对比。因此，自然对比和人工对比是 X 线检查的基础。 24 1.1.6 X线检查技术 1.普通检查 荧光透视 ：简称透视。透视的主要 优点 是可转动患者体 位，改变方向进行观察；了解器官的动态变化，如心、 大血管搏动、膈运动及胃肠蠕动等；透视的设备简单， 操作方便，费用较低，可立即得出结论等。主要 缺点 是 荧屏亮度较低，影像对比度及清晰度较差，难于观察密 度与厚度差别较少的器官以及密度与厚度较大的部位。 例如头颅、腹部、脊柱、骨盆等部位均不适宜透视。另 外，缺乏客观记录也是一个重要缺点。 X线摄影 ：所得照片常称平片。这是应用最广泛的检查 方法。 优点 是成像清晰，对比度及清晰度均较好；不难 使密度、厚度较大或密度、厚度差异较小部位的病变显 影；可作为客观记录，便于复查时对照和会诊。 缺点 是 每一照片仅是一个方位和一瞬间的 X线影像，为建立立 体概念，常需作互相垂直的两个方位摄影，例如正位及 侧位；对功能方面的观察，不及透视方便和直接；费用 比透视稍高。 25 1.1.6 X线检查技术 2.特殊检查 软线摄影：采用能发射软 X线的钼靶管球，用以检查软 组织，特别是乳腺的检查。 3.造影检查 人体组织结构中，有相当一部分，只依靠它们本身的密 度与厚度差异不能在普通检查中显示。此时，可以将高 于或低于该组织结构的物质引入器官内或周围间隙，使 之产生对比以显影，此即造影检查。引入的物质称为造 影剂。造影检查的应用，显著扩大了 X线检查的范围。 26 1.1.6 X线检查技术 造影剂 按密度高低分为高密度造影和低密度造影剂 （ 1）高密度造影剂 为原子序数高、比重大 的物质。常用的有钡剂和碘剂 （ 2）低密度造影剂 为原子序数低、比重小 的物质。目前应用于临床的有二氧化碳、 氧气、空气等。 27 1.1.6 X线检查技术 造影方式 （ 1）直接引入 包括以下几种方式； 口服法：食管及 胃肠钡餐检查； 灌注法：钡剂灌肠，支气管造影，逆 行胆道造影，逆行泌尿道造影，瘘管、脓腔造影及子宫 输卵管造影等； 穿剌注入法：可直接或经导管注入器 官或组织内，如心血管造影，关节造影和脊髓造影等。 （ 2）间接引入 造影剂先被引入某一特定组织或器官内 ，后经吸收并聚集于欲造影的某一器官内，从而使之显 影。包括吸收性与排泄性两类。吸收性如淋巴管造影。 排泄性如静脉胆道造影或静脉肾盂造影和口服法胆襄造 影等。前二者是经静脉注入造影剂后，造影剂聚集于肝 、肾，再排泄入胆管或泌尿道内。后者是口服造影剂后 ，造影剂经肠道吸收进入血循环，再到肝胆并排入胆襄 内，即在蓄积过程中摄影，现已少用。 28 1.2 CT成像 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 1.2.1 CT成像基本原理及设备 1.2.2 CT图像特点 1.2.3 CT检查技术 1.1.4 CT诊断的临床应用 29 1.2 CT成像 N Housfield 科马克 30 1.2.1 CT成像基本原理与设备 1 CT成像的基本原理 利用高度准直 X线束环绕人体某一部位 ,并以一定层厚的 层面进行 断层扫描 ,部分 X线光子被组织器官吸收 ,X线强 度因而衰减 ,未被吸收的 X线光子穿透人体 后 ,由探测器接 收 ,将其 转变为可见光 后 ,经放大由光电转换器 转变为电 信号 ,再经模拟 /数字转换器 转为数字信号 ,输入计算机进 行运算处理。 31 图象形成过程 : CT每扫描一次，即可得到 一个方程 ，经过若干 次扫描，即得到一 联立方程 。经过计算机运算 （傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联 立方程，从而 求出每个体素的 X线吸收系数或衰 减系数 ，将其排列成 数字矩阵 （ digital matrix ），数字矩阵经过数字 /模拟转换器（ D/A）把 数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰 度的小方块，即 像素 （ pixel），也按矩阵排列 ，即构成了 CT图像。 1.2.1 CT成像基本原理与设备 32 1.2.1 CT成像基本原理与设备 高压发生器 X线球管 人体模型 探测器群 操作控制台 多幅激光照相机 电子计算机 模数转换器 内外存储器 CRT显示器 CT影像设备的基本结构与工作原理流程 33 2 CT影像设备的组成 CT机主要分以下三部分：即 扫描系统（ X线管、探测器和扫描架） ; 计算机系统（数据储存、运算等） ; 图像显示和存储、照相系统。 1.2.1 CT成像基本原理与设备 34 3.螺旋 CT原理 螺旋 扫 描 是指在 扫 描期 间 ， X线 管 连续 旋 转 并 产 生 X线 束，同 时扫 描床在 纵轴 方向 连续 移 动 ， 这样 ， 扫 描区域 X线 束 进 行的 轨 迹相 对 被 检查 者而言呈螺旋 运 动 ， 扫 描 轨 迹 为 螺旋形曲 线 ， 这样 可以一次收集到 扫 描范 围 内全部容 积 的数据，所以也称 为 螺旋容 积扫 描。 螺旋 CT扫 描装置包括探 测 器、 X线 管滑 环 、机架 与 检查 床、控制台与 计 算机。其中 滑 环 技 术 是螺旋 扫 描的基 础 ，螺旋 扫 描是通 过 滑 环 技 术 与 扫 描床的 连续 移 动 相 结 合而 实现 的。 1.2.1 CT成像基本原理与设备 35 多层螺旋 CT，又称多层 CT。 它的结构特 点是具备多排检测器和多个数据采集系统 。 1.2.1 CT成像基本原理与设备 36 多 层 螺旋 CT扫 描特点 ： （ 1）降低 X射 线 球管 损 耗。 （ 2） 扫 描覆盖范 围 更 长 。 （ 3） 扫 描 时间 更短。 （ 4） 扫 描 层 厚更薄。 1.2.1 CT成像基本原理与设备 37 CT值： 是 CT图像中各种组织与 X线吸收系数（ 值）相当的对应值，它是从人体组织器官的 值换算出来的。 CT值 =(-w) /wa ，其中 和 w分别为受检物和水的吸收系数（ 骨皮质吸收 系数为 2.0，空气吸收系数为 0，水的吸收系数 为 1.0）， a为分度因数。 一般将人体组织 CT值划分为 2000个单位（ HU ），最上界为 骨 +1000HU，最下界为 空气 - 1000Hu， 水的理想 CT值为 0。 CT值不是绝对不 变的数值，与 X线管电压、 CT设备、扫描层厚 等因素有关。 CT值有助于大致判断组织类型 ， 从而有助于提示疾病的诊断。 1.2.2 CT图像特点 38 普通 CT扫描 分平扫、对比增强扫描、造影扫描 1.2.3 CT检查技术 39 中枢神经系统疾病 的螺旋 CT诊断价值很高，其应用最早，也最普 遍，如颅脑肿瘤、脑外伤、脑梗死及脑出血以及椎管内肿瘤和椎间 盘突出等的诊断均有很高的价值。 对头颈部疾病的 CT诊断 也很有价值，如眼眶肿瘤、鼻窦疾病、中 耳及乳突疾病等。 胸部 由于具有优良的天然对比，螺旋 CT诊断的价值日益显出优越 性，尤其是 HRCT的应用，对于早期肺肿瘤、肺小结节病变以及肺 间质病变与肺功能的评价均有很大的诊断价值，有成为肺脏疾病常 规影像检查的趋势。 腹部及盆腔疾病 的 CT诊断也应用日益广泛，主要应用于肝脏、胆 道、胰腺、脾脏、腹腔与腹膜后腔以及泌尿和生殖系统疾病的诊断 ；但螺旋 CT技术在胃肠道等管腔脏器疾病的检查中，尤其是对早 期病变的显示和诊断还有一定的限度。 骨骼肌肉系统 疾病多通过 X线检查即可以明确诊断， CT应用相对较 少，但对于肿瘤病变的观察和解剖结构复杂部位骨折的显示可以选 择应用 CT检查。 CT检查是属于有一定 X射线辐射的技术方法，在临床应用中应掌 握防护的原则，如时间防护、距离防护及屏蔽防护等。 1.2.4 CT诊断的临床应用 40 磁共振成像 （ magnetic resonance imaging, MRI ）是一多种特征参数、多种靶位核素的成像技 术 。 磁共振成像基本原理 : 利用特定 频 率的 电 磁波，向在磁 场 中的人体 进 行照射，人体内各种不同 组织 的 氢 核在 电 磁波 的作用下会 发 生核磁共振，并吸收 电 磁波的能 量，随后再 发 射出 电 磁波， MRI系 统 接收 电 磁 波 经过计 算机 处 理和 图 像重建，即可得到人体 的断 层图 像。 1.3 MRI成像 41 在磁场中旋转的原子核有一个特点，即可以 吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使 原子核的能量增加，当原子核恢复原状时 ，就会把多余的能量以电磁波的形式释放 出来。这种现象称为 磁共振现象 (magnetic resonance， MR)。 1.3 MRI成像 42 MRI成像方法是将检查层面分成体素信息 ，用接收器收集信息，数字化后输入计算 机处理，同时获得每个体素的 T1（ 纵向弛豫时 间，指高能态的核将其能量转移到周围分子而转变成热运动，从而 恢复到低能态的过程所需要的时间 ）值与 T2（ 横向弛豫时间 ，通过相邻的同种核之间的能量交换来实现，反映横向磁化衰减、 丧失的过程所需要的时间 ）值，用转换器将每个 T 值转为模拟灰度，而重建图像。当 MRI应 用于人体成像时，由于人体各组织与器官 的 T值不同，从而形成不同的影像。 1.3 MRI成像 43 MRI成像的指 导 思想是 用磁 场值 来 标 定受 检 体共振核的空 间 位 置。 （ 1） 层 面的 选择 将待 测 物体置于一均匀 磁 场 B0中， 设 磁 场 方向 是 Z轴 方向，在均匀磁 场 的基 础 上，再叠加一相 同方向的 线 性梯度 场 GZ 使磁感 应 强 度沿 Z轴 方 向由小到大均匀改 变 。 1.3 MRI成像 X YX Z B0 GZ 层面的选择 44 （ 2）编码 编码是将研究的 物体 断层分为若干个体素， 对每个体素标定一个记 号 ，常用 nz ny nx来标 定层面每个体素的标号 。经过选片后取出层面 的若干个体素，由于整 个层面处于相同的磁场 中，故每个体素中的磁 矩在磁场中旋进的频率 和相位均相同。 目前 MRI使用的是频率与 相位二种编码方法。 1.3 MRI成像 X YX Z B0 GZ 选片后层面的若干个体素 45 （ 3）图像重建 经过选片、相位编码和频率编码，可以对整个 层面的体素进行标定。由于观测层面中的磁矩 是在 RF脉冲激励下旋进，因此停止 RF脉冲照射 时，各体素的磁矩在回到平衡态的过程中，磁 矩的方向发生变化，在接收线圈中可以感应出 这种由于磁矩取向变化所产生的信号。这种感 应信号是各个体素带有相位和频率特征的 MR信 号的总和。为取得层面各体素 MR信号的大小， 需要根据信号所携带的相位编码和频率编码的 特征，把各体素的信号分离出来，这一过程称 为解码，由计算机完成。 1.3 MRI成像 46 2. 人体的磁共振成像 氢 核 是人体 MRI的首 选 核种。 (人体内水分子中的氢原子 可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布 的信息，从而精确绘制人体内部结构 ) 除了 氢 核密度可以作 为 成像特征信息外，人体不同 组 织 的 T1、 T2值 也可以提供 诊 断依据。 人体 组织 的 MR信号 强 度取决于 该组织 中的 氢 核密度 及其 氢 核周 围 的 环 境。 T1、 T2反映了 氢 核周 围环 境的信息。 换 句 话说 ， 人 体不同 组织 之 间 、正常 组织 与 该组织 中的病 变组织 之 间氢 核密度 、 T1和 T2三个参数的差异及 变 化 ，是 MRI 用于 临 床 诊 断最主要的物理学依据。 1.3 MRI成像 47 磁共振成像系统主要由 磁场系统 、 射频系统 、 图 像重建系统 三大部分组成。 1. 磁场系统 （ 1）静磁 场 。 （ 2）梯度磁 场 。 （ 3） 场 强 与精度。 2. 射频系统 （ 1）射 频发 生器。 （ 2）射 频 接收器。 1.3 MRI成像 48 一、灰阶成像 MRI的影像虽然也以不同灰度显示，但反映的是 MR信号强度的不同或 弛豫时间 T1与 T2的长短，而不象 CT图象，灰度反映的是组织密度 。 MRI的图像如主要反映组织间 T1特征参数时，为 T1加权象（ T1weighted image， T1WI），它反映的是组织间 T1的差别。如主 要反映组织间 T2特征参数时，则为 T2加权像（ T2weighted image ， T2WI）。 因此，一个层面可有 T1WI和 T2WI两种扫描成像方法。分别获 得 T1WI与 T2WI有助于显示正常组织与病变组织。正常组织，如脑 神经各种软组织间 T1差别明显，所以 T1WI有利于观察解剖结构， 而 T2WI则对显示病变组织较好。 在 T1WI上，脂肪 T1短， MR信号强，影像白；脑与肌肉 T1居 中，影像灰；脑脊液 T1长；骨与空气含氢量少， MR信号弱，影