第一章医学成像技术概论ppt课件

1 1 1 1 1 1 医学成像技术 Medical Imaging Technology 主讲： 廖 小 丽 生命科学与技术学院 2 2 2 2 2 2 课程介绍 医学成像技术作为医学图像研究领域中的一个研 究方向，是物理学、电子技术、计算机技术、工 程数学及材料科学与精细加工等多种高新技术相 互渗透的产物。医学影像由于含有及其丰富的人 体信息，能以非常直观的形式向人们展示人体内 部组织结构、形态或脏器的功能等，因此，医学 成像已成为医学研究及临床诊断中最活跃的领域 之一。 3 3 3 3 3 3 作为生物医学工程专业的一门重要专业核心课程 ，医学成像技术将为学生对实现医学自动化所必 须的图像化诊断提供依据，使学生从医学成像原 理、医学成像设备及医学成像系统分析等方面系 统掌握该研究领域的基础知识，了解该领域的最 新发展方向。 4 4 4 4 4 4 掌握X射线成像、磁共振成像、核医学成像、 超声成像的基本原理，了解各种基本的成像装置 及系统的性能，培养较强的抽象与逻辑思维能力 以及用理论解决实际问题的能力，从而初步具备 研究医学成像方法、系统以及设备的能力。 学习目的： 5 5 5 5 5 5 Main Journals Science Nature IEEE Transaction on Biomedical Engineering IEEE Transaction on Medical Imaging Magnetic Resonance Imaging Medical Physics Physics in Medicine and Biology 6 6 6 6 6 6 参考网站 1、/ 自由软件CTSim 2、/ IEEE Transactions on Medical Imaging杂志的网站 3、/ 中国电子学会主页 4、/ 中国医学影像技术临床医学在线 5、htpt:// 中国放射影像专业网站： 开设影像数据库、影像教学库、远程会诊、资源检索等栏目 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 课时安排 总学时：48学时 课堂讲授：40学时 实验： 8学时 第一章 医学成像技术概论 3学时 第二章 普通X射线成像 8学时 第三章 数字X射线成像 5学时 第四章 X射线计算机体层成像（X-CT) 8学时 第五章 医学磁共振成像 10学时 第六章 核医学成像 6学时 101010101010 考核环节： 平时成绩：20分 半期考试：10分 实 验： 20分 期末考试： 50分 答疑时间：每周二下午 答疑地点：主楼西404 联系方式：电 话E-mail 111111111111 “ “9 9点点” ”问题问题11笔笔4 4线连线连9 9点点 打破常规打破常规 跳出定势跳出定势 121212121212 第一章 医学成像技术概论 问题：什么是医学成像? 医学成像是借助于某种介质（如 X线、电磁场、超声波、 放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织、器官 的形态结构、密度、功能等，以图像的方式表达出来，提供 给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学图像中 所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的 一门科学技术。 131313131313 问题：医学成像的目的是什么？ 通过各种方式探测人体，获得人体内部结构 的形态、功能等信息，将其转变为各种图像显示 出来，进行医学研究和诊断。 141414141414 医学成像及相关的图像处理技术在生 命科学研究、医学诊断、临床治疗等 方面起着重要的作用，X射线、CT、 MRI的发现或发明者获得诺贝尔奖，就 是其重要价值的印证。 151515151515 伦琴夫人的手指 伦琴因发现X射线获得首届诺贝尔物理学奖 。 161616161616 HounsfieldHounsfield和和CormackCormack因发明因发明CTCT获得获得19791979年诺年诺 贝尔医学和生理学奖。贝尔医学和生理学奖。 171717171717 BlochBloch和和PurcellPurcell因发现因发现NMRNMR现象获得现象获得19521952 年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 181818181818 发明发明MRIMRI中中FourierFourier重建方法的重建方法的ErnstErnst获得获得 19911991年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 191919191919 LauterburLauterbur和和MansfieldMansfield因发明因发明MRIMRI方法获得方法获得 20032003年诺贝尔医学和生理学奖。年诺贝尔医学和生理学奖。 202020202020 医学影像学的组成 医学影像学 X线成像 可见光 成像 X线 计算机 体层成像 磁共振 成像 红外、 微波成像 放射性 核素成像 阻抗 成像 超声 成像 212121212121 医学影像学的主要内容 医学影像学 医学影像 成像原理 医学影像 处理技术 医学影像 临床应用技术 图像形成过程 的物理原理 对已获得的图像 作进一步的处理 获得最客观 的诊断及最优治疗 方案的选择、确定 和实施 222222222222 专业现状及发展前景 伦琴（wilhelm konrad Roentgen) 1895年发现X 线以后不久，X线就被用于对人体进行检测，从 而形成了放射诊断学（diagnostic radiology)的 新学科，并奠定了医学影像学（medical imaging)的基础。 232323232323 上世纪5060年代开始应用超声与核素扫描进行人体检 查，出现了超声成像（USG）和闪烁成像（ scientigraphy)。 70年代和80年代相继出现了X线计算机体层成像（X-CT)、 磁共振成像（MRI)和发射体层成像（ECT),包括单光子发射 体层成像（SPECT)与正电子发射体层成像（PET)等新的成 像技术。 242424242424 70年代迅速兴起了介入放射学（interventional radiology)，介入超声和超声组织定位，MRI和CT的立体 组织定位等，以及PET在分子水平上利用影像技术研究人体 心、脑代谢和受体功能，大大扩展了本专业的应用领域。 近年来，我国医学影像学发展非常迅速，医学影像设 备不断更新，检查技术不断完善，介入治疗的效果已提高到 一个新的水平，并有力地促进了临床医学的发展。 252525252525 现在，除了X线诊断设备外，USG、CT等已在较多医 疗单位应用，PET、X-刀、全身刀等也在较高的医疗中 心使用。作为学术团体的中华医学会放射、超声、磁共振 等有力地推动了国内和国际地学术交流，世界性的北美放 射学会也代表了世界医学影像学最高水平。 我国医学影像学高等教育已开展十余年，是目前发展 较快的一门学科。“全国高等医学影像教育研究会”于 1999年8月23日在天津正式成立，这可以说是我国医学影 像学高等教育发展史中的里程碑。 262626262626 我国医学成像设备的发展 1951年 上海精密医疗器械厂试制第一台X线机 1983年 第一台颅脑CT试制成功 1988年 第二代颅脑 CT问世 1990年 第三代全身CT装置研究成功 近期 永磁型和超导型MRI,X-刀,全身刀等设备 272727272727 百闻不如一见 One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous 282828282828 X片(X-ray Film) 292929292929 CT (Computerized Tomography) 303030303030 CT 313131313131 MRI (Magnetic Resonan Imagceing) 323232323232 PET (Positron Emission Computerized Tomo.) 333333333333 Ultrasound Imaging 343434343434 快乐地学习 有兴趣才有乐趣！ 有了乐趣，学习就不再成为一种负担！ 培养兴趣比多掌握几个公式更重要！ 学习成为乐趣，教师就可以下课了！ 353535353535 第一节 医学成像技术的分类 按其成像原理和技术的不同，分为两大领域： 一、以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微 图像学(biomedical microimaging,BMMI) 二、以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现代医学 影像学(modern medical imaging,MMI) 363636363636 现代医学成像按其信息载体可分为以下几种基本类型： （1）X线成像：测量穿过人体组织、器官后的X线强度； （2）磁共振成像：测量人体组织中同类元素原子核的磁共振信号； （3）核素成像：测量放射性药物在体内放射出的射线； （4）超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波； （5）光学成像：直接利用光学及电视技术，观察人体器官形态； （6）红外、微波成像：测量体表的红外信号和体内的微波辐射信 号。 373737373737 一、X线成像 X线投照 383838383838 1901 1901 伦琴伦琴 (Roentgen)(Roentgen)发现发现X X射线射线(1895)(1895) 1914 1914 劳厄（劳厄（LaueLaue）晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射 1915 1915 布拉格父子布拉格父子 (Bragg)(Bragg)分析晶体结构分析晶体结构 19171917 巴克拉巴克拉 (Barkla)(Barkla)发现元素的标识发现元素的标识X X射线射线 1924 1924 塞格巴恩塞格巴恩 (Siegbahn )(Siegbahn )X X射线光谱学射线光谱学 1927 1927 康普顿康普顿(Compton(Compton等六人等六人) ) 康普顿效应康普顿效应 1936 1936 德拜德拜 (Debye) (Debye) 化学化学 1946 1946 马勒马勒 (Muller) (Muller) 医学医学 19621962 沃生沃生(Wason(Wason等三人等三人) )医学医学 1964 1964 霍奇金霍奇金 (Hodgkin) (Hodgkin) 化学化学 1979 1979 柯马克和豪森菲尔德（柯马克和豪森菲尔德（Cormack/HounsfieldCormack/Hounsfield） 医学医学 1981 1981 塞格巴恩塞格巴恩(Siegbahn) (Siegbahn) 物理物理 同X射线有关的诺贝尔奖 393939393939 诊断用X线机分类 (1) 透视用X线机 (2) 普通摄影用X线机 (3) 消化道造影用X线机 (4) 胸部摄影用X线机 (5) 心血管造影用X线机 (6)其他 404040404040 414141414141 X射线诊断系统 424242424242 数字血管减影系统 _计算机与常规X线血管造影的结合 减影技术的基本内容: 把人体同一部位的两帧影像相减,从而得出其差值 部分，减影像中骨骼和软组织等背景影像被消除，只 留下含有造影剂的血管影像。 434343434343 444444444444 454545454545 GE 1250MA心血管造影机 464646464646 移动式C型臂手术X线机 474747474747 冠状动脉X光介入治疗术 484848484848 数字X线影像设备 CR（Computed Radiography)系统 494949494949 DR（Digital Radiography ）数字放射摄影系统 Direct Ray X光直接数字成像采集系统 505050505050 X射线计算机断层成像(X-CT) 1. 历史的回顾：CT的发展 1895年 伦琴发现X线,为CT诞生打下基础。 1917年 奥地利数学家J.H.Radon提出图像重建理论的 数学方法。 1963年 A.M.Cormack描述了计算人体吸收分布特性的 技术方法。 1972年 G.N.Housfield 和J.Ambrose进行了第一次 临床CT检查。 1974年 共安装60台临床CT(头颅CT)。 515151515151 1975年 第一台全身CT投入临床使用。 1979年 Hounsfield 和Cormack荣获诺贝尔医学奖。 1989年 W.A.Kalender和P.Vock进行了第一次螺旋 CT的临床检查。 1998年 多层探测器系统得到应用。 2000年 共安装大约30000台临床CT(全身CT)。 525252525252 东芝螺旋CT 535353535353 545454545454 555555555555 565656565656 575757575757 二、磁共振成像 概述： 磁共振成像（MRI)在显示颅底及后颅凹的疾病上明显地 优于X-CT，是枕骨大孔部位病变最正确的诊断方法，对 脑干、大脑、和脊髓等中枢神经系统的病变有较高的探测 灵敏度。由于MR成像参数较多（原子核密度、纵向驰豫 时间T1和横向弛豫时间T2)，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，因此在临床 上的应用范围在不断扩大。 585858585858 595959595959 三、核医学成像 概述： 核医学成像是一种以脏器内外或脏器内正常组织 与病变之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病 变的显像方法。 606060606060 经典的核医学成像系统 同位素闪烁扫描机 照相机 发射型计算机断层成像（ECT ） 单光子发射型计算机体层（SPECT) 正电子发射型计算机体层（PET） 616161616161 单光子发射计算机断层显像仪（SPECT ） 626262626262 正电子发射型计算机体层成像(PET) 636363636363 四、超声成像 超声成像的发展 1928年 研究超声的生物效应； 1950年 应用A型超声显示仪对人体进行检查； 60年代 应用超声波进行理疗，眼科及牙科手术； 70年代 实时B型超声显像仪应用于临床； 80年代 图像质量大为提高，各种特殊探头出现 彩色多普勒超声诊断仪出现。 646464646464 超声诊断仪的基本结构 超声诊断仪的基本结构包括： 探头、显示器、基本电路 超声诊断仪的类型 A型超声诊断仪（幅度显示） M型超声诊断仪（运动显示） B型超声诊断仪（切面显示） 彩色多普勒超声诊断仪 656565656565 普及型B超 666666666666 便携式B超 676767676767 686868686868 696969696969 707070707070 实例： 717171717171 727272727272 737373737373 747474747474 757575757575 767676767676 第二节 医学成像系统的评价 应从各个不同角度全面分析成像系统的优缺点，并指 明其临床适用范围。 一、电磁波透射成像的分析 医学成像模式的分类 医学影像的获得有赖于某种形式的能量与人体组织 相互作用的物理过程（如X线成像、超声成像、磁 共振成像等） 医学影像是反映人体生命过程中自身发出的某种信 息（如红外成像等） 777777777777 用透射方法成像时，需考虑的主要因素： 分辨力、衰减 从分辨力的角度考虑： 用于成像的辐射波的波长至少应小于1.0cm 从衰减的角度考虑： 若衰减过大，则很难检测到透过人体的射线； 若衰减过小，则不能得到对比清晰的图像。 787878787878 电磁波谱及其用于医学成像的波段 音频射频红外线 可见光紫外线X射线射线 20k20300G 100 0.76 0.4 0.01 100 长 波 中 波 短 波 超短波 微 波 亚毫米波 超长波 放射线设备 使用的频谱 频率 (Hz) 波长 (M) 797979797979 二、超声成像与X线成像的比较 超声波与X线在人体组织中的传播过程不同，因此这 两种成像方式有明显不同的特点： 1、X线波长短（1101251011 m），在人体内 沿直线传播，不受组织差异的影响，图像分辨率高 ；诊断用超声波波长为0.5mm左右，在人体中传播 时将发生衍射，造成图像分辨力降低，这是超声成 像制约因素。 808080808080 2、空气对超声波呈现明显的衰减特性；而空气对X 线的衰减作用可忽略不计。 3、超声成像可直接获取三维空间中某一特定点的信 息，即可方便地获取人体断面图像；而X线难以有选 择地对所指定的平面成像。 818181818181 4、对人体有无危害是它们之间的一个重要区别 。 5、具有各自最适宜的临床应用范围。脉冲回波式 超声适用于腹内软组织结构或心脏的显像，不宜对 胸腔肺部进行检查；X线探查胸腔很成功，但对腹 部检查只能显示极少的器官（若采用X线造影法， 也可有选择地对特定器官显像。） 828282828282 三、形态学成像与功能成像 形态学成像： X线成像显示的是人体结构的解剖学形态，对疾病的诊断主要是根 据形态上的密度变化，较难在病理研究中发挥作用。 功能成像： 放射性同位素能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题。 功能成像一般可分为有源和无源两类。 将某种放射性物质 引入人体内，通过 在体外检测其辐射 能量来判断某个脏 器的功能。 直接检测人体在生命 过程中产生的围绕人 体的物理场及各种辐 射，也可用于脏器功 能的检查。 838383838383 四、对人体的安全性 电离辐射对人体造成的损伤 评价X线与放射性同位素成像给人体造成电离辐射损伤时注 意其差别； X线摄影时，辐射强度相对较大，但照射时间短； 放射性同位素材料浓度虽低，但对人体的照射持续较长时间 ，直至其排出体外或衰变结束。 直接损伤（如局部发红、脱 发、有可能增加某些疾病的 发病率等） 遗传性损伤 848484848484 因此，进行X线检查时应尽可能减少对人体的照射 剂量；选择放射性材料时，应考虑其具有较短的半 衰期。 超声成像无损、无创，特别是对敏感区域，如胎儿 与眼部的检查，比X线安全得多。但对发育初期的 胚胎，也应慎用。 858585858585 四大成像技术比较 成像技术 成像方式 测试对象 观察目的 信息量 成像效果 普通X线 各组织对X线吸收不同 吸收系数 组织形态 大 三维组织成像在二维平面上 CT(适用于脑、 各组织对X线吸收差异； 吸收系数 组织形态 中 二维断面影像；空间分辨力 肾、胆囊、 计算机图像重建与处理 较屏片系统差；密度分 血栓） 辨力高。 MRI（适用于 利用生物组织中氢原子 质子参数 组织形态 大 二维分布像；空间分辨力较 脑、心、肾、 的原子核的磁共振现象 密度分布 化学组成 高 胆囊、血栓） ；重建图像 T1、T2 USI（适用于 MHz超声脉冲辐射人体时 声 阻 体内界面 中 分辨力较高 胆囊、胎儿、 ，遇声阻抗变化界面发生 形状 血管系统） 反射、散射的声回波像。 核素成像 自发射； 核素（放射 组织形态 小 获得体内脏器和组织的形态 （ECT、 重建成像 活性）分布 器官代谢 图像；观测器官的功能；观 照相机等） 功能 测组织的生理、生化现象。 868686868686 第三节 医学成像技术展望 在保证人身安全的前提下，努力改进信息传递方式， 提高信息传递效率并开创新的信息表达方式，提高图像显 示质量；其最终的医疗意义是更精确地发现人体组织初期 病理变化，为早期诊断、治疗提供依据。 现代医学影像学未来发展趋向： 878787878787 磁共振方面：磁共振波谱成像（MRS） 超声方面：彩色血流成像（CFM）、腔内超声成像、 数字处理三维图像显示、超声CT 等。 CT方面：继续提高空间分辨力和扫描速度；重点研究 疾病在新陈代谢方面的变化；降低成本 。 一、开发超高分辨力的显示系统 二、提高成像设备的性能，增加新的功能 888888888888 三、医学图像数字化 医学成像的两种方法： 综合数字图像诊断装置（TDIS）将得到发展 独立诊断工作站联网系统 模拟方法（普通屏片系统成像、光学系统成像 、电视技术的图像等） 数字方法（CT、MRI、DSA、ECT、超声、微波成像等 ） 独立诊断 工作站 MR 医学教学 图像 X线 超声 CT 核医学 898989898989 医学成像系统将向着从模拟图像到数字图像、从平面图 像到立体图像、从局部图像到整体图像、从宏观图像到微观 图像、从静态图像到动态图像、从形态图像到功能图像、从 单一图像到综合图像等方向发展。即是要获得多时相（动态 ）图像、多维图像、多参数图像、多模式图像，以供临床多 种诊断指标（包括病灶检测、定性、脏器功能评估、血流估 计等）、治疗（包括三维定位、体积计算、外科手术规划等 ）的多种参考以及多地域显示观察。 医学成像系统的发展趋势 909090909090 四、医学图像存储与通讯系统 （picture archiving and communication systems, PACS) PACS是基于现代计算机和通讯技术，替代传统的胶片格式图像，以数 字格式处理图像，从而以高效率、高性能价格比来检查、存储、查询、提 取医学图像。其特点是利用计算机通讯网络在图像获取设备、图像存储设 备、医学图像工作站等PACS设备之间实现数据传送。 919191919191 1. 全规模 PACS ( full-service PACS ) 涵盖全放射科和医学影像学科范围，包括所有医学成 像设备，有独立的影像存储及管理亚系统，足够量的软拷 贝显示和硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览，会诊系统 和远程放射学服务。 PACS类型及其特征 929292929292 2. 数字化PACS ( digital PACS ) 包括常规X-线影像以外的所有数字影像设备如（CT、 MRI、DSA等），具备独立的影像存储及管理亚系统和必要 的软硬拷贝输出设备。 3. 小型PACS ( mini-PACS ) 局限于单一医学影像部门或影像亚专业范围内，在医学 影像学科内部分地实现影像的数字化传输、存储和软拷贝显 示功能。 939393939393 应用PACS系统可望取得以下明显效果： 实现过去与现在的图像对比，提高诊断精度； 经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病灶； 除查询病历和其他资料外，还可以作化验、心电图记录，比 人工取片、查寻等更省时省力。 从临床使用的角度来看，其操作的实时性和获得图像信息的 可靠性，尤其可贵。 949494949494 第四节 关于电离辐射的基本知识 一、电离与电离辐射 电 离：原子的轨道电子逸离原子的过程。 直接电离：由具有足够动能的带电离子与原子中的电子 相互碰撞引起，如快速运动的电子、质子、粒子等都有 可能直接使空气电离。 间接电离：不带电离子（光子、中子等）在引起核转 变的过程中产生出新的高能粒子，由这些粒子再直接或间 接引起物质的电离。 直接致电离 粒子 间接致电离 粒子 959595959595 电离辐射：能够直接或间接使空气电离的辐射。 产生高能的次级 带电离子（通常 为电子） 带电粒子产生 大部分电离过程 （次级电离） 例如：一个30keV的次级电子，大约能电离1000个原子。 X射线或射线光子的致电离过程： 辐射源 能量 吸收介质 969696969696 二、常用的辐射单位 1)照射量(X)及其单位伦琴(R) 定义： X或射线在空气中电离出的同一种符号的总 电量Q对空气质量m的微商。 单位：伦琴(R) 1R是指1cm3干燥空气(0.001293g)在X或射线 照射下所产生的正(或负)离子的总电荷量为1静电单位 电量时的照射量。即1R是在1kg空气中产生2.58 10- 4C/kg电荷量时的照射量。 照射量是衡量X射线或射线对空气电离本领的一个