医学成像系统概论

医学成像系统,Medical Imaging System,主讲教师：肖振国生物医学工程学院,课程介绍,医学成像系统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。医学图像由于含有极其丰富的人体信息，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，医学图像已成为医学研究及临床诊断中最活跃的领域之一。,作为生物医学工程专业的一门重要专业课程，医学成像系统将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。,掌握X射线成像、超声成像、磁共振成像、核医学成像的基本原理，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。,教学目标,教材： 医学成像系统（第2版），高上凯，清华大学出版社，2010年 参考书： 1 医学成像技术与设备，沈克涵，科学普及出版社，2004年 2 医学成像系统，王学民，清华大学出版社，2006年 3 医学影像物理学，张泽宝，人民卫生出版社，2005年 4 医学影像成像原理，李月卿，人民卫生出版社，2001年 5 医学影像设备学（第2版）徐跃，人民卫生出版社，2005年 6 医学成像的基本原理，黄力宇，电子工业出版社，2009年,课时安排,总学时：72学时 课堂讲授：54学时 实验：18学时第一章 概论 2学时第二章 投影X射线成像系统 6学时第三章 数字X射线成像系统 4学时第四章 X射线计算机断层成像系统 10学时第五章 超声成像系统 10学时第六章 磁共振成像系统 12学时第七章 核医学成像 8学时第八章 PACS简介 2学时,第一章 概论,医学图像研究领域包含两大分支： 医学成像系统（medical imaging system） 是指图像形成的过程，包括成像机理、成像设备、成像系统的分析等问题。 医学图像处理（medical image processing） 是指对已获得的图像作进一步处理，包括图像增强、图像压缩、图像恢复、图像滤波等问题。,1.1 医学成像系统、成像设备的发展历程,医学成像系统,医学成像系统,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,医学成像按其信息载体可分为以下类型：,（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：测量体表红外信号和体内的微波辐射信号。,1.1.1 X线投影成像,1895年德国物理学家伦琴（Withelm Conrad Roentgen 1845-1923）发现X射线，并为其夫人拍摄了手部的X线透视照片，这是世界上第一幅X射线照片，为医学成像奠定了基础。为此，伦琴获1901年诺贝尔物理学奖。,1896年德国西门子公司研制出世界上第一支X线球 管。 20世纪10-20年代才出现常规的X线机。体层装置、影像增强器、连续摄影、电视、电影、录像记录系统的应用，20世纪60年代形成了放射诊断学（radiology）。X线设备：摄片和透视两大类。,X线成像是通过测量穿透人体的X线来实现。设备主要有:X线机：分辨率较高，可达到0.1mm，但得到的是人体不同深度组织信息叠加到一起的平面像，因此对于病变深度很难区分，对于软组织不够敏感。数字X线摄影设备（CR、DR）：提高了影像的分辨率，扩大了诊断范围，对肠胃和心脏更容易观察。血管数字减影(DSA)等。,通用X射线机,HITACHI中小型C臂X射线机,数字X线影像设备,CR（Computed Radiography)系统,DR（Digital Radiography ）数字放射摄影系统 DirectRay X光直接数字成像采集系统,X线投影成像,西门子AXIOM Artis dTA 数字减影系统,数字造影系统DSA,1.1.2 X线计算机断层成像设备,为了克服在投影X线成像中出现的影像重叠问题，后来出现了对接收到的投影数据进行计算，利用计算机由投影重建图像的数学原理出发，实现了计算机断层成像，即X射线计算机断层成像（X-ray computed tomography， X-CT）设备。,1917年奥地利的数学家Radon提出了投影重建图像的理论。50年代美国物理学家A.Mcormack，不仅证明了在医学领域中X射线投影重建图像的可能性，而且提出了实验的方法，并完成了仿真与实验研究。 1972年英国工程师G.N.Hounsfield首先研制出世界上第一台用于颅脑的CT扫描机。为此他们在1979年获得了诺贝尔生理和医学奖。,Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖,工作原理是利用计算机对投影数据多角度采集，并投影重建图像。 现在的X-CT机多采用多个检测器构成扇形的扫描方式，不但减少了扫描和数据处理的时间，减少了照射的剂量，改善了图像的分辨率，由最初的3-5min，到现在的1-5s，成像的厚度可以小于1mm，空间分辨率可达到0.1mm量级。,Second Generation,Multiple detectorsTranslation-rotationSmall fan-beam,Third Generation,Multiple detectorsRotation-rotationLarge fan-beam,Third & Fourth Generations,螺旋锥形束CT,东芝螺旋CT,高速螺旋CT,飞利浦Brilliance 64排螺旋CT,超高速64排螺旋CT,电子束CT,在20世纪50年代超声成像设备出现，目前它是医院中仅次于投影X射线机而使用的最为频繁的成像设备。超声诊断设备根据其显示方式不同，可分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、C型（亮度显示）、M型（运动显示）、P型（平面目标显示）等。目前医院用得最多是B型超声诊断仪B超。,1.1.3 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。,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,B超,便携式B超,成像原理主要是采用脉冲回波的方式成像。用一个短暂的电脉冲激励换能器晶片，使之振动产生超声波并射入人体，进入人体的超声波在遇到组织界面时，会产生较强的回波信号，利用接收到的回波信号就可以直接获取扫查平面上人体图像，即B超图像。,超声图像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射。在临床上用于甲状腺、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有独到之处。它的横向分辨率可达2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。,超声图像,近年广泛应用超声的另一个方面是超声多普勒系统，利用多普勒原理，当入射到人体的超声波遇到运动的红血球时，血球产生的后方散射信号会发生频移（多普勒频移）。通过对多普勒回波信号的分析就能得到各种血流参数，如方向、速度等信息，对诊断心血管疾病和脑血管疾病为重要依据。,80年代还有超声彩色血多普勒血流仪。它是将血流信息叠加到二维的B超上，因此在B超的图像上，还可以显示血管的流向，红色是指向换能器，蓝色是背向换能器的。主要应用心血管疾病、心脏的检查中。,彩色血多普勒血流仪,彩色多普勒血流成像,超声的频率一般应高于0.15MHz，对较深部位的成像人们选用1.0-3.0MHz频率，对较浅的部位如眼球，一般选用20MHz的声频，频率太高导致衰减太快，在软组织检查中，空气对超声有明显的衰减特性，因此人们一般不用超声检查肺部。至于超声计算机体层，由于目前所需扫描时间较长，且分辨率低，还有待于改进与提高。,1.1.4 核医学成像,在20世纪50年代放射性核素的技术和设备也应用于医学方面。放射性核素成像是把某种放射性同位素标记在药物上，然后引入病人的体内，当他们被人体组织吸收后，人体就形成了一个放射源，放射性同位素一边衰变、一边向体外放射光子，核医学成像设备通过有选择的测量摄入体内的发出的射线，实现人体成像。,此类设备主要： 照相机、 单光子发射型计算机体层（SPECT） 正电子发射型计算机体层（PET）。 优势在于从图像中，不仅可以看到器官的形态，更重要的是可以从中了解人体脏器的新陈代谢情况，这是其它成像系统作不到的。所以虽然放射性同位素图像的分辨力比较低，约为1cm左右，但在临床中还经常使用的检查工具。,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）,照相机既是显像仪器又是功能仪器，在临床可用它对脏器进行静态和动态照相检查，动态照相检查主要用于心血管疾病的检查、快速的拍摄体内的器官图片，从一系列的图片中了解器官的新陈代谢的功能。,SPECT具有照相机的功能外，又能增加体层成像的功能，明显的提高了诊断病变的定位能力，它的原理是将照相机探测器围绕探测部分旋转采集信号，用相应的投影数据重建算法，重建放射性核素分布的断层图像，如X-CT。但它不如CT的图像清晰，而且在操作中放射性药物使用也比较麻烦。,单光子发射计算机断层显像仪（SPECT）,正电子发射型计算机体层成像(PET),Siemens的SPECT系统,GE的SPECT系统,SPECT,SPECT,SPECT图像-脑部,SPECT图像-脑部,2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。,SPECT图像-骨骼,PET的成像情况与其不同，它可以用人体物质组成元素来制造放射性药物，这些药物在衰变过程中释放正电子，正电子在与电子相互发生湮灭现象后，会产生两个能量为511KV的、且传播方向相反的两个光子。用一个符合检测器检测出这种成双出现的射线光子，然后重建断层图像。,PET-CT图示,PET,PET-CT图示,PET,PET,核医学成像使用的是低浓度的放射性物质，它成像的分辨率在成像系统中属最低，这是由于图像是由人体发射光子所致，光子数量有限。目前有将核医学成像如SPECT和X-CT相结合，同时由两个图像相匹配结合的成像系统的出现在临床上也多有应用。,1.1.5 磁共振成像,在1945年美国学者Block和Purcell首先发现了核磁共振现象，随后创建了核磁共振谱学这门学科，他首先应用在物质的非破坏性的分析上。在1973年Lauterbur利用核磁共振原理做出了仿真模块的二维核磁共振图像。,Bloch和Purcell因发现NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖,Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖,磁共振成像过程：首先将人体放入强磁场中，同时又对人体施加一个一定频率的交变射频场，被探测的质子就会发生共振，向外辐射共振信号，该信号为交变信号。在外面的线圈就会产生感应电动势，感应电动势与交变信号相对应。该信号经过计算机处理后就能得到清晰的图像。,在MRI图像中，每个像素的灰度值代表这该位置上核磁共振的强度，该强度又反映了共振核子的两个化学参量：弛豫时间T1和T2。MRI图像的空间分辨率一般为0.5-1.7mm，不如X-CT,但是它的密度分辨率远远好于X-CT，在MRI图像上可以显示软组织、肌腱、脂肪、神经、血管等。,MRI,成像剖面的定位利用调节磁场就可以改变。对软组织的对比度高，如显示脑灰质和脑白质。它能在活体组织中探测体内的化学性质。无电离辐射的危害，但它的成像的速度低于XCT。对植入金属的病人如带有启搏器的病人不能用核磁共振，购买和运转费用比较高。,MRI特点,从70年代就有人开始研究医学三维成像的方法。三维图像一般是由一系列的二维图像叠加构成，也就是说将二维数据集合变成三维数据结构，利用计算机根据需要取出任意角度下的剖面来观察，使医生可以在多角度、更多了解内部结构，从而可以剥出任意局部区域作分析，模拟外科手术过程等制定最佳手术方案。目前三维成像发展很快。,从平面到立体成像,成像方式：从二维到三维、动态三维,1.2 医学成像系统的评价,从不同角度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。,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）,电磁波谱及其用于医学成像的波段,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。 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。 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。）,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围绕人体的物理场及各种辐射，也可用于脏器功能的检查。,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。 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。,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,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；空间分辨力较高脑、心、肾、 的原子核的磁共振现象 密度分布 化学组成胆囊、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。,1.3 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。,未来发展趋向：,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,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,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