医学影像学五年制绪论

医学影像学绪论成像技术与临床应用,孙泓泓（H.H Sun） 副教授西安交通大学医学院第二附属医院医学影像科,绪论,医学影像学的发展历史 1895年，德国人伦琴发现的X线，因此又被称为伦琴射线。诺贝尔物理奖因授予伦琴而荣耀！随着计算机的发展，出现了超声，CT，MRI和SPECT、PET。,绪论（续）,学习医学影像学的方法（影像诊断的思维）影像检查方法的适应症及检查方法的选择图像的分析：正常，异常表现，病理基础影像与临床的结合成像技术的基本原理和图像特点介入放射学的特点,内容,成像技术与临床应用第一节 X线成像 （讲授）第二节 计算机体层成像 （讲授）第三节 超声成像 （自学）第四节 磁共振成像 （讲授）第五节 图像解读与影像诊断思维 （讲授）第六节 图像存档和传输系统与信息放射学 （自学）,Photo by: H.H SunPlace: Kenya,东非大草原,第一节 X线成像,X线的产生 高速运行的电子群撞击物质受阻而产生。X线发生装置 球管，变压器，控制器。发生过程 阴极产生自由电子高电压产生两极的电势差高速运行的电子群撞击阳极钨靶1%的能量转换成X线。,X线球管示意图,X线的特性 物理效应 穿透性：能穿透可见光不能穿透的 物体。 荧光作用：能使荧光物质发光。 电离作用：电离程度与X线吸收量成 正比。 化学效应 感光作用：传统X线胶片成像基础。 生物效应 细胞损伤，坏死，癌变。放疗和防 护的基础和原因。,X线成像原理 三个条件：X线要具备一定的穿透力。 被穿透的组织存在着密度或厚度差， 穿透后剩余的X线量有差别。 剩余的X线需要有载体来转化成可见的 影像。,人体组织结构根据密度不同分为三类高密度：骨骼、钙化-密度大，吸收X多，X线片上为白色中等密度：软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织、体液，密度中等，X线片上显示为灰白色低密度：脂肪及气体，密度低，吸收X线少，X线片上显示为灰黑色及深黑色（X线图像的特点） 此分类同样适用于CT,Hippo,Photo by: H.H SunPlace: Malawi,X线检查技术 透视：简单，动态，多方位；敏感性不高。 X线摄影（平片）：传统意义上的平片已经不存在了。 体层摄影：CT的基础，已经不用了。 高千伏摄影：穿透力强，所谓的“硬线”。 软X线摄影：乳腺钼靶摄影。 放大摄影：几乎不用。 造影检查：人为引入对比剂。钡餐，静脉肾盂造影等。,透视与平片,体层摄影,软X线摄影,乳腺钼靶机,乳腺软X线片,造影检查,胃肠造影,静脉肾盂造影,数字X线成像 计算机X线摄影，CR 数字X线摄影， DR 数字减影血管造影，DSA,计算机X线摄影（computed radiography, CR）以影像板(image plate，IP)替代X线胶片吸收穿过人体的x线信息。记录在IP上的影像信息经过激光扫描读取，经过光电转换和计算机系统重建，得到数字化图像。CR的应用实现了常规X线摄片从近百年的模拟成像向数字化成像的转变。,数字X线摄影（digital radiography, DR）DR接收X线的既不是普通胶片，也不是需要经激光扫描读取信息的成像板，而是各种类型的平板探测器，它们可以把X线直接转化成电信号或先转换成可见光，然后通过光电转换，把电信号传输到中央处理系统进行数字成像。与我们日常生活中使用的数码相机类似。,数字减影血管造影（digital subtraction angiography, DSA）数字减影血管造影是将造影前、后获得的数字图像进行数字减影，在减影图像中消除骨骼和软组织结构，使浓度很低的对比剂所充盈的血管在减影图像中显示出来，产生较高的图像对比度。,DSA,减影前,减影后,X线图像的解读,熟悉正常表现识别异常表现，结合病理学基础位置，分布，数量，形态，边缘，密度邻近器官的改变器官功能的变化（解剖，病理为基础，影像学就是依据解剖，运用影像学专业术语对疾病的病理变化做描述，并最后做出诊断）,变色蜥蜴 Agama（Acanthocecerus） Photo by： H.H Sun Place：Kenya,第二节 计算机体层成像,计算机体层成像（computed tomography，CT），物理基础：X线，故又称：X-CT；成像基础：体层摄影；技术创新：计算机辅助下的大量数学运算；检测组织的物理特性：密度；发明及设计者：英国人Hounsfield爵士，获诺贝尔物理学奖；CT值单位：Hounsfield unit，Hu。,Hounsfield爵士,基本原理 X线束对一定厚度层面扫描 球管在沿该层面旋转一周 探测器接收该层面不同方向透过的X线 转变为可见光 光电转换为电信号 再经模拟/数字转换为数字 计算机处理后排成数字矩阵 数字/模拟转换为灰阶图像CT图像,基本概念体素（voxel）与像素（pixel）体素：一定厚度的人体某层面分成按矩阵排列的若干个小的立方体，即基本单元像素：与体素相对应，组成图像的基本单元-即为像素二者关系：像素实际上是体素在成像时的表现，像素越小，图像分辨率越好,矩阵（matrix）:一个横成行、纵成列的的数字阵列；图像面积固定时，矩阵越大，图像越清晰，一般为512512；空间分辨率（spatial resolution）：在保证一定密度差前提下，显示待分辨组织几何形态的能力，CT空间分辨率不如X线；密度分辨率（density resolution）：指能分辨两种组织之间最小密度差异的能力，CT比X线高10-20倍；,CT值：体素的相对X线衰减度（即该体素组织对X线的吸收系数）单位：亨氏单位（Hounsfield unit, Hu)计算公式 CT值=1000(x-w)/w 骨：1000Hu 水：0Hu 空气：-1000Hu,窗宽与窗位窗宽（window width）是指图像上所包括16个灰阶的CT值范围；窗宽影响图像对比度，窗宽增大，图像层次增多，组织对比减少；窗位（window level）又称窗中心，是以某组织CT值为中心观察其细节结构。部分容积效应（partial volume effect）:同一扫描层面内含有两种以上不同密度的物质时，所测的CT值是其平均值，不能如实反映其中任何一种物质的CT值,WW：326 WL：35,WW：70 WL：51,WW：70 WL：35,CT检查技术 平扫（plain scan，non-contrast scan）：普通扫描或非增强扫描。 增强扫描（contrast scan)：经静脉注入水溶性有机碘再行扫描。提高病变组织与正常组织间的密度差；显示平片未显示或显示不清的病灶；根据强化类型，判断病灶血供情况，借此帮助病变定性。,CT平扫,CT增强扫描,CT造影 现在最常用的是CT血管造影（CT angiography，CTA）静脉注射造影剂，当造影剂流经靶区血管时开始扫描，然后经过图像处理技术显示血管影。,CTA,胸廓CT三维重建图像,颈部血管CTA,CT图像的解读,窗技术增强扫描技术：反映血流情况，结合病理。形态，密度，大小，周围脏器,走，让我们休息一会儿！,第四节 磁共振成像,基本原理 磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频（radio frequency，RF）脉冲，使人体组织中的氢质子受到激励而发生磁共振现象，当终止RF脉冲后，质子在驰豫过程中感应出MR信号；经过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，及产生MR图像。,MRI 物理基础：磁共振现象；成像基础：断层图像技术；技术创新：计算机辅助下的大量数学运算；检测组织的物理特性：人体氢核释放的信号；发明者：美国伊利诺伊大学的Paul C. Lauterbur和英国诺丁汉山大学的Sir Peter Mansfield，共同获得了2003年诺贝尔生理及医学奖。,原子核总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋 ( Spin )；原子核的质子带正电荷，在自旋过程中产生自旋磁动量核磁矩，其大小是原子核的固有特性，决定MRI信号的敏感性；用于人体MRI的为1H（氢质子），原因有1H磁矩最强1H在人体分布最广、含量最高通常所指的MRI为氢质子的MR图像,通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。,把人体放入大磁场内会发生什么？,进入主磁场后人体组织质子的核磁状态大部分顺磁力线排列，位能低小部分逆磁力线排列：位能高净磁化矢量：由剩余自旋产生的磁化矢量，亦称平衡态宏观磁化矢量M0,在静磁场中，有序排列的质子不是静止的，而是在作快速锥形旋转即进动（procession）；进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量；由于相位不同，只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生；MR不能检测到纵向磁化矢量，但能检测到旋转的横向磁化矢量；,磁共振现象与横向磁化：当向静磁场中的人体发射与质子进动频率相同的RF脉冲时，质子受到激励，由低能级跃迁到高能级，从而使纵向磁化减少，与此同时，RF脉冲还使质子处于同步同速进动，即处于同相位，这样，质子在同一时间指向同一方向，产生横向磁化。,射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫（relaxation process），而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间（relaxation time）。,核磁弛豫又可分解为两个部分纵向弛豫（longitudinal relaxation）：是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态的过程；横向弛豫（transverse relaxation ）：也称为T2弛豫，简单地说，横向磁化矢量逐渐减少的过程。,不同的组织横向弛豫速度（T2值）不同T2值：横向磁化由最大值衰减至37%时所经历的时间,不同组织有不同的T1弛豫时间（T1值不同）T1值：纵向磁化矢量从最小值恢复至平衡态的63%所经历的驰豫时间,不同组织有着不同的质子密度，T2值，T1值-MRI显示解剖结构和病变的基础；磁共振“加权成像（weighted image）”：加权= “重点突出”T1加权成像（T1WI）-突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别T2加权成像（T2WI）-突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别质子密度加权成像（PD）突出组织氢质子含量差别,T1值越小 纵向磁化矢量恢复越快 MR信号强度越高（白）T1值越大 纵向磁化矢量恢复越慢 MR信号强度越低（黑）脂肪的T1值约为250毫秒 MR信号高（白）水的T1值约为3000毫秒 MR信号低（黑）,脂肪,水,T2值小横向磁化矢量减少快 MR信号低（黑）T2值大横向磁化矢量减少慢 MR信号高（白）水T2值约为3000毫秒 MR信号高脑T2值约为100毫秒 MR信号低,水,脑组织,简单地理解,T1加权图像上的信号高低与T1值呈反比；T2加权图像上的信号高低与T2值呈正比。,MR成像过程,把病人放进磁场 人体被磁化产生纵向磁化矢量 发射射频脉冲 人体内氢质子发生共振从而产生横向磁化矢量 关掉射频脉冲 质子发生T1、T2弛豫线圈采集人体发出的MR信号 计算机处理 显示图像,MRI图像特点,灰阶成像：反映的是MRI信号强度多参数成像：T1WI,T2WI,PD多方位成像：轴、冠、矢及任意倾斜层面，有利于解剖结构和病变的三维定位；流动效应体内流动液体中的质子与周围处于静止状态的质子相比，在MR图像上表现出不同的信号特征，称为流动效应；血管内快速流动的血液产生流空现象-不使用对比剂血管即可显影；,简单地理解,T1加权图像：灰质是灰滴，白质是白滴，脑脊液是黑滴；T2加权图像：灰质是灰滴，白质是黑滴，脑脊液是亮滴。,T1加权像,T2加权像,角马大迁徙,每年八月，150万头角马从坦桑尼亚的塞伦盖蒂草原迁徙到肯尼亚的马赛马拉草原。,Photo by: H.H SunPlace: Kenya,MRI检查技术,脉冲序列（Pulse Sequence）：MR成像过程中，RF脉冲、梯度、信号采集时刻设置参数的组合自旋回波（SE）序列：采用“90-180”脉冲组合，特点：目前最常用的T1WI序列组织对比良好，SNR较高，伪影少最常用于颅脑、骨关节软组织、脊柱腹部已经逐渐被GRE序列取代T2WI少用SE序列（太慢、伪影重）扫描时间2-5分钟,快速自旋回波（fast SE）序列：采用“90-180-180-.”脉冲组合成像速度快组织对比降低磁敏感性更低T2WI中脂肪信号强度增高 能量沉积增加,梯度回波序列（GRE）：最常用的快速成像序列之一，利用梯度场的反向切换产生回波，它的序列结构特点是：短TR和小偏转角（90）扫描速度快空间分辨率和信噪比高用于屏气腹部扫描、动态增强、血管成像、关节病变等,IR脉冲序列：采用“180-90-180”脉冲组合形式优点：T1对比很好，信噪比高缺点：扫描时间很长（长TR）STIR脂肪抑制；液体衰减反转恢复脉冲序列（FLAIR）-抑制游离水的高信号；回波平面成像（EPI）：目前成像速度最快的的技术，每秒可获20幅；优点：最大限度去除运动伪影用于扩散成像、灌注成像、血管造影、脑功能成像、心脏、腹部快速成像等.,脂肪抑制技术（STIR）,抑制前,抑制后,MRI对比增强检查,提高MRI影像对比的方法选择适当的脉冲序列和成像参数人为改变组织的MRI特征性参数，及缩短T1和T2的驰豫时间-MRI对比剂；MRI对比剂阳性对比剂：钆-二乙三胺五乙酸，即Ga-DTPA(常用)；阴性对比剂：超顺磁性氧化铁即SPIO,马拉维湖上的独木舟,Photo by: H.H SunPlace: Lake Malawi,MR血管成像技术Magnetic resonance angiography, MRA,无创性检查常用的MRA方法时间飞越法（time of flight, TOF）三维TOF：信号丢失少、空间分辨率高、采集时间短二维TOF：大容积筛选成像相位对比法（phase contrast,PC）对比增强MRA（CE-MRA）：静脉团注造影剂，采用快速梯度回波，三维采集，用于胸腹部及四肢,MR脑血管成像,对比增强MRA（打药的MRA）,MR水成像技术MR hydrography,利用静态液体具有长T2驰豫时间的特点，使用重T2加权成像技术时，相对静止的液体均呈高信号，而T2较短的实质脏器及流动的血液呈低信号，从而显示含液脏器。安全、无需对比剂、无创性检查包括MR胰胆管成像（MRCP）MR泌尿系成像（MRU)MR椎管成像（MRM）MR内耳成像MR涎腺成像MR泪道成像,MRCP,MRU,MR内耳成像,MR椎管成像,脑功能成像functional MRI,fMRI,Diffusion weighted imaging (DWI,弥散加权成像）:目前唯一检测活体组织内水分子扩散运动的无创性方法。Diffusion tensor tractog