生物医学工程专业医学成像2

医学成像系统,张汇泉生物医学教学部,第二章X线成像系统,2.1电离辐射的基本知识一、电离与电离辐射电离：指原子的轨道电子逸离原子的过程，包括直接电离（足够动能的带电粒子，原子中的电子）和间接电离（不带电粒子产生的新高能离子，直接或间接引起电离）,二、常用的辐射单位1。照射量及其单位衡量X射线或r射线对空气的电离本领的一个量2。吸收剂量描述每单位质量的被照介质所吸收的平均辐射能量3。剂量当量在生物系统中，相同的吸收剂量未必产生相同程度的生物效应，为了比较不同类型辐射引起的生物效应，引入剂量当量。,常见辐射的Q值,三、辐射的生物效应电离辐射的生物效应分为躯体效应和遗传效应电离辐射与普通的光电辐射的基本区别：电离辐射具有足够的能量引起电离，并与被照体细胞组织、体液等相互作用，引起物质的原子激发或电离，因而可以直接使机体内某些大分子结构受破坏，甚至直接损伤细胞的结构。,四、电离辐射的防护电离辐射对人体的作用方式：内外照射两种1。内照射防护阻断进入途径、减少进入机会2。外照射防护减时、增距、屏蔽,2.2X线成像的物理基础2.2.1X线的产生一、X线发生的基本条件1。高速运动的粒子流2。适当的阻止粒子流运动的障碍,二、发射形式1。连续放射当高速电子进入到原子附近的强电场区域，电子与原子电场相互作用后飞离强电场区，电子的速度大小和方向必然发生变化，即电子做减速运动，按电磁学理论，电子将向外辐射电磁波而损失能量，电子的这种能量辐射就称韧致辐射。,2。特性放射在高速电子把核外内层电子击出，外层电子向内层空位跃迁。该过程中伴随着电磁辐射发生，称为标识辐射。,2.2.2X线的基本性质X射线是一种电磁波波长较短，能量较强具有波粒二象性主要参数：波长、频率、能量、强度、剂量,一、物理特性（一）穿透作用（二）荧光作用（三）电离作用,二、化学特性（一）感光作用（二）脱水作用,三、生物效应,四、X线与物质相互作用的过程.能量转移（一）光电效应（二）康普顿散射（三）电子对的产生,（一）光电效应(光子与原子内层电子相互作用的过程）1。产生条件：射线光子能量必须大于或等于电子结合能，且光子将全部能量传给光电子，光子本身消失2。产物：荧光放射、光电子、正离子,3。光电子的角分布光电子的角分布与入射X光子能量有关能量低大角度分散能量高小角度集中（电离方向）,4。放射诊断学中的光电效应（1）优点：提高成像质量因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾利用造影剂可增加对比度放疗时增加对肿瘤组织的剂量（2）缺点：入射X线通过光电效应几乎全部被人体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。,（二）康普顿散射(与原子外层电子作用）1。产生条件：入射X光子与原子外层电子相碰撞，光子一部分能量传给电子，并将其中原子击出，能量减小了的光子波长增大且改变运动方向，成为散射光子。2。产物：散射光子、反冲电子、正离子,3。散射光子和反冲电子的角分布,（三）电子对的产生产生条件：当能量大于1.022MeV的X光子进入吸收物质行近原子核的时候，受到核子的作用，它可以突然消失而转换为一个正电子和一个负电子，这一过程即电子对的产生。,小结：,光子能量：在能量小的时候，占主要作用的是光电效应；中等能量时，以康普顿散射为主；能量大时，才有电子对的产生，且随能量增大，电子对的产生慢慢增多。吸收物质的原子序数：轻元素中散射比较重要；光电效应和电子对在重元素中作用较大。,.X线与物质作用的其他过程(一)相干散射射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)的散射过程叫相干散射。比如X线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象。相干散射是唯一不产生电离的过程。,（二）光核作用光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、粒子和光子等。光核作用在X线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低。,2.2.3X线的量与质1。X线的量：X线管的管电流与曝光时间之积mA*S。2。X线的质：管电压KVp,3。X射线的辐射强度定义：单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量。单位：。强度的调节：调节管电流（改变光子数目）。医学上用管电流大小代表X射线的强度：用管电流毫安数与辐射时间的乘积来衡量总辐射的能量。即X射线的量。单位：mA*S。,4。X射线的硬度：描述X线的穿透能力定义：X射线的穿透本领。它表示X射线的质？它取决于X射线光子能量的大小。对于一定的吸收物质，X射线被吸收越少则穿透量越多，X射线就越硬。硬度的调节：通过调节管电压（改变光子能量）。医学上用管电压的kV数来衡量X射线的硬度。,5。半价层定义：半价层是指X射线在物质中强度被吸收一半时的物质厚度。不同的物质有不同的半价层，半价层越厚表示物质的吸收能力越小，半价层和吸收系数都是表示物质吸收能力的物理量。,6。X射线的硬化X射线穿过物质时，因长波衰减快而使短波成分比例增大，即X射线进入物质后越来越硬，称为X射线硬化。,X射线分类及用途,2.2.4实用X线的产生条件1。源2。靶3。电压4。减少耗能及保护元件,2.2.5X线对人体的穿透能力,2.3成像方法2.3.1透视指X线以一定的质穿过人体，量很小，其中主要是光子数量少（管电流小，在5mA以下），而出X线的时间相对长（约在几分钟），图象追求动态特性，观察活动脏器，对图象的分辨率要求较低。,一、普通透视直接利用人体不同组织间的密度差异，形成具有天然对比影像的透视成像方法。二、胃肠钡剂透视借助硫酸钡造影剂（钡剂）进行是一种透视成像方法。,2.3.2X线摄影一、普通摄影二、滤线器摄影三、胃肠摄影四、断层摄影,2.4X射线在医学中的应用一、X射线治疗X射线治疗的理论根据是利用射线的生物效应，即X射线对生物组织的破坏作用。X射线对分裂活动旺盛的组织或正在分裂的细胞的破坏力特别厉害。而组织细胞分裂旺盛是癌细胞的特点，所以用X射线可治疗某些类型的癌变，如恶性淋巴瘤，白血病，胚胎性癌及皮肤和粘膜的鳞状细胞瘤，恶性腺瘤等，治疗效果较好。,二、X射线诊断1.X射线透视：密度不同的人体组织，对X射线的穿透与吸收不同，将透过人体组织的X射线，投射到用硫化锌，硫化镉制成的荧光屏上，便可产生明暗不同的影像，借以进行X射线诊断。2.X射线摄影：让X射线透过人体某部位，然后再投射到感光胶片上，使该部分结构成像在感光胶片上。X射线摄影可作永久性病案记录保存。,3.X射线造影：人体中有许多重要结构或器官，它们之间的密度大致相同，X射线对此缺乏分辨能力，不能使其清晰显影。为了使缺乏自然对比的结构或器官显影，采用人工的方法，借助于一种高密度造影剂使腔道密度明显增高，或使腔道密度明显减低，从而使这些组织器官显影。这种人工显影的方法称为X射线造影。如：“钡餐”是对消化道造影要吞服吸收系数很高的硫酸钡。,4.X射线电子计算机辅助断层扫描装置（CT）：利用X射线对物体的各个层面进行扫描，记录层面上各像素（把层面分成很小的区域，每个区域称为像素）的X射线的强度，经计算机计算，可得到各像素的吸收系数值，再经过电子线路将各像素的吸收系数转化为相应的灰阶度，并在与像素相应的位置上排布起来，从而获得各断面的图象。,2.5X线诊断设备2.5.1概述一、发展历程第一阶段，1895-1949第二阶段，20世纪50年代初：由暗室操作过渡到明室操作第三阶段，20世纪70年代,二、分类按强度分按用途分,三、组成两大部分：主机与外设,X光机电原理图,（一）主机1。X线管（1）阴极（2）阳极,注意：X线机的电路结构必须满足X线管的下列要求1。有可以改变管电流的装置2。有电压可变的装置3。有可以控制电压和曝光时间的装置,2。高压发生装置3。控制装置,（二）外设包括机械装置、影像装置、配套装置,2.5.2常用X线诊断设备（滤线设备）1。遮光器（控制原发射线）缩光器、视野调节器，作用是控制X线照射视野及定位2。集光器（遮线筒）与遮光器的作用相同，主要差异是照射视野不可调节。3。滤线器作用是直接减少续发射线,2.6X线透视一、X线透视,二、荧光屏利用X线对物质的荧光作用，从而将人眼看不到的X影像转换为可见光影像。,三、透视检查的不足1。与其他方法相比，被检者和医生不可避免的要接受剂量2。不能留下客观记录3。在常规、明室的条件下不适合,四、X线影像增强器X线影像增强器可以大大增强荧光屏上亮点的亮度，重要意义在于间接摄影及电视观察成为可能。,1。X线影像增强器的工作原理2。产生亮度增益的原因（1）电子在静电场中被加速，增加了能量使输出屏能激发更多的光电子，产生通量增益（2）由于输出屏尺寸小于输入屏，从而增加了光密度，产生了缩小增益总的亮度增益等于二者之积影像质量决定于输入屏的分辨能力和背景噪声,五、医用X线电视,优点：1。亮度高，摆脱了暗室操作2。X线剂量低3。提高了影像的清晰度4。可供多人同时观察，扩大会诊和教学效果5。便于传输、录象和图象信息的处理6。便于实现遥控、遥测，使观察者完全避免了X线辐射7。便于动态记录和观察,2.7普通X线摄影一、普通X线摄影二、X线胶片解象力：胶片分辨被照体细节的能力，也称分辨力清晰度：表示这些被分解出来的线条是否清晰，不同于解象力,合格的X线照片的条件：1。摄影部位与质量、位置的选择符合临床要求2。照片能表示出足够的能为肉眼识别的适当密度。3。具有能分辨出X线吸收差异的适当对比度4。能反映被照体细节，保持良好的明锐度5。能保持被照体的原有形态，具有较小的失真度,三、暗室技术1。显影：还原银2。定影：固定还原的银3。水洗和干燥：冲洗定影液和溶解物，胶片进行人工干燥或自然干燥,四、增感屏金属增感屏荧光增感屏金属荧光增感屏,2.8X线特殊检查技术一、X线造影检查造影剂阳性阴性,二、静电X线摄影,三、常规X断层摄影原理断层摄影必须满足三个条件：1。X线管的焦点与胶片必须做方向相反的匀速运动2。X线管的焦点、金属杆支点及胶片中心三者始终在同一直线上3。X线管焦点到支点的距离与支点到胶片中心的距离比值恒定不变,2.9数字X线成像系统一、概述定义、分类及发展二、计算机X线摄像系统(一)(二)(三)(四)(五),三、数字X线摄影系统,四、数字减影血管造影系统（一）基本结构和工作原理（二）成像方式1、时间减影缺点：配准不良的影与模糊鉴于减影中采用的是掩膜像和造影像的帧数及采集时间不同，可分为（1）脉冲图像（PI）方式（2）超脉冲图像（SPI）方式（3）连续图像（CI）方式（4）时间间隔差(TID)方式（5）心电图触发脉冲(ECG)方式,2、能量减影,3、混合减影方式在对比剂注入之前先做一次双能减影，获得含少部分骨组织信号的图像，将此图像同血管注入对比剂后的双能影像做减影处理。就得到单纯的血管图像。,3.0X线计算机断层成像(X-CT)一、概述1、概念X-CT是以测定X线在人体内的衰减系数为基础，采用一定的数学方法，经计算机处理重新建立断层图像的现代医学成像技术。,2、数理基础1917年，奥地利数学家Radon从理论上证明，X线束对物体在不同方向上的投影值能重建该物体的二维或三维图像。1963年，美国科马克解决了图像重建的数学方法。1972年，英国工程师Hounsfield研制成功世界第一台用于颅脑的X-CT,（1）线性衰减系数A.单能窄束X线透射均匀介质时强度衰减的物理规律符合郎伯定律B.X线通过非均匀介质如果X线通过的路径上，介质不均匀，可将其分为若干小块，每一小块的厚度为l，且l很小（可视为均匀介质）。这样的小块称为体素，每个体素有对应的线性吸收系数，设为u1、u2、u3、u4、un,(2)数据采集X-CT的数据采集是利用X线管和检测器等的同步扫描完成的。假设每一次直线平移扫描180个体素，则X线束在一个方向上的投影可得到180个投影值。如果把被测人体体层分为180*180个单元体，就必须旋转180次角度，为了不进行重复扫描，则每次旋转1。,附加：图像矩阵,三、重建算法（一）反投影法（总和法）此法利用投影数值近似复制出u值的二维分布。其基本原理：将所测得的投影值按其原路径平均分配到每一点上，各个方向的投影值反投影后在影像处进行叠加，其结果是加重了影像部位的显像值。再经过处理或调整基本显像灰度值，能突出投影相重叠的部分，使影像部分近似地重现原图像。,（二）滤波反投影法用单能窄束射线投影数据计算出CT数，为设计出这种重建算法要建立简化数学模型。,五、CT值与窗口技术（一）CT值（二）窗口技术1、窗宽2、窗位,六、X-CT图像重建的质量参数（一）空间分辨率区分距离很近的两微小体的能力，主要取决于探测器尺寸的大小（二）密度分辨率CT图像反映物质密度差异大小的能力,（三）噪声与X线剂量噪声与进入探测器的X线光子数有关，也与X线剂量有关，剂量大，噪声小。