(整理)CT,MRI,USC,PET各种方法的优缺点总结.

1、综述一、CT简介计算机体层摄影(computed tomography, CT )扫描仪利用X线 对人体某一范围进行逐层的横断扫描,取得信息,经计算机处理后 获得重建的图像.获得的图像为人体的横断解剖图,并可通过计算 机处理得到三维的重建图像.1 .根本结构CT的主要结构包括两大局部：X线体层扫描装置和计算机系统.前者主要由产生X线束的发生器和球管,以及接收和检测 X线的探 测器组成；后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、磁带机、 操作台等.止匕外,CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设 备.X线球管和探测器分别安装在被扫描组织的两侧,方向相对.当球管产生的X线穿过被扫描组织,透过组织

2、的剩余射线为探测器 所接收.探测器对X线高度敏感,它将接收到的 X线先变成模拟信 号,再变换为数字信号,输入计算机的中央处理系统.处理后的结 果送入磁带机储存,或经数/模处理后经显示器显示出来,变成 CT 图像,再由多幅照相机摄片以供诊断.2 .工作原理人体各种组织(包括正常和异常组织)对 X线的吸收不等. CT即利用这一特性,将人体某一选定层面分成许多立方体小块,这 些立方体小块称为体素.X线通过人体测得每一体素的密度或灰度, 即为CT图像上的根本单位,称为像素.它们排列成行列方阵,形成 图像矩阵.当X线球管从一方向发出X线束穿过选定层面时,沿该 方向排列的各体素均在一定程度上吸收一局部X线

3、,使X线衰减.当该X线束穿透组织层面包括许多体素为对面探测器接收时,X线量已衰减很多,为该方向所有体素 X线衰减值的总和.然后 X线 球管转动一定角度,再沿另一方向发出X线束,那么在其对面的探测器可测得沿第2次照射方向所有体素X线衰减值的总和；以同样方 法反复屡次在不同方向对组织的选定层面进行X线扫描,即可得到假设干个X线衰减值总和.在上述过程中,每扫描一次,即可得一方 程.该方程中X线衰减总量为值,而形成该总量的各体素 X线 衰减值是未知值.经过假设干次扫描,即可得一联立方程,经过计算 机运算可解出这一联立方程,而求出每一体素的X线衰减值,再经数/模转换,使各体素不同的衰减值形成相应各像素的

4、不同灰度,各 像素所形成的矩阵图像即为该层面不同密度组织的黑白图像.3 .CT的密度分析CT图像,一方面是观察解剖结构,另一方面是了解密度改 变.后者可通过测定 CT值而知,亦可与周围组织的密度比照观察. 人体内肿瘤组织因部位、代谢、生长及伴随情况不同,其密度变化 各异.CT对组织的密度分辨率较高,且为横断面扫描,提升了肿瘤 诊断的准确率.4 .造影剂的应用虽然CT较普通X线摄影有更高的密度分辨率,但有些病变 与正常组织间的密度差异很小,需要利用造影剂使上述密度差异加 大,以帮助诊断.CT扫描用造影剂可分两大类：一类为用于空腔脏 器的造影剂,另一类为静脉注射用造影剂偶尔也通过动脉注射造 影剂.

5、5 .影响像素的物理因素通过电子计算机运算列出人体组织受检层面的吸收系数,并将 之分布在合成图象的栅状阵列即矩阵的方格(阵元)内.矩阵上每 个阵元相当于重建图象上的一个图象点,称为像素( pixel ).CT 的成像过程就是求出每个像素的衰减系数的过程.如果像素越小、 探测器数目越多,计算机所测出的衰减系数就越多、越精确,重建 出的图象也就越清楚.所以与人体自身的质子分布以及人体内组织 的密度,探测器的灵敏度和人体组织对 X射线的衰减值和物理密度, 处理图像、据的算法等有关系.6 .CT检查的优缺点1) . CT检查的优点：(1) CT为无创性检查,检查方便、迅速,易为患者接受.(2) 有很高

6、的密度分辨力,密度相差 5-6H的不同组织能被区 分.能测出各种组织的CT值.(3) CT图象清楚,解剖关系明确.(4) CT能提供没有组织重叠的横断面图象,并可进行冠状和 矢状面图象的重建.(5) 用造影剂进行增强扫描,不仅提升了病变的发现率,而且 有的能做定性诊断.2) . CT扫描的限度CT扫描虽有广泛的适应范围,但仍有限度.虽然发现病变 的敏感 性极高,但在定性诊断上仍有很大的限制.由于CT机测定 的是物理参数,即人体组织对 X线的衰减值或物理密度,医生就是 根据正常组织和异常组织呈现的衰减值差异作为诊断的依据,如果 衰减值无差异,再大的肿瘤也无法鉴别.可见 CT扫描尽管有许多优越性,

7、但也有其局限性,只有与其他设备,其他诊断手段相配合,才能充分发挥其作用.目前CT图像的质量有了明显改善,特别是高分辨力扫描(HRCT 图像已能显示肺小叶间隔改变.但这多是提升 kV和mAs为代价取得 的.而我们的目的是既要获得高质量的图像,又要使患者尽量地减 少X线辐射,这应该使下一步 CT改革的重点之一.要想同时获得这两种效益,看来一要提升探测器的灵敏度,一 能够在不增加甚至减少辐射剂量的前提下,提升图像质量；二要进 一步改良图像重建的处理方式,在软件方面下工夫.二、磁共振成像人脑纵切面的核磁共振成像核磁共振成像(Nuclear MagneticResonance Imaging ,简称 N

8、MRI),又称自旋成像(spin imaging ),也称磁 共振成 像、磁振 造影(Magnetic Resonance Imaging ,简 称 MRI),是利用核磁共振(nuclear magnetic resonnance ,简称NMR原理,依据所释放的能量在物质内部不同 结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波, 即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体 内部的结构图像.原子核在进动中,吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲,即 外加交变磁场的频率等于拉莫频率,原子核就发生共振吸收,去掉 射频脉冲之后,原子核磁矩又把所吸收的能量中的一局部以电磁波 的形

9、式发射出来,称为共振发射.共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振. 核磁共振成像的“核指的是氢原子核,由于人体 的约70娓由水组成的,MRI即依赖水中氢原子.当把物体放置在磁 场中,用适当的电磁波照射它,使之共振,然后分析它释放的电磁波,就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的精确立体图像.所以其像素与人体氢原子核的分布,氢原子核对电磁波的共振吸收和去掉射频脉冲之后发射的电磁波有关.1 . NM喋验装置采用调节频率的方法来到达核磁共振.由线圈向样品发射电磁 波,调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近 连续变化.当频率正好与核磁共振频率吻合时,射频振荡

10、器的输出 就会出现一个吸收峰,这可以在示波器上显示出来,同时由频率计 即刻读出这时的共振频率值.核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共 振的仪器,主要由磁铁、探头和谱仪三大局部组成.磁铁的功用是 产生一个恒定的磁场；探头置于磁极之间,用于探测核磁共振信号； 谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来.2 .MRI系统的组成1磁铁系统静磁场：当前临床所用超导磁铁,磁场强度有 0.5到4.0T,常 见的为1.5T和3.0T,另有匀磁线圈shim coil 协助到达高均匀 度.梯度场：用来产生并限制磁场中的梯度,以实现NMR信号的空间编码.这个系统有三组线圈,产生 x、y、z三个方向的梯度场, 线圈组的磁场

11、叠加起来,可得到任意方向的梯度场.2射频系统射频RF发生器：产生短而强的射频场,以脉冲方式加到样 品上,使样品中的氢核产生 NMRK象.射频RF接收器：接收 NMR信号,放大后进入图像处理系统.3)计算机图像重建系统由射频接收器送来的信号经 A/D转换器,把模拟信号转换成数 学信号,根据与观察层面各体素的对应关系,经计算机处理,得出 层面图像数据,再经 D/A转换器,加到图像显示器上,按 NMR勺大 小,用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像.3 .磁共振成像的优点与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通 X射线或1979年获得诺 贝尔医学奖的计算机层析成像(computerized tomogr

12、aphy, CT )相 比,磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害 的平安、快速、准确的临床诊断方法.如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查.具体说来有以下几点：1) .对人体没有游离辐射损伤；各种参数都可以用来成像,多个成像参数能提供丰富的诊断信 息,这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效.例 如肝炎和肝硬化的T1值变大,而肝癌的T1值更大,作T1加权图像, 可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤；2) .通过调节磁场可自由选择所需剖面,能得到其它成像技术所 不能接近或难以接近部位的图像.对于椎间盘和脊髓,可作矢状面、 冠状面、横断面成像,可以看到神经

13、根、脊髓和神经节等.能获得 脑和脊髓的立体图像,不像 CT (只能获取与人体长轴垂直的剖面图) 那样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位；3) .能诊断心脏病变,CT因扫描速度慢而难以胜任；4) .对软组织有极好的分辨力.对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、 关节、肌肉等部位的检查优于 CT;5),原那么上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像,例如氢(1H)、碳(13.、氮(14N和 15N)、磷(31P)等.4 .MRI的缺点及可能存在的危害虽然MRI对患者没有致命性的损伤,但还是给患者带来了一些 不适感.在 MRI诊断前应当采取必要的举措,把这种负面影响降到 最低限度.其缺点主要有：1) .和CT

14、 一样,MRI也是解剖性影像诊断,很多病变单凭核磁 共振检查仍难以确诊,不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的 诊断；2),对肺部的检查不优于 X射线或CT检查,对肝脏、胰腺、肾 上腺、前列腺的检查不比CT优越,但费用要高昂得多；3),对胃肠道的病变不如内窥镜检查；4),扫描时间长,空间分辨力不够理想；由于强磁场的原因,MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊 病人却不能适用.5 .MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面：1),强静磁场：在有铁磁性物质存在的情况下,不管是埋植在 患者体内还是在磁场范围内,都可能是危险因素；2),随时间变化的梯度场：可在受试者体内诱导产生电场而兴奋 神

15、经或肌肉.外周神经兴奋是梯度场平安的上限指标.在足够强度 下,可以产生外周神经兴奋(如刺痛或叩击感),甚至引起心脏兴 奋或心室振颤；3),射频场(RF)的致热效应：在 MRI聚焦或测量过程中所用到 的大角度射频场发射,其电磁能量在患者组织内转化成热能,使组 织温度升高.RF的致热效应需要进一步探讨,临床扫瞄仪对于射频能量有所谓“特定吸收率 (specific absorption rate, SAR )的 限制；4),噪声：MRI运行过程中产生的各种噪声,可能使某些患者的 听力受到损伤；三、正电子发射断层成像放射性核素成像技术是一种用放射性核素示踪的方法显示人体 内部结构的技术是核医学研究和临

16、床诊断的主要手段X-CT属于透射型计算机断层摄影(TCT)自X-CT问世后放射性核素成像技术也 采用了图像重建的模式研制出发射型计算机断层摄影装置(EmissionComputer Tomography ECT)根据所用的核物理探测方法ECT可以分为两类：正电子发射型计算机断层技术(PET)与单光子发射型计算 机断层技术(SPECT或称SPET>1 .PET技术原理PET技术是用于作正电子衰变核素显像的先将一种标记过的具 有生物活性的化合物作为示踪物质引入我们要研究的人体部位或器 官这种示踪物质的空间分布状况能反映人体或器官的机能和代谢状 况的空间信息它的标记是正电子放射性核素由于这种放

17、射性核素发 生b+衰变产生正电子正电子运动很短的一段距离后(几个毫米)就会与组织中的电子结合而发生湮灭其质量转化成一对向相反方向射出 的两个能量为0.511MeV的丫光子再由探测器测量正负电子湮灭过 程中产生的湮灭光子获取数据时需要两个位置相对的探测器进行时 间匹配计数.2 . PET的优缺点常用核素及其标记物1） .正电子CT与单光子CT相比有很多优点：首先它不需要铅准直器而是电子准直由于两个丫光子在方向上成1800角只有两个相对的检测器同时检测到湮灭光子才计数如果 湮灭事件发生在两个检测器连线之外那么不能记录这种电子准直的视 野非常均匀分辨率不受深度的影响而且探测效率高而平行孔准直器 即使

18、是高灵敏度的也只能探测到射入视野的0.3的光子其它大量的光子在准直器内被吸收其次射线的衰减补偿容易不受深度影响由于 不管放射源的位置在哪里两个光子穿过的吸收体的总厚度相同而且 湮灭光子的能量高穿透水平强此外它所用的发射正电子的核素的半 衰期都非常短可以给予较大的剂量而使人体接受的辐射剂量却较小 这样大大提升了图像的比照和空间分辨率总之PET得到的断层影像比SPECTM真实清楚不管器官大小都 能代表放射性物质的分布可以定量分析可以研究人体各器官的生 理生化病理状况及各种药物在人体内的分布代谢途径2） .PET的缺点由于这些正电子发射核素的半衰期太短又是由盘旋加速器产生 所以一定要在生产这些核素的

19、加速器附近就地应用在这些放射性核 素尚未商品化时使用 PET的单位必须要有小型的盘旋加速器及快速 制备这些核素的标记物的设备这样投资就非常昂贵使PET的推广受到限制.四、超声成像超声是指高于人耳听觉范围的声波,通常是指频率高于20KHz的高频振动机械波,应用于医学诊断的超声频率一般在1MHz至几十MHz之间.自1958年商用超声成像产品问世以来,超声医学设备以 其实时性、对人体无损伤、无痛苦、显示方法多样,尤其对人体软 组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处而成为在 医学中应用最为广泛的成像设备之一.同时在医学的其他方面也受 到越来越大的重视.超声在医学中的重要作用在于它不但可以穿

20、透人体,而且可以 与身体组织相互作用.超声波穿过人体时那么还要经过折射和反射, 这可发生在超声波经过的任何交界面上,其作用就如同光束经过一 个非均匀物质一样.超声波的波长很短,从而易于窄脉冲波束的实 现.因此,超声换能器可以做得小而紧凑.超声在临床应用中主要分为诊断和治疗两个方面：超声诊断采 用的是较高频率的与较低声强的超声波,高频可提升对组织的分辨 率,可以获得清楚、细致的声像图,而低声强那么可降低对组织损伤 的副作用.超声治疗采用的是较低频率于较高声强的超声波,低频 超声增大对组织的穿透率,而高声强(特别是聚焦后)超声可对组 织产生生物效应,用以选择性破坏局灶性病变.1.物理根底超声波是频

21、率超过人耳听觉范围的声波.人耳听觉频率范围是2020000Hz ,因此,超声波的频率大于 20000Hz ,用于医学检查的 超声波频率为120MHz超声波的发射和接收是根据压电效应原理 (piezo - electric ef2fect) .自然界的石英或人工压电陶瓷受到 外力作用时,在对应的两个面上产生相反的电荷,此为正压电效应.反之,在对应面上给予一定的电压那么晶体出现厚度改变 ,产生伸缩现 象形成振动,从而产生声波,称为逆压电效应.因此,超声探头中的换 能器是利用晶体的逆压电效应,产生和发射超声波,并利用正压电效 应接收回声声压并转变成电讯号.从原理上讲,医学超声成像可以反射法成像,也可

22、以透射法成像 但目前广泛应用的超声成像仪是利用脉冲回波技术的反射法成像.利用脉冲反射回波的超声成像技术是与介质的特性声阻抗(Z)密切相关的.特性声阻抗为声波传递介质中某点的声压和该点速度的比 值,它等于密度(p )与声速(c)的乘积,即Z = P . c .正常组织与 病变组织特性声阻抗不同,形成异常的界面声反射,通过检测这种异 常反射就有可能识别病灶区域范围.凡能传播超声的介质内部有特 性声阻抗变化的地方便可能成像,具检测参数是声压(声振幅).2,超声诊断设备医用超声通过换能器一一探头与人体被检查部位接触,发射和 接收不同频率的超声信号,经过模数信号转换或数字化声束形成技 术处理,形成屏幕上

23、显示的图像,超声医生通过对图像的生理或病 理解剖形态学、血流动力学和动态变化、生理物理特征等改变,综 合分析得出定位、定性和定量诊断.诊断正确性取决于仪器的性能 和操作者的经验和水平.目前使用的全数字型彩色多谱勒超声诊断 系统的图像分辨力可以分辨小到毫米至微米级大小的病变,而且对 孕妇和性腺的检查超声剂量绝对限制在平安阈值范围以内.超声在 所有影像学检查中操作最简便,无辐射性损伤,价格低廉,可以动 态观察脏器病变和心血管功能、无创性测定心腔内压力等,对临床 诊断起到很重要的辅助作用.超声检查应用范围十分广泛.在过去的半个世纪中,超声诊断进展非常迅速.随着声学理论 的深入、计算机技术的开展,使超

24、声诊断取得了前所未有的进步.从早期的 A型(Amplitude mode )、M型(Motion mode) 一维超声 成像、B型(Brightness mode)二维成像,演进到动态实时三维成像； 由黑白灰阶超声成像开展到彩色血流显像.谐波成像、组织多普勒 成像等新型成像技术和各项新的超声检查技术(如腔内超声检查、 器官声学造影检查、介入超声)逐渐应用于临床.目前超声诊断已 成为一门成熟的学科,不仅能观察形态,而且能检测人体脏器功能 和血流状态,在临床诊断与治疗决策上发挥着重要作用,成为医学 影像学中的重要组成局部.超声检查的种类众多,分类复杂,目前临床最常用的是按显示 回声的方式进行分类.1).A型诊断法 即幅度调制型,此法以波幅的上下代表界面反 射信号的强弱,探测界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理特性, 可用于对组织结构的定位和定性.目前除用于颅内病变的诊断外, 此法已根本为B型诊断法所取代.2),B型诊断法 即辉度调制型,本法以不同辉度的光点表示界 面反射信号的强弱,反射强那么亮,反射弱那么暗,称为灰阶成像(gray scale display ).由于采用连续方式进行扫描,故可显示 脏器的二维切面图像.当成像速度到达每秒24-30幅时,那么能显示脏器的活动状态,称为实时(real time )显像.3