第一章 医学成像技术绪论

1、医学成像技术及设备医学成像技术及设备选用教材：选用教材：郭兴明郭兴明 编，编，医学成像技术医学成像技术，重庆大学出版社，重庆大学出版社参考教材：参考教材：康雁康雁 编，编，医学成像技术与系统医学成像技术与系统，清华大学出，清华大学出版社版社任课教师：王正兴任课教师：王正兴课程安排 学习医学成像技术的意义 一、临床医学应用上具有重要意义 医学成像技术在临床诊断中的应用，解决了千百年来人们在医学诊断中遇到的难题: 即受人眼之限,不可能看到人体组织器官的解剖形态信息和功能信息。 医学图像医学图像 运用工程的原理和手段，对人体组织、器官的形态、密度、功能等信息记录或显示。 该领域两个相对独立的研究方向

2、：医学成像技术医学成像技术 图像形成的过程，包括对成像机理、成像设备、成像系统的分析等问题的研究；医学图像处理医学图像处理 对获取的图像做进一步的处理，以便使原来不够清晰的图像复原，或突出突出图像中的某些特征，或进行模式分类等等。二、学习医学成像技术对全面了解BME有重要意义 医学成像技术是生物医学工程（BME）的重要组成部分： 1.属于医学图像研究领域，是BME的主要研究领域之一； 2.是BME中最重要的领域，体现为： (a) IEEE Transactions on Medical Imaging是BME领域中影响因子（impact factor, IF）最高的杂志之一：近几年排名居于本领

3、域前列。 (b) 同时也是IEEE所有杂志中影响因子最高的杂志之一。二、医学成像技术的发展历史与现状成像技术？ 1895年11月8日，德国物理学家伦琴发现X线，X射线成像技术发明； 20世纪5060年代，出现超声成像（USG） 20世纪7080年代，出现 DSA（ digital subtraction angiography， 数字减影血管造影）， CT（computed tomography，计算机断层扫描）， MRI（Magnetic Resonance Imaging, 磁共振成像）， ECT（emission computed tomography, 发射型CT）， SPECT（si

4、ngle photon ECT, 单光子发射型CT）， PET（positron emission tomography, 正电子CT）。 20世纪90年代以来，相继出现了CR（computed radiography, 间接数字化X线成像技术），DR（digital photography, 数字化摄影），PACS（ picture archiving and communication system， 图像存储和传输系统 ）等。总体发展历程总体发展历程 1895年 德国伦琴发现X线 1896年 X线始用于临床医学 1901年 获首届诺贝尔物理学奖（一）X射线X射线摄影技术有了很大的发展：旋

5、转阳极X射线管影像增强管采用运动断层摄影19001930年 Rentgenology专业化，radiologist（放射科医师） 技术问题技术问题 CT（computed tomography)诺贝尔生理与医学奖诺贝尔生理与医学奖19171917年，奥地利数学家年，奥地利数学家RadonRadon 证明图像重建理论，证明图像重建理论，未被重视未被重视 2020世纪世纪5050年代，美国物理学家年代，美国物理学家A.M.Cormack 当代图像重建最杰出的贡献者之一当代图像重建最杰出的贡献者之一 证明且提出了实现方法证明且提出了实现方法 直到直到19721972年，英国放射学年会上，英国工程年，

6、英国放射学年会上，英国工程师师Hounsfeild公布了计算机断层成像的结果。公布了计算机断层成像的结果。 CT（computed tomography)CTCT是以是以X X线束从多个方向沿着体部某一线束从多个方向沿着体部某一选定体层选定体层层面进行照射层面进行照射, ,测定透过的测定透过的X X线量线量, , 数字化后经数字化后经过计算得出该层面组织各个单位容积的过计算得出该层面组织各个单位容积的吸收系吸收系数数, , 然后重建图像的一种成像技术。然后重建图像的一种成像技术。X-CT更新换代更新换代X-CT发展方向发展方向1.发展影像增强器发展影像增强器 这样可以降低X射线的剂量，同时又提

7、高了图像的清晰度。2.克服图像重叠克服图像重叠 于是产生了断层成像（二）超声成像技术军事民用 5050年代建立，年代建立，7070年代广泛发展。年代广泛发展。 二次世界大战后，在雷达、声纳的技术基础上，二次世界大战后，在雷达、声纳的技术基础上，应用回声定位原理，发展了各种超声成像技术，应用回声定位原理，发展了各种超声成像技术，A A型、型、B B型、型、M M型，超声计算机断层成像技术型，超声计算机断层成像技术（UCTUCT）也已经成熟。）也已经成熟。基本原理基本原理特点：无损、无创、无电离辐射、动态图像特点：无损、无创、无电离辐射、动态图像应用广泛：心脏、腹部检查应用广泛：心脏、腹部检查超声

8、成像发展趋势超声成像发展趋势（三）核医学成像 发展史：发展史： 核医学成像可追溯到核医学成像可追溯到2020世纪初世纪初； 19481948年年，AnsellAnsell和和RotblatRotblat研制出了逐点研制出了逐点扫描的核医学成像装置，并用于甲状腺的测量；扫描的核医学成像装置，并用于甲状腺的测量； 5050年代年代，AngerAnger研制出了商业化的研制出了商业化的相机；相机； 19511951年年，WrennWrenn提出了提出了PETPET的构想，的构想，6060年代年代末出现了相应的设备；末出现了相应的设备； 7070年代年代，kuhlkuhl等人完成了等人完成了SPECT

9、SPECT的商业化。的商业化。基本原理基本原理 优点突出：不仅可以了解器官的优点突出：不仅可以了解器官的结构形态结构形态，还可以了解器官的还可以了解器官的功能代谢功能代谢。2003年16层CT的PET/CT(LSO晶体PET)商业化产品推出2002年北美放射学年会(RSNA)推出16层CT的PET/CT(LSO晶体PET)2001年PET/CT应用于临床2000年PET/CT在北美放射学年会(RSNA)推出1995年Townsend等研制PET/CT1992年全身PET应用于临床1974年第一台商业PETPET的发展过程：的发展过程：SPECT临床应用骨骼显像首选心脏灌层显像甲状腺的显像脑血流

10、断显像肾动灌注检查核医学成像的发展趋势核医学成像的发展趋势MRI MRI 通过对外加静磁场中的人体给予特定频通过对外加静磁场中的人体给予特定频率的射频脉冲率的射频脉冲 ( radio-frequency, RF) ( radio-frequency, RF) ，使人，使人体组织中的氢核（即质子）受到激励而发生磁共体组织中的氢核（即质子）受到激励而发生磁共振现象；当终止振现象；当终止RFRF脉冲后，质子在弛豫过程中感脉冲后，质子在弛豫过程中感应出应出MRMR信号；经过对信号；经过对MRMR信号的接受、空间编码和信号的接受、空间编码和图像重建等处理过程，产生出图像重建等处理过程，产生出MRMR图像

11、。图像。 （四）核磁共振成像基本原理基本原理优点突出：优点突出：无创、无电离辐射；无创、无电离辐射；可以对人体组织做出形态和功能两方面的诊可以对人体组织做出形态和功能两方面的诊断；断；磁共振图像的分辨率比较高，并且可以轻易磁共振图像的分辨率比较高，并且可以轻易的获得人体的三维图像。的获得人体的三维图像。发展发展史史第四次，瑞士核磁共振波谱学家第四次，瑞士核磁共振波谱学家Kurt Wthrich，由于用多维，由于用多维NMR技技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究，而获术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究，而获2002年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。第三次，瑞士科学家

12、第三次，瑞士科学家Ernst因对因对NMR波谱方法、傅里叶变换、二维谱波谱方法、傅里叶变换、二维谱技术的杰出贡献，而获技术的杰出贡献，而获1991年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 第二次，第二次，1946年，两位美国科学家布洛赫（年，两位美国科学家布洛赫（Bloch）和珀塞尔）和珀塞尔（Purcell）发现，分别用各自不同的方法发现了宏观核磁共振现象，）发现，分别用各自不同的方法发现了宏观核磁共振现象，并因此获得并因此获得1952年诺贝尔物理学奖；年诺贝尔物理学奖；第一次，第一次，1930年代，美国科学家伊西多年代，美国科学家伊西多拉比（拉比（Rabi）发明了研究气）发明了研究气态原子核磁性的

13、共振方法，并获得了态原子核磁性的共振方法，并获得了1944年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。应用于医学应用于医学美国科学家美国科学家Paul Lauterbur于于1973年年发明在静磁场中使用梯度场，能够发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位置，从而可以获得磁共振信号的位置，从而可以得到物体的得到物体的二维图像二维图像；英国科学家英国科学家Peter Mansfield进一步发进一步发展了使用梯度场的方法，指出磁共展了使用梯度场的方法，指出磁共振信号可以振信号可以用数学方法精确描述用数学方法精确描述，从而使磁共振成像技术成为可能，从而使磁共振成像技术成为可能，他发展的快速成像

14、方法为医学磁共他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。他俩振成像临床诊断打下了基础。他俩因在磁共振成像技术方面的突破性因在磁共振成像技术方面的突破性成就，获成就，获2003年诺贝尔医学奖年诺贝尔医学奖。核磁共振技术与计算机技术结合，核磁共振技术与计算机技术结合，形成了磁共振形成了磁共振CT，且在临床上普遍，且在临床上普遍应用。应用。发展发展史史 MRI（ magnetic resonance imaging)T1加权像(T1 weighted image, T1WI)采用短TR，短TE 主要反映组织间T1差别的作用 T1WI有利于观察解剖结构T2加权像(T2 weighted

15、image, T2WI) 采用长TR，长TE 主要反映组织间T2差别的作用 T2WI有利于显示病变组织质子密度像(protondensity image, PDI) 采用长采用长TRTR，短，短TETE 主要反映组织间主要反映组织间质子密度多少差别质子密度多少差别核磁共振成像的发展趋势核磁共振成像的发展趋势三维成像图像归档与通信系统（PACS）从发展的历史及过程总结：从发展的历史及过程总结：有些成像技术依赖于科学技术的发展；有些成像技术依赖于科学技术的发展；有些成像技术的出现与战争时期的军事技术研究的突破密有些成像技术的出现与战争时期的军事技术研究的突破密切相关。切相关。在评价一个成像方法及系

16、统时，应从各个不同角度全面的分析成像方法及系统的优缺点，并指明其临床适用的范围。医学成像的分类医学成像的分类按成像的模式或方法分为两类：按成像的模式或方法分为两类：医学图像的获得有赖于某种形式的能量与人体组织医学图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，如超声成像、相互作用的物理过程，如超声成像、X射线成像、射线成像、核医学成像、核磁共振成像等。核医学成像、核磁共振成像等。有一些医学图像是反映人体生命过程中自身发出的有一些医学图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。某种信息，如红外成像等。一、超声成像与X射线成像的比较成像原理成像参数适用范围成像原理超声成像

17、：反射成像X射线成像：透射成像成像参数超声成像超声成像X射线成像射线成像传播速度波长传输特性适用范围由传播特性决定的。腹部：超声成像适用。胸腔：X射线成像适用。特殊部位：X射线有危害。二、解剖形态学成像与功能成像功能成像有源有源：放射性同位素成像无源无源：红外热辐射成像、人体电场与磁场成像三、综合比较X射线成像超声成像核医学成像磁共振成像医学成像技术的发展方向医学成像技术的发展方向（1）平面立体；（2）形态功能；（3）静态动态；（4）局部整体。多维图像多参数图像多模式图像三维图像三维图像四维图像四维图像研制高速图像处理系统的硬件与软件多维图像多参数图像希望得到同一断面的不同参数的图像希望得到同

18、一断面的不同参数的图像磁共振成像：质子密度图像、弛豫时间T1、T2图像新的成像方法及成像参数的研究新的成像方法及成像参数的研究多模式图像不同的成像方法有个字的特点，不同的图像不同的成像方法有个字的特点，不同的图像携带着不同的信息。携带着不同的信息。X-CTMRI放射性同位素把不同来源的图像融合在一起，这样的图像把不同来源的图像融合在一起，这样的图像称为称为“多模式图像多模式图像”。新的发展特殊治疗手段特殊治疗手段X射线治疗刀射线治疗刀 顽固疾病（如癌症）超声刀医学成像技术在诊断和治疗领域的重要性愈医学成像技术在诊断和治疗领域的重要性愈发显得突出。发显得突出。新的发展该学科是多学科相结合的学科该

19、学科是多学科相结合的学科原有学科的新发展新学科的产生 1972年CT的开发和应用，使放射学进入了一个以体层成像和电子计算机图像重建为基础的新阶段新阶段，继之磁共振成像（MRI）、放射性核素成像、超声成像、数字减影血管造影（DSA）和数字X线成像逐步兴起并应用于临床。 事实上，医学成像技术不仅有图像的产生，还包括图像的处理、显示、记录、存储和传输。这就为图像存储和通讯系统（PACS）的发展奠定了基础。一、一、 现代医学影像学的发展和现代医学影像学的发展和特征特征 20世纪70年代中期，介入放射学介入放射学逐步应用于临床，尤其是介入治疗技术发展迅猛，近年已成为与内科学、外科学并列的三大治疗技术。

20、影像诊断学与介入放射学结合共同构成了诊断和治疗兼备的现代医学影像学。 以高科技为基础，向广大人民和病员提供先进的诊疗技术为特征的现代医学影像学现代医学影像学，在先进国家和我国已分别于20世纪80年代和90年代中期形成了较完整的学科体系，开创了本学科的新纪元。 知识经济随着新经济的兴起，知识与经济的全球化和可持续发展将成为人类社会和经济发展的主流。 生命科学（含脑科学）和信息科学将是跨世纪科学发展的主要学科；自然科学和人文科学交叉融合的发展趋向，将促使医学科学进一步向微观和宏观相结合的方向不断深入发展。 一方面分子生物学将继续推进医学科学的发展，生物技术、基因工程和医学生物工程的结合，将加速预防

21、和诊治技术的更新。另一方面社会、心理和生态环境的影响愈来愈受到重视。 微观和宏观因素的结合，将促进医学科学各领域的发展，甚至使其面貌发生根本的变化。 面对这一新的形式，医学影像学将如何发展？ 二、医学影像学的发展方向 随着生命科学的进展，分子生物学、生物和基因工程分子生物学、生物和基因工程（人类基因组/疾病基因组学）等，将深入和影响基础医学与临床医学（含影像学）的进程和发展。 实际上，生理、功能和代谢成像以及基因诊断和治疗已经并将进一步影响影像学的诊治及基础研究，所谓生物医学成像（biomedical imaging）分子/基因成像（molecular/genetic imaging）已提上日

22、程。 随着医学生物工程和计算机、微电子（microelectronics）技术的进展，新一代影像和介入设备及器具（如新近多层面螺旋CT，MR心脏、神经专用机等）的开发，功能的改进，各种影像设备的图像采集、显示新技术（如三维仿真成像、MR频谱以及各种图像的融合）和精确度的提高等，与生物技术相结合，组织和/或疾病特异性对比剂的开发和应用，影像诊断和介入治疗将不断拓展新领域，向广深发展。另外，MRI多种原子核成像（现为氢核）的研究、开发，医学成像的多能源化，如微波、红外线和光等，其发展愈来愈受到重视。 随着信息科学的进展，影像学的数字化，图像存储与通讯系统（PACS）和远程医学系统，智能型计算机和工

23、作站，计算机辅助诊断（computer aided diagnosis，CAD）和治疗等的进展和实用化，使“网络影像学”（network imaging）成为可能。 人工智能技术（如机器人），亦将应用于影像诊断和介入治疗的操作。 社会、心理和环境因素，对人类卫生保健的影响，对重大疾病如癌症、心脑血管病等发生、发展的意义应有新的认识。 随着社会经济和生活水平的提高，人口老龄化，人们对健康的认识和医疗服务体系（health care system）的转变，广大人民对安全、有效而微微/无创无创性诊治技术性诊治技术，以及对于心理、社会和环境相协调的防治对策的需求将会不断提高。总之，影像学诊断将由人体形

24、态学为主的阶段，向生理、功能、代谢和/或基因成像过渡；由一般向组织和疾病特异性方向发展；图像分析由“定性”向“定量”发展；诊断模式由胶片采像和阅读向数字采像/电子传输（无胶片放射学）方向发展；介入治疗向实时、立体和少/无射线引导，进而与内镜、微创治疗/外科相结合的方向发展。 同时，对疾病及发生机制的认识，将从器官、细胞向分子、基因水平深入，从个体到群体的卫生保健、疾病防治将具有新的含义。 这些将改变医学影像学的诊治研究和实践方式，使医学影像学在未来的医疗研究和服务体系中占有更大的比率和更重要的地位。三、我国的现状与问题 20世纪90年代中期，我国已基本上形成了现代医学影像学体系，近年又有不少新

25、的进展。但整体上与国际先进水平仍有较大差距。 影像诊断学仍处于以形态学为主的阶段，功能、代谢成像如MRI扩散和/或灌注成像，MR频谱分析，正电子发射型计算机断层（PET）成像及超声心肌造影等已初步进入临床或刚刚起步。 介入治疗介入治疗的发展和普及应用，尤其是肿瘤、血管内（动脉、静脉）介入治疗及其多种技术的综合应用等，取得了重要进展。 近年来，超声介入治疗和超声消融超声介入治疗和超声消融的实验研究，以及聚集强超声（high intensity focused US,HIFU）治疗肝癌、骨瘤等已初步应用于临床。 但总的来说新技术发展较慢，而又面临微创治疗微创治疗/外科外科的挑战，同时主要介入治疗技

26、术的规范化有待进一步解决。 基础、实验研究和新技术开发薄弱，缺少创新；与影像学诊断技术相比，工程技术尤其是相关器械、材料的研制明显滞后。同时，全国各地区，甚至不同单位的专业、学术水平发展颇不平衡，专业队伍素质有待提高，缺少高素质的中青年学术带头人等为当前主要问题。由于历史及其他原因，我国放射学（含CT、MRI和介入等）、超声和核医学处于“分割”状态，不能适应新世纪医学影像学整体（包括人才的培养）发展的要求。科技事业的发展，一般可分为三个阶段：引进、仿制为主的阶段；消化、吸收、改进为主的阶段；自主创新为主的阶段。这与一个国家的社会经济发展水平及其对科技的需求和投入密切相关。作为一个发展中的大国，

27、我国科技正进入或处于消化、吸收、改进为主的阶段，医学科技（含医学影像）也是如此。 1继续发挥我国临床应用研究的优势，组织“多中心研究”，为此，应努力做到诊断和治疗及评价标准的“规范化”和“国际化”。 以肿瘤的介入治疗为例，应严格按照国内外肿瘤学通用的诊断和疗效评价标准。积极开展并建立我国影像诊断和介入治疗的基础及实验研究体系，加强体制和机制改革，例如，建立多学科或学科交叉（如影像技术与分子生物学、工程、物理等）的研究体制，发挥“团队”研究精神，并努力创新。无创新即无生命力。四、发展战略的探讨2致力于现代医学影像学现代医学影像学（“大影像”概念）科室的建设。 要使广大病员正确认识影像学是临床诊疗科室（或专业），能够提供先进的诊断和治疗技术，使广大病员受益； 必须改变人们对影像医师的认识：既是诊断医师又是治疗医师。 这并不是说每位影像医师既精于诊断又精于治疗，而医