医学影像设备学概论专家讲座

医学影像设备学

教学课件韩丰谈主编医学影像设备学概论专家讲座第1页第一章医学影像设备学概论第一节医学影像设备发展简史

第二节医学影像设备分类

医学影像设备学概论专家讲座第2页第一节医学影像设备发展简史

1895年11月8日，德国物理学家伦琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高压放电试验时，发觉了一个肉眼看不见、但含有很强穿透本事、能使一些物质发出荧光和使胶片感光新型射线，即X射线，简称为X线。1896年，德国西门子企业研制出世界上第一只X线管。20世纪10~代，出现了常规X线机。其后，因为X线管、高压变压器和相关仪器、设备以及人工对比剂不停开发利用，尤其是体层装置、影像增强器、连续摄影、快速换片机、高压注射器、电视、电影和录像统计系统应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整学科体系，称为影像设备学。医学影像设备学概论专家讲座第3页1972年，英国工程师汉斯菲尔德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一台用于颅脑X线计算机体层摄影（x-raycomputedtomography，X-CT）设备，简称为X-CT设备，或CT设备。CT设备是横断面体层，无前后影像重合，不受层面上下组织干扰；同时因为密度分辨力显著提升，能分辨出0.1%~0.5%X线衰减系数差异，比传统X线检验高10~20倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。医学影像设备学概论专家讲座第4页近30年来，CT设备更新速度极快，扫描时间由最初几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快已达0.75s（512×512矩阵），空间分辨力也提升到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛普及，功效有了深入扩展。大孔径CT设备可兼顾日常应用与肿瘤病人定位，组合型CT设备可在完成CT检验后直接进行正电子发射型计算机体层（positiveemissioncomputedtomography，PET）检验，使CT形态学信息与PET功效性信息经过工作站准确融合，能够更准确地完成定性与定量诊疗。医学影像设备学概论专家讲座第5页平板探测器CT设备当前尚在开发阶段，一旦技术成熟，从机器设计、信息模式、成像速度、射线剂量到运行成本都会有根本性改变，将会引发CT设备又一次革命。医学影像设备学概论专家讲座第6页20世纪80年代初用于临床磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一个新非电离辐射式医学成像设备。MRI设备密度分辨力高，经过调整梯度磁场方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不一样体位体层图像，这是它优于CT设备特点之一。迄今，MRI设备已广泛用于全身各系统，其中以中枢神经、心血管系统、肢体关节和盆腔等效果最好。医学影像设备学概论专家讲座第7页中场超导（0.7T）开放型MRI设备深入普及，它便于开展介入操作和检验中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检验限制。双梯度场技术可在较小范围内到达更高梯度场强，有利于完成各种高级成像技术，如功效成像、弥散成像等。降噪办法和成像专用线圈也都有了较大进步，如功效成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊疗效果已靠近和到达CT设备水平，脑影像分辨力在常规扫描时间下提升了数千倍，而显微成像分辨力到达50~10μm，现已成为医学影像诊疗设备中最主要组成部分。医学影像设备学概论专家讲座第8页生物体磁共振波谱分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）含有研究机体物质代谢功效和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合临床应用，将会引发医学诊疗学上一个新突破。医学影像设备学概论专家讲座第9页数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、计算机X线摄影（computedradiography，CR）和数字摄影（digitalradiography，DR）是20世纪80年代、90年代开发数字X线机。前者含有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，当前，正向快速旋转三维成像实时减影方向发展，从而扩大了血管造影应用范围。后者含有降低曝光量和宽容度大等优点，更主要是可作为数字化图像纳入图像存放与传输系统（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途影像探测器之一。医学影像设备学概论专家讲座第10页20世纪50年代和60年代，超声成像（ultrasonography，USG）设备和核医学设备相继出现，当初在医学上应用往往各成系统。1972年X-CT设备开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础新阶段。70年代末80年代初，超声CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和数字X线机逐步兴起，并应用于临床。尽管这些设备成像参数、诊疗原理和检验方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进行诊疗。医学影像设备学概论专家讲座第11页介入放射学自20世纪60年代兴起，于70年代中期逐步应用于临床，近年来尤以介入治疗进展快速。因其含有安全、简便、经济等特点，深受医生和病人普遍重视与欢迎，现仍处于不停发展和完善过程之中。90年代倍受人们青睐立体定向放射外科学设备，因为它能够不作开颅手术而治疗一些脑疾患，很受欢迎，全世界都在主动开发和应用这种高新设备。介入放射学设备与立体定向放射外科学设备，都是经过医学影像设备来引导或定位，所以也属于医学影像设备范围。医学影像设备学概论专家讲座第12页总而言之，各种类型医学影像诊疗设备与医学影像治疗设备相结合，共同组成了当代医学影像设备体系。医学影像设备学概论专家讲座第13页医学影像设备学概论专家讲座第14页第二节医学影像设备分类当代医学影像设备可分为两大类，即医学影像诊疗设备和医学影像治疗设备。一、诊疗用设备按照影像信息载体来区分，当代医学影像诊疗设备主要有以下几个类型：①X线设备（含X-CT设备）；②MRI设备；③超声设备；④核医学设备；⑤热成像设备；⑥光学成像设备（医用内镜）。医学影像设备学概论专家讲座第15页（一）X线设备X线设备经过测量穿透人体X线来实现人体成像。X线成像反应是人体组织密度改变，显示是脏器形态，而对脏器功效和动态方面检测较差。这类设备主要有常规X线机、数字X线机和X-CT设备等。以X线作为医学影像信息载体，出于两方面考虑，即分辨力和衰减系数。从分辨力来看，为了取得有价值影像，辐射波长应小于5×10-11m。另首先，当辐射波经过人体时，应展现衰减特征。若衰减过大，则透射人体辐射波微弱，当测量透射人体辐射波时，因为噪声存在，很可能造成测量结果无意义。反之，若辐射波透射人体时几乎无衰减，则因无法准确测量衰减部分而失效。医学影像设备学概论专家讲座第16页在X线设备中，屏-片组合分辨力较高，可到达5~10LP/mm，且使用方便、价格较低，是当前各级医院中使用最普遍设备之一。但它得到是人体不一样深度组织信息叠加在一起二维图像，所以病变深度极难确定，且对软组织分辨不佳。数字X线机使用曝光量宽容度大，可取得数字化影像，便于进行图像后处理，且扩大了诊疗范围，利于胃肠和心脏等部位检验。X-CT影像空间分辨力可小于0.5mm，能分辨组织密度差异可到达0.5％。X-CT影像清楚度很高，可确定受检脏器位置、大小和形态改变。医学影像设备学概论专家讲座第17页（二）MRI设备MRI设备经过测量组成人体组织中一些元素原子核磁共振信号，实现人体成像。20世纪40年代发觉了物质磁共振现象，20世纪80年代MRI设备应用于临床。MRI影像空间分辨力普通为0.5~1.7mm，不如X-CT；但它对组织分辨远远好于X-CT，在MRI影像上可显示软组织、肌肉、肌腱、脂肪、韧带、神经、血管等。另外，它还有一些特殊优点：①MRI剖面定位完全是经过调整磁场，用电子方式确定，所以能完全自由地按照要求选择层面；②MRI对软组织对比度比X-CT优越，能非常清楚地显示脑灰质与白质；③MR信号含有较丰富相关受检体生理、生化特征信息，而X-CT只能提供密度测量值；④MRI能在活体组织中探测体内化学性质，提供关于内部器官或细胞新陈代谢方面信息；⑤MRI无电离辐射。当前，还未见到MR对人体危害报道。医学影像设备学概论专家讲座第18页MRI缺点：①与X-CT相比，成像时间较长；②植入金属病人，尤其是植入心脏起搏器病人，不能进行MRI检验；③设备购置与运行费用较高。总之，MRI设备可作任意方向体层检验，能反应人体分子水平生理、生化等方面功效特征，对一些疾病（如肿瘤）可作早期或超早期诊疗，是一个很有发展前途和潜力高技术设备。医学影像设备学概论专家讲座第19页（三）诊疗用超声设备诊疗用超声设备分为利用超声（ultrasound，US）回波USG设备和利用US透射超声CT（ultrasonographyCT，UCT）两大类。USG设备，依据其显示方式不一样，能够分为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。当前，医院中用最多是B型USG设备，俗称B超，其横向分辨力可到达2mm以内，所得到软组织图像清楚而富有层次。利用US多普勒系统，可实现各种血流参量测量，是近年来广泛应用又一个US技术。临床上，USG设备在甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有其独到之处。当前UCT所需扫描时间较长，且分辨力低，有待于深入改进与提升。但因为它是一个无损伤和非侵入式诊疗设备，所以未来可能成为主要影像诊疗设备。医学影像设备学概论专家讲座第20页X线成像与US成像是当前用得最为普遍两种检验方法，但对人体有没有危害是它们之间一个主要区分。就X线来说，尽管现在已经显著地降低了诊疗用剂量，但其危害性仍不容忽略。实践表明，它将造成癌症、白血症和白内障等疾病发病率增加。而从现有资料来看，当前诊疗用US剂量还未有使受检者发生不良反应报道。另外，X线在体内沿直线传输，不受组织差异影响，是其有利一面，但不利一面是难以有选择地对所指定平面成像。对US波来说，不一样物质折射率改变范围相当大，这将造成影像失真。但它在绝大部分组织中传输速度是相近，骨骼和含有空气组织（如肺）除外。US波和X线这些不一样辐射特征，确定了各自最适宜临床应用范围。比如，US脉冲回波法适合用于腹内结构或心脏显像，而利用X线对腹部检验只能显示极少内部器官（若采取X线造影法，也可有选择地对特定器官显像）；对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用US检验，用X线则可取得较为满意结果。医学影像设备学概论专家讲座第21页（四）核医学设备核医学设备经过测量人体某一器官（或组织）对标识有放射性核素药品选择性吸收、储聚和排泄等代谢功效，实现人体功效成像。主要有γ相机、单光子发射型CT（singlephotonemissionCT，SPECT）和正电子发射型CT（positiveemissionCT，PET）。γ相机既是显像仪器，又是功效仪器。临床上可用它对脏器进行静态或动态摄影检验。动态摄影主要用于心血管疾病检验。因为SPECT含有γ相机全部功效，又含有体层功效，所以显著提升了诊疗病变定位能力；加上各种新开发出来放射性药品，从而在临床上得到日益广泛应用。SPECT能做动态功效检验或早期疾病诊疗。缺点是图像清楚度不如X-CT，检验时要使用放射性药品。PET能够用人体组织一些组成元素（如15O、11C、13N等）来制造放射性药品，尤其适合作人体生理和功效方面研究，尤其是对脑神经功效研究。在其附近需要有生产半衰期较短放射性核素加速器和放射化学试验室。医学影像设备学概论专家讲座第22页核医学成像只需极低浓度放射性物质，这与X线成像时口服硫酸钡不一样。普通情况下，核医学成像横向分辨力极难到达1.0cm；且图像比较含糊，这是因为有限光子数目所致。相比之下，X线成像含有高分辨力和低量子噪声。医学影像设备学概论专家讲座第23页（五）热成像设备热成像设备经过测量体表红外信号和体内微波信号实现人体成像。红外辐射能量与温度相关，所以又能够说，热成像就是利用温度信息成像。研究人体温度分布，对于了解人体生理情况、诊疗疾病含有主要意义。影响体表温度原因很多，最主要是皮下毛细血管网血流情况。血流受控于棘状血管舒缩中心，其四肢交感神经系统主要控制着血管舒缩节律。所以，利用热成像，首先能够评价血流分布是否正常；其次，能够评价交感神经系统活动；还能够研究皮下组织所增加代谢热或动脉血流经过热传导使体温升高情况。另外，前后皮肤温度还受其它原因影响，如伤痛感受器、化学受体、丘脑下部等。因为出汗而形成局部热蒸发损失，也需给予考虑。医学影像设备学概论专家讲座第24页医用热成像设备普通包含红外成像、红外摄影、红外摄像和光机扫描成像等。光机扫描热成像仪将人体热像转变为连续改变图像电信号，经放大处理即可在显示器上显示荧光影像。其优点是温度分辨力可达0.1~0.01K，且含有灵敏度高、空间分辨力高。当前，光机扫描热成像仪已应用于乳腺癌普查和诊疗，血管瘤和血管闭塞情况检验和诊疗，以及妊娠早期诊疗等。还有一个热释电摄像机，将输入热辐射由红外透镜聚焦，在摄像管靶面上产生空间和强度改变与热体温度分布相同电荷图形，最终把反应温度情况电像转变为视频信号输出。热释电摄像机在整个红外光谱区响应相当平稳，又无需制冷，含有电子扫描、能与电视兼容等优点，是一个很有发展前途热成像系统。但当前它存在着灵敏度低、工作距离近、性能指标比光机扫描热像仪差缺点，有待于深入完善与提升。医学影像设备学概论专家讲座第25页体内以电磁波方式向外传输热辐射，其中含有微波成份。微波成像系统借助于体外微波天线接收体内传出微波，并经过高灵敏度热辐射计以实现温度测量。如测量某一特定频率信号，即可得到从体表到某一深度平均温度。若采取多波段辐射计，并对测量数据作适当处理，就能推断出不一样深度组织温度。如以温度为参变量，则可取得不一样深度体层图像。因为引发人体组织温度异常分布有各种各样原因，所以，热成像设备所提供信息仅供诊疗参考，不能作为诊疗依据。医学影像设备学概论专家讲座第26页（六）医用内镜前述各种医学影像设备即使在某种程度上能显示出人体内部组织形态，但这种显示是间接、非直观。真正能做到直观仪器，当前唯有内镜。利用光学内镜，能使人眼直接看到人体内脏器官组织形态，从而提升了诊疗准确性。内镜诊疗优势，已成为医学界共识。医用内镜种类很多，当前临床上用得最多是光导纤维内镜（纤镜），而最有发展潜力是电子内镜。医学影像设备学概论专家讲座第27页光导纤维内镜（简称为纤镜）以胃肠内镜为例，它是由头端部、直径为7.9~12.8mm可弯插入管以及将光源和头端部连接起来连接管组成。头端部由目镜，远端弯角，抽吸和送水各种控制件及工作钳孔等组成，能够手持。纤镜可弯曲套管中密封有传像束和导光束，它们将头端和末端连接在一起。导光束未来自光源光传输到内镜末端以照明视物。传像束将图像作为反射光传回到目镜。导光束和传像束由30000~50000根光学纤维组成，它们即使在弯曲时也能进行双向光传输。传像束要连贯地排列，使每根纤维在内镜头、尾两端相对位置保持一致，方便在目镜中重建一幅十分逼真图像。医学影像设备学概论专家讲座第28页电子内镜功效比光导纤维内镜多得多，是内镜一大进步。它主要由内镜、光源、视频处理中心、视频显示系统、图像与病人数据统计系统及从属装置组成。其最大特点是采取电荷耦合器（chargescoupleddevice，CCD）将观察到物像由光信号转换成电信号，并传输到视频中心进行处理，到达最终显示目标。传输到监视器图像还可统计下来，用视频打印机打印，也可传输到另一场所进行同时观察。医学影像设备学概论专家讲座第29页20世纪80年代初，USG内镜问世。它是将US探头和内镜连在一起，在内镜引导下，将US探头送入体内进行扫描，所得到信息要比在体表上取得扫描信息准确详细。当前这类设备主要用线性和扇形两种扫描方式，而采取凸式扫描做彩色多普勒和B型图像显示则较为少见。另外，激光内镜和三维内镜亦在发展之中。前者是将诊疗与治疗功效结合在一起新一代内镜。后者可提供立体图像，能使许多高难度手术得以顺利实施，且大大提升了手术安全系数，是内镜发展史上又一新进展。医学影像设备学概论专家讲座第30页医学影像设备学概论专家讲座第31页二、治疗用设备（一）介入放射学设备所谓介入放射学（interventionalradiology）系统，就是借助高精度计算机化影像仪器观察，经过导管深入体内，对疾病直接进行诊疗与治疗一个新型设备与技术。它问世，使临床一些疾病由不可治变为可治，使治疗难度由大变小，使有创伤变成少创伤甚至无创伤，使病人免受或减轻了手术之苦，操作比较安全，治疗效果也很好。利用介入放射学系统开展诊疗工作，对提升一些心血管病、脑血管病、肿瘤等重大疾患诊疗水平，提升治愈率与存活率，改进生活质量，发挥了主要作用。医学影像设备学概论专家讲座第32页医学影像设备导向是完成介入治疗关键。这需要一套由机械、仪器仪表、计算机、光学仪器等各种仪器组成大型精密仪器设备系统。尤其是20世纪80年代初发展起来影像技术与计算机结合DSA问世后，因为它能实时地向医生提供导管导向位置、局部循环结构、栓塞或扩张效果等相关介入诊疗信息，因而含有极大优越性，当前能够说已基本取代了常规血管造影设备。而计算机应用，使DSA向智能化、光纤网络综合快速数据处理能力、无胶片处理方式、尽可能低X线剂量、不分散注意力和操作方便界面、最快最好图像处理技术方向发展，从而为介入放射学提供了有力确保。医学影像设备学概论专家讲座第33页医学影像设备导向是完成介入治疗关键。这需要一套由机械、仪器仪表、计算机、光学仪器等各种仪器组成大型精密仪器设备系统。尤其是20世纪80年代初发展起来影像技术与计算机结合DSA问世后，因为它能实时地向医生提供导管导向位置、局部循环结构、栓塞或扩张效果等相关介入诊疗信息，因而含有极大优越性，当前能够说已基本取代了常规血管造影设备。而计算机应用，使DSA向智能化、光纤网络综合快速数据处理能力、无胶片处理方式、尽可能低X线剂量、不分散注意力和操作方便界面、最快最好图像处理技术方向发展，从而为介入放射学提供了有力确保。医学影像设备学概论专家讲座第34页介入性导管，依据用途可分为两类，即诊疗用导管和治疗用导管及其附件。前者包含心血管、脑血管造影导管，肝、肾、胰、脾等内脏器官用导管十余种。这种导管要有一定耐压性和满足大流量要求（15~25ml/s）。后者如消化道治疗导管、肿瘤化疗用导管、射频消融导管、溶栓导管、二尖辫球囊扩张导管等。其附件有血管内支架（自膨胀型、球囊膨胀型、形状记忆型）、导丝（引导导管用）等。医学影像设备学概论专家讲座第35页教授预测，在二十一世纪，应用微电子、分子生物学和基因工程新结果，集多功效如内镜、USG设备、血流压力测量等于一体新一代治疗导管及传输装置将深入发展。应用生物适应性良好材料、内支架、留置用导管研制和临床应用将有利于深入提升介入治疗水平。开放式MRI设备与其对应配套装置开发以及与USG设备配合使用，将使介入治疗技术向低或无放射线方向发展。影像设备研制、开发，使实时成像和立体成像引导下介入性操作成为可能，加上新抗癌药品、栓塞剂和基因疗法应用，将深入提升介入治疗精度与疗效。医学影像设备学概论专家讲座