医学影像设备学教学课件

医学影像设备学

教学课件韩丰谈主编第一章医学影像设备学概论第一节医学影像设备的发展简史

第二节医学影像设备的分类

第一节医学影像设备的发展简史

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实验时，发现了一种肉眼看不见、但具有很强的穿透本领、能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线，简称为X线。1896年，德国西门子公司研制出世界上第一只X线管。20世纪10~20年代，出现了常规X线机。其后，由于X线管、高压变压器和相关的仪器、设备以及人工对比剂的不断开发利用，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、电影和录像记录系统的应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的学科体系，称为影像设备学。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的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，无前后影像重叠，不受层面上下组织的干扰；同时由于密度分辨力显著提高，能分辨出0.1%~0.5%X线衰减系数的差异，比传统的X线检查高10~20倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0.75s（512×512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛的普及，功能有了进一步的扩展。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检查后直接进行正电子发射型计算机体层（positiveemissioncomputedtomography，PET）检查，使CT的形态学信息与PET的功能性信息通过工作站准确融合，可以更准确地完成定性与定量的诊断。平板探测器CT设备目前尚在开发阶段，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的改变，将会引起CT设备的又一次革命。20世纪80年代初用于临床的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一种新的非电离辐射式医学成像设备。MRI设备的密度分辨力高，通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像，这是它优于CT设备的特点之一。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。中场超导（0.7T）开放型MRI设备进一步普及，它便于开展介入操作和检查中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检查的限制。双梯度场技术可在较小的范围内达到更高的梯度场强，有利于完成各种高级成像技术，如功能成像、弥散成像等。降噪措施和成像专用线圈也都有了较大的进步，如功能成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊断效果已接近和达到CT设备水平，脑影像的分辨力在常规扫描时间下提高了数千倍，而显微成像的分辨力达到50~10μm，现已成为医学影像诊断设备中最重要的组成部分。生物体磁共振波谱分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）具有研究机体物质代谢的功能和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合的临床应用，将会引起医学诊断学上一个新的突破。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年代开发的数字X线机。前者具有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，目前，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的应用范围。后者具有减少曝光量和宽容度大等优点，更重要的是可作为数字化图像纳入图像存储与传输系统（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途的影像探测器之一。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，当时在医学上的应用往往各成系统。1972年X-CT设备的开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。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。尽管这些设备的成像参数、诊断原理和检查方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进行诊断。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迅速。因其具有安全、简便、经济等特点，深受医生和病人的普遍重视与欢迎，现仍处于不断发展和完善的过程之中。90年代倍受人们青睐的立体定向放射外科学设备，由于它可以不作开颅手术而治疗一些脑疾患，很受欢迎，全世界都在积极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，都是通过医学影像设备来引导或定位的，所以也属于医学影像设备的范畴。综上所述，多种类型的医学影像诊断设备与医学影像治疗设备相结合，共同构成了现代医学影像设备体系。第二节医学影像设备的分类现代医学影像设备可分为两大类，即医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。一、诊断用设备按照影像信息的载体来区分，现代医学影像诊断设备主要有以下几种类型：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）。（一）X线设备X线设备通过测量穿透人体的X线来实现人体成像。X线成像反映的是人体组织的密度变化，显示的是脏器的形态，而对脏器功能和动态方面的检测较差。此类设备主要有常规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的载体，出于两方面的考虑，即分辨力和衰减系数。从分辨力来看，为了获得有价值的影像，辐射波长应小于5×10-11m。另一方面，当辐射波通过人体时，应呈现衰减特性。若衰减过大，则透射人体的辐射波微弱，当测量透射人体的辐射波时，由于噪声的存在，很可能导致测量结果无意义。反之，若辐射波透射人体时几乎无衰减，则因无法精确的测量衰减部分而失效。在X线设备中，屏-片组合分辨力较高，可达到5~10LP/mm，且使用方便、价格较低，是目前各级医院中使用最普遍的设备之一。但它得到的是人体不同深度组织信息叠加在一起的二维图像，所以病变的深度很难确定，且对软组织分辨不佳。数字X线机使用曝光量宽容度大，可获得数字化影像，便于进行图像的后处理，且扩大了诊断范围，利于胃肠和心脏等部位的检查。X-CT影像的空间分辨力可小于0.5mm，能分辨组织的密度差别可达到0.5％。X-CT影像的清晰度很高，可确定受检脏器的位置、大小和形态变化。（二）MRI设备MRI设备通过测量构成人体组织中某些元素的原子核的磁共振信号，实现人体成像。20世纪40年代发现了物质的磁共振现象，20世纪80年代MRI设备应用于临床。MRI影像的空间分辨力一般为0.5~1.7mm，不如X-CT；但它对组织的分辨远远好于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。此外，它还有一些特殊的优点：①MRI剖面的定位完全是通过调节磁场，用电子方式确定的，因此能完全自由地按照要求选择层面；②MRI对软组织的对比度比X-CT优越，能非常清楚地显示脑灰质与白质；③MR信号含有较丰富的有关受检体生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度测量值；④MRI能在活体组织中探测体内的化学性质，提供关于内部器官或细胞新陈代谢方面的信息；⑤MRI无电离辐射。目前，尚未见到MR对人体危害的报道。MRI的缺点：①与X-CT相比，成像时间较长；②植入金属的病人，特别是植入心脏起搏器的病人，不能进行MRI检查；③设备购置与运行的费用较高。总之，MRI设备可作任意方向的体层检查，能反映人体分子水平的生理、生化等方面的功能特性，对某些疾病（如肿瘤）可作早期或超早期诊断，是一种很有发展前途和潜力的高技术设备。（三）诊断用超声设备诊断用超声设备分为利用超声（ultrasound，US）回波的USG设备和利用US透射的超声CT（ultrasonographyCT，UCT）两大类。USG设备，根据其显示方式不同，可以分为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。目前，医院中用的最多的是B型USG设备，俗称B超，其横向分辨力可达到2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。利用US多普勒系统，可实现各种血流参量的测量，是近年来广泛应用的又一种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。目前UCT所需扫描时间较长，且分辨力低，有待于进一步改进与提高。但由于它是一种无损伤和非侵入式的诊断设备，因此将来可能成为主要的影像诊断设备。X线成像亚与US成庄像是当前串用得最为裤普遍的两持种检查方那法，但对旱人体有无咏危害是它库们之间的队一个重要寇区别。就话X线来说辛，尽管现浸在已经显趋著地降低盟了诊断用表剂量，但役其危害性断仍不容忽遵视。实践秧表明，它梳将导致癌衰症、白血士症和白内谱障等疾病碗的发病率晴增加。而泳从现有资绩料来看，推目前诊断芳用US剂萍量还未有来使受检者归发生不良革反应的报霸道。此外，X裂线在体内丘沿直线传屠播，不受填组织差异男的影响，拖是其有利塘的一面，胃但不利的疲一面是难幻玉以有选择仇地对所指匆定的平面架成像。对蛋US波来易说，不同听物质的折班射率变化产范围相当救大，这将民造成影像警失真。但第它在绝大计部分组织贼中的传播告速度是相赤近的，骨搏骼和含有壶空气的组杨织（如肺荒）除外。句US波和侦X线这些比不同的辐词射特性，鄙确定了各最自最适宜返的临床应么用范围。头例如，U举S脉冲回疾波法适用医于腹内结若构或心脏夸的显像，体而利用X怕线对腹部滥检查只能钩显示极少袭的内部器纷官（若采胆用X线造猪影法，也叨可有选择卵地对特定雪器官显像斥）；对于邀胸腔，因绵肺部含有达空气而不论宜用US甜检查，用恩X线则可伯获得较为棍满意的结罚果。（四）屋核医学紧设备核医学串设备通溜过测量冠人体某龟一器官龟（或组魂织）对集标记有垮放射性甩核素药级物的选侨择性吸惠收、储跌聚和排哭泄等代梁谢功能绢，实现药人体功悲能成像爽。主要出有γ相勇机、单墓光子发王射型C佳T（s脆ing唇le棍pho绑ton郊em斜iss民ion刻CT志，SP吩ECT需）和正候电子发酷射型C饼T（p俭osi佳tiv火ee手mis救sio敬nC匆T，P御ET）叶。γ相机串既是显狠像仪器贯，又是穗功能仪罗器。临摘床上可国用它对径脏器进渣行静态伸或动态初照相检趋查。动迅态照相魄主要用弊于心血判管疾病屿的检查何。因为牛SPE倍CT具嫌有γ相悦机的全陆部功能土，又具泪有体层禁功能，叼所以明愚显提高奇了诊断抬病变的脏定位能到力；加它上各种垃新开发祖出来的犁放射性坊药物，挠从而在劫临床上锦得到日揪益广泛势的应用锤。SP鸡ECT躺能做动腔态功能栽检查或乓早期疾阶病诊断饺。缺点南是图像售清晰度待不如X扔-CT英，检查技时要使遥用放射迷性药物抬。PE办T可以墙用人体撤组织的亮某些组情成元素肺（如15O、11C、13N等）过来制造着放射性汤药物，粱特别适腹合作人背体生理隆和功能贷方面的在研究，政尤其是筋对脑神龄经功能款的研究震。在其罗附近需桂要有生忌产半衰标期较短蓬的放射服性核素悄的加速幻玉器和放铜射化学腔实验室台。核医学邻成像只虎需极低总浓度的寒放射性交物质，剖这与X竞线成像搁时口服劫硫酸钡围不同。夺一般情丑况下，很核医学绸成像的湾横向分滋辨力很知难达到肝1.0喷cm；粘且图像袭比较模惕糊，这经是因为笑有限的渗光子数塘目所致遥。相比珍之下，朋X线成微像具有奸高分辨是力和低瓦量子噪伶声。（五）热外成像设备热成像设闪备通过测那量体表的估红外信号陈和体内的秤微波信号跟实现人体刘成像。红恩外辐射能殿量与温度壤有关，因暴此又可以软说，热成汪像就是利副用温度信取息成像。研究人障体的温泥度分布扑，对于辽了解人贝体生理俗状况、德诊断疾三病具有斥重要意重义。影标响体表犯温度的么因素很粉多，最尿主要的招是皮下妖毛细血抵管网的辅血流情冬况。血书流受控易于棘状到血管舒碑缩中心搭，其四谣肢的交两感神经葬系统主洞要控制深着血管护舒缩的芬节律。济因此，每利用热树成像，爪首先可蚀以评价直血流分胸布是否揭正常；晶其次，券可以评垄价交感甘神经系察统的活凑动；还嗓可以研敞究皮下准组织所记增加的汁代谢热师或动脉窃血流通赞过热传凯导使体巡寿温升高纹的情况大。此外窑，前后掠皮肤温狼度还受阶其他因迁素的影搞响，如笼伤痛感裳受器、叔化学受雄体、丘该脑下部绸等。由古于出汗属而形成库的局部忙热蒸发堪损失，终也需予根以考虑除。医用热从成像设姿备一般她包括红愚外成像糕、红外谨照相、查红外摄妻像和光舰机扫描宗成像等甘。光机眨扫描热尺成像仪信将人体落的热像环转变为障连续变侵化的图桂像电信赤号，经钩放大处岛理即可薄在显示洒器上显卖示荧光途影像。皱其优点爷是温度价分辨力剩可达0册.1~摊0.0爆1K，咽且具有泊灵敏度探高、空垂间分辨菜力高。弊目前，鹿光机扫许描热成芝像仪已碑应用于章乳腺癌炮的普查影和诊断厌，血管厅瘤和血精管闭塞乱情况的蹦检查和惩诊断，恐以及妊约娠的早嗓期诊断厚等。还阻有一种圈热释电晓摄像机亿，将输侧入的热圣辐射由偶红外透翼镜聚焦足，在摄障像管靶宵面上产稻生空间竞和强度棍变化与焰热体温俘度分布筑相同的赤电荷图差形，最蚕后把反津映温度落情况的炉电像转昨变为视像频信号汉输出。批热释电友摄像机棍在整个任红外光哭谱区响才应相当悦平稳，普又无需咳制冷，钟具有电克子扫描值、能与云电视兼夏容等优丝式点，是种一种很健有发展锐前途的艘热成像稠系统。刑但目前系它存在评着灵敏叔度低、水工作距淋离近、晨性能指巧标比光邮机扫描落热像仪同差的缺书陷，有严待于进懂一步完离善与提普高。体内以电影磁波方式描向外传播冠的热辐射倾，其中含箱有微波成滥分。微波堆成像系统芬借助于体酸外的微波证天线接收还体内传出绿的微波，园并通过高段灵敏度的快热辐射计须以实现温利度测量。多如测量某较一特定频甘率的信号星，即可得除到从体表圾到某一深死度的平均扶温度。若荐采用多波击段辐射计泊，并对测曲量数据作宰适当处理事，就能推割断出不同朋深度组织例的温度。栗如以温度苦为参变量抵，则可获题得不同深梅度的体层添图像。由于引拐起人体慎组织温筝度的异摄常分布哄有各种旋各样的痒原因，顾因此，史热成像陷设备所将提供的胃信息仅造供诊断柱参考，型不能作口为诊断财依据。（六）医叹用内镜前述各种匠医学影像支设备虽然态在某种程扭度上能显巴示出人体性的内部组恢织形态，密但这种显闹示是间接闹的、非直鉴观的。真滔正能做到丽直观的仪拜器，目前筑唯有内镜燥。利用光剑学内镜，桂能使人眼贪直接看到估人体内脏亦器官的组课织形态，牌从而提高冲了诊断的干准确性。嘉内镜的诊俗疗优势，幅已成为医甚学界的共向识。医用内镜屈的种类很章多，目前眼临床上用棉得最多的只是光导纤尚维内镜（瞎纤镜），晃而最有发确展潜力的匠是电子内谨镜。光导纤维例内镜（简律称为纤镜细）以胃肠献内镜为例稼，它是由昌头端部、近直径为7缸.9~1策2.8m核m的可弯标插入管以挥及将光源述和头端部遭连接起来远的连接管异组成。头认端部由目怨镜，远端稿弯角，抽饿吸和送水你的各种控罚制件及工愉作钳孔等身组成，可过以手持。馅纤镜可弯凑曲的套管勉中密封有伍传像束和茧导光束，呼它们将头共端和末端尺连接在一山起。导光瞒束将来自狸光源的光纯传输到内骑镜的末端券以照明视疼物。传像恢束将图像夕作为反射文光传回到属目镜。导继光束和传条像束由3球0000羡~500煤00根光拆学纤维构训成，它们成即使在弯铸曲时也能截进行双向遵光传输。沸传像束要雹连贯地排众列，使每质根纤维在老内镜头、瓜尾两端的夺相对位置敢保持一致号，以便在占目镜中重译建一幅十壤分逼真的雕图像。电子内歪镜的功衰能比光锯导纤维洒内镜多障得多，岗是内镜殊的一大洞进步。伤它主要胸由内镜古、光源刑、视频酒处理中匀心、视伙频显示骑系统、甜图像与前病人数鲁据记录招系统及棍附属装尿置组成蓝。其最锻大的特挑点是采蚁用电荷辩耦合器乔（ch球arg思es慢cou检ple粮dd最evi嫩ce，沈CCD蝴）将观首察到的班物像由经光信号建转换成我电信号双，并传舞输到视量频中心攻进行处狡理，达灾到最终魔显示的阀目的。申传输到错监视器召的图像侦还可记互录下来衰，用视纲频打印鸟机打印村，也可仓传输到招另一场回所进行斗同时观决察。20世纪牵80年代粉初，US揉G内镜问赵世。它是慎将US探在头和内镜间连在一起桐，在内镜岩的引导下仙，将US即探头送入推体内进行纺扫描，所存得到的信圾息要比在混体表上获标得的扫描舒信息准确桌详细。目叮前这类设川备主要用步线性和扇气形两种扫泉描方式，域而采用凸誉式扫描做仅彩色多普语勒和B型似图像显示令则较为少容见。此外，烦激光内案镜和三初维内镜尖亦在发恰展之中穗。前者否是将诊腥断与治舅疗功能怨结合在哪一起的雹新一代破内镜。麻后者可蒜提供立盒体图像赔，能使刺许多高沾难度的查手术得乡丰以顺利傍实施，票且大大隆提高了疑手术的顶安全系架数，是稻内镜发尚展史上斑又一新栏进展。二、治百疗用设血备（一）苹介入放射射学设护备所谓介入绘放射学（仆inte攀rven快tion衫alr考adio熄logy址）系统，寇就是借助梯高精度计技算机化的垃影像仪器汁的观察，误通过导管成深入体内岗，对疾病浮直接进行跨诊断与治落疗的一种必新型设备桌与技术。画它的问世首，使临床侵某些疾病奴由不可治刻变为可治覆，使治疗扮的难度由巾大变小，筑使有创伤蜂变成少创巷伤甚至无省创伤，使鸦病人免受假或减轻了经手术之苦啊，操作比暂较安全，闯治疗效果爆也较好。驶利用介入抵放射学系融统开展诊熔疗工作，纠对提高某雾些心血管姜病、脑血弃管病、肿垂瘤等重大董疾患的诊洽疗水平，迷提高治愈压率与存活爪率，改善堆生活质量敬，发挥了敲重要作用剂。医学影邀像设备唯的导向限是完成猛介入治谢疗的关雨键。这六需要一秀套由机妖械、仪后器仪表渐、计算透机、光深学仪器棍等多种斩仪器组捉成的大歼型精密型仪器设标备系统润。特别对是20保世纪8叮0年代围初发展疗起来的理影像技沿术与计留算机结债合的D暖SA问症世后，聚由于它妹能实时撤地向医块生提供摧导管导昌向的位蜂置、局裙部循环及结构、朴栓塞或鬼扩张的堤效果等兴有关介转入诊疗纸的信息筝，因而蓄具有极次大的优菌越性，滔目前可上以说已玩基本取酱代了常灶规的血闻管造影订设备。纷而计算李机的应绵用，使匆DSA搂向智能换化、光煎纤网络浊的综合权快速数粘据处理永能力、雾无胶片需处理方息式、尽尸可能低姜的X线务剂量、欺不分散狂注意力钟和操作飘方便的添界面、脉最快最适好的图允像处理拥技术方跑向发展亡，从而柿为介入块放射学姜提供了谱有力的静保证。医学影像薄设备的导场向是完成缠介入治疗归的关键。弯这需要一鼻套由机械蚊、仪器仪英表、计算政机、光学路仪器等多纳种仪器组累成的大型记精密仪器肌设备系统坏。特别是钓20世纪孔80年代恒初发展起浙来的影像宁技术与计宇算机结合争的DSA融问世后，偿由于它能描实时地向车医生提供援导管导向配的位置、彻局部循环局结构、栓彼塞或扩张棵的效果等忙有关介入像诊疗的信毁息，因而描具有极大侄的优越性桃，目前可温以说已基窗本取代了岔常规的血摘管造影设旧备。而计骡算机的应慰用，使D侄SA向智栽能化、光顶纤网络的社综合快速敞数据处理涛能力、无陶胶片处理于方式、尽流可能低的播X线剂量者、不分散王注意力和售操作方便粱的界面、突最快最好扶的图像处愿理技术方张向发展，祥从而为介沈入放射学爪提供了有注力的保证猪。介入性导箩管，根据免用途可分班为两类，帖即诊断用宪导管和治林疗用导管抖及其附件武。前者包宿括心血管掌、脑血管活造影导管砍，肝、肾啦、胰、脾茶等内脏器慨官用导管戒十余种。貌这种导管柏要有一定衬耐压性和雹满足大流仰量的要求身（15~阶25ml作/s）。字后者如消旷化道治疗痛导管、肿咏瘤化疗用俘导管、射薯频消融导真管、溶栓乓导管、二猛尖辫球囊络扩张导管疑等。其附脚件有血管巷内支架（皆自膨胀型折、球囊膨梦胀型、形蜡状记忆型怀）、导丝疮（引导导中管用）等却。专家预测鲁，在21凳世纪，应指用微电子工、分子生伟物学和基浇因工程的司新成果，赖集多功能董如内镜、芦USG设股备、血流绘压力测量络等于一体搂的新一代川治疗导管窃及传输装嚼置将进一柏步发展。剃应用生物术适应性良汇好的材料岩、内支架勤、留置用者导管的研剃制和临床旧应用将有肃助于进一策步提高介适入治疗的允水平。开谋放式MR迎I设备与揉其相应配秀套装置的挖开发以及再与USG冻设备的配某合使用，支将使介入芽治疗技术戒向低或无某放射线方使向发展。屡影像设备弄的研制、洒开发，使都实时成像宵和立体成苹像引导下仰的介入性决操作成为虚可能，加怕上新的抗集癌药物、渣栓塞剂和初基因疗法愚的应用，枣将进一步唐提高介入诊治疗的精坏度与疗效莲。（二）临立体定舞向放射吼外科学只设备立体定向境放射外科叫（ste群reot爪acti辣cra奶dios满uger倍y，SR书S）或称叙立体定向御放射治疗谣（ste蓄reot匹acti历cr惠adio象ther融apy，启SRT）羡，是一门变新的医疗惜技术。它怎是利用现苏代X-C植T设备、构MRI设告备或DS绝A设备，倚加上立体弦定向头架逐装置对颅转内病变区开做高精度坊定位；经皆过专用治厦疗计划系胳统（具有斜三维显示烤和计算功乘能的计算薄机）做出照最优化治明疗计划；太运用边缘胸尖锐的小开截面光子攻束（MV冲级）以等动中心照射辣方式聚焦申于病变区够（位于等强中心处）赖，按治疗椒计划作单倡平面或多我个非共面急的单次或启多次剂量指照射。由锣于照射野台边缘剂量灶下降很陡锈，就像用蜜刀切一样纤，所以，隶用γ射线妥时称为γ掩-刀，用