电子以及通信生物电子学现代生物医学影像设备-

生物电子学生物（医学）电子学1第八章 现代生物医学影像设备8-1

医学影像设备概述生物（医学）电子学21.

超声影像设备

是当今五大医学影像设备之一（超声、X射线、核医学、红外线、核磁共振）超声诊断仪利用向人体内发射超声波，并接收由体内组织反射的回波信号，根据所携带的有关组织信息，进行检测、放大和处理，然后显示成像，为医生提供诊断的根据。A型：幅度显示；B型：亮度调制显示；（目前医院里使用的最多）C型：断面显示；D型：运动显示；P型：平面目标显示超声计算机断层成像（UCT）UCT利用超声波在生物体内传播时，体内各种组织与结构的不同声学特性会引起传播速度的变化和超声强度的衰减，检测出反射波的速度信息和衰减数据，用计算机重建透射超声的图像。速度图像重建：根据传播速度改变的数据重建图像衰减图像重建：根据衰减数据重建图像

採用組織追蹤技術，看到了即時的左心室活動圖像，在收縮期，應用了基於圖像的組織運動速率測量技術、彩色編碼技術、定量組織圖等來說明心肌運動的局部變化。于萬維網上展示的圖像的質量在很大程度上是由用以顯示圖像的電腦系統、監視器和網路流覽器決定的。正因如此，GE建議大家不要以網上圖像的質量來判斷本公司生產的超聲系統所獲得圖像的質量。（见下页）生物（医学）电子学3超声成像举例：採用組織追蹤技術，看到了即時的左心室活動圖像，在收縮期，應用了基於圖像的組織運動速率測量技術、彩色編碼技術、定量組織圖等來說明心肌運動的局部變化。生物（医学）电子学4胎儿心脏生物（医学）电子学5胎儿轮廓生物（医学）电子学6超声仪器生物（医学）电子学72.

X射线影像技术X光机X光机是利用X射线穿透人体衰减后，在荧光屏上或胶片上成像。价格低人体组织深度信息叠加在一起X射线数字影像设备生物（医学）电子学8X光机电原理图生物（医学）电子学9X光成像原理生物（医学）电子学10生物（医学）电子学11X射线照相生物（医学）电子学12举例生物（医学）电子学13♦生物（医学）电子学14♦生物（医学）电子学15生物（医学）电子学16X射线计算机断层（XCT）XCT利用X射线经过人体组织的衰减，测量人体组织的线性密度衰减系数。X光源和探测器在被测机体两侧，经过平移和旋转扫描，而获得各方面的信息，再由计算机进行图像重建，得到每一断层的图象。空间分辨率<0.5mm；能分辨组织的密度差<0.5%；可确定受检器脏的位置、大小和形态变化等。生物（医学）电子学17X射线CT机举例生物（医学）电子学18XX射射线CT的成像结果生物（医学）电子学19更多的结果生物（医学）电子学203.

核医学设备Gamma相机空间分辨率4mm；能量分辨率11%；Gamma相机是对体内示踪核素释放出来的Gamma射线进行探测并形成高分辨率的形态图像。经数据处理后，可用于诊断甲状腺、脑、费、肝、肾、心血管等脏器的病变和动态功能。生物（医学）电子学21生物（医学）电子学22Gamma刀：1968年，西班牙医师Salorio采用DET/PET显示癫痫低代谢区（即癫痫放电区），又采用X刀/伽玛刀，治疗11只神经科疾病猫（局部药物致痫）。结果，8只猫神经科疾病发作停止，3只猫仍然发作，说明立体定向放射治疗可以用于癫痫治疗，这是一个划时代的贡献。近年来，日本、韩国、美国、中国相继开展了这项治疗，有效率大大提高，取得了令人注目的疗效。生物（医学）电子学23伽马刀生物（医学）电子学24单光子发射计算机断层（SPECT）在Gamma相机的基础上，在体外设置探测器，得到数据，再由计算机计算得到断层图像。空间分辨率3mm；能量分辨率4%--5%正电子发射CT（PECT）利用放射性核素在原子列变时带有正电子发射的特点，将正电子发射的短寿命同位素制成放射性药物注入人体，测量这些放射性药物在人体脏器内的分布。PECT可以研究血脑屏障的渗透性；了解正常和有精神疾病的脑功能；对心肌梗塞和肿瘤检测效果优于Gamma相机生物（医学）电子学25SPECT的结果2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。 癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。生物（医学）电子学26PECT结果举例

癫痫患者PET图像:癫痫灶在发作间期呈低代谢，发作期变高代谢。生物（医学）电子学274.

医学红外成像技术

人体的温度（局部）取决于供血与新陈代谢的情况。人体表面温度的分布及变化与体内血液循环，局部组织新陈代谢，组织的热传导特性，以及皮肤与环境间温度差和皮肤湿度等因素有关。

当人体内出现组织病变，循环障碍，活性肿瘤等时，都会影响体表温度。

任一物体，只要温度高于绝对零度，就一定会有红外线辐射。因此，温度分布是诊断的有用信息。

人体的病变组织，加强了与毛细结构有关部门的新陈代谢，导致温度有别于其他组织。红外线成像技术。生物（医学）电子学28红外成像应用举例生物（医学）电子学29举例生物（医学）电子学30正常人体热像生物（医学）电子学31乳腺癌检测

早期治疗是防癌的主要措施。在乳腺早期癌变尚未形成明显的肿块时，其局部组织即会产生相应的变化，如局部血管增生、扩张、迂曲（热图显示为血管倒粗或环状和网状血管），局部组织代谢旺盛，其温度即可升高。箭头处即为乳腺癌区。生物（医学）电子学32乳腺癌检测

左乳确诊乳腺癌，远红外热像显示，血管明显增粗、代谢旺盛。整体温度明显高于右乳。乳窝处的热区为正常的升温。生物（医学）电子学335.核磁共振计算机断层（NMRCT）NMR是将人体置于强磁场中，根据人体的氢元素（存在于水中），在强磁场内密度分布的不同来区分正常组织和病变组织。对含水量高的脏器有很高的灵敏度。但对含水低的脏器（骨）比较困难。

NMR的原理是将机体组织中每个体积单元，按照其

空间位置作用大小不同的静磁场，另用一高频磁场进行微扰，使短时间内原子核的磁矩取向改变，实现共振，放射出特殊频率的共振波，就可以分辨从不同体积单元中所发出的不同的共振频率的信号。根据发射频率的不同，达到区分正常和病变组织的目的。生物（医学）电子学34核磁共振设备结构图生物（医学）电子学35核磁共振设备（1.5T）生物（医学）电子学36核磁共振设备（3T）生物（医学）电子学378-2

超声影像设备1.

概述超声波以纵波的形式在弹性介质中传播的机械振动。频率20KHz—1000MHz。用于人体测量的超声波频率通常为1MHz—20MHz。超声在不同组织中的传播特性不同。生物（医学）电子学38强度：随传播距离的增加而减小（由于吸收和散射）生物（医学）电子学39超声的吸收系数水：0.002dB/cm空气、骨等：12-13dB/cm超声的传播方向在均匀介质中，沿直线方向传播；在非均匀介质中，有反射，折射，透射，绕射等现象。超声仪器目前大部分医用仪器是利用脉冲回声原理制成的，它用超声换能器向生物组织内部发射超声脉冲，然后再利用换能器检测出回声信号。经过电子技术处理，可以得到有关组织界面的情况。2.

A型超声诊断仪幅度调制型（Amplitude

Modulation），简称A超生物（医学）电子学40说明生物（医学）电子学41同步脉冲发生器发出信号（1），f=几十~几KHz，作用，使仪器各部分同步工作；发射脉冲（2），高频衰减振荡，由探头发向人体内部；回声由同一探头接收，并送放大、检波垂直偏转板（5）；时基电路产生波形（4）；视频放大S.T.C电路，深度补偿电路，信号强时，使增益下降，信号弱时，使增益上升。已经基本淘汰3.

M型超声心动图仪是运动型或时间-运动型的简称，又称为M超 是在A超的基础上发展起来的。与A超的差别：将A型的时基扫描电压加至垂直偏转板，因此Y 轴表示脏器的深度；将视放输出加至示波管的阴极进行亮度调制， 回波强则亮度高；水平偏转板加一慢时间扫描电压，优点：能明显显示心脏搏动时各部位运动轨迹。生物（医学）电子学42原理图生物（医学）电子学434.

B型超声断层显像仪（简称B超）亮度调整型：可以得到人体内部脏器和病变组织的断层像单探头手动扫描显像仪生物（医学）电子学44说明：水平放大后的电压与探头的位置成比例，使显示器上光点在X方向的位置与探头位置对应，而Y方向的位置，表示被检测处的深度。这样，显示的图像是探头所移动直线超声波方向的一个切面图形。不同的扫描方式单探头手动扫描方式只能观察静止脏器的切面图像，不能用来观察运动脏器 的实时图像，这种B超已经很少使用。快速机械扫描方式直线扫描圆形扫描扇形扫描生物（医学）电子学45快速机械直线扫描适用于腹部脏器的检查。已经被直线电子扫描所取代。生物（医学）电子学46快速机械圆形扫描适用于直肠等管腔部位的检查。利用正余弦变压器测量出晶片发射声束的方向，并用电 子学方法在显示屏上产生对应的扫描线。使用时，将探头插入直肠，可得人体内部圆周扫描断层 图。生物（医学）电子学47快速机械扇形扫描直线扫描不适合作心脏检查（由于肋骨阻挡）。扇形扫描只需小的入口就得到内部大面积的扫描。生物（医学）电子学48快速电子扫描方式快速电子直线扫描由多个小换能器（阵元）组成多元阵列（线阵）；用电子开关按一定时序将激励脉冲电压按顺序加到各阵 元；接收回波，送CRT的Z轴进行亮度调制；CRT的Y轴代表回波深度（纵向），X轴对应于横向扫描 的位置；一条条载有回波的垂直扫描线构成一幅完整的超声图像。电子扇形扫描其探头也是由多个阵元组成；利用改变脉冲相位来改变声束的方向，达到扇形扫描的 目的；探头体积小，无振动，寿命长；线路比较复杂。生物（医学）电子学49快速电子直线扫描显像生物（医学）电子学50快速电子直线扫描显像生物（医学）电子学51相控阵的概念

相控阵，就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线，各单元之间的辐射能量和相位是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，即电子扫描，简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上．这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。综上所述，相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。生物（医学）电子学52超声多普勒技术

是一种物理现象。在连续介质中，当波源相对于接收体运动时，接收体所收到的波动频率发生变化，不同于波源所发出的频率。两者的频率差值，即所谓的频移大小与波源同接收体相对运动的速度大小有关，这种现象称为多普勒现象。是C.Doppler与1942年发现的。在血流测量中的应用原理：当超声束发射到运动的生物组织或血球时，回声信号频率与原发射超声频率发生偏移，频偏大小为生物（医学）电子学53两次多普勒现象生物（医学）电子学54说明

超声波入射并到达血管内的血液颗粒，发生第一次多普勒效应。

血液颗粒散射超声波返回接收器时，产生第二次多普勒效应。第一次接收到的频率为第二次接收到的频率为生物（医学）电子学55已知超声在血液中的速度为1570m/s,而血液的流速约为

0.18—0.22m/s。可以简化上式，为生物（医学）电子学568-3

XCT断层扫描设备生物（医学）电子学571.XCT发展概述CT=Computer

Tomography)1895年，德国科学家伦琴发现X射线，造出第一台X射线机

1972年英国EMI公司中心研究室主任（Housefield）研制成功第一台XCT机1973年，美国麻省综合医院建立了美国第一台头颅CT机1974年，乔治大学医疗中心建立了第一台全身XCTCT的特点不是投影重叠成像

而是对被测物的某一薄层进行扫描，用计算机加工成高清晰度的图像。2.现代XCT的基本情况第一代CT：单束扫描一个X射线管，1—2个检测器笔形束扫描X射线管与检测器联成一体直线平移扫描旋转1度，反向直线扫描直到180度都扫描得到180组平行投影值一个断面需要3—5分钟工作效率低生物（医学）电子学58同第二代CT：窄角扇束扫描一个X射线管，3—30个检测器X射线5-11度小扇形束直线平移方式与第一代相旋转角5-11度旋转时间大大减少一个断面20—90秒生物（医学）电子学59第三代CT：广角束扫描扇形角较宽张角约30—45度300—600个检测器不进行直线平移只进行旋转速度快，2—3秒是目前最流行的方式需校正相邻检测器的灵敏度差异生物（医学）电子学60第四代CT：反扇束扫描采用反扇束扫描检测器420—1500个，布满360度扫描时检测器不动，X射线管在圆周内旋转扇形角包括整个物体截面速度快，1—5秒图像质量好是目前较新的方式生物（医学）电子学61第五代CT：动态空间扫描 采用动态空间扫描28个X射线管排成半圆形28个相应的影像增强器没有机械扫描影像增强器后设置摄像机可对静止和慢动部分检测可用于动态研究心肺功能速度快，<1秒射线张角30—45度生物（医学）电子学62第六代CT：电子束扫描采用超高速电子束扫描X射线在许多方向照射采用巨大钟形X射线管，右端电子枪发射电子束，经过两次磁偏转，在左端的靶上发出微小焦点的X射线。电子束高速旋转，360度扫描，从圆形靶上的不同位置发射X射线。患者连同CT床伸入钟内，扇形X射线照射人体。检测器安装在圆周体上。X射线源和检测器不在同一平面。速度快，仅需10ms。X射线管高压100kV—150kV。管电流50—200mA。生物（医学）电子学63电子束扫描示意图生物（医学）电子学64各代CT的主要特征生物（医学）电子学653.XCT的发展方向扫描方式笔束形 扇束形生物（医学）电子学66大角度扇束形

X射线管旋转检测器数量由1个增加到几十个、几百个甚至上千个扫描时间几十分钟几十ms4.X射线简介基本性质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、剂量主要公式（每个光子的能量）：生物（医学）电子学67X射线的强度强度（I）定义为单位时间通过单位表面（垂直于射线方向）的X射线光子的总能量。生物（医学）电子学68吸收剂量任何一种辐射授予一体积单元中物质的平均能量除以该体积单元物质质量。剂量当量为统一各种射线对生物体的危害程度，采用剂量当量H来表示。生物（医学）电子学69品品质质因因数数和和人体最生物（医学）电子学70X射线与人体的相互作用X射线光子与人体组织的原子相互作用，导致通过人体后的X射线的强度衰减。衰减的原因：不变散射、康普顿散射和光电吸收；不变散射：光子与电子碰撞只改变了方向，不改变能量；康普顿散射：光子与自由电子或与原子中束缚得不太紧的电子碰撞，将其一部分能量传递给电子，使之脱出原子成为反冲电子。光子则因损失能量而成为能量更小的光子，且运动方向改变。光电吸收：导致X射线光子能量在作用处被吸收。生物（医学）电子学71X射线的衰减衰减规律生物（医学）电子学72由衰减规律，可得对于人体的情况生物（医学）电子学73人体公式修正由于人体各种组织的线性衰减系数有所不同，在X射线穿过的组织内每个像素具有不同的线性衰减系数。设X射线穿过组织的长度为L，在L内有n个像素，每个像素的厚度为W=L/n，代入I或S的表达式，可得假定W足够小，则每个小单元为均匀密度，这样每个小单元的线性衰减系数是常数，得到生物（医学）电子学748-4

XCT成像的原理和方法生物（医学）电子学75XCT的概念

XCT是将测得的X射线穿透量I或S转换为患者层面的数字图像。XCT与X射线机的比较

普通X射线机：把三维空间的图像投影到一个二维平

面上，使厚度方向的信息都重叠在一起（不易判断），分辨衰减系数5%--7%。

XCT：得到人体长轴垂直方向的切片图像，可检测

0.5%的衰减差，可得到很清晰的图像。XCT的成像原理基本依据人体组织对X射线的衰减作用，不同的组织、不同的厚度有不同的衰减CT的建像过程，就是求

的过程，就是求每个像素的衰减系数的过程。由于一个方程不能解出多个未知系数，所以要从不同方向上进行多次观测，以获得足够多的方程式。CT中，计算机求解这些方程，从而得出每个像素的衰减系数。当像素足够小，并相当精确地计算出衰减系数，就能建立图

像。生物（医学）电子学76CT数的概念生物（医学）电子学77XCT的建像过程获取原始图像数据

(像素)以笔型射线束为例（单一检测器）扫描机构直线平移，得到120个投影数据。旋转一个小角度，作第二次平移扫描如此下去，旋转180度得到120*180=21600个投影数据。建立21600个方程。生物（医学）电子学78扫描形式与结果（信号的幅度是由许多像素叠加而成的）生物（医学）电子学79原始数据的修正补偿X射线的硬化效应：用过滤板使X射线尽量接近单色辐射，以减小硬化效应。修正零点漂移零点漂移的概念：在一次平移扫描结束时，检测器上的信 号输出应为0。但是由于各种因素的影响，输出不为0，这 种现象称为零点漂移。修正的方法：在每次扫描开始时，要检测零点漂移，并 使各通道的数据都从0开始。对数转换预先设置查找表，计算出对数数据。修正灵敏度若各个检测器灵敏度不一致，要进行修正。生物（医学）电子学80求解像素的方法（1）联立方程法（矩阵法）求解高阶线性方程组。如图，矩阵中4个像素的值未知，在A，B，C，D，E，F六个方向投影，假设得到：生物（医学）电子学81（续）由上面6个方程，可以得到4个元素值为：矩阵，像素的吸收系数为设待重建图像可以分成可得线性方程组为生物（医学）电子学82（2）迭代法（以2*2的矩阵为例）矩阵太大时，联立法困难。X射线水平方向透射目标，从而获得水平射线和。X射线垂直透射目标，从而获得垂直射线和。生物（医学）电子学83用水平方向射线和相对全部像素做平均，作为每个像素 的值，该值为(2+4)/4=1.5。在水平和垂直方向上重新计算射线和，并与原射线和加以比较。生物（医学）电子学84第一次修正：将原水平方向上的总和减去新的总和值再 除以水平单元个数，获得第一次修正的系数为将新的像素值加上第一次修正系数，得到该像素单元的 校正值。生物（医学）电子学85再计算上图中垂直方向的射线和，得到新的两个总和数

3和3。第二次修正。将原来垂直方向的射线和减去新的垂直总 和，再除以垂直方向像素个数，得到第二次修正系数。 得到的新像素单元为（上右图）。该法可推广到复杂矩 阵。生物（医学）电子学86从空域和频域的概念开始；滤波反投影重建算法投影定理（中心切片定理）生物（医学）电子学87投影定理（中心切片定理）图像f(x,y)在视角

时投影给出f(x,y)的二维傅里叶变换的一维傅里叶变换，的一角，且过坐标原个切片。切片与

轴相交成点。即生物（医学）电子学88说明：

根据中心切片定理，投影图像重建问题，原则上可按以下流程进行：确定待重建的图像采集不同视角下的投影

求出各投影的1D傅里叶变换（即图像2D傅里叶变换的各切片，理论上是连续的无穷多片）汇集成图像的2D傅里叶变换求反傅里叶变换得到重建的图像生物（医学）电子学89卷积反投影重建生物（医学）电子学90生物（医学）电子学91现在来看上式的物理意义：先看第二个积分将上式写为空域变量的傅里叶反变换：生物（医学）电子学92上式的物理意义：生物（医学）电子学93算法的三个步骤：生物（医学）电子学94生物（医学）电子学95数字X射线图生物（医学）电子学96胸部XCT图像生物（医学）电子学97End

of

This

ChapterEnd

of

This

Course生物（医学）电子学98Thanks

a

lot

for

your

attention幻肦擀扩煿賽磩莵伿铢鵉毂佇许雂嚋穲專陧舋臼叱靼蜛湆彭產廻洓鶐昗衏抒燻韬嚧莶覇贆篖況籌磜譠蟀埓甧昊囶叕溼獃嗓魜硶嚾11111111144487看看纲稤螞韡嬻伥倎鷘嘆麸丒缥鄷摋生物（医学）电子学99鸻膀簃格邺蟩釟挟僁轿寄♦

1♦2

过眼云烟♦3

古古怪怪♦

4♦

5♦6男♦7古古怪♦

8vvvvvvv♦9方法♦生物（医学）电子学100癊綘泩疽耯匄葷蜞黩眧羼♦

古古广告和叫姐姐

♦

2222222222♦

和呵呵呵呵呵斤斤计

♦

555555555较斤斤计较

♦

8887933♦

化工古怪怪古古怪怪

♦

Hhjjkkk个

♦

浏览量浏览量了♦

Ccggffghfhhhf

♦♦

Ghhhhhhhhhh

♦♦

1111111111

♦

111111111111♦

000生物（医学）电子学101鞞獑緃亅豪圔姝亙鳜♦

5