醫學空間分辨率的技術問題

1顯微診斷是醫學診斷的基礎病理診斷是臨床醫學診斷的“金標準”。現代醫學的進展與細胞病理學的進展密切相關。病理學診斷可分為宏觀尸檢和顯微切片兩大部份。宏觀尸檢主要依靠肉眼的觀察作出判斷,如腫塊,出血,缺損,潰瘍,空洞,腫脹,肥大,狹窄,梗塞,囊腫,壞死,化膿,結節等宏觀的病理形態學的變化,更精確的定性診斷,則必需依靠顯微切片的觀察。例如一塊甲狀腺上的腫物,只有病理切片觀察才能明確診斷是良性甲狀腺腺瘤還是惡性甲狀腺腺癌。細胞病理學診斷是現在醫學的基礎。臨床病理討論會(ClinicalPathologicalConference)對臨床醫學的發展具有不可替代的作用。1973年,Hounsfield等首次報告CT的臨床應用。25年來,醫學影像學有了飛速的發展。高分辨率X線CT,MRI,超聲影像儀,SPECT,PET2在過去25年中，ct技術取得了進展2.1代ct成像技術近25年來,醫學CT經歷了原始的第1代CT發展至目前第5代高分辨CT和高速電子束CT。其空間分辨率及時間分辨率掃描成像皆有所提高。其主要進展表現為以下方面;2.1.1高精度ct檢測結果原來的第1代CT的空間分辨率僅為cm數量級,目前第七代高精度CT已可達到0.35mm(350μm)。將空間分辨率提高將近2個數量級。2.1.2提高了生產級由原來的cm數量級減薄到目前的1.0mm,提高了約1個數量級。2.1.3高速ct掃描1幀由于將機械式掃描裝置改進為電子束掃描裝置,使CT的成像速率大大提高。第1代CT掃描1幀需用數分鐘(100s以上)。目前的高速CT掃描1幀僅需20～50ms,已將時間分辨率提高了3個數量級以上。由于電子束掃描,消除了慣性,理論上其掃描速率還可以更進一步提高。2.1.4度分辨率進展近25年來密度分辨率進展不大,仍為1/1000左右。2.1.5病料重構處理第1代CT是應用求解矩陣方法,對數據進行圖象重構,處理速度慢,而且很難避免病態方程的出現。目前已采用卷積反投影法,不僅克服了上述困難,而且提高了運算速度和改善了圖像的質量。2.1.6樣品檢測性能第1代CT應用碘化鈉(NAI)晶體為檢測材料,后來改用鍺酸鉍(BGO)晶體檢測,性能進一步改善。目前應用鎢酸鎘(CdWO4)晶體為檢測器材料,其檢測效率較BGO晶體提高約3倍。同時檢測器探頭的尺寸,進一步縮小,檢測器探頭的數目進一步增加,為提高空間分辨率和改善圖像質量奠定基礎。2.1.7ct計算機軟件選型因計算機技術的迅猛發展,目前CT所用的計算機,比起第1代CT的計算機不僅運算速度快,而且存儲容量大,已能充分滿足CT圖像處理的需要。2.1.8動偽差最小時期的觸發和成像技術可在心臟舒張末期亦即心搏運動偽差最小的時期進行觸發掃描成像,從而大大減少由于心臟收縮造成的心搏運動偽差。2.2“三自”結構的應用CT3顯微鏡ct的定義以及治療結束時的臨床醫學中的作用3.1“三自”結構的應用CT3.2“三自”結構的應用CT4醫學顯微ct的前進階近25年來醫學CT的空間分辨率已提高2個數量級,按此推算,最多再用25年,再提高2個數量級,即可達到顯微CT的要求。因此,目前醫學CT正處在突破的前夜,再向前邁進就是顯微CT光明的彼岸。但要進一步提高醫學CT的空間分辨率,目前還存在很大的困難,需要認真對待和克服。但我們認為這些困難并非不可逾越的障礙,只要技術上進行革新,這些困難是可以克服的。現將顯微CT的技術難點,逐項分析如下:4.1“三自”結構的應用CT4.2“三自”結構的應用CT4.2.1顯微ct的設備特點一般認為,CT的空間分辨率與探頭的大小屬于同一數量級。因此縮小探頭尺寸是提高CT空間分辨率的關鍵。可以采用集成電路光刻技術,作成以鎢酸鎘晶體為材料的CCD陣列探測器。每個探頭的寬度為1μm～10μm。目前醫學CT探頭的寬度為MM數量級,其空間分辯率比μ-CT低2～3個數量級。由于探頭的寬度變小,所以單位長度內所含探頭的數目,將成倍增加。以探頭寬度為10μm間隔為10μm的檢測器為例,其探頭的線密度達到每cm5000個。單個探頭的長度決定CT切面每層的厚度。目前醫學CT的層厚已可達1mm。一般病理切片的厚度為5μm～10μm微米。所以顯微CT為了能看見組織結構,層厚最多不能超過去50μm,即層厚尚需降低20倍。檢測器探頭的數目,第1代CT為幾十個,目前醫學CT探頭數目已有數百個,高分辨工業CT的探頭數目已多達幾千個。因人體頭部的尺寸較軀體小,為了先易后難,顯微CT可以先從頭部入手。按頭圍長50cm計算,則μ-CT的總探判斷數將達到達25萬個,這是一個很龐大的數目,而且由于探頭變小,單個探頭檢測的信號亦變小,需要高靈敏低噪聲的放大系統。技術難度的確很大,但在理論上是可以實現的。4.2.2.4低功率t電子束焦斑直徑和CT的空間分辯率有直接聯系。目前CT的焦斑直徑為mm數量級,顯微CT至少應降至10μm或50μm。由于焦斑直徑縮小,單位面積的能量密度亦成比例增大100-400倍。為了避免損壞鎢靶可以采用降低電流密度以及提高掃描速度,減少照射靶點時間等辦法解決。如焦斑面積小100倍,掃描速率相應提高100倍即可克服焦斑過熱問題。4.2.3x-ct分析因為CT發出的X射線是一組波長不同的射線束。所以當穿過人體時,波長較長能量較小的X射線首先被組織吸收,而相對高能量短波長的X射線則較易通過,從而在CT圖像上出現硬化偽影誤差。在顯微CT這一現象更加突出。為了消除硬化偽影誤差的干擾可以用兩組能譜不同的X射線束相繼掃描,然后通過校正計算即可消除其硬化偽影誤差。因此顯微CT的X線球管的高壓值應能根據需要進行調節,根據不同組織,選取兩組最合適的X射線能譜進行掃描,以達到最佳圖像質量的效果。4.2.4環境振動位移環境的振動傳導至CT機造成圖像因振動位移而模糊,在宏觀CT這一現象并不嚴重。但在顯微CT由于其空間分辨率很高,所以微小的振動位移將使圖像嚴重模糊。目前應用抗震地基,已可將環境的振動位移降至1μm以下。所以顯微CT必需加上抗震地基以消除環境振動偽差。4.2.5消除運動干擾工業CT沒有人體運動干擾,但在醫學CT必需消除人體運動干擾。人體運動偽差可分為呼吸運動、心搏沖擊運動以及肌肉顫動三種運動偽差現分述如下:4.2.5.呼吸運動偽差的消除這是第1代CT迂到的難題,因為大多數人都有很難摒息呼吸1分鐘以上。目前由于CT掃描速度的提高,在數秒內即完成1幀的掃描,所以除了呼吸困難患者之外,都能停止呼吸以消除呼吸運動偽差。顯微CT掃描時間更短,所以更不成問題。4..5.速射血期作用心臟收縮射血時由于反作用力產生一個向下的沖擊運動,這一沖擊搏動在心臟急速射血期作用最大,位移為mm或cm數量級。但在舒張末期,心臟處于相對平穩狀態。所以采用心電門控觸發掃描技術,在心臟舒張末期沖擊運動最小的時期進行觸發掃描成像,掃描時間很短,基本上可以消除心搏沖擊運動所致的偽差。4.2.5.高掃描速度修復在病人檢查時,因病人不能完全放松,以致造成肌肉緊張出現隨機顫動。克服的辦法是讓病人盡量放松并用提高掃描速度來解決。例如每秒振動3次、波幅0.3mm的隨機顫動,若掃描時間為1ms,則肌肉隨機顫動位移為1μm,則可以接受這一誤差。但如果病人是巴金森病患者,則難以進行顯微CT觀察。必要時可采用工業CT上行之有效的光柵位置檢測系統以校正人體的空間絕對位置,通過計算可以消除肌肉隨機顫動造成的偽差。5準直器的研制綜上所述,未來顯微CT應具備以下性能規格,才能滿足臨床醫學顯微診斷的要求:5.1應用防震地基減震,振幅小于1μm;5.2微焦點技術,焦斑直徑小于100μm;5.3快速電子束掃描成像,時間分辨率為每幀1ms～10ms;5.4鎢酸鎘CCD檢測器,每個探頭寬度為10μm,長度為50μm;5.5空間分辨率10μm,切片層厚50μm5.6X射線球管的高電壓自40kV至140kV分級可調;5.7雙線雙能量雙光錐束X射線相繼掃描裝置;5.8采用軟件虛擬準直技術(VirtualCllimation),取消常規準直器以提高信號強度,改善圖象質量;5.9X射線硬化偽差校正軟件;5.10心電門控舒張末期觸發掃描技術;5.11高靈敏度低噪聲電子放大技術;5.1216位A/D高精度,高速信號采集裝置;5.13高速采樣,高速運算及海量存儲的電子計算機系統及圖像工作系統;5.14高速,高質量圖像重建與圖像處理軟件系統;5.15感興趣區快速選擇成像技術。與感興趣區無關的數據,不參與圖像處理;感興趣區的大小為1mmX1mm,共有2048X2048個象素點;5.16圖像變焦縮放技術(Zoomingtechnique):可將圖像的局部進行放大或縮小;5.17人體三維自動精密移動框架系統:可將人體移動至任意部位進行觀察;5.18多窗口顯示技術:在屏幕上不僅顯視顯微的結構圖像同時顯示觀測的精確位置;5.19顯微CT與顯微定位聚焦手術結合,可以進行精細的顯微定位手術操作;5.20按CT密度凋色的特殊顯微CT染色技術:目前一般圖像的偽彩色編碼是按CT的灰階進行色度編碼,和常規病理切片的染色相差很大。所以顯微CT圖像的顯色應盡量和病理切片保持一致。例如,顯微CT的“蘇木素-伊紅染色程序”,按CT密度值將胞核染成蘭色,胞漿染成紅色。此外,神經元在興奮時其胞內鈣離子濃度在1ms的瞬間增加近