醫學成像系統MedicalImagingSystem

主講教師：肖振國生物醫學工程學院xiaozhenguo@課程介紹醫學成像系統作為醫學圖像研究領域中的一個研究方向，是物理學、電子技術、計算機技術、工程數學及材料科學與精細加工等多種高新技術相互滲透的產物。醫學圖像由于含有極其豐富的人體信息，能以非常直觀的形式向人們展示人體內部組織結構、形態或臟器的功能等，因此，醫學圖像已成為醫學研究及臨床診斷中最活躍的領域之一。作為生物醫學工程專業的一門重要專業課程，醫學成像系統將使學生從醫學成像原理、醫學成像設備及醫學成像系統分析等方面系統掌握該研究領域的基礎知識，了解該領域的最新發展方向。

掌握X射線成像、超聲成像、磁共振成像、核醫學成像的基本原理，了解各種基本的成像裝置及系統的性能，培養較強的抽象與邏輯思維能力以及用理論解決實際問題的能力，從而初步具備研究醫學成像方法、系統以及設備的能力。教學目標

教材：

醫學成像系統（第2版），高上凱，清華大學出版社，2010年

參考書：

[1]醫學成像技術與設備，沈克涵，科學普及出版社，2004年

[2]醫學成像系統，王學民，清華大學出版社，2006年

[3]

醫學影像物理學，張澤寶，人民衛生出版社，2005年

[4]

醫學影像成像原理，李月卿，人民衛生出版社，2001年

[5]

醫學影像設備學（第2版）徐躍，人民衛生出版社，2005年

[6]

醫學成像的基本原理，黃力宇，電子工業出版社，2009年課時安排總學時：72學時課堂講授：54學時

實驗：18學時第一章概論2學時第二章投影X射線成像系統6學時第三章數字X射線成像系統4學時第四章X射線計算機斷層成像系統10學時第五章超聲成像系統10學時第六章磁共振成像系統12學時第七章核醫學成像8學時第八章PACS簡介2學時第一章概論醫學圖像研究領域包含兩大分支：醫學成像系統（medicalimagingsystem）是指圖像形成的過程，包括成像機理、成像設備、成像系統的分析等問題。醫學圖像處理（medicalimageprocessing）是指對已獲得的圖像作進一步處理，包括圖像增強、圖像壓縮、圖像恢復、圖像濾波等問題。1.1醫學成像系統、成像設備的發展歷程醫學成像系統醫學成像系統X線成像可見光成像X線計算機體層成像磁共振成像紅外、微波成像放射性核素成像阻抗成像超聲成像醫學成像按其信息載體可分為以下類型：（1）X線成像：測量穿過人體組織、器官后的X線強度；（2）磁共振成像：測量人體組織中同類元素原子核的磁共振信號；（3）核素成像：測量放射性藥物在體內放射出的γ射線；（4）超聲成像：測量人體組織、器官對超聲的反射波或透射波；（5）光學成像：直接利用光學及電視技術，觀察人體器官形態；（6）紅外、微波成像：測量體表紅外信號和體內的微波輻射信號。1.1.1

X線投影成像1895年德國物理學家倫琴（WithelmConradRoentgen1845-1923）發現X射線，并為其夫人拍攝了手部的X線透視照片，這是世界上第一幅X射線照片，為醫學成像奠定了基礎。為此，倫琴獲1901年諾貝爾物理學獎。1896年德國西門子公司研制出世界上第一支X線球管。20世紀10-20年代才出現常規的X線機。體層裝置、影像增強器、連續攝影、電視、電影、錄像記錄系統的應用，20世紀60年代形成了放射診斷學（radiology）。X線設備：攝片和透視兩大類。X線成像是通過測量穿透人體的X線來實現。設備主要有:X線機：分辨率較高，可達到0.1mm，但得到的是人體不同深度組織信息疊加到一起的平面像，因此對于病變深度很難區分，對于軟組織不夠敏感。數字X線攝影設備（CR、DR）：提高了影像的分辨率，擴大了診斷范圍，對腸胃和心臟更容易觀察。血管數字減影(DSA)等。

通用X射線機HITACHI中小型C臂X射線機數字X線影像設備CR（ComputedRadiography)系統DR（DigitalRadiography）數字放射攝影系統

DirectRayX光直接數字成像采集系統

X線投影成像

西門子AXIOMArtisdTA數字減影系統數字造影系統DSA1.1.2X線計算機斷層成像設備

為了克服在投影X線成像中出現的影像重疊問題，后來出現了對接收到的投影數據進行計算，利用計算機由投影重建圖像的數學原理出發，實現了計算機斷層成像，即X射線計算機斷層成像（X-raycomputedtomography，X-CT）設備。1917年奧地利的數學家Radon提出了投影重建圖像的理論。50年代美國物理學家A.Mcormack，不僅證明了在醫學領域中X射線投影重建圖像的可能性，而且提出了實驗的方法，并完成了仿真與實驗研究。1972年英國工程師G.N.Hounsfield首先研制出世界上第一臺用于顱腦的CT掃描機。為此他們在1979年獲得了諾貝爾生理和醫學獎。Hounsfield和Cormack因發明CT獲得1979年諾貝爾醫學和生理學獎工作原理是利用計算機對投影數據多角度采集，并投影重建圖像?，F在的X-CT機多采用多個檢測器構成扇形的掃描方式，不但減少了掃描和數據處理的時間，減少了照射的劑量，改善了圖像的分辨率，由最初的3-5min，到現在的1-5s，成像的厚度可以小于1mm，空間分辨率可達到0.1mm量級。FirstGenerationOnedetectorTranslation-rotationParallel-beamSecondGenerationMultipledetectorsTranslation-rotationSmallfan-beamThirdGenerationMultipledetectorsRotation-rotationLargefan-beamThird&FourthGenerations(FromPicker)(FromSiemens)螺旋錐形束CT東芝螺旋CT高速螺旋CT飛利浦Brilliance64排螺旋CT超高速64排螺旋CT

電子束CT

在20世紀50年代超聲成像設備出現，目前它是醫院中僅次于投影X射線機而使用的最為頻繁的成像設備。超聲診斷設備根據其顯示方式不同，可分為A型（幅度顯示）、B型（切面顯示）、C型（亮度顯示）、M型（運動顯示）、P型（平面目標顯示）等。目前醫院用得最多是B型超聲診斷儀—B超。1.1.3超聲成像超聲成像的發展1928年研究超聲的生物效應；1950年應用A型超聲顯示儀對人體進行檢查；60年代應用超聲波進行理療，眼科及牙科手術；70年代實時B型超聲顯像儀應用于臨床；80年代圖像質量大為提高，各種特殊探頭出現彩色多普勒超聲診斷儀出現。超聲診斷儀的基本結構超聲診斷儀的基本結構包括：探頭、顯示器、基本電路超聲診斷儀的類型A型超聲診斷儀（幅度顯示）M型超聲診斷儀（運動顯示）B型超聲診斷儀（切面顯示）彩色多普勒超聲診斷儀B超便攜式B超

成像原理主要是采用脈沖回波的方式成像。用一個短暫的電脈沖激勵換能器晶片，使之振動產生超聲波并射入人體，進入人體的超聲波在遇到組織界面時，會產生較強的回波信號，利用接收到的回波信號就可以直接獲取掃查平面上人體圖像，即B超圖像。

超聲圖像的突出優點是對人體無損、無創、無電離輻射。在臨床上用于甲狀腺、心血管、肝臟、膽囊、泌尿科和婦產科等方面有獨到之處。它的橫向分辨率可達2mm以內，所得到的軟組織圖像清晰而富有層次。

超聲圖像Ultrasoundexaminationduringpregnancy

近年廣泛應用超聲的另一個方面是超聲多普勒系統，利用多普勒原理，當入射到人體的超聲波遇到運動的紅血球時，血球產生的后方散射信號會發生頻移（多普勒頻移）。通過對多普勒回波信號的分析就能得到各種血流參數，如方向、速度等信息，對診斷心血管疾病和腦血管疾病為重要依據。

80年代還有超聲彩色血多普勒血流儀。它是將血流信息疊加到二維的B超上，因此在B超的圖像上，還可以顯示血管的流向，紅色是指向換能器，藍色是背向換能器的。主要應用心血管疾病、心臟的檢查中。彩色血多普勒血流儀彩色多普勒血流成像

超聲的頻率一般應高于0.15MHz，對較深部位的成像人們選用1.0-3.0MHz頻率，對較淺的部位如眼球，一般選用20MHz的聲頻，頻率太高導致衰減太快，在軟組織檢查中，空氣對超聲有明顯的衰減特性，因此人們一般不用超聲檢查肺部。至于超聲計算機體層，由于目前所需掃描時間較長，且分辨率低，還有待于改進與提高。

1.1.4核醫學成像

在20世紀50年代放射性核素的技術和設備也應用于醫學方面。放射性核素成像是把某種放射性同位素標記在藥物上，然后引入病人的體內，當他們被人體組織吸收后，人體就形成了一個放射源，放射性同位素一邊衰變、一邊向體外放射γ光子，核醫學成像設備通過有選擇的測量攝入體內的發出的γ射線，實現人體成像。

此類設備主要：

γ照相機、單光子發射型計算機體層（SPECT）正電子發射型計算機體層（PET）。優勢在于從圖像中，不僅可以看到器官的形態，更重要的是可以從中了解人體臟器的新陳代謝情況，這是其它成像系統作不到的。所以雖然放射性同位素圖像的分辨力比較低，約為1cm左右，但在臨床中還經常使用的檢查工具。經典的核醫學成像系統同位素閃爍掃描機

照相機發射型計算機斷層成像（ECT）單光子發射型計算機體層（SPECT)正電子發射型計算機體層（PET）

γ照相機既是顯像儀器又是功能儀器，在臨床可用它對臟器進行靜態和動態照相檢查，動態照相檢查主要用于心血管疾病的檢查、快速的拍攝體內的器官圖片，從一系列的圖片中了解器官的新陳代謝的功能。

SPECT具有γ照相機的功能外，又能增加體層成像的功能，明顯的提高了診斷病變的定位能力，它的原理是將γ照相機探測器圍繞探測部分旋轉采集信號，用相應的投影數據重建算法，重建放射性核素分布的斷層圖像，如X-CT。但它不如CT的圖像清晰，而且在操作中放射性藥物使用也比較麻煩。

單光子發射計算機斷層顯像儀（SPECT）

正電子發射型計算機體層成像(PET)Siemens的SPECT系統GE的SPECT系統SPECTSPECTSPECT圖像-腦部SPECT圖像-腦部2例癲癇患者SPECT圖像:發作間期低灌注(A圖)，發作期高灌注(B圖)。

癲癇灶發作間期在SPECT上呈低灌注暗影，發作期變為高灌注亮影。SPECT圖像-骨骼

PET的成像情況與其不同，它可以用人體物質組成元素來制造放射性藥物，這些藥物在衰變過程中釋放正電子，正電子在與電子相互發生湮滅現象后，會產生兩個能量為511KV的、且傳播方向相反的兩個光子。用一個符合檢測器檢測出這種成雙出現的γ射線光子，然后重建斷層圖像。PET-CT圖示PETPET-CT圖示PETPET

核醫學成像使用的是低濃度的放射性物質，它成像的分辨率在成像系統中屬最低，這是由于圖像是由人體發射γ光子所致，光