第七章現代生物醫學影像設備——生物醫學電子及設備學信息與通信工程學院姓名：<楊亞軍>本章內容7.1醫學影像設備概述7.2超聲影像設備7.3XCT斷層掃描系統7.4核醫學影像設備7.1醫學影像設備概述1、醫學影像設備發展史2、醫學影像主要設備及臨床應用醫學影像設備發展簡史1895年11月8日，德國物理學家倫琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高壓放電實驗時，發現了一種肉眼看不見、但具有很強的穿透本領、能使某些物質發出熒光和使膠片感光的新型射線，即X射線，簡稱為X線。

世界上第一張X光照片倫琴醫學影像設備發展簡史1896年，德國西門子公司研制出世界上第一只X線管。20世紀10~20年代，出現了常規X線機。其后，由于X線管、高壓變壓器和相關的儀器、設備以及人工對比劑的不斷開發利用，尤其是體層裝置、影像增強器、連續攝影、快速換片機、高壓注射器、電視、電影和錄像記錄系統的應用，到20世紀60年代中、末期，已形成了較完整的學科體系，稱為影像設備學。

1972年，英國工程師漢斯菲爾德（）首次研制成功世界上第一臺用于顱腦的X線計算機體層攝影（x-raycomputedtomography，X-CT）設備，簡稱為X-CT設備，或CT設備。

CT設備是橫斷面體層，無前后影像重疊，不受層面上下組織的干擾；同時由于密度分辨力顯著提高，能分辨出0.1%~0.5%X線衰減系數的差異，比傳統的X線檢查高10~20倍；還能以數字形式（CT值）作定量分析。近30年來，CT設備的更新速度極快，掃描時間由最初的幾分鐘向亞秒級發展，圖像快速重建時間最快的已達0.75s（512×512矩陣），空間分辨力也提高到0.1mm。寬探測器多層螺旋CT設備得到了廣泛的普及，功能有了進一步的擴展。大孔徑CT設備可兼顧日常應用與腫瘤病人定位，組合型CT設備可在完成CT檢查后直接進行正電子發射型計算機體層（positiveemissioncomputedtomography，PET）檢查，使CT的形態學信息與PET的功能性信息通過工作站準確融合，可以更準確地完成定性與定量的診斷。20世紀80年代初用于臨床的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）設備，簡稱為MRI設備。它是一種新的非電離輻射式醫學成像設備。MRI設備的密度分辨力高，通過調整梯度磁場的方向和方式，可直接攝取橫、冠、矢狀層面和斜位等不同體位的體層圖像，這是它優于CT設備的特點之一。迄今，MRI設備已廣泛用于全身各系統，其中以中樞神經、心血管系統、肢體關節和盆腔等效果最好。

生物體磁共振波譜分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）具有研究機體物質代謝的功能和潛力，今后如能實現MRI設備與MRS結合的臨床應用，將會引起醫學診斷學上一個新的突破。

數字減影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、計算機X線攝影（computedradiography，CR）和數字攝影（digitalradiography，DR）是20世紀80年代、90年代開發的數字X線機。前者具有少創、實時成像、對比分辨力高、安全、簡便等特點，目前，正向快速旋轉三維成像實時減影方向發展，從而擴大了血管造影的應用范圍。后者具有減少曝光量和寬容度大等優點，更重要的是可作為數字化圖像納入圖像存儲與傳輸系統（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X線實時高分辨力成像板將是最具革命性、最有發展前途的影像探測器之一。20世紀50年代和60年代，超聲成像（ultrasonography，USG）設備和核醫學設備相繼出現，當時在醫學上的應用往往各成系統。1972年X-CT設備的開發，使醫學影像設備進入了一個以計算機和體層成像相結合、以圖像重建為基礎的新階段。70年代末80年代初，超聲CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和數字X線機逐步興起，并應用于臨床。盡管這些設備的成像參數、診斷原理和檢查方法各不相同，但其結果都是形成某種影像，并依此進行診斷。

綜上所述，多種類型的醫學影像診斷設備與醫學影像治療設備相結合，共同構成了現代醫學影像設備體系。第二節醫學影像設備的分類

現代醫學影像設備可分為兩大類，即醫學影像診斷設備和醫學影像治療設備。一、診斷用設備按照影像信息的載體來區分，現代醫學影像診斷設備主要有以下幾種類型：①X線設備（含X-CT設備）；②MRI設備；③超聲設備；④核醫學設備；⑤熱成像設備；⑥光學成像設備（醫用內鏡）。（一）X線設備

X線設備通過測量穿透人體的X線來實現人體成像。X線成像反映的是人體組織的密度變化，顯示的是臟器的形態，而對臟器功能和動態方面的檢測較差。此類設備主要有常規X線機、數字X線機和X-CT設備等。以X線作為醫學影像信息的載體，出于兩方面的考慮，即分辨力和衰減系數。從分辨力來看，為了獲得有價值的影像，輻射波長應小于5×10-11m。另一方面，當輻射波通過人體時，應呈現衰減特性。若衰減過大，則透射人體的輻射波微弱，當測量透射人體的輻射波時，由于噪聲的存在，很可能導致測量結果無意義。反之，若輻射波透射人體時幾乎無衰減，則因無法精確的測量衰減部分而失效。在X線設備中，屏-片組合分辨力較高，可達到5~10LP/mm，且使用方便、價格較低，是目前各級醫院中使用最普遍的設備之一。但它得到的是人體不同深度組織信息疊加在一起的二維圖像，所以病變的深度很難確定，且對軟組織分辨不佳。數字X線機使用曝光量寬容度大，可獲得數字化影像，便于進行圖像的后處理，且擴大了診斷范圍，利于胃腸和心臟等部位的檢查。X-CT影像的空間分辨力可小于0.5mm，能分辨組織的密度差別可達到0.5％。X-CT影像的清晰度很高，可確定受檢臟器的位置、大小和形態變化。（二）MRI設備

MRI設備通過測量構成人體組織中某些元素的原子核的磁共振信號，實現人體成像。20世紀40年代發現了物質的磁共振現象，20世紀80年代MRI設備應用于臨床。MRI影像的空間分辨力一般為0.5~1.7mm，不如X-CT；但它對組織的分辨遠遠好于X-CT，在MRI影像上可顯示軟組織、肌肉、肌腱、脂肪、韌帶、神經、血管等。此外，它還有一些特殊的優點：①MRI剖面的定位完全是通過調節磁場，用電子方式確定的，因此能完全自由地按照要求選擇層面；②MRI對軟組織的對比度比X-CT優越，能非常清楚地顯示腦灰質與白質；③MR信號含有較豐富的有關受檢體生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度測量值；④MRI能在活體組織中探測體內的化學性質，提供關于內部器官或細胞新陳代謝方面的信息；⑤MRI無電離輻射。目前，尚未見到MR對人體危害的報道。X線成像與US成像是當前用得最為普遍的兩種檢查方法，但對人體有無危害是它們之間的一個重要區別。就X線來說，盡管現在已經顯著地降低了診斷用劑量，但其危害性仍不容忽視。實踐表明，它將導致癌癥、白血癥和白內障等疾病的發病率增加。而從現有資料來看，目前診斷用US劑量還未有使受檢者發生不良反應的報道。此外，X線在體內沿直線傳播，不受組織差異的影響，是其有利的一面，但不利的一面是難以有選擇地對所指定的平面成像。對US波來說，不同物質的折射率變化范圍相當大，這將造成影像失真。但它在絕大部分組織中的傳播速度是相近的，骨骼和含有空氣的組織（如肺）除外。US波和X線這些不同的輻射特性，確定了各自最適宜的臨床應用范圍。例如，US脈沖回波法適用于腹內結構或心臟的顯像，而利用X線對腹部檢查只能顯示極少的內部器官（若采用X線造影法，也可有選擇地對特定器官顯像）；對于胸腔，因肺部含有空氣而不宜用US檢查，用X線則可獲得較為滿意的結果。（四）核醫學設備核醫學設備通過測量人體某一器官（或組織）對標記有放射性核素藥物的選擇性吸收、儲聚和排泄等代謝功能，實現人體功能成像。主要有γ相機、單光子發射型CT（singlephotonemissionCT，SPECT）和正電子發射型CT（positiveemissionCT，PET）。

γ相機既是顯像儀器，又是功能儀器。臨床上可用它對臟器進行靜態或動態照相檢查。動態照相主要用于心血管疾病的檢查。因為SPECT具有γ相機的全部功能，又具有體層功能，所以明顯提高了診斷病變的定位能力；加上各種新開發出來的放射性藥物，從而在臨床上得到日益廣泛的應用。SPECT能做動態功能檢查或早期疾病診斷。缺點是圖像清晰度不如X-CT，檢查時要使用放射性藥物。PET可以用人體組織的某些組成元素（如15O、11C、13N等）來制造放射性藥物，特別適合作人體生理和功能方面的研究，尤其是對腦神經功能的研究。在其附近需要有生產半衰期較短的放射性核素的加速器和放射化學實驗室。核醫學成像只需極低濃度的放射性物質，這與X線成像時口服硫酸鋇不同。一般情況下，核醫學成像的橫向分辨力很難達到1.0cm；且圖像比較模糊，這是因為有限的光子數目所致。相比之下，X線成像具有高分辨力和低量子噪聲。（五）熱成像設備熱成像設備通過測量體表的紅外信號和體內的微波信號實現人體成像。紅外輻射能量與溫度有關，因此又可以說，熱成像就是利用溫度信息成像。研究人體的溫度分布，對于了解人體生理狀況、診斷疾病具有重要意義。影響體表溫度的因素很多，最主要的是皮下毛細血管網的血流情況。血流受控于棘狀血管舒縮中心，其四肢的交感神經系統主要控制著血管舒縮的節律。因此，利用熱成像，首先可以評價血流分布是否正常；其次，可以評價交感神經系統的活動；還可以研究皮下組織所增加的代謝熱或動脈血流通過熱傳導使體溫升高的情況。此外，前后皮膚溫度還受其他因素的影響，如傷痛感受器、化學受體、丘腦下部等。由于出汗而形成的局部熱蒸發損失，也需予以考慮。7.2超聲影像設備概述概述7.2.1超聲波概述醫學常用的為超聲縱波，是超聲波以縱波方式在彈性介質中傳播的機械振動，其頻率范圍為20kHz—1000MHz，常用于人體測量的超聲波頻段通常在1MHz—20MHz范圍內。

超聲波在不同組織介質中的傳播特性是不同的，測量并識別這種差異就能達到識別組織情況的目的。

超聲波傳播速度c，波長，頻率；超聲波在不同介質中的傳播速度有很大不同，一般情況下固體中聲速較高，液體中次之，空氣中較低，例如在水和軟組織中的傳播速度約為1500m/s,而在顱骨中傳播速度則高達4080m/s。超聲波概述超聲波在人體組織內傳播時，其強度將隨傳播距離的增加而逐漸減小，主要是人體組織對超聲波吸收和散射的結果。不同組織的吸收系數差別很大，水的吸收系數最小，因此超聲波在水中傳播很遠的距離；空氣和骨骼的吸收系數極大，使得超聲波較難穿過空氣和骨骼。此外吸收系數還與頻率成正比，頻率高則衰減快，所以探測深部時要選擇低頻探頭。

超聲波衰減有三個主要方面：擴散衰減（單位面積的聲能隨距離增大而減弱）、散射衰減（材料的不均勻導致材料聲特性阻抗不均引起散射）和吸收衰減（由于介質的粘滯性而造成質點之間的摩擦，使一部分聲能轉化為熱能）。

超聲波概述

圖：超聲波垂直入射情況超聲波在均勻介質中傳播時，將沿直線方向前進。如果在非均勻介質內傳播或從一種組織傳播至另一種組織，如果組織聲阻抗不同，在阻抗改變的分界面上，入射的超聲能量將有一部分發射，一部分透射，反射和透射的強弱取決于聲阻抗差的大小。另外，超聲波在生物介質中傳播時還會發生散射現象。

40年代末，超聲醫學作為一門學科已初具雛形，A型超聲。50年代，M型儀器取代了A型超聲儀器，超聲心動圖儀。在此基礎上，又出現了二維斷層成像儀即B型超聲儀器。60~70年代是B型超聲儀極大發展的時期，出現了機械直線掃描、機械扇形掃描、電子直線掃描及電子扇形掃描等儀器。80年代，超聲診斷儀與微機結合，智能化，簡化了臨床操作，實現信號處理、變換、計算和判斷等過程的自動化。進入90年代，彩色B超誕生，它可以在顯示動態心臟黑白圖像的同時，顯示動態血流的彩色圖像分布，在圖像的分辨率和清晰度上，及可靠性上，都達到了相當高的水平。

7.2.2A型超聲診斷法一維圖像顯示：對回波實施幅度調制。顯示器中脈沖的幅度（縱坐標）代表反射回波的強度，脈沖的位置或脈沖之間的距離（橫坐標）正比于反射界面的位置或界面之間的距離。

由同步脈沖發生器發出重復頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的同步脈沖，使儀器的發射時基掃描和電路同步工作發射脈沖為一高頻衰減振蕩，激勵探頭向人體內發出脈沖超聲波，回聲信號由同一探頭轉變為電信號送至接收放大電路，經檢波和放大后送至示波管的垂直偏轉板深度補償電路，考慮超聲波在人體中的衰減，接近探頭的回波信號強，放大器的增益小一些，遠離探頭的放大器的增益大些，補償超聲信號在體內的衰減1MHz—20MHz電信號經過檢波放大后送至示波管的垂直偏轉板，顯示波形幅度大小

A超可以應用于醫學各科的檢查，尤其對眼科和婦科疾病方面的病灶深度、大小、臟器厚薄等檢查比較方便準確。但A超的回波圖只能體現局部組織信息，無法反映解剖形態，現已被M超和B超取代。

7.2.3M型超聲心動圖儀

M型超聲波診斷儀是繼A超之后發展出的輝度調制式儀器。M超與A超有共同之處，都是利用探頭向人體發射超聲脈沖并接收反射脈沖，探頭位置固定。

在一維超聲掃描和顯示中，M型和A型儀器的區別在于顯示方式的不同：A型是幅度顯示，即回波信號加到示波管垂直偏轉板上，顯示的是波形幅值的大小，其幅度的高低表示信號的強弱，而M超采用亮度顯示，回波信號加到示波管的柵極或陰極上，及控制電子束的強弱，信號強時屏上顯示光點亮，信號弱時光點就弱。Y軸表示臟器的深度。水平偏轉板加一慢時間掃描電壓，這樣在做人體探查時，就構成一幅各反射面的活動曲線。

在A超設備中，水平方向信號的距離代表著探測深度，而M超中反映探測深度的掃描信號是加在垂直偏轉板上，光點在垂直方向上的距離代表探測深度。即垂直方向代表人體軟組織臟器自淺至深的空間位置。另外，M超中在水平偏轉板上施加慢掃描電壓，使上下擺動的光點隨時間橫向展開，即水平方向代表時間，由此得出一條位移---時間曲線。M超與A超相比，多出的最主要部分是慢掃描電路，這是與A超不同之處。當回聲信號加在Z軸以后，深度掃描電路將輸出一個表示距離的鋸齒波，加在顯示器Z軸偏轉板上，則顯示屏上顯示出一條按距離分布的光點群。這時慢掃描電路產生的時間掃描電壓同時加在了Y軸上，因此在雙重掃描電壓作用下，掃描回聲信息線被時間掃描分離，當重復頻率足夠高時，每給固定的目標的界面就顯示成一條連續變化的曲線光跡。曲線的幅度表示反射界面在運動中所通過的距離大小，而曲線的斜率則表示反射界面運動速度的大小。當探頭的聲束通過心臟時，就可得心臟內各層組織的反射面對于探頭表面的距離（即到體表的距離）隨時間變化的曲線（回波光跡），這就是所謂的超聲心動圖。

M超由心電、心音、心搏和M型的多參數同步顯示的超聲心動儀器。主要由同步控制電路、水平（X軸）掃描發生器、高頻脈沖發生器、回波接收電路、時間控制電路和顯示器等部分組成。

M型超聲診斷儀，又成為稱為時間——運動型（time-motion

mode）超聲診斷儀。它的主要特點是能測量運動器官，特別是能夠明顯顯示心臟搏動時瓣膜等各部分的運動軌跡，因此專用于心臟的各類疾病的診斷。如對心血管各部分大小、厚度的測量、瓣膜運動情況測量。同時還可以輸入心臟的其他有關生理信號，進行比較研究，如研究心臟各部分和心電圖、心音圖及心搏圖之間的關系；研究心臟搏動和脈搏之間的關系等。

深度補償電路，考慮超聲波在人體中的衰減，接近探頭的回波信號強，放大器的增益小一些，遠離探頭的放大器的增益大些，補償超聲信號在體內的衰減由同步脈沖發生器發出重復頻率從幾十赫茲到幾千赫茲的同步脈沖，使儀器的發射時基掃描和電路同步工作發射脈沖為一高頻衰減振蕩，激勵探頭向人體內發出脈沖超聲波，回聲信號由同一探頭轉變為電信號送至接收放大電路，經檢波和放大后送至示波管的垂直偏轉板電信號經過檢波放大后送至示波管的陰極進行亮度調制水平偏轉板加一慢時間掃描電壓，這樣在作人體探查時就構成一幅各反射面的活動曲線圖

M型超聲心動圖的產生原理

7.2.4B型超聲斷層顯像儀對回波輝度調制，探頭直線掃描人體時，可以在屏上得到一個縱切面斷層圖像。B型是亮度調制型的簡稱。

B型超聲斷層顯像儀能夠得到人體內部臟器和病變組織的斷層圖，并且能對臟器進行實時動態觀察，因而直觀、易學。一般X射線成像得到的是透視像，而超聲斷層像是人體內部某一斷層的圖像，并且這一斷層可方便地移動。所以用B超顯像儀觀察人體內部臟器相當于用一無損傷、不流血的“超聲刀”將臟器一層層切開進行觀察。因此應用非常普遍，從1967年第一臺手動掃描式顯像儀問世以來，短短20年已經經歷了四代的演變，性能不斷完善，應用日益普遍。臨床診斷的基礎與應用范圍（1）在婦產科中的探測（2）人體內部臟器的輪廓及其內部結構的探測（3）表淺器官內部組織探測

B型超聲斷層顯像儀

B型超聲斷層顯像儀肝血管瘤

7.2.4B型超聲斷層顯像儀

A型(Amplitudemode)

B型(Brightnessmode)

1.手動直線掃描按掃描方式分類，B超已經發展了四代，包括手動直線掃描、機械掃描、電子直線掃描和電子扇形掃描。

由醫務人員掌握探頭的移動方向，探頭的直線移動導致顯示器在X方向上出現與之對應的光點，Y軸仍為深度軸，回波幅度由圖像輝度表示。圖像就是探頭移動所經過直線方向上的二維切面圖，手動掃描速度不能太高，只能用于觀察靜止的臟器（如肝臟），目前已經很少使用。

直接由M型超聲心動圖儀發展過來的。區別在于用位置測量機構輸出的反應探頭位置的電壓代替了慢掃描電路，這樣，水平放大器放大后的電壓就正比例于探頭位置，使顯示器上光點在x位置方向位置與探頭位置對應，Y方向位置還是表示被測處的深度。這樣顯示器所顯示的圖像將是探頭所移動直線沿聲波方向的一個切面圖形。

2.快速機械掃描顯像儀機械掃描是由電機帶動探頭作直線移動、往復擺動或旋轉，從而產生機械直線掃描、機械扇形掃描和機械圓形掃描三種掃描圖像。其中，直線掃描多用于腹部疾病診斷；扇形掃描適用于心臟和腹部；圓形掃描時，將探頭置于人體體腔（如食道、胃腸等），從而獲得某個腔道的圓周掃描斷層圖像。（1）快速機械直線掃描顯像儀圖：國產CXX1-型快速機械直線掃描顯像儀采用的旋轉式探頭，電機帶動探頭旋轉，探頭上的晶片位于拋物形反射面的焦點處，使聲束反射后形成直線掃描，兩個晶片交替工作，可以使掃描效率提高一倍。這種儀器由于要帶一個笨重的水囊（耦合），使用不便，已經被電子直線掃描代替。

（2）快速圓形掃描顯像儀：常用于直腸等管腔部位的探查，使用時將探頭插入直腸即可獲得人體內部的圓周掃描斷層圖。2.快速機械掃描顯像儀圖：快速圓形掃描顯像儀探頭，驅動電機帶動帶動晶片和正余弦變壓器旋轉，利用正余弦變壓器測量出晶體發射聲束的方向，并用電子學方法在顯示屏上產生對應的掃描線。

（3）快速機械扇形掃描顯像儀：由于肋骨的阻擋，直線掃描不易做心臟的探查。扇形掃描可以只需一小的入口就得到內部大面積的探查。所以可以通過肋間的小窗口可以作心臟病患的診斷，而起可以用于腹部的診斷，因此扇形掃描超聲儀現在獲得了廣泛的應用。2.快速機械掃描顯像儀圖：為國產機械扇形掃描顯像儀探頭結構。與圓形掃描區別在于驅動結構采用心電圖機的筆馬達，利用三角波驅動，使晶片往復擺動，產生扇形掃描。利用正余弦變壓器測得的位置信號在顯示屏上產生與晶片發射的超聲束相對應的掃描線，即可獲得人體內部的扇形斷層圖像。

按照掃描方式分為：電子直線掃描（又稱為線性步控列陣）、電子扇形掃描（又稱相控陣掃描）和凸陣掃描三類。3.快速電子掃描顯像儀（1）快速電子直線掃描顯像儀：探頭由多個小換能器（陣元）組成多元線陣列（簡稱線陣），用電子開關按一定時序將激勵脈沖電壓順序加到各個陣元上，產生超聲脈沖發射。回波信號經過放大檢波后送入CRT陰極射線管Z軸進行亮度調制，CRT的Y軸代表回波的深度，X軸對應聲束橫向掃描的位置，這樣一條條載有回波信息的垂直掃描線就構成了一幅完整的超聲聲像圖。聲像圖的質量與垂直掃描線數有密切關系，陣元的數目越多，掃描線越密，聲像圖也越清晰。

（2）電子扇形掃描3.快速電子掃描顯像儀原理如圖所示：其探頭是由多個陣元組成，利用對探頭各陣元加上依次延遲一定時間的激勵脈沖，則各陣元所產生的脈沖也相應延遲，這樣，總的疊加波束方向出現相位改變而產生扇形圖像。優點是探頭體積小，無噪聲無振動，壽命長；缺點是線路復雜。

多普勒效應現象：當汽車向你駛來時，感覺音調變高；當汽車離你遠去時，感覺音調變低（音調由頻率決定，頻率高音調高；頻率低音調低）．多普勒效應：由于波源和觀察者(或接收體)之間有相對運動，使觀察者（接收體）感到頻率發生變化,不同于波源所發出的頻率，兩者的頻差即所謂的頻移與波源同接收體相對運動的速度大小有關系，這種現象叫做多普勒效應．奧地利物理學家多普勒在1842年發現的．

超聲如同聲音一樣，以確定的速度通過介質，當遇到兩種不同介質的分界面時就能發生反射和折射。當反射邊界固定不變時，反射波的頻率等于入射波的頻率，但當反射邊界朝向聲源移動時，反射超聲波的波長就被壓縮，反之被拉伸。而超聲波的波長就被壓縮，反之被拉伸。而超聲波在傳輸介質中的速度是恒定的，因此根波在傳輸介質中的速度是恒定的，因此根據公式據公式c=λf，超聲波波長的變化導致了，超聲波波長的變化導致了頻率的移動，此現象被稱為頻率的移動，此現象被稱為多普勒效應多普勒效應。多普勒超聲診斷設備 四維超聲診斷設備1、當波源