醫(yī)學影像1課件

1、醫(yī)學影像成像技術(shù)1-2醫(yī)學影像設備的發(fā)明和發(fā)展是人類對自身疾病診斷具有革命性的進展, 在世界各國都是最受重視的工業(yè)領域之一, 其水平和國家的整體發(fā)展水平密切相關(guān), 按照人均消費水平來衡量, 這個行業(yè)在中國的發(fā)展還遠遠滿足不了需要, 從人類健康的長遠和巨大需求來看, 這是一個朝陽產(chǎn)業(yè)。 1.醫(yī)學成像原理概述 不同醫(yī)學影像手段可以揭示出病人不同的影像學特征，這些特征包括病人透射比、暗度、發(fā)射率、反射性、傳導性，磁性、分子釋放常量以及它們隨時間發(fā)生變化的情況。對這些特征的描述可以發(fā)現(xiàn)病人潛在的特征信息。 醫(yī)學影像所反映出來的這些組織特征在時間和空間上是隨著機體組織結(jié)構(gòu)和功能的改變而變化的。通過醫(yī)學影

2、像可以產(chǎn)生關(guān)于人體動靜態(tài)特征的重要信息及潛在的人體解剖生理狀況。 1.1 醫(yī)學成像技術(shù)分類 根據(jù)醫(yī)學影像學所研究的內(nèi)容和層次，按其成像原理和技術(shù)的不同，醫(yī)學成像技術(shù)分為兩大領域：一是以研究生物體微觀結(jié)構(gòu)為主要對象的生物醫(yī)學顯微圖像學(biomedical micro imaging，BMMl)；二是以人體宏觀解剖結(jié)構(gòu)及功能為研究對象的現(xiàn)代醫(yī)學影像學 (modern medical imaging，MMl)。 1. X線成像：測量穿過人體組織、器官后的X線強度現(xiàn)代醫(yī)學成像按其信息載體可分為以下幾種基本類型： 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4.核素成像：測量放射性藥物在體

3、內(nèi)放射出的射線3.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(shù)，觀察人體器官的形態(tài)6.紅外、微波成像：測量體表的紅外信號和體內(nèi)的微波輻射信號。1.2.2 空間分辨率 空間分辨率指在細節(jié)與背景間具有高對比度的情況下,鑒別被照體細微結(jié)構(gòu)的能力或?qū)ξ矬w空間大小的鑒別能力。 2D空間分辨率常用LP/cm(線對/厘米) 、pixel/mm、S/ mm(線徑/毫米)等來表示空間分辨率。兩種表示方法的換算公式為：5(常數(shù))LP/cm=S/mm(線徑/毫米)。IP成像獲得的最大空間分辨率：3.4LP/mm屏/片組合系統(tǒng)：4.3LP/mm。X光機分辨力高，可達到 10

4、 LP/mm 指影像對物體細節(jié)的分辨能力，是指在一定的對比度下，影像能夠分辨的鄰接物體的空間最小距離。而在影像學中，空間分辨力是靠每個體素表現(xiàn)出來的，空間分辨力取決于體素的大小。當體素容積小時，能分辨出細微結(jié)構(gòu)，空間分辨力高；當體素容積大時，則不能分辨細微結(jié)構(gòu)，空間分辨力低。 體素的大小取決于成像層面厚度、FOV(視野(mm)和像素矩陣的大小。成像層面越薄，則空間分辨力越高；成像層面越厚，則部分容積影響越顯著，空間分辨力就越低，除了層厚作為空間分辨力的一個因素外，層面內(nèi)的分辨力可表示為： 層面內(nèi)分辨力像素尺寸視野矩陣(mm)3D空間分辨力1.2.3 信噪比 信噪比(SNR)是指圖像中的信號能量

5、與噪聲能量之比。對一個體素而言，其信噪比就是該體素的信號強度除以體素的噪聲值。高的SNR是獲得優(yōu)質(zhì)圖像的基本條件之一，較低的SNR會使圖像看起來顆粒粗糙。在成像操作中除保證系統(tǒng)本身的狀態(tài)良好外，為了增加SNR，主要應設法增加接收的信號量，因為噪聲是不可避免、始終存在的。增加信號量將使SNR增高。1.3 醫(yī)學成像技術(shù)展望 1.3.1 數(shù)字醫(yī)學影像裝備涉及關(guān)鍵技術(shù): (1) 產(chǎn)生用于成像的物質(zhì)波裝備的原理和關(guān)鍵技術(shù) (2) 對物質(zhì)波和人體組織發(fā)生相互作用的規(guī)律建模 (3) 研究探測物質(zhì)波的探測器、傳感器或者換能器等探測部件 (4) 把探測到的信號放大, 成形并實現(xiàn)數(shù)字化 （5）快速、高效地實現(xiàn)圖像

6、重建 (6) 減少噪聲、偽影和畸變, 提高圖像質(zhì)量的方法學研究 (7) 更符合人體視覺效果的醫(yī)學圖像顯示方法和關(guān)鍵技術(shù) (8) 設計為新的成像系統(tǒng)的性能指標進行測量和評估的方法學以及相應的軟件 （9）以高效和快速的醫(yī)學圖像的存貯、通訊管理、檢索以及從海量數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律的知識挖潛的方法學為主要內(nèi)容的PACS (Picture Achieving Communication System) 技術(shù) (10) *分子和基因成像 綜上所述, 醫(yī)學影像是人體的最大的信息源, 通過無創(chuàng)傷的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對人體在三維空間的時間軸上的信息測量, 通過對測量數(shù)據(jù)的分析, 獲得人體內(nèi)部解剖學、生理功能和腦認知心理信息

7、, 是采集人體宏觀和微觀信息并具有非常廣泛應用領域的一個產(chǎn)業(yè)群。 醫(yī)學影像是人體信息獲取、分析和人類疾病診療的重要工具, 這些行業(yè)的發(fā)展是一個國家整體實力和科技綜合水平和體現(xiàn)。但是, 目前任何一種成像工具只能獲取人體的部分信息。局部的或者部分的信息還不足于為準確診斷提供足夠依據(jù)。1.3.3 現(xiàn)代醫(yī)學影像設備總的發(fā)展趨勢 (1)性能方面的提高 (2)功能方面的拓展 仿真內(nèi)窺鏡 （virtual endosopy） 表面重建（surface rendering） 、容積再現(xiàn)（volume rendering）顯示等技術(shù)專用軟件包自動化、智能化功能 (3)影像設備的相互融合趨勢不同類型設備間的融合

8、同類型影像設備中不同成像方式的融合 2. X線成像技術(shù) 1895年人類發(fā)現(xiàn)X射線后，首先將它用于骨折的診斷、異物檢查等方面 1913年美國物理學家克里吉制作出與今天相同的X射線管 1904年和1906年慕尼黑的里德爾和紐約的貝克分別創(chuàng)立了用X射線檢查食道、腸道和胃的方法 此后，X射線造影劑的出現(xiàn)使在相當一個時期，X射線診斷儀成為醫(yī)院中最重要的診斷儀器 X射線管的陰極2.1 模擬X線成像技術(shù) 模擬影像是X線直接透射成像。X 線照片的密度是空間位置的連續(xù)函數(shù)，它如實的反映了入射X 線強度的空間分布。把這種連續(xù)變化的信號稱“模擬信號”。常規(guī)X 線透視、X 線照片及熒光屏中的影像密度是隨著距離的改變而

9、連續(xù)變化的，這種隨著距離的改變而連續(xù)變化的影像被稱“模擬影像”。 模擬X線成像的基本設備是X光機。利用X射線穿透人體衰減后，在熒光屏上或膠片上成像。特點：成像分辨率高，使用方便，價格便宜?，F(xiàn)代X射線診斷機 X線信息影像的形成與傳遞過程： （1）X線信息影像的產(chǎn)生 X線信息影像形成的基礎是被照射體對X線束的衰減。X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律： I為透過被照體的X線強度，I0為入射X線強度，為線衰減系數(shù)，d為被照射體的厚度。 (2) X線信息影像轉(zhuǎn)換 將不均勻的X線強度分布，通過接收介質(zhì)轉(zhuǎn)換為密度影像，或2D光強度分布以用于觀察診斷 (3)密度分布轉(zhuǎn)換成可見光的空間分布 借助觀察燈將密度分布轉(zhuǎn)換成可見光

10、空間分布 (4)視覺影像的形成 通過視網(wǎng)膜上明暗相間的圖案，形成視覺影像 (5)意識影像的形成 通過對視覺影像的識別、判斷做出評價或診斷2.2 增感屏膠片系統(tǒng)X成像 增感屏是X線攝影的重要器材之一。在X線攝影中利用X線激發(fā)熒光體獲得的發(fā)光，對膠片增加感光的作用，從而大大減少X線暴光條件。利用增感屏進行X線攝影時，對膠片感光作用主要來自增感屏發(fā)出的熒光（95%以上）。 X線影像的質(zhì)量 （1）X線照片影像的密度，光學密度(D)：指膠片乳劑層在感光和顯影作用下黑化程度的物理量，記做：D=(lg(I0/I)。D為光學密度，I0表示入射光強度，I表示透過光強度。（2）X線對比度（Kx）：當X線透過被照射

11、體時，由于被照射體對X線的吸收、散射而減弱，透射線則形成了強度不均勻分布，這種強度的差異被稱為X線對比度，記做：Kx=I1/I2。式中I1、I2表示不同部分的透過光強度。 （3）膠片對比度：X線對比度（Kx）表示的X線信息不能為人眼所識別。只有通過某種介質(zhì)的轉(zhuǎn)換才能形成可見的影像。膠片對射線對比度的放大能力稱為膠片對比度。（4）X線照片對比度（K）：X線照片上相鄰組織影像的密度差。一般將兩點間密度的差值稱做光學對比度(K)，K=D2-D1。（5）空間分辨率（LP）：指在細節(jié)與背景間具有高對比度的情況下，鑒別被照體細微結(jié)構(gòu)的能力或?qū)ξ矬w空間大小的鑒別能力。常用LP/cm(線對/ 厘米) 、pix

12、el/ mm、S/ mm(線徑/ 毫米) 等來表示空間分辨率。兩種表示方法的換算公式為:5 (常數(shù)) LP/ cm = S/mm(線徑/ 毫米)。CR圖像可用三種方法顯示出來： (1)通過監(jiān)視器(熒光屏) 直接閱讀； (2)用多幅照相機直接將影像照到膠片上； (3)用激光照相機直接將影像信號記錄在膠片上 直接數(shù)字成像（Digital Radiography DR) DR(即直接數(shù)字成像)減少了中間轉(zhuǎn)換的步驟，直接成像。它集CR優(yōu)點于一身，圖像更加清晰，可進行組織均衡，它是利用探測器很寬的動態(tài)范圍及其特性，將圖像分別處理后重新組合，使高低密度的組織能很好地在同一影像上顯示，從而提高每一幀圖像的信

13、息量，提高其顯示力。血管造影術(shù) 血管造影術(shù)歷史悠久，從Roentgen 1895年發(fā)現(xiàn)X線后僅2個月Haskek和Lindental首次在離體上肢的動脈內(nèi)注入白堊溶液進行動脈造影的嘗試。 以后隨著血管造影技術(shù)和造影劑的不斷改進。尤其是1953年Seldinger設計的循導引鋼絲插入導管，使經(jīng)皮穿刺法成為簡便、安全的動脈造影術(shù)。 1963年Ziedes des platnes B. G首先利用同一患者的腦血管與顱平片(即負片，此片的體位、射線方向與造影片相同) 翻印成正片(作為掩蓋片Mask film) 互相重疊，將此重疊的兩片覆蓋于未感光的X線膠片上，用可見光曝光,經(jīng)沖洗印成減影片。這一方法手

14、續(xù)繁瑣，不易完全重疊而產(chǎn)生偽影，影響質(zhì)量。因此在臨床上沒有推廣應用。 數(shù)字減影血管造影(Digital Substraction Angiograply, DSA) DSA 是利用計算系統(tǒng)將造影部位，注射部位，注射造影劑前的透視影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式貯存于記憶盤中，稱作蒙片。然后將注入造影劑后的造影區(qū)的透視影像也轉(zhuǎn)換成數(shù)字，并減去蒙片的數(shù)字，將剩余數(shù)字再轉(zhuǎn)換成圖像，即成為除去了注射造影劑前透視圖像上所見的骨骼和軟組織影像，剩下的只是清晰的純血管造影像。 自70年代以來，計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，為血管造影的研究提供了廣闊的前景。 70年代后期，美國的Wisconsin和Arizona大學的小組和西德Keil Kinder Klink 醫(yī)學中心各自獨立地對數(shù)字減影血管造影術(shù)研究