醫(yī)學影像設備學第一章醫(yī)學影像設備學概論課件

醫(yī)學影像設備學

教學課件韓豐談主編第一章醫(yī)學影像設備學概論第一節(jié)醫(yī)學影像設備的發(fā)展簡史

第二節(jié)醫(yī)學影像設備的分類

第一節(jié)醫(yī)學影像設備的發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)出熒光和使膠片感光的新型射線，即X射線，簡稱為X線。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(xiàn)了常規(guī)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(fā)利用，尤其是體層裝置、影像增強器、連續(xù)攝影、快速換片機、高壓注射器、電視、電影和錄像記錄系統(tǒng)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。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(fā)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(fā)射型計算機體層（positiveemissioncomputedtomography，PET）檢查，使CT的形態(tài)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。平板探測器CT設備目前尚在開發(fā)階段，一旦技術成熟，從機器設計、信息模式、成像速度、射線劑量到運行成本都會有根本性的改變，將會引起CT設備的又一次革命。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(yī)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(yōu)于CT設備的特點之一。迄今，MRI設備已廣泛用于全身各系統(tǒng)，其中以中樞神經、心血管系統(tǒng)、肢體關節(jié)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(xiàn)MRI設備與MRS結合的臨床應用，將會引起醫(yī)學診斷學上一個新的突破。數(shù)字減影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、計算機X線攝影（computedradiography，CR）和數(shù)字攝影（digitalradiography，DR）是20世紀80年代、90年代開發(fā)的數(shù)字X線機。前者具有少創(chuàng)、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(fā)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(yōu)點，更重要的是可作為數(shù)字化圖像納入圖像存儲與傳輸系統(tǒng)（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X線實時高分辨力成像板將是最具革命性、最有發(fā)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(yī)學設備相繼出現(xiàn)，當時在醫(yī)學上的應用往往各成系統(tǒng)。1972年X-CT設備的開發(fā)，使醫(yī)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(shù)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(shù)、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(yī)學影像診斷設備與醫(yī)學影像治療設備相結合，共同構成了現(xiàn)代醫(yī)學影像設備體系。第二節(jié)醫(yī)學影像設備的分類現(xiàn)代醫(yī)學影像設備可分為兩大類，即醫(yī)學影像診斷設備和醫(yī)學影像治療設備。一、診斷用設備按照影像信息的載體來區(qū)分，現(xiàn)代醫(yī)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(yī)學設備；⑤熱成像設備；⑥光學成像設備（醫(yī)用內鏡）。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(yī)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(shù)字X線機使用曝光量寬容度大，可獲得數(shù)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(tài)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(xiàn)人體成像。20世紀40年代發(fā)現(xiàn)了物質的磁共振現(xiàn)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(yōu)點：①MRI剖面的定位完全是通過調節(jié)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(yōu)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。MRI的缺點：①與X-CT相比，成像時間較長；②植入金屬的病人，特別是植入心臟起搏器的病人，不能進行MRI檢查；③設備購置與運行的費用較高?？傊琈RI設備可作任意方向的體層檢查，能反映人體分子水平的生理、生化等方面的功能特性，對某些疾病（如腫瘤）可作早期或超早期診斷，是一種很有發(fā)展前途和潛力的高技術設備。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(qū)別。就X線來說，盡管現(xiàn)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(fā)病率增加。而從現(xiàn)有資料來看，目前診斷用US劑量還未有使受檢者發(fā)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(yī)學設備核醫(yī)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(xiàn)人體功能成像。主要有γ相機、單光子發(fā)射型CT（singlephotonemissionCT，SPECT）和正電子發(fā)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(tài)或動態(tài)照相檢查。動態(tài)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(fā)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(tài)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(yī)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(yī)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(shù)目所致。相比之下，X線成像具有高分辨力和低量子噪聲。醫(yī)用熱成像設備一般包括紅外成像、紅外照相、紅外攝像和光機掃描成像等。光機掃描熱成像儀將人體的熱像轉變?yōu)檫B續(xù)變化的圖像電信號，經放大處理即可在顯示器上顯示熒光影像。其優(yōu)點是溫度分辨力可達0.1~0.01K，且具有靈敏度高、空間分辨力高。目前，光機掃描熱成像儀已應用于乳腺癌的普查和診斷，血管瘤和血管閉塞情況的檢查和診斷，以及妊娠的早期診斷等。還有一種熱釋電攝像機，將輸入的熱輻射由紅外透鏡聚焦，在攝像管靶面上產生空間和強度變化與熱體溫度分布相同的電荷圖形，最后把反映溫度情況的電像轉變?yōu)橐曨l信號輸出。熱釋電攝像機在整個紅外光譜區(qū)響應相當平穩(wěn)，又無需制冷，具有電子掃描、能與電視兼容等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的熱成像系統(tǒng)。但目前它存在著靈敏度低、工作距離近、性能指標比光機掃描熱像儀差的缺陷，有待于進一步完善與提高。體內以電磁波方式向外傳播的熱輻射，其中含有微波成分。微波成像系統(tǒng)借助于體外的微波天線接收體內傳出的微波，并通過高靈敏度的熱輻射計以實現(xiàn)溫度測量。如測量某一特定頻率的信號，即可得到從體表到某一深度的平均溫度。若采用多波段輻射計，并對測量數(shù)據(jù)作適當處理，就能推斷出不同深度組織的溫度。如以溫度為參變量，則可獲得不同深度的體層圖像。由于引起人體組織溫度的異常分布有各種各樣的原因，因此，熱成像設備所提供的信息僅供診斷參考，不能作為診斷依據(jù)。電子內鏡的功能比光導纖維內鏡多得多，是內鏡的一大進步。它主要由內鏡、光源、視頻處理中心、視頻顯示系統(tǒng)、圖像與病人數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)及附屬裝置組成。其最大的特點是采用電荷耦合器（chargescoupleddevice，CCD）將觀察到的物像由光信號轉換成電信號，并傳輸?shù)揭曨l中心進行處理，達到最終顯示的目的。傳輸?shù)奖O(jiān)視器的圖像還可記錄下來，用視頻打印機打印，也可傳輸?shù)搅硪粓鏊M行同時觀察。20世紀80年代初，USG內鏡問世。它是將US探頭和內鏡連在一起，在內鏡的引導下，將US探頭送入體內進行掃描，所得到的信息要比在體表上獲得的掃描信息準確詳細。目前這類設備主要用線性和扇形兩種掃描方式，而采用凸式掃描做彩色多普勒和B型圖像顯示則較為少見。此外，激光內鏡和三維內鏡亦在發(fā)展之中。前者是將診斷與治療功能結合在一起的新一代內鏡。后者可提供立體圖像，能使許多高難度的手術得以順利實施，且大大提高了手術的安全系數(shù)，是內鏡發(fā)展史上又一新進展。二、治療用設備（一）介入放射學設備所謂介入放射學（interventionalradiology）系統(tǒng)，就是借助高精度計算機化的影像儀器的觀察，通過導管深入體內，對疾病直接進行診斷與治療的一種新型設備與技術。它的問世，使臨床某些疾病由不可治變?yōu)榭芍?，使治療的難度由大變小，使有創(chuàng)傷變成少創(chuàng)傷甚至無創(chuàng)傷，使病人免受或減輕了手術之苦，操作比較安全，治療效果也較好。利用介入放射學系統(tǒng)開展診療工作，對提高某些心血管病、腦血管病、腫瘤等重大疾患的診療水平，提高治愈率與存活率，改善生活質量，發(fā)揮了重要作用。醫(yī)學影像設備的導向是完成介入治療的關鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學儀器等多種儀器組成的大型精密儀器設備系統(tǒng)。特別是20世紀80年代初發(fā)展起來的影像技術與計算機結合的DSA問世后，由于它能實時地向醫(yī)生提供導管導向的位置、局部循環(huán)結構、栓塞或擴張的效果等有關介入診療的信息，因而具有極大的優(yōu)越性，目前可以說已基本取代了常規(guī)的血管造影設備。而計算機的應用，使DSA向智能化、光纖網(wǎng)絡的綜合快速數(shù)據(jù)處理能力、無膠片處理方式、盡可能低的X線劑量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的圖像處理技術方向發(fā)展，從而為介入放射學提供了有力的保證。醫(yī)學影像設備的導向是完成介入治療的關鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學儀器等多種儀器組成的大型精密儀器設備系統(tǒng)。特別是20世紀80年代初發(fā)展起來的影像技術與計算機結合的DSA問世后，由于它能實時地向醫(yī)生提供導管導向的位置、局部循環(huán)結構、栓塞或擴張的效果等有關介入診療的信息，因而具有極大的優(yōu)越性，目前可以說已基本取代了常規(guī)的血管造影設備。而計算機的應用，使DSA向智能化、光纖網(wǎng)絡的綜合快速數(shù)據(jù)處理能力、無膠片處理方式、盡可能低的X線劑量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的圖像處理技術方向發(fā)展，從而為介入放射學提供了有力的保證。介入性導管，根據(jù)用途可分為兩類，即診斷用導管和治療用導管及其附件。前者包括心血管、腦血管造影導管，肝、腎、胰、脾等內臟器官用導管十余種。這種導管要有一定耐壓性和滿足大流量的要求（15~25ml/s）。后者如消化道治療導管、腫瘤化療用導管、射頻消融導管、溶栓導管、二尖辮球囊擴張導管等。其附件有血管內支架（自膨脹型、球囊膨脹型、形狀記憶型）、導絲（引導導管用）等。專家預測，在21世紀，應用微電子、分子生物學和基因工程的新成果，集多功能如內鏡、USG設備、血流壓力測量等于一體的新一代治療導管及傳輸裝置將進一步發(fā)展。應用生物適應性良好的材料、內支架、留置用導管的研制和臨床應用將有助于進一步提高介入治療的水平。開放式MRI設備與其相應配套裝置的開發(fā)以及與USG設備的配合使用，將使介入治療技術向低或無放射線方向發(fā)展。影像設備的研制、開發(fā)，使實時成像和立體成像引導下的介入性操作成為可能，加上新的抗癌藥物、栓塞劑和基因療法的應用，將進一步提高介入治療的精度與療效。（二）立體定向放射外科學設備立體定向放射外科（stereotacticradiosugery，SRS）或稱立體定向放射治療（stereotacticradiotherapy，SRT），是一門新的醫(yī)療技術。它是利用現(xiàn)代X-CT設備、MRI設備或DSA設備，加上立體定向頭架裝置對顱內病變區(qū)做高精度定位；經過專用治療計劃系統(tǒng)（具有三維顯示和計算功能的計算機）做出最優(yōu)化治療計劃；運用邊緣尖銳的小截面光子束（MV級）以