醫(yī)學(xué)影像成像原理

關(guān)于醫(yī)學(xué)影像成像原理第一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日第3章醫(yī)學(xué)影像成像原理現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像的成像原理和技術(shù)路線從根本上說是依據(jù)電離輻射（如X射線、射線）和非電離輻射（如超聲波）的自身性質(zhì)和它們與物質(zhì)的相互作用，并利用計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代技術(shù)手段來采集成像數(shù)據(jù)，按一定的數(shù)學(xué)方法用計(jì)算機(jī)重建數(shù)字圖像。因此，深入挖掘圖像所蘊(yùn)藏的生物信息和很好的控制圖像質(zhì)量，不但需要雄厚的醫(yī)學(xué)知識(shí)，而且需要掌握各種成像技術(shù)的原理。

第二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1X線成像原理X線的本質(zhì)：電磁輻射常用X線診斷設(shè)備：X線機(jī)、數(shù)字X線攝影設(shè)備（CR、DR、DSA）和X線計(jì)算機(jī)體層（X線CT）3.1.1X線的特征3.1.2X射線成像原理3.1.3計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）3.1.4直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）第三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1.1X線的特性X射線在電磁輻射中的特點(diǎn)屬于高頻率、波長(zhǎng)短的射線X射線的頻率約在3×1016～3×1020Hz之間，波長(zhǎng)約在10～10-3nm之間

X線診斷常用的X線波長(zhǎng)范圍為0.008～0.031nm第四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1.1X線的特性Hz第五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.X射線的波粒二象性X射線同時(shí)具有波動(dòng)性和微粒性，統(tǒng)稱為波粒二象性。（1）X射線的波動(dòng)性

X射線同可見光一樣，具有干涉、衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象，說明X射線具有波的特性。它的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在以一定的波長(zhǎng)和頻率在空間傳播。它是一種橫波，其傳播速度在真空中與光速相同，可以用波長(zhǎng)，頻率f等來描述。（2）X射線的微粒性

X射線的波動(dòng)性雖然可以成功地解釋X線的干涉與衍射現(xiàn)象，但卻不能解釋X射線的熒光作用、光電效應(yīng)、電離作用等。X射線在以光子形式輻射和吸收時(shí)具有一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。說明X射線在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。3.1.1X線的特性第六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.X射線的波粒二象性X射線在傳播時(shí)，它的波動(dòng)性占主導(dǎo)地位，具有頻率和波長(zhǎng)，且有干涉、衍射等現(xiàn)象發(fā)生。X射線在與物質(zhì)相互作用時(shí)，它的粒子特性占主導(dǎo)地位，具有質(zhì)量、能量和動(dòng)量。3.1.1X線的特性第七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X射線與物質(zhì)間的相互作用（1）X射線的穿透作用。因X射線波長(zhǎng)短，光子能量大，物質(zhì)對(duì)其吸收較弱，所以對(duì)物質(zhì)有很強(qiáng)的穿透能力。其貫穿本領(lǐng)的強(qiáng)弱與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，如X射線的物質(zhì)密度和原子序數(shù)等因素。

其貫穿本領(lǐng)的強(qiáng)弱與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)3.1.1X線的特征第八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X射線與物質(zhì)間的相互作用（2）X射線的熒光作用。

X射線是肉眼看不見的，但當(dāng)它照射某些物質(zhì)時(shí)，能夠使這些物質(zhì)的原子處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們回到基態(tài)時(shí)就能夠發(fā)出熒光。醫(yī)學(xué)中透視用的熒光屏、X射線攝影用的增感屏、影像增強(qiáng)器中的輸入屏和輸出屏都是利用熒光特性做成的。（3）X射線的電離作用。

X射線雖然不帶電，但具有足夠能量的X光子能夠撞擊原子中軌道電子，使之脫離原子產(chǎn)生一次電離。

電離作用也是X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。

3.1.1X線的特征第九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X射線與物質(zhì)間的相互作用（4）X射線的熱作用。X射線被物質(zhì)吸收，絕大部分都將變?yōu)闊崮埽刮矬w溫升。

（5）X射線的化學(xué)效應(yīng)。X射線能使多種物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。例如，X射線能使照相底片感光。（6）X射線的生物效應(yīng)。

生物組織經(jīng)一定量的X射線照射，會(huì)產(chǎn)生電離和激發(fā)，使細(xì)胞受到損傷、抑制、死亡或通過遺傳變異影響下一代，這種現(xiàn)象稱為X射線的生物效應(yīng)。這個(gè)特性可充分應(yīng)用在腫瘤放射治療中。3.1.1X線的特征第十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1.2X射線成像原理當(dāng)高速帶電粒子撞擊物質(zhì)受阻而突然減速時(shí)，能夠產(chǎn)生X射線。醫(yī)學(xué)影像診斷所用的X線產(chǎn)生設(shè)備是X線管（X-raytube，球管）。1．X射線的產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生需要的基本條件是：（1）有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；（2）有阻礙帶電粒子流運(yùn)動(dòng)的障礙物（靶），用來阻止電子的運(yùn)動(dòng)，可以將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線光子的能量。第十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日X射線的產(chǎn)生裝置主要包括三部分：X射線管、高壓電源及低壓電源，如圖3.2所示。3.1.2X射線成像原理在這一過程中，約不到1％的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芟蛲廨椛?，輻射出來的射線就是X射線，而99％以上的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。第十二頁，共九十九頁，編輯?023年，星期日2.X射線人體成像使用X射線對(duì)人體進(jìn)行照射，并對(duì)透過人體的X射線信息進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換，并使之成為可見的影像，即為X射線人體成像。（1）X射線影像的形成當(dāng)一束強(qiáng)度大致均勻的X射線投照到人體上時(shí)，X射線一部分被吸收和散射，另一部分透過人體沿原方向傳播。由于人體各種組織、器官在密度、厚度等方面存在差異，對(duì)投照在其上的X射線的吸收量各不相同，從而使透過人體的X射線強(qiáng)度分布發(fā)生變化并攜帶人體信息，最終形成X射線信息影像。X射線信息影像不能為人眼識(shí)別，須通過一定的采集、轉(zhuǎn)換、顯示系統(tǒng)將X射線強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換成可見光的強(qiáng)度分布，形成人眼可見的X射線影像。3.1.2X射線成像原理第十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日①人體不同密度組織與X線成像的關(guān)系不同密度組織結(jié)構(gòu)由于吸收程度不同，在X線膠片上或熒屏上顯出具有黑白或明暗對(duì)比、層次差異的X線影像。病理變化也可使人體組織密度發(fā)生改變。例如，肺結(jié)核病變是在原屬低密度的肺組織內(nèi)產(chǎn)生中等密度的纖維性改變和高密度的鈣化灶。使用X射線拍攝的胸片上就可以清晰地顯示肺影的背景位置出現(xiàn)代表病變的白影。因此不同組織密度的病理變化可產(chǎn)生相應(yīng)的病理X線影像。

圖3.3人體不同密度組織(厚度相同)與X線成像的關(guān)系第十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日②人體不同厚度組織與X線成像的關(guān)系人體組織結(jié)構(gòu)和器官形態(tài)不同，厚度也不一致，在組織密度相同的情況下，厚的部分，吸收X線多，透過的X線少，薄的部分則相反。

密度和厚度的差別是產(chǎn)生影像對(duì)比的基礎(chǔ)，是X線成像的基本條件第十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示

①醫(yī)用X射線膠片與增感屏醫(yī)用X射線膠片的主要特性是感光，即接受光照并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成潛影（latentimage）。經(jīng)過對(duì)有潛影的膠片處理（暗室處理：顯影、定影等），使膠片上的潛影轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷牟煌叶龋╣ray）分布像。X射線照射的膠片，經(jīng)過顯影、定影后，膠片感光層中的鹵化銀還原成金屬銀殘留在膠片上，形成由金屬銀顆粒組成的黑色影像。人體組織的物質(zhì)密度高，則吸收X射線多，透過的X線少,在X射線照片上呈白影；反之，如果組織的物質(zhì)密度低，則吸收X射線少，在X射線照片上呈黑影。3.1.2X射線成像原理第十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示①醫(yī)用X射線膠片與增感屏醫(yī)用X射線增感屏為熒光增感屏，其增感原理為增感屏上的熒光物質(zhì)受到X射線激發(fā)后，發(fā)出易被膠片所接收的熒光，從而增強(qiáng)對(duì)X射線膠片的感光作用。

主要目的是：在實(shí)際X射線攝影中，僅有不到10%的X射線光子能直接被膠片吸收形成潛影，絕大部分X射線光子穿透膠片，得不到有效的利用。因此需要利用一種增感方法來增加X射線對(duì)膠片的曝光，降低X射線的輻射劑量。常采用措施是在暗盒中將膠片夾在兩片增感屏之間，然后進(jìn)行曝光。第十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示②X射線電視系統(tǒng)X射線電視系統(tǒng)主要包括X射線影像增強(qiáng)器、光學(xué)圖像分配系統(tǒng)、含有攝像機(jī)與監(jiān)視器的閉路視頻系統(tǒng)與輔助電子設(shè)備。X射線影像增強(qiáng)管是影像增強(qiáng)器的核心部件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有大量自動(dòng)化控制成像和信息處理方法融入普通X線攝影技術(shù)之中。包括計(jì)算機(jī)X線攝影、直接數(shù)字化X線攝影等。大大提高了普通X線成像質(zhì)量。3.1.2X射線成像原理第十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1.3計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）計(jì)算機(jī)X線攝影（ComputedRadiography，CR）是將X線透過人體后的信息記錄在成像板（ImagePlate，IP）上，經(jīng)讀取裝置讀取后，由計(jì)算機(jī)以數(shù)字化圖像信息的形式儲(chǔ)存，再經(jīng)過數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換成圖像的組織密度（灰度）信息，最后在熒光屏上顯示。其中，成像板是CR成像技術(shù)的關(guān)鍵。第十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.成像板（IP）成像板（IP）是使用一種含有微量素銪（Eu2+）的鋇氟溴化合物結(jié)晶制作而成能夠采集（記錄）影像信息的載體，可以代替X線膠片并重復(fù)使用2-3萬次。IP板可在普通室內(nèi)明間進(jìn)行操作，無需暗室處理，處理速度快。當(dāng)透過人體的X線照射到IP板上時(shí)可以使IP板感光并形成潛影以記錄X線影像信息。成像板的構(gòu)造：

（1）表面保護(hù)層。（2）輝盡性熒光體層。（3）基板（支持體）。（4）背面保護(hù)層。3.1.3計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）第二十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.CR系統(tǒng)成像的基本過程（1）影像信息的采集：攜帶人體信息的X射線照射IP板后，IP板將X射線的能量以潛影（模擬信號(hào)）的方式貯存下來，完成對(duì)影像信息的采集（記錄）。（2）影像信息的讀?。阂獙①A存在IP板中以模擬信號(hào)的形式記錄的影像信息讀出并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，需使用激光掃描儀。如圖3.6所示，隨著由高精度步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)IP板勻速移動(dòng)，激光束經(jīng)擺動(dòng)式反光鏡的反射，在與IP板垂直的方向上，依次對(duì)IP板進(jìn)行精確、均勻地掃描。與此同時(shí)，隨著激光束的掃描，IP板上釋放出與貯存的影像信息相應(yīng)的熒光并被自動(dòng)跟蹤集光器收集，經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換成相應(yīng)強(qiáng)弱的電信號(hào)，進(jìn)一步放大后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的影像信號(hào)并輸入到計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)顯示器上電信號(hào)被重建為可視影像，并根據(jù)診斷需要對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字處理。在完成對(duì)圖像的讀取后，由激光掃描儀對(duì)IP上的殘留信號(hào)進(jìn)行消影處理，為下次使用做好準(zhǔn)備。3.1.3計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）第二十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.CR系統(tǒng)成像的基本過程

與普通X攝影相比較，CR的優(yōu)點(diǎn)是：①寬容度大，攝影條件易選擇。②可降低投照輻射量：CR可在IP獲取信息的基礎(chǔ)上自動(dòng)調(diào)節(jié)放大增益，最大幅度地減少X線曝光量，降低病人的輻射損傷。③影像清晰度較普通片高。④對(duì)影像可進(jìn)行后處理，對(duì)曝光不足或過度的膠片可進(jìn)行后期補(bǔ)救。⑤可進(jìn)行圖像傳輸、存儲(chǔ)。⑥由于激光掃描儀可以對(duì)IP上的殘留信號(hào)進(jìn)行消影處理，IP板可重復(fù)使用2-3萬次。3.1.3計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）第二十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1.4直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）直接數(shù)字化X射線攝影(DigitalRadiography，DR)是在具有圖像處理功能的計(jì)算機(jī)控制下，采用一維或二維的X射線探測(cè)器直接把X射線信息影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息的技術(shù)。當(dāng)前DR設(shè)備主要采用二維平板X射線探測(cè)器（flatpaneldetector，F(xiàn)PD)，包括：（1）非晶態(tài)硅平板探測(cè)器先經(jīng)閃爍發(fā)光晶體轉(zhuǎn)換成可見光再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（2）非晶態(tài)硒平板探測(cè)器將X線直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)第二十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.1.4直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）第二十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2X-CT成像原理X-CT與X射線攝影相比較有很大區(qū)別，X射線攝影產(chǎn)生的是多器官重疊的平片圖像CT是用X射線對(duì)人體層面進(jìn)行掃描，取得信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而獲得重建圖像，顯示的是斷面解剖圖像，其密度分辨力明顯優(yōu)于X線圖像，顯著的擴(kuò)大人體的檢查范圍，提高病變的檢出率和診斷準(zhǔn)確率X射線平片與CT斷層對(duì)比圖第二十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日X-CT（X-raycomputedtomography,X-CT）是運(yùn)用掃描并采集投影的物理技術(shù)，以測(cè)定X射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定算法，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，求解出人體組織的衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣，再將其轉(zhuǎn)為圖像上的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)建立斷層解剖圖像的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，X-CT成像的本質(zhì)是衰減系數(shù)成像。3.2.1.X-CT成像技術(shù)第二十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.X-CT成像裝置與流程X-CT成像裝置主要由X線管、準(zhǔn)直器、檢測(cè)器、掃描機(jī)構(gòu)、測(cè)量電路、電子計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器等部分所組成的。X-CT成像流程是：X線首先經(jīng)過準(zhǔn)直器形成很細(xì)的直線射束，用以穿透人體被檢測(cè)的斷層平面。X線束經(jīng)人體薄層內(nèi)器官或組織衰減并透射出后到達(dá)檢測(cè)器，檢測(cè)器將接收人體該斷面不同方向、不同密度的組織器官對(duì)X線的衰減值，并將相應(yīng)的圖像信息轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電信號(hào)。通過電子測(cè)量電路將電信號(hào)放大，再由模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)好的圖像重建方法，對(duì)數(shù)字信號(hào)加以一系列的計(jì)算和處理等，得出人體斷層平面上器官或組織密度數(shù)值分布情況,然后把它們按電視監(jiān)視器（TVmonitor）掃描制式進(jìn)行編碼，以便在屏幕上依據(jù)不同器官或組織的密度表示出不同的灰度，顯示人體該斷層平面上的器官或組織密度的圖像。

第二十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.1.X-CT成像技術(shù)2.X-CT成像的數(shù)據(jù)采集與處理X-CT成像的數(shù)據(jù)采集是利用X線管和檢測(cè)器等的同步掃描來完成的。檢測(cè)器是一種X線光子轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的換能器。X-CT成像的數(shù)據(jù)采集根據(jù)X-CT成像的物理原理進(jìn)行的。

X線管發(fā)出直線波束第二十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X-CT成像的數(shù)據(jù)采集與處理下面以X線管發(fā)出的直線波束和單一檢測(cè)器為例說明數(shù)據(jù)采集的基本原理。如圖3.10a所示，第一次掃描先采用等間隔直線平移，X線束對(duì)被測(cè)人體斷層每掃描一個(gè)間隔，接收的透射X線強(qiáng)度信號(hào)經(jīng)計(jì)算可得到該處吸收系數(shù)之和的數(shù)值。當(dāng)直線平移掃描完斷層后，就獲得此方向上的一組吸收系數(shù)之和與X線掃描位置的曲線，如圖3.10b。我們把這個(gè)曲線稱為X線束經(jīng)被測(cè)人體吸收后在該方向上的投影（Projection），投影上各點(diǎn)數(shù)值稱為投影值。第一次直線平移掃描后，掃描系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度來改變方向，作第二次直線平移掃描，又可得到另一方向上的投影。重復(fù)此過程，就能得到被測(cè)人體整個(gè)平面在所有方向上X線束的投影。設(shè)每次直線平移掃描間隔為180次，即一個(gè)方向上的投影可得到180個(gè)投影值，如果把被測(cè)人體斷層分成180×180個(gè)單元體，就必須旋轉(zhuǎn)180次角度，為了不進(jìn)行重復(fù)掃描，則每次旋轉(zhuǎn)角度為1°。因此，從X線束掃描被測(cè)人體斷層中，能得到180×180個(gè)投影值，相應(yīng)地可建立180×180個(gè)方程，通過計(jì)算求解出180×180個(gè)單元體對(duì)應(yīng)的X線吸收系數(shù)。

第二十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X-CT成像的數(shù)據(jù)采集與處理衰減值位置圖3.10X線束平行掃描的數(shù)據(jù)采集第三十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X-CT成像的數(shù)據(jù)采集與處理綜上所述，X線穿過人體的過程中，在受檢體內(nèi)欲成像的層面可被看作為一系列二維的體積元（體素）組成的面陣，并由計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行空間位置編碼，當(dāng)X線進(jìn)行掃描時(shí)，計(jì)算機(jī)將計(jì)算出每個(gè)單位容積的X線吸收系數(shù)（也稱作衰減系數(shù)μ值）。將μ值換算成CT值，即可以作為表達(dá)組織密度的統(tǒng)一單位。人體組織與器官的CT值等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)μm與水的吸收系數(shù)μw之差，再與水的衰減系數(shù)相比之后乘以1000。其單位名稱為Hu(HounsfieldUnit),1000為Hu的分度因素。人體組織的CT值界限可分為2000個(gè)分度，上界為骨的CT值(1000Hu)，下界為空氣的CT值（-1000Hu）。這樣分度包括了由最高密度（骨皮質(zhì)）到最低密度（器官的含氣部分）的CT值。常規(guī)人體組織的CT值如表3.3。第三十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日2.X-CT成像的數(shù)據(jù)采集與處理組織器官CT值（HU）組織器官CT值（HU）骨組織＞400肝臟50～70鈣化80～300脾臟35～60血塊或新鮮出血64～84胰腺30～55腦白質(zhì)25～35腎臟25～50腦灰質(zhì)28～44肌肉40～55腦脊液3～8膽囊10～30血液13～32甲狀腺50～90或更高空氣－200以上脂肪－20～－100表3.3常規(guī)人體組織的CT值

在求得人體組織與器官的CT值后，經(jīng)計(jì)算機(jī)重建并依據(jù)不同器官或組織的密度表示出不同的灰度，在屏幕上進(jìn)行顯示即得到斷層平面上的器官或組織密度的圖像。

第三十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.2X-CT的掃描方式目前CT的掃描方式從機(jī)械掃描方式發(fā)展到電子束掃描方式，探測(cè)器數(shù)量也從原始的1個(gè)發(fā)展到現(xiàn)在的多達(dá)4800個(gè)，掃描速度更快、成像時(shí)間更短，安全性也更高。CT的各種掃描方式中，單束平移-旋轉(zhuǎn)方式、窄扇形束平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)方式、靜止-旋轉(zhuǎn)方式的共同點(diǎn)是都需要X射線管和檢測(cè)器之間進(jìn)行同步掃描機(jī)械運(yùn)動(dòng)。為滿足人體動(dòng)態(tài)器官的檢查，需要進(jìn)一步提高掃描的速度，在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描模式基礎(chǔ)上發(fā)展出來的電子束掃描方式，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，大大地提高了掃描速度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心、肺等動(dòng)態(tài)器官的檢查。

第三十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.2X-CT的掃描方式1.單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式單束掃描是由一個(gè)X射線管和一個(gè)檢測(cè)器組成，X射線束被準(zhǔn)直成筆直單射線束形式，X射線管和檢測(cè)器圍繞受檢體作同步平移-旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)。這種掃描首先進(jìn)行同步平移直線掃描。當(dāng)平移掃完一個(gè)指定斷層后，同步掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度（一般為1°）后再對(duì)同一指定斷層進(jìn)行平移同步掃描，如此進(jìn)行下去，直到掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到與初始值位置成180°角為止。這種掃描方式的缺點(diǎn)是射線利用率極低，掃描速度很慢，對(duì)一個(gè)斷層掃描約需5分鐘時(shí)間，只適用于無體動(dòng)器官的掃描。單束平移-旋轉(zhuǎn)方式第三十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.2X-CT的掃描方式2.窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式窄扇形束掃描稱為第二代CT掃描。掃描裝置由一個(gè)X射線管和6～30個(gè)的檢測(cè)器組構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。掃描時(shí)，X射線管發(fā)出角度為3°～20°的窄扇形射線束，6～30個(gè)檢測(cè)器同時(shí)采樣，并采用平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式。窄扇形束掃描完一個(gè)斷層的時(shí)間可降為10秒左右?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)人體除心臟器官以外的其它各器官的掃描成像。這種掃描的主要缺點(diǎn)是：由于檢測(cè)器排列成直線，對(duì)于X射線管發(fā)出的扇形束來說，扇形束的中心射束和邊緣射束的測(cè)量值不相等，需校正，否則掃描會(huì)因這種運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，影響CT圖像的質(zhì)量。窄扇形束平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式第三十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式

這種掃描稱為第三代CT掃描，掃描裝置由一個(gè)X射線管和由250～700個(gè)檢測(cè)器排列成一個(gè)可在掃描架內(nèi)滑動(dòng)的緊密圓弧形。X射線管發(fā)出張角為30°～45°，能覆蓋整個(gè)受檢體的寬扇形射線束。由于這種寬扇束掃描一次即能覆蓋整個(gè)受檢體，故只需X射線管和檢測(cè)器作同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種排列使扇形束的中心射束和邊緣射束到檢測(cè)器的距離相等，可減少中心射束和邊緣射束的檢測(cè)值差異。可靠性也比平移-旋轉(zhuǎn)方式高。用此種方式對(duì)斷層掃描所用的時(shí)間已降為1秒左右。這種掃描的缺點(diǎn)是：要對(duì)每個(gè)相鄰檢測(cè)器的接收靈敏度差異進(jìn)行校正，否則由于同步旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生環(huán)形偽像。X線管旋轉(zhuǎn)采樣點(diǎn)檢測(cè)器軌道檢測(cè)器扇形X線束旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式第三十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日4.靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式這種掃描稱為第四代CT掃描方式，掃描裝置由一個(gè)X射線管和600~2000個(gè)檢測(cè)器所組成。在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式中，每個(gè)檢測(cè)器得到的投影值，相當(dāng)于以該檢測(cè)器為焦點(diǎn)，由X射線管旋轉(zhuǎn)掃描一個(gè)扇形面而獲得。靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是：每一個(gè)檢測(cè)器上獲得多個(gè)方向的投影數(shù)據(jù)，能很好地克服寬扇形束的旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式中由于檢測(cè)器之間差異所帶來的環(huán)形偽影，掃描速度與靜止-旋轉(zhuǎn)方式相比也有所提高。檢測(cè)器X線管軌跡X線管靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式第三十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日5.電子束掃描方式電子束掃描又稱為第五代CT，掃描裝置由一個(gè)特殊制造的大型X射線管和靜止排列的檢測(cè)器環(huán)組成?？捎糜谛姆蔚葎?dòng)態(tài)器官的CT檢查。在大型的X射線管內(nèi)，從電子槍發(fā)射出的電子束經(jīng)過兩次磁偏轉(zhuǎn)控制，產(chǎn)生的電子束高速地旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)并撞擊在X射線管的環(huán)形靶體上，然后沿環(huán)形靶體上發(fā)射出X射線，經(jīng)準(zhǔn)直后成為扇形束。扇形束透射受檢體后的衰減射線束再投照在靜止的檢測(cè)器環(huán)上，便可檢測(cè)出來自不同方位的投影值。真空泵靶環(huán)掃描床電子槍電子束聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈X線束電子束掃描方式檢測(cè)器第三十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.3螺旋CT工作原理1、螺旋CT掃描裝置

螺旋掃描是指在掃描期間，X線管連續(xù)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生X線束，同時(shí)掃描床在縱軸方向連續(xù)移動(dòng)，這樣，掃描區(qū)域X線束進(jìn)行的軌跡相對(duì)被檢查者而言呈螺旋運(yùn)動(dòng)，掃描軌跡為螺旋形曲線，這樣可以一次收集到掃描范圍內(nèi)全部容積的數(shù)據(jù)，所以也稱為螺旋容積掃描。

螺旋CT掃描裝置包括探測(cè)器、X線管滑環(huán)、機(jī)架與檢查床、控制臺(tái)與計(jì)算機(jī)。其中滑環(huán)技術(shù)是螺旋掃描的基礎(chǔ)，螺旋掃描是通過滑環(huán)技術(shù)與掃描床的連續(xù)移動(dòng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。第三十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.3螺旋CT工作原理2、螺旋CT掃描過程在螺旋掃描中，當(dāng)掃描床勻速通過X線掃描時(shí)，X線管連續(xù)曝光旋轉(zhuǎn)，如圖3.16所示。X線管每旋轉(zhuǎn)一周，床面移動(dòng)的距離稱為螺距(pitch)。不同于軸向掃描時(shí)產(chǎn)生的分離獨(dú)立的數(shù)據(jù)組，螺旋掃描產(chǎn)生一組連續(xù)的數(shù)據(jù)。螺旋掃描及層面投影第四十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.2.3螺旋CT工作原理3、多層螺旋CT掃描特點(diǎn)（1）降低X射線球管損耗。多層螺旋CT球管發(fā)射同等量的X射線，可以同時(shí)獲得多層圖像，提高X射線的利用率。（2）掃描覆蓋范圍更長(zhǎng)。由于探測(cè)器具有多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，當(dāng)層厚、掃描時(shí)間、螺距相同時(shí)，覆蓋范圍是單層的多倍。（3）掃描時(shí)間更短。由于取消了掃描時(shí)間間隔，單層螺旋掃描已經(jīng)使檢查時(shí)間縮短到傳統(tǒng)CT掃描的十分之一。多層螺旋則使掃描時(shí)間又進(jìn)一步縮短，在層厚不變，螺距相同的情況下，掃描時(shí)間僅為單層螺旋的1/2至1/64。（4）掃描層厚更薄。由于具有多個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，可以在一次掃描中，在同樣的掃描時(shí)間內(nèi)，完成更薄的層厚檢查，提高空間分辨率。

現(xiàn)在廣泛使用的多層螺旋CT，又稱多層CT。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具備多排檢測(cè)器和多個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。第四十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3MRI成像原理磁共振成像MRI是一多種特征參數(shù)、多種靶位核素的成像技術(shù)。目前臨床上主要有氫核密度ρ、弛豫時(shí)間T1、T2和組織流動(dòng)的成像。磁共振成像基本原理是利用特定頻率的電磁波，向外在磁場(chǎng)中的人體進(jìn)行照射，人體內(nèi)各種不同組織的氫核在電磁波的作用下會(huì)發(fā)生核磁共振，并吸收電磁波的能量，隨后再發(fā)射出電磁波。MRI系統(tǒng)探測(cè)到這些來自人體中的氫核發(fā)射出來的電磁波信號(hào)之后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和圖像重建，即可得到人體的斷層圖像。由于氫核吸收和發(fā)射電磁波時(shí)會(huì)受周圍化學(xué)環(huán)境的影響，所以從磁共振信號(hào)中獲取的人體斷層圖像，不僅可以反映形態(tài)學(xué)的信息，還能夠從圖像中得到相應(yīng)的與生物化學(xué)和病理學(xué)等有關(guān)信息。因此MRI被認(rèn)為是一種研究活體組織、診斷早期病變的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。

第四十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.1磁共振現(xiàn)象1.原子核的磁矩人體和其他物體一樣，也是由分子、原子組成的。組成人體的元素主要有C、H、O、Ca、P及其他微量元素。每個(gè)原子都有一個(gè)原子核，原子核顯正電性，因?yàn)樽髯孕\(yùn)動(dòng)而具有磁矩，稱為核磁矩。在通常情況下，組成物體的原子核系統(tǒng)中每個(gè)磁矩的方向都是隨意的，磁矩間的磁性相互抵消，對(duì)外不表現(xiàn)磁性，其總磁矩為零。氫核系統(tǒng)處于外磁場(chǎng)中，由于平行于B0的分量多于反平行于磁場(chǎng)的分量，使得氫核磁矩不能完全互相抵消，于是在外磁場(chǎng)方向便出現(xiàn)一個(gè)磁矩，即磁化矢量或宏觀磁矩M，這是氫核磁矩從無序排列變成有序排列的結(jié)果第四十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.1磁共振現(xiàn)象2.原子核在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)對(duì)同一種原子核，磁場(chǎng)愈強(qiáng)，原子核的旋進(jìn)頻率就愈高。而對(duì)不同種類的原子核，在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，旋進(jìn)頻率不相同。處于磁場(chǎng)中的氫核磁矩，若在垂直于B0方向上再施加一個(gè)交變磁場(chǎng)，即射頻（radiofrequency，RF）電磁波，氫核磁矩將吸收電磁波的能量，使部分氫核被激發(fā)，稱為共振吸收。去掉電磁輻射場(chǎng)后，氫核磁矩又會(huì)把吸收能量中的一部分以電磁輻射的形式發(fā)射出來，稱為共振發(fā)射。大量氫核磁矩吸收和發(fā)射能量，都會(huì)在環(huán)繞氫核系統(tǒng)的接收線圈上產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，這就是磁共振信號(hào)，其強(qiáng)度與參與共振氫核的數(shù)目及射頻脈沖過后提取信號(hào)的時(shí)刻有關(guān)。

第四十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.1磁共振現(xiàn)象3.核磁弛豫大量的氫核磁矩順磁場(chǎng)方向排列并不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，稱為穩(wěn)定平衡狀態(tài)。如果受到電磁輻射激發(fā)，這時(shí)氫核磁矩就不能長(zhǎng)久保持這種狀態(tài)，它們會(huì)逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)。這個(gè)恢復(fù)過程稱為弛豫過程，它反映了氫核之間以及氫核與周圍環(huán)境之間相互作用的過程?；謴?fù)到原來平衡狀態(tài)所需的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間（relaxationtime）。弛豫時(shí)間包括縱向弛豫時(shí)間T1與橫向弛豫時(shí)間T2兩種。

（1）縱向弛豫時(shí)間T1，是指高能態(tài)的核將其能量轉(zhuǎn)移到周圍分子而轉(zhuǎn)變成熱運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)到低能態(tài)的過程所需要的時(shí)間。（2）橫向弛豫時(shí)間T2，這種弛豫是通過相鄰的同種核之間的能量交換實(shí)現(xiàn)的，反映橫向磁化衰減、喪失的過程所需要的時(shí)間。第四十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理1.磁共振成像的方法

MRI成像的指導(dǎo)思想是用磁場(chǎng)值來標(biāo)定受檢體共振核的空間位置。為了達(dá)到這一目的，人們?cè)诰鶆虻膹?qiáng)磁場(chǎng)中疊加一個(gè)隨位置坐標(biāo)而變化的可控磁場(chǎng)，稱為線性梯度磁場(chǎng)。然后通過梯度磁場(chǎng)來建立共振信號(hào)與空間位置之間的關(guān)系。為了重建一幅斷層圖像，即建立起不同點(diǎn)的共振信號(hào)與位置坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。首先對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行空間編碼，把研究對(duì)象簡(jiǎn)化為由若干個(gè)小體積（體素）的集合，然后依次測(cè)量每個(gè)體素，或?qū)Ⅲw素排列成線或面的信息量，再根據(jù)各體素的編碼與空間位置對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)圖像的重建。第四十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理（1）層面的選擇

將待測(cè)物體置于一均勻磁場(chǎng)B0中，設(shè)磁場(chǎng)方向是Z軸方向，在均勻磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，再疊加一相同方向的線性梯度場(chǎng)GZ．使磁感應(yīng)強(qiáng)度沿Z軸方向由小到大均勻改變。由此可見，垂直于Z軸同一層面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，不同層面（圖中l(wèi)、2、3層面）梯度磁場(chǎng)的強(qiáng)度不同（層面箭頭的長(zhǎng)短不同），方向沿箭頭所指方向。可設(shè)計(jì)電磁波RF脈沖的頻率，使2層面的氫核發(fā)生共振，而l、3層面的氫核則不會(huì)發(fā)生共振。如果把RF脈沖的頻率設(shè)計(jì)成其他層面的頻率時(shí)，也可使其他層面氫核分別發(fā)生共振，這一過程稱為層面的選擇，也稱作選片，所以ＧＺ稱作選片梯度磁場(chǎng)。XYZB0GZ層面的選擇第四十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日（2）編碼

編碼是將研究的物體斷層分為若干個(gè)體素，對(duì)每個(gè)體素標(biāo)定一個(gè)記號(hào)。經(jīng)過選片后取出層面的若干個(gè)體素，由于整個(gè)層面處于相同的磁場(chǎng)中，故每個(gè)體素中的磁矩在磁場(chǎng)中旋進(jìn)的頻率和相位均相同。為在斷層面空間對(duì)某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，需要在選擇的層面進(jìn)行二維定位，目前MRI使用的是頻率與相位二種編碼方法。

XYZB0GZ選片后層面的若干個(gè)體素3.3.2磁共振成像的原理第四十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日（2）編碼

①頻率編碼。首先沿x軸方向選擇某一條直線上的若干體素，沿y軸方向施加一個(gè)線性梯度磁場(chǎng)，這時(shí)層面上垂直于y軸方向的同一條直線的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，而不同直線上的磁場(chǎng)則不同，磁矩旋進(jìn)也有差異，用這種方法可以識(shí)別垂直于y軸的各條直線。②相位編碼。沿x軸施加一個(gè)線性梯度磁場(chǎng)，并沿x軸使磁場(chǎng)強(qiáng)度由小逐漸變大，這時(shí)層面中垂直于x軸方向的同一條直線的磁場(chǎng)均相同，而不同直線磁場(chǎng)略有差異，磁矩旋進(jìn)的速度也不一樣，這就使各個(gè)體素中磁矩旋進(jìn)的相位發(fā)生變化，用這種相位差作為一種標(biāo)記，可識(shí)別沿x軸方向的每一條直線上各體素的MR信號(hào)。XYZB0GZ選片后層面的若干個(gè)體素3.3.2磁共振成像的原理第四十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理（3）圖像重建

經(jīng)過選片、相位編碼和頻率編碼，可以對(duì)整個(gè)層面的體素進(jìn)行標(biāo)定。由于觀測(cè)層面中的磁矩是在RF脈沖激勵(lì)下旋進(jìn)，因此停止RF脈沖照射時(shí)，各體素的磁矩在回到平衡態(tài)的過程中，磁矩的方向發(fā)生變化，在接收線圈中可以感應(yīng)出這種由于磁矩取向變化所產(chǎn)生的信號(hào)。這種感應(yīng)信號(hào)是各個(gè)體素帶有相位和頻率特征的MR信號(hào)的總和。為取得層面各體素MR信號(hào)的大小，需要根據(jù)信號(hào)所攜帶的相位編碼和頻率編碼的特征，把各體素的信號(hào)分離出來，這一過程稱為解碼，由計(jì)算機(jī)完成。計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到具有相位和頻率特征的MR信號(hào)的大小，再根據(jù)這些信號(hào)與層面各體素編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依次將其顯示在熒光屏上，信號(hào)大小用灰度等級(jí)表示，信號(hào)大，亮度亦大；信號(hào)小，亮度亦小。這就可以得到一幅反映層面各體素MR信號(hào)大小的圖像。第五十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理2.人體的磁共振成像氫核是人體MRI的首選核種。在人體各種組織中，含有大量的水和碳?xì)浠衔铮詺浜说拇殴舱耢`敏度高、信號(hào)強(qiáng)，這是氫核被首選作為人體成像元素的原因。表3.4給出人體組織中氫核與其他元素磁共振信號(hào)的相對(duì)靈敏度，并規(guī)定氫的相對(duì)值為1。

元素相對(duì)靈敏度元素相對(duì)靈敏度1H1.000Na1*10-3C2.5*10-4P1.4*10-3

14N3.1*10-4K1.1*10-4O4.9*10-4Ca9.1*10-6F6.3*10-6Fe5.2*10-9表3.4人體組織中氫核與其他元素的MR信號(hào)對(duì)比相對(duì)靈敏度

第五十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理2.人體的磁共振成像由于MR信號(hào)強(qiáng)度與樣品中氫核密度有關(guān)，人體中各種組織和臟器含水比例不同，即含氫核數(shù)的多少不同，則MR信號(hào)強(qiáng)度有差異，表3.5列出人體幾種組織和臟器的含水比例。利用這種差異作為特征量，把各種組織區(qū)分開，這就是氫核密度的MR圖像。

表3.5幾種人體組織、肝臟含水比例組織名稱含水比例組織名稱含水比例皮膚69腎81肌肉79心80腦灰質(zhì)83脾79腦白質(zhì)72肝71脂肪80骨13第五十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理2.人體的磁共振成像除了氫核密度可以作為成像特征信息外，人體不同組織的T1、T2值也可以提供診斷依據(jù)。尤其是人體正常組織與病變組織的含水量和T1、T2值均有顯現(xiàn)差異，所以可以利用此特點(diǎn)從圖像中把病變組織識(shí)別出來，從中還可以判斷病變的不同發(fā)展階段，為臨床診斷提供依據(jù)。人體組織的MR信號(hào)強(qiáng)度取決于該組織中的氫核密度及其氫核周圍的環(huán)境。這里所說的環(huán)境意指人體組織結(jié)構(gòu)和生化以及病理狀態(tài)。磁共振原理告訴我們，T1、T2反映了氫核周圍環(huán)境的信息。換句話說，人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度ρ、T1和T2三個(gè)參數(shù)的差異及變化，是MRI用于臨床診斷最主要的物理學(xué)依據(jù)。

第五十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理2.人體的磁共振成像第五十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.2磁共振成像的原理2.人體的磁共振成像第五十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.3磁共振成像系統(tǒng)

磁共振成像系統(tǒng)主要由磁場(chǎng)系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、圖像重建系統(tǒng)三大部分組成。1.磁場(chǎng)系統(tǒng)（1）靜磁場(chǎng)。（2）梯度磁場(chǎng)。（3）場(chǎng)強(qiáng)與精度。2.射頻系統(tǒng)（1）射頻發(fā)生器。（2）射頻接收器。第五十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.3.3磁共振成像系統(tǒng)3.圖像重建系統(tǒng)此系統(tǒng)的作用是進(jìn)行圖像信息處理，給出所激發(fā)層面的組織分布圖像。工作過程是：由射頻接收器送入信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便于貯存和計(jì)算機(jī)累加運(yùn)算，經(jīng)過累加處理的MR信號(hào)，得到具有相位和頻率特征的MR信息，根據(jù)與觀測(cè)層面體素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理，得到層面圖像數(shù)據(jù)，再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換，加到圖像顯示器上，按信號(hào)的大小用不同的灰度等級(jí)顯示出所欲觀測(cè)的層面圖像。

第五十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4超聲波成像原理超聲波的頻率范圍一般在2×104Hz～5×109Hz之間，在人耳聽覺的頻率范圍之外。雖然說人類聽不出超聲波，但不少動(dòng)物卻有此本領(lǐng)。它們可以利用超聲波“導(dǎo)航”、追捕食物，或避開危險(xiǎn)物。大家可能看到過夏天的夜晚有許多蝙蝠在庭院里來回飛翔，它們?yōu)槭裁丛跊]有光亮的情況下飛翔而不會(huì)迷失方向呢？原因就是蝙蝠能發(fā)出2～10萬赫茲的超聲波，這好比是一座活動(dòng)的“雷達(dá)站”。蝙蝠正是利用這種“雷達(dá)”判斷飛行前方是昆蟲，或是障礙物的。第五十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日我們?nèi)祟愔钡降谝淮问澜绱髴?zhàn)才學(xué)會(huì)利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測(cè)水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置、距離等。那時(shí)人們向水中發(fā)出一系列不同頻率的超聲波，然后記錄與處理反射回聲波，從回聲的特征我們便可以估計(jì)出探測(cè)物的距離、形態(tài)及其動(dòng)態(tài)改變。醫(yī)學(xué)上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)；以后到了60年代醫(yī)生們開始研究將超聲波應(yīng)用于人體腹部器官、甚至周身器官的探測(cè)與診治。如今超聲波掃描技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像診斷不可缺少的工具了。第五十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日醫(yī)學(xué)超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因?yàn)槿梭w各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線或影像的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識(shí)、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。

第六十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日

醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的超聲成像是靠反射或散射回波來運(yùn)載生物信息的。超聲回波運(yùn)載信息主要包括三個(gè)方面：①大界面造成的反射波②小粒子所引起的散射波③生物組織對(duì)聲能吸收所導(dǎo)致的回波幅值衰減3.4超聲波成像原理第六十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.1超聲波的特性１．超聲波的傳播特性（1）方向性好。由于在同種介質(zhì)中超聲波長(zhǎng)比普通聲波波長(zhǎng)短得多，可以像光一樣沿直線傳播，具有很好的方向性。利用這一特點(diǎn)在醫(yī)學(xué)探測(cè)時(shí)，可以起到很好的定位作用。（2）強(qiáng)度高。超聲波比普通聲波具有大得多的能量。近代超聲技術(shù)已能產(chǎn)生幾百乃至幾千瓦的超聲波功率，醫(yī)學(xué)上利用這一特點(diǎn)可以通過超聲碎石法去除臟器中的結(jié)石。（3）對(duì)液體和固體的穿透力強(qiáng)。雖然超聲波在氣體中能夠被強(qiáng)烈吸收，但在液體和固體中吸收卻很小。第六十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日（4）反射與折射。超聲波入射到人體組織或器官時(shí)引起返回的過程，稱為聲波反射。而聲波穿過介質(zhì)之間的界面，進(jìn)入另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，稱為聲波透射。當(dāng)超聲的入射方向不垂直于兩種介質(zhì)的界面時(shí)，它通過界面進(jìn)入另一種介質(zhì)后改變傳播方向的過程，稱為聲波折射。反射與折射示意圖第六十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日（5）散射與衍射。聲波傳播過程中，遇到直徑小于波長(zhǎng)的微小粒子，微粒吸收聲波能量后，再向四周各個(gè)方向輻射球形波，這種現(xiàn)象稱為聲散射，散射現(xiàn)象是聲波傳播中最普遍、最基本的現(xiàn)象，也是脈沖回波技術(shù)的依據(jù)與超聲診斷技術(shù)的基礎(chǔ)。當(dāng)聲波傳播過程中遇到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)恼系K物，聲波將繞過該障礙物而繼續(xù)前進(jìn)，這種現(xiàn)象稱為聲衍射。散射與衍射示意圖第六十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日（6）聲波衰減。聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)性、分子吸收以及散射等因素導(dǎo)致聲能減少、聲強(qiáng)減弱的現(xiàn)象稱為聲衰減。在人體絕大多數(shù)軟組織中，引起聲波衰減的主要原因是聲吸收，聲波傳播中的一部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能，從而使繼續(xù)傳播的聲強(qiáng)減弱。在人體組織中衰減程度一般規(guī)律是：骨組織（或鈣化）>肌腱（或軟骨）>肝臟>脂肪>血液>尿液（或膽汁）。（7）超聲多普勒效應(yīng)。當(dāng)聲源與人體組織之間存在相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體組織接收聲波的頻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。第六十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.1超聲波的特性2．超聲波與物質(zhì)作用的特性超聲波會(huì)對(duì)人體組織產(chǎn)生各種生物效應(yīng)，包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，其作用機(jī)制較為復(fù)雜。（1）熱作用機(jī)制（2）機(jī)械作用（3）超聲空化作用（4）化學(xué)效應(yīng)第六十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4超聲波成像原理3.4.2超聲波的產(chǎn)生超聲波的產(chǎn)生是對(duì)某些特殊材料加載高頻交變電信號(hào)使之產(chǎn)生高頻機(jī)械振蕩而獲得的。大多數(shù)超聲診斷儀采用脈沖形式發(fā)射超聲波，即每隔一定時(shí)間發(fā)射一個(gè)振蕩脈沖，每次振蕩持續(xù)的時(shí)間，稱為脈沖寬度（約幾微秒）。每秒發(fā)出振蕩脈沖的次數(shù)，稱為重復(fù)頻率（約1000次／秒）。高頻脈沖發(fā)生器用來產(chǎn)生超聲波頻的電振蕩。常用的超聲波檢查使用脈沖振蕩發(fā)射器與超聲回波接收器一體裝置。

第六十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4超聲波成像原理3.4.3超聲波成像技術(shù)超聲波探測(cè)技術(shù)可以分為兩大類，即基于回波掃描的超聲探測(cè)技術(shù)和基于多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)?；诨夭⊕呙璧某曁綔y(cè)技術(shù)主要用于解剖學(xué)范疇的檢測(cè)、了解器官的組織形態(tài)學(xué)方面的狀況和變化?；诙嗥绽招?yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)主要用于了解組織器官的功能狀況和血流動(dòng)力學(xué)方面的生理病理狀況，如觀測(cè)血流狀態(tài)、心臟的運(yùn)動(dòng)狀況和血管是否栓塞檢查等方面。第六十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4超聲波成像原理3.4.3超聲波成像技術(shù)1.脈沖回波檢測(cè)技術(shù)基于回波掃描的超聲探測(cè)技術(shù)是利用超聲波在傳播路線上遇到介質(zhì)的不均勻界面能發(fā)生不同頻率與密度的回聲波反射的物理特性來檢測(cè)回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行接收放大和信號(hào)處理，最后在顯示器上顯示超聲檢查圖像。

目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型和M型三大類。

第六十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.脈沖回波檢測(cè)技術(shù)（1）A型超聲A型顯示是最基本的超聲顯示方式。A型超聲是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測(cè)量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性，如實(shí)質(zhì)性、液體或是氣體是否存在等。脈沖之間的距離正比于反射界面之間的距離。A超主要用于顱腦的占位性病變的診斷。A型超聲診斷儀僅能提供體內(nèi)器官的一維信息，而不能顯示整個(gè)器官的形狀，目前在臨床只起到定位的作用，遠(yuǎn)不如B型超聲診斷儀應(yīng)用廣泛。第七十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.脈沖回波檢測(cè)技術(shù)（2）M型超聲M型超聲診斷儀（簡(jiǎn)稱M超）又叫超聲心動(dòng)儀之稱。M型超聲是用于觀察心臟等活動(dòng)界面時(shí)間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的動(dòng)態(tài)活動(dòng)情況，其曲線的動(dòng)態(tài)改變稱為超聲心動(dòng)圖，它能夠用來觀察心臟各層結(jié)構(gòu)的位置、活動(dòng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。M超可用來研究心臟的各種疾?。ǔＳ妙l率為2～7MHz），也可對(duì)胎兒心臟搏動(dòng)情況作檢查。

第七十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日1.脈沖回波檢測(cè)技術(shù)（3）B型超聲B型超聲診斷儀（簡(jiǎn)稱B超）是目前超聲圖像診斷應(yīng)用最廣泛的機(jī)型。它得到的是臟器或病變的二維斷層圖像，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察。它還能與其它形式的超聲設(shè)備復(fù)合成更先進(jìn)的超聲診斷系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)臟器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。B型超聲是用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時(shí)，首先將人體界面的反射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)弱不同的光點(diǎn)，這些光點(diǎn)可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復(fù)性強(qiáng)，可供前后對(duì)比，所以廣泛用于婦產(chǎn)科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。第七十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.3超聲波成像技術(shù)2.多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)近幾年來科學(xué)家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動(dòng)圖解剖標(biāo)志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速。現(xiàn)在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內(nèi)窺鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病的診斷準(zhǔn)確率大大提高。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學(xué)界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學(xué)的進(jìn)步，它將更加完善，將更好地造福于人類。多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)是利用運(yùn)動(dòng)物體散射或反射聲波時(shí)造成的頻率偏移現(xiàn)象來獲得人體內(nèi)部器官如心臟、血液等動(dòng)態(tài)檢查信息。第七十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.3超聲波成像技術(shù)2.多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)（1）D型超聲D型超聲全名為超聲多普勒血流測(cè)量技術(shù)。它在醫(yī)學(xué)臨床診斷中用于心臟、血管、血流和胎兒心率的診斷，相應(yīng)的儀器有超聲血流測(cè)量?jī)x、超聲胎心檢測(cè)儀、超聲血管顯像儀以及超聲血壓計(jì)、超聲血流速度剖面測(cè)試儀等。根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)，超聲多普勒成像大致可分為聽診型、指示記錄型、電子快速分析型和顯像型四類，每一類中又可分為連續(xù)波式和脈沖波式。早期超聲多普勒血流計(jì)以聽多普勒頻移的聲音為主，目前已發(fā)展為帶有計(jì)算機(jī)處理的超聲多普勒實(shí)時(shí)顯像儀。第七十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.3超聲波成像技術(shù)2.多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)（2）彩色多普勒血流顯像儀彩色多普勒血流顯像儀(簡(jiǎn)稱“彩超”)是利用紅細(xì)胞與超聲波之間的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)顯像的。彩色多普勒血流儀包括二維超聲顯像系統(tǒng)、脈沖多普勒（一維多普勒）血流分析系統(tǒng)、連續(xù)波多普勒血流測(cè)量系統(tǒng)和彩色多普勒（二維多普勒）血流顯像系統(tǒng)。

第七十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.3超聲波成像技術(shù)2.多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)（2）彩色多普勒血流顯像儀震蕩器產(chǎn)生相差為π/2的兩個(gè)正交信號(hào)，分別與多普勒血流信號(hào)相乘，其乘積經(jīng)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)梳形濾波器濾波，去掉血管壁或瓣膜等產(chǎn)生的低頻分量后，送入自相關(guān)器作自相關(guān)檢測(cè)。由于每次取樣都包含了許多個(gè)紅細(xì)胞所產(chǎn)生的多普勒血流信息，因此經(jīng)自相關(guān)檢測(cè)后得到的是多個(gè)血流速度的混合信號(hào)。把自相關(guān)檢測(cè)結(jié)果送入速度計(jì)算器和方差計(jì)算器求得平均速度，連同經(jīng)FFT處理后的血流頻譜信息及二維圖像信息一起存放在數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器（DSC）中。最后，根據(jù)血流的方向和速度大小，由彩色處理器對(duì)血流資料作為偽彩色編碼，送彩色顯示器顯示，從而完成彩色多普勒血流顯像。第七十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4.3超聲波成像技術(shù)2.多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)（2）彩色多普勒血流顯像儀彩色多普勒又稱二維多普勒，它把所得的血流信息經(jīng)相位檢測(cè)、自相關(guān)處理、彩色灰階編碼，把平均血流速度資料以彩色顯示，并將其組合，疊加顯示在B型灰階圖像上。它較直觀地顯示血流，對(duì)血流的性質(zhì)和流速在心臟、血管內(nèi)的分布較脈沖多普勒更快、更直觀地顯示。對(duì)左向右分流血流以及瓣口返流血流的顯示有獨(dú)到的優(yōu)越性。但對(duì)血流的定量不如脈沖波和連續(xù)波多普勒。第七十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.4超聲波成像原理3.4.3超聲波成像技術(shù)3.超聲波成像特點(diǎn)（1）軟組織分辨力高。人體軟組織只要有1%的聲阻抗差異，儀器就能檢測(cè)出并顯示其反射回波。（2）具有高度的安全性。嚴(yán)格控制聲強(qiáng)低于安全標(biāo)準(zhǔn)，超聲即為無損傷診斷技術(shù)，提高了人體檢查的安全性。（3）實(shí)時(shí)成像。超聲檢查能高速實(shí)時(shí)成像，可以觀察運(yùn)動(dòng)的器官，并節(jié)省檢查時(shí)間。第七十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理放射性核素顯像（RNI）是核醫(yī)學(xué)診斷中的重要技術(shù)手段。目前RNI的主要技術(shù)有γ照相、單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（SPECT）及正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（PET），后兩者又統(tǒng)稱為發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（ECT）。第七十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理

核醫(yī)學(xué)技術(shù)是利用非天然同位素及核射線進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)研究和疾病診療的一項(xiàng)技術(shù)。核醫(yī)學(xué)技術(shù)主要有以下四大類：生物示蹤技術(shù)通過追蹤非天然同位素來揭示天然元素及其化合物在生物體內(nèi)或離體組織中吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、代謝和排泄等規(guī)律的方法。利用這種技術(shù)已經(jīng)揭示了許多重要的生理生化過程，包括信使核糖核酸（mRNA）的復(fù)制和脫氧核糖核酸（DNA）遺傳信息的轉(zhuǎn)錄，是分子生物醫(yī)學(xué)不可缺少的研究手段。第八十頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理2.超微量放射分析技術(shù)放射性測(cè)量的探測(cè)極限比一般物理化學(xué)方法小3～6個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)在大多數(shù)情況下，被測(cè)樣品不需化學(xué)分離和提純，因此十分靈敏簡(jiǎn)便。該技術(shù)已能測(cè)定300多種體內(nèi)微量物質(zhì)，是醫(yī)學(xué)研究、疾病診斷、藥物血濃度監(jiān)測(cè)、計(jì)劃生育等不可缺少的重要手段。第八十一頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理3.放射性核素顯像是一種以臟器內(nèi)、外或正常組織與病變之間的放射性濃度差別為基礎(chǔ)的臟器或病變的顯像方法。它主要提供與放射性分布有密切關(guān)系的血流、功能和代謝信息，與主要以顯示形態(tài)結(jié)構(gòu)的X射線CT、MRI、超聲檢查等不同，是一種功能性顯像，常可在形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之前顯示異常而對(duì)疾病作出早期診斷，在心、腦、腫瘤的代謝研究和疾病診斷方面有特殊價(jià)值。第八十二頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理4.內(nèi)照射治療將放射性核素選擇性地引入病變，利用其發(fā)射的β射線殺傷生長(zhǎng)活躍的癌細(xì)胞或其他病理組織，以達(dá)到治療目的的方法。該法的適應(yīng)癥不多，但療效較高，毒副作用較小。第八十三頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.1核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)包括射線探測(cè)技術(shù)、放射性示蹤技術(shù)、放射性制劑等。1．射線探測(cè)原理放射性測(cè)量的原理是建立在射線與物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)之上的。如果將一定量的放射性核素引入人體內(nèi)，它將參與人體的新陳代謝，或在特定的臟器及組織中聚集。放射性核素顯像（RNI）的本質(zhì)就是體內(nèi)放射性核素的外部測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果以圖像的形式顯現(xiàn)出來。這種圖像含有豐富的人體內(nèi)部功能性信息，因此，RNI以功能性顯像為主。3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理第八十四頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.1核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)2．放射性示蹤技術(shù)示蹤技術(shù)是能指示物質(zhì)蹤跡的技術(shù)，將能指示被測(cè)物體蹤跡的物質(zhì)稱為示蹤劑。將示蹤劑引入生物體后，它們隨著被研究物質(zhì)一起參與機(jī)體內(nèi)的循環(huán)、集聚和代謝。在RNI中是以放射性核素作為示蹤物質(zhì)，故有放射性核素示蹤技術(shù)的稱謂。放射性核素在其衰變過程中會(huì)發(fā)出在體外可以檢測(cè)到的射線，通過對(duì)射線的檢測(cè)可以做到對(duì)超微量定量及精確的定位。3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理第八十五頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.1核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)3．放射性制劑放射性制劑是指制劑分子中含有放射性核素的放射性制劑或放射性藥物的總稱。放射性制劑在其制備過程中的要求為：（1）高產(chǎn)率。（2）微量、低濃度。（3）簡(jiǎn)便、快速。（4）安全。3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理第八十六頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.1核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)4．幾種常用核醫(yī)學(xué)探測(cè)儀器（1）井型γ計(jì)數(shù)器。（2）液體閃爍計(jì)數(shù)器。（3）微機(jī)多功能測(cè)定儀。（4）甲狀腺功能測(cè)定儀。3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理第八十七頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.2SPECT成像系統(tǒng)1．SPECT顯像原理

SPECT單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像是利用放射性同位素作為示蹤劑，將這種示蹤劑注入人體內(nèi)，使該示蹤劑濃聚在被測(cè)臟器上，從而使該臟器成為γ射線源，在體外用繞人體旋轉(zhuǎn)的探測(cè)器記錄臟器組織中放射性的分布，探測(cè)器旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度可得到一組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)一周可得到若干組數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以建立一系列斷層平面圖像。計(jì)算機(jī)則以橫截面的方式重建成像。3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理第八十八頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.2．SPECT成像系統(tǒng)2．SPECT的基本結(jié)構(gòu)

SPECT主要由探頭、電子線路、計(jì)算機(jī)影像處理系統(tǒng)和顯示記錄裝置四部分組成。（1）探頭探頭是在體表檢測(cè)放射性γ射線的分布狀態(tài)的傳感器，由準(zhǔn)直器、晶體、光導(dǎo)、光電倍增管、前置放大器和計(jì)算電路等部件組成。（2）電子線路電子線路指含光電倍增管的高壓電源、線性放大器和脈沖高倍分析器等電子控制裝置。3.5核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理第八十九頁，共九十九頁，編輯于2023年，星期日3.5.3

PET成像系統(tǒng)1．PET的基本原理

PET為正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像，是利用回旋加速器加速帶電粒子轟擊靶核，通過核反應(yīng)產(chǎn)生帶正電子的放射性核素，并合成顯像劑，引入體內(nèi)定位于靶器官，它們?cè)谒プ冞^程中發(fā)射帶正電荷的電子，這種正電子在組織中運(yùn)行很短距離后，即與周圍物質(zhì)中的電子相互作用，發(fā)生湮沒輻射，發(fā)射出方向相反，能量相等的兩光子。

PET成像是采用探頭在體外探測(cè)光子，采集的信息通過計(jì)算