医学成像技术进展.docx

医学成像进展综述医学成像技术取得了长足的发展，它是借助于某种能量与生物体的相互作用，提取生物体内组织或器官的形态、结构以及某些生理功能的信息，为生物组织研究和临床诊断提供影像信息的一门科学。所涉及的范围越来越广，有X线成像、超声波成像、磁共振成像、红外线成像、放射性核素成像、光学成像、电阻抗成像等。这些方法各有所长，互相补充，能为医生做出确切诊断，提供愈来愈详细和精确的信息。100多年来放医学影像设备迅速发展条件日臻完善，医学成像技术日新月异，各种影像设备的分辨率不断提高，一些成像系统已具备了显微分辨能力，将活体影像学带进了基础科学，使其可以深入到细胞、分子水平，即其成像技术从宏观进入了微观，分子影像学应运而生，医学影像进入了新的时代。1 X线成像技术1895年伦琴发现了X射线（X-ray），这是19世纪医学诊断学上最伟大的发现。它是借助X射线通过人体时，各部组织对X线的吸收不同产生不同的 阴影所形成的图像。这种图像是三维的人体的X线吸收分布投射在二维的成像媒质(如胶片)上形成的。所以它是把三维(立体的)实体信息压缩或堆积重棱在一个二维平面上的图像,是具有重叠特点的二维图像。随着计算机的发展，数字成像技术越来越广泛地代替传统的屏片摄影。数字X线检查技术包括计算机X线摄影、直接数字X线摄影、数字减影血管造影和XCT等。XCT的问世被公认为伦琴发现X射线以来的重大突破，是标志着医学影像设备与计算机相结合的里程碑。自20世纪70年代初开始在临床应用以来，经过多次升级换代，由最初的普通头颅CT机发展到现在的高档滑环式螺旋CT和电子束CT。其结构和性能不断完善和高，可用于身体任何部位组织器官的检查，因其密度分辨率高，解剖结构显示清楚，对病变的定位和定性较高，已成为临床常用的影像检查方法。20世纪80年代初，CR在把传统的X线摄影数字化，DR是计算机数字化能力与常规X线摄影相结合的产物。所不同的是数字化方式不一样，但究其原理和成像过程仍属间接数字影像技术，不是最终发展方向。DDR是20世纪90年代开始开发的直接数字成像技术，它是采用平板探测器将X线信息直接数字化，不存在任何的中间过程。数字图像不仅可以方便的将图像“冻结”在荧光屏上，而且可以进行各种各样的图像后处理。 2 核医学成像技术 核医学成像系统又称放射性核素成像（RNI）系统，所检测信号是摄人体内的放射性核素所放出的射线，图像信号反映放射性核素的浓度分布，显示形态学信息和功能信息。核医学成像与其他影像学成像具有本质的区别，其影像取决于脏器或组织的血流、细胞功能、细胞数量、代谢活性和排泄引流情况等因素，而不是组织的密度变化。核素成像和X射线成像不同的是：X线图像显示的是X线吸收的分布，而核素成像显示的放射性活性分布。尽管放射性核素成像所表现的图像性质和用X线获得的图像有明显的不同，但它仍是三维的放射性核素分布投射到二维的显示器上，和X线一样也是有重叠特点的二维图像。利用照相机就可以得到放射性核素的图像。照相机是含有检测射线的探头系统，确定射线闪烁点坐标的位置电路，反映射线强度的辉度调制电路和显示记录系统等的大型现代化设备。照相机在20世纪的6070年代得以迅速发展，但其不足之处在于它只能进行平面显像而缺乏深度方面的信息。1963年Oavid kuhl提出了纵断层和栈断层的设想，但一直没能实现。1972年CT研制成功,是医学影像学的重大突破，亦向核医学提出挑战。CT技术问世后，将放射性核素扫描与CT技术结合起来，开发出发射型计算机体层扫描术（ECT）。ECT技术不仅能动态观察脏器的形态、功能和代谢的变化，而且能进行体层显像和立体显像。ECT可分为单光子发射型计算机体层（SPECT）与正电子发射型计算机体层（PET）两类，两者的数据采集原理不同。 PET/CT是将最先进的PET和CT的功能有机地结合在一起的一种全新的功能分子影像诊断设备。PET通过使用代谢显像剂、乏氧显像剂等药物，可以将肿瘤病灶的代谢信息表达出来，通过这些信息可以容易地确定肿瘤组织和正常组织及病灶周围的非肿瘤病变组织的界限，以及肿瘤病灶内瘤细胞的分布情况，真正做到以生物靶区为基础制定放疗计划。CT能够精确提供肿瘤病灶解剖结构。PET/CT融合的图像既能提供精确的解剖结构图像，又能提供生物靶区的材料。使用PET/CT制定放疗计划对于临床来说是一个全新的分子影像领域，具有广阔的应用前景。 3 超声成像技术 超声成像始于20世纪50年代后期，在80年代得到了迅速发展，是一种利用超声的物理特性和人体器官组织的声学性质差异来显示记录器官组织断面图像的新型非创伤性医学影像学技术。超声成像设备有利用超声回波的超声诊断仪、超声多普勒系统、谐波成像系统，及利用超声透射的超声计算机体层成像系统。前者应用更为广泛，根据其显示方式不同，可以分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、M型（运动显示）、P型（超声多普勒）等。目前医院中用得最多的是B型超声波诊断仪，俗称B超，其横向分辨率可达到2 mm，所得到的软组织图像清晰而富有层次。超声多普勒系统利用回声的频差，显示运动器官的动态特性，实现血流和心脏参数的测量。谐波成像是近年来发展起来的又一种新超声技术，显示二次谐波和高频传递的信息，用于观察心脏室壁运动和心肌灌注质量的对比谐波成像，改善深部组织图像质量。超声分子显像是一门新兴发展的，以靶向超声微泡造影剂为显像剂，能够对体内组织器官微观病变进行分子水平的探测与显像的方法。超声造影是利用造影剂后使散射回声增强，明显提高超声诊断的分辨力、敏感性和特异性的技术。随着仪器性能的改进和新型声学造影剂的出现，超声造影已能有效地增强心肌、肝、肾、脑等实质器官的二维超声影像和血流多普勒信号，反映和观察正常组织和病变组织的血流灌注情况，已成为超声诊断的一个十分重要和很有前途的发展方向。有学者把它看作是继二维超声、多普勒和彩色血流成像之后的第三次革命。4 磁共振成像技术 磁共振成像是利用生物组织中氢、磷原子序数为单数的原子核的磁共振现象所成的像。氢以水等许多化学形式大量存在于人体中。质子(氢核)的状态决定于它的周围环境，质子状态的差异可以被用来表示不同组织间的不同状况，用精密检测设备就可以探测到在共振条件下从质子发射出的信号，用此信号便可产生这些质子某些参数(密度分布、1T、2T)的二维分布图像。这些成像信号在计算机矩阵存贮器内以数值来表示。MRI的成像信号可以在很大的范围加以控制，所产生的最后图像的外貌对不同的控制条件有不同样式。 近年来，MR技术在宏观上实现了实时成像技术并产生了MR透视，在微观上，突破以往的像学仅用于显示大体解剖与大体病理学改变的技术范畴向显微细胞学、分子水平以至基因水平的成像技术方面发展。MR设备的梯度场强度是人家共同关心的重要参数。它决定了MR的最大切换率，最短TR、TE、最小矩阵，以及成像速度。实践证明，梯度场强度的增加也带来了一些弊端，如何既能增加梯度场强度，又能降低噪声是MR设备方面的又一改进动向。在这些原则的指导下，中场超导开放式MR的梯度场强度分别可达到15MT/M/ms和20MT/M/ms，同时，它还具有较高的切换率、较好的场均匀性、较小的体积与较轻的重量，并兼备有高、低场MR的一些特点，如成像速度快、扫描层面薄、空间分辨力高，以及很好的脂肪抑制，较小的视野和较高弥散“B”值。MR功能性成像也得到了进一步发展，灌注成像、弥散成像、血氧水平依赖性成像成为新的成像方式，前二者反映的已不是大体形态学信息，而是分子水平的动态信息，后者可以实施大脑皮质的功能定性，张力成像可测定组织的张力差别。随着新型磁共振机的开发，揭开了磁共振应用领域新的一页，即运动MR和介入MR的应用和研究。MR血管成像、MR水成像、MR血流成像、脏器功能的检测、MR波谱分析、动脉血质子标记技术、抗血管生成因子辅助MR功能成像等技术的应用，使磁共振成像进一步突破了影像学仅应用于显示大体解剖和大体病理学改变的技术范围，向显示细胞学的、分子水平的以至基因水平的成像方面发展。 5 电阻抗成像技术电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是医学成像技术的一个新方向，它的基本原理是根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻/电导率，采用各种方法给人体施加小的安全驱动电流/电压，通过驱动电流或电压在人体的测量响应信息，重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像。电阻抗成像（EIT）的起源可追溯到上个世纪20年代，地质学研究者提出了线性电极阵列的断层电阻率成像（Resistivity Imaging）技术，即通过把电流注入地层，测得地表电压来重构不同地层的导电特性，从而确定矿藏的分布。70年代，生物医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术（Tomographic Resistivity Measurement Technique）。第一幅电阻抗图像是由Henderson和Webster于1978年报道的，他们得到了可以显示人体肺和心脏的图像，但这还不是断层图像，而是类似X胸片的透视图像。1984年英国谢菲尔德大学的Barber研究组报道了电导率断层成像的实验，获得了电导率分布图像，开辟了电阻抗层析成像技术这一新的研究领域。目前美国、英国和中国等有30多个研究组在进行电阻抗成像的研究。电阻抗成像技术在医学方面有广泛的应用，关于EIT在检测中风、肺气肿、心肌萎缩、膀胱疾病、乳腺癌等方面均有医学报导。医学电阻抗成像方法按照激励器和测量器是否与成像目标体接触来划分，可以分为接触式、不完全接触式和非接触式三类。接触式电阻抗成像采用电极激励、电极和非接触形式共同接受的方式，提取与人体生理、病理相关的电特性信号，包括注入电流电阻抗成像方法，磁共振电阻抗成像方法和电磁阻抗成像等；不完全接触式电阻抗成像采用线圈激励和电极接收的方式，或者采用电极激励和线圈接收的方式，包括感应电流电阻抗成像方法和磁探测电阻抗成像；非接触式电阻抗成像的激励器和接收器都不与成像体接触，主要包括磁感应成像方法和电场电阻率成像方法。6 光学成像技术 近年来科学家们研制了一系列光学与光子学取像方法，共焦扫描光学显微镜具有许多常规显微镜所没有的特性。它只允许由处在焦平面上的样品薄层的反射光通过目镜而被观察和记录，因此得到的是样品中一个薄层图像，分辨率突破了光学衍射极限，可达10200 nm。采用亚波长尺寸的光学探针作为光源和探测器。当一个亚波长孔径的微小光源在物体的近场范围内照射时，照射光斑的面积只和孔径大小有关而与波长无关。把探针置于物体的近场区域(100 nm)，反射光或投射光中将携带物体亚波长尺寸结构的信息，通过扫描采集样品中各“点”的信号光即可得到分辨率小于半波长的样品的近场图像。结合相应的光谱技术探测生物样品微区的超微光谱图像，特别是为生物单个大分子探测开辟了一条新的途径。光学相干显微术是从强散射介质中获取图像的最有发展前途的一种新技术。这种新技术将低相干干涉仪与共焦扫描显微镜结合在一起，目前已实现的空间分辨率为4 m，探测深度达12 mm。其高性能的成像本