生物医学仪器(第七章).ppt

第七章医学影像成像设备 超声波成像仪器X射线成像设备磁共振成像设备核医学成像设备 主要内容包括 第七章医学影像成像设备 成像技术及设备信息载体 如X线 线 射频 超声波等 携带需要成像的物体的特征量信息 通过成像系统形成物体的图像或影像 关键技术 1 信息载体的特性 2 信息载体在生物组织中的特性 3 图像重建原理 重建算法 第七章医学影像成像设备 投影X射线成像系统 物理介质的 计算机断层成像系统 X CT 放射性核素成像系统 E CT 超声成像系统 B超 磁共振成像系统 MRI 成像系统 X射线的衰减 射线的含量 不同组织界面对超声波的反射 磁场共振信号强度 第七章医学影像成像设备 超声成像 B超 利用超声波遇到不同组织界面时的强反射特性 第七章医学影像成像设备 超声成像 B超 第七章医学影像成像设备 投影X射线成像 X Ray X射线 X射线 像 物体 衰减度适中 能量不太高也不太低 所成像是三维结构在二维平面上的投影 非断层成像 第七章医学影像成像设备 投影 X Ray 第七章医学影像成像设备 X射线计算机断层成像 X CT 反投影重建 中心切片定理 第七章医学影像成像设备 第七章医学影像成像设备 第七章医学影像成像设备 放射性核素成像 E CT 注射药物 上面标有放射性同位数 药物被人体吸收后参与新陈代谢 并放射 射线 射线与X射线一样具有衰减性 需要进行衰减补偿 为什么 第七章医学影像成像设备 磁共振成像 MRI 第七章医学影像成像设备 第七章医学影像成像设备 未加梯度场 加相位梯度场 加频率梯度场 层面信号的编码技术 第七章医学影像成像设备 计算机在医学成像中的基本步骤 1 根据测量原理采集图像数据 2 提取图像特征建立图像 3 在显示屏上显示图像 4 利用图像处理技术提高图像质量 图像后处理 5 存储和检索图像 7 1超声波成像仪器 7 1 1超声诊断仪的发展历史 1915年 德国科学家发现强超声可导致水中小动物死亡 1922年 德国获得超声治疗专利 1933年 出现第一篇有关超声治疗疾病的临床效果的报道 20世纪40年代末 A型超声诊断仪开始应用于临床 70年代后期 B型 D型超声仪开始出现 80年代 彩色血流成像出现 90年代 数字超声 三维超声 介入超声在临床上广泛应用 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 超声波被发射到病人的身体内 遇到不同组织后反射回 被接收装置收到并由计算机处理后重建成图像 由于不同密度的组织吸收不同声阻抗和衰减特性 这些不同导致了不同组织由不同灰度所表现的图像 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 距离 时间 速度 2 发射波的频率必须很小 声波在软组织与骨骼或空气的临界面 可观察到强烈的反射 声强会随着传播距离的增加而减少 这种又称为超声的衰减现象 衰减系数在软组织中与声频成比例 对于大脑的超声波检查 只能用低频声波 这意味着低分辨率 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 1 超声传播的物理特性 1 衰减 2 传播速度 3 反射 折射 衍射和散射 4 声反射效应 声波传播到两种阻抗不同的介质界面上 如界面尺寸远大于波长时 便会引起部分或全部声能的返回 反射回来的超声为回声 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 2 超声成像的基本原理超声经过不同正常器官或病变的内部 其内部回声可以是无回声 低回声或不同程度的强回声 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 2 超声成像的基本原理 无回声 超声经过的区域没有反射 液性暗区 衰减暗区 实质暗区低回声 内部回声为分布均匀的点状回声 强回声 强回声 较强回声 极强回声 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 含液体脏器如胆囊 膀胱 血管 心脏等 壁与周围脏器及内部液体间为界面 液体为均匀的无回声区 实质性软组织脏器如肝 脾 肾等脏器均有包膜 周围有间隙 内部各有一定结构 如肝可以显示脏器轮廓 均匀的肝实质与肝内管道结构 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 当脏器有病变时 由于病变组织与正常组织的声学特性不同 超声通过时产生不同正常的回声规律 各种病变组织亦各有其声学特性 其反射规律亦不相同 如肝内液性病变为无回声区 肝癌为强弱不均的实质性回声区 边缘不整齐 胆囊内结石则在无回声区中有强回声光团 后方有声影 7 1超声波成像仪器 7 1 2超声成像的物理学基础 含气脏器如肺 由于肺泡内空气与软组织间声阻差异极大 在其交界面上产生全反射 几乎100 并形成多次反射 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 1 B型超声诊断仪的基本工作原理 B超中回波信号的强度通过光斑的形式出现 信号强 光点就亮 反之就暗 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 1 B型超声诊断仪的基本工作原理 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 2 B型超声的特点 1 B型超声与A型超声的三个不同点 显示的亮度随回波电信号的大小而变化 发射的声速必须扫描 根据图像信息进行疾病诊断 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 2 B型超声的特点 2 B型超声的特点 可以直观的显示脏器的大小 形态结构 并可将实质性 液性或含气性组织区分开来 成像速度快 可进行实时动态成像 对软组织的分辨率是X射线的100倍 三种扫描方式 线性 腹部 扇形 心脏 和凸阵 介于二者之间 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 1 电子线阵扫描 由许多小换能器阵元排成直线 在电子线路的控制下换能器阵元一个一个接力式的发射和接受超声波 完成扫查过程 优点 所得图像的扫描线均匀分布 缺点 探头的几何尺寸限制了它可以探查的范围 如 体外扫查心脏时 超声束只能通过肋骨间的缝隙进入体内 这种情况下采用线阵探头不合适 采用扇束扫描较合适 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 2 电子扇形扫描 用电子线路控制的方法实现扇形扫描 探头有多个阵元组成 调整各阵元的激励延迟除了可改变波束的指向外 还可实现声束聚焦 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 3 电子凸阵扫描 由许多换能器阵元排列在一个圆弧上 优点 与线阵探头相比 扫查范围显然变大 设计不同的圆弧半径的凸阵探头可满足不同的应用场合 大半径探头用于探查腹部 小半径探头可以用来探查心脏 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 指测定血管或心脏中某个位置上的血流速度 包括大小与方向 再通过一定的计算可以得出血流的平均流速脉动指数 阻力指数等指标供临床诊断参考 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 信号处理流程图 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 A t t时刻代表某一深度的散射强度 t 包含速度信息的相位 要办法去掉f0成分 4 彩色多普勒血流超声成像 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 可能出现彩色逆转 容易误认为血流紊乱 不能用于血流速度的定量分析 只能观察单一方向的血流 湍流显示不确定性 1 普通彩色多普勒血流成像 CDFI 的局限性 7 1超声波成像仪器 7 1 3B型超声诊断成像 3 目前常用的几种B型超声诊断仪原理 4 彩色多普勒血流超声成像 彩色多普勒能量图 CDE 不能表示血流的速度和方向 具有高空间分辨率 可显示低速小血管 彩色多普勒方向性能量图 DCA 能同时提取能量和平均速度信息 彩色多普勒组织成像图 TDI 对有运动的组织成像 2 几种扩展方向 7 1超声波成像仪器 7 1 4全数字化超声诊断仪和新的成像技术 全数字化超声诊断设备 从超声声束的发射到图像的前后处理完全实现数字化 采用数字化前端 在探头内加入微型集成电路 采用数字化波束形成技术改善空间分辨率和波束聚焦特性 提高时间分辨率 每一阵元都要一个A D转换器 而且要求采样频率非常高 因此对A D转换器的数目和性能的要求增加很多 使造价提高 一般仅用于高档成像系统中 特点 7 1超声波成像仪器 7 1 4全数字化超声诊断仪和新的成像技术 动态多频率扫描 在探测深部组织时用低频信号 探测浅部组织时用高频信号 从而提高纵向分辨率 动态聚焦 采取固定发射聚焦 而在接收时快速改变聚焦 可变孔径 发射时以一定数量的阵元组合进行 接收时对于近场区用少数阵元 合成孔径聚焦成像 实现逐点聚焦 三维超声重建 数字编码技术 多声束形成技术 形成多条接收声束技术 提高成像速度 谐波成像 通过测量谐波成分 抑制不含造影剂的组织 动态频率扫描系统 多频率超声波同时发射和分段接收 基于PC平台的超声图像 主要技术 7 2X射线成像仪器 1895年 德国物理学家伦琴发现X射线 开创了人体影像诊断的先河 7 2X射线成像仪器 7 2 1X射线成像原理 7 2X射线成像仪器 7 2 1X射线成像原理 7 2X射线成像仪器 7 2 1X射线成像原理 X射线成像相关特性 穿透作用荧光作用摄影作用电离效应 与波长 被照体的密度和厚度相关 本身肉眼看不见 但照射某些物质时可产生荧光 可使胶片感光成像 任何物质均有 通过测量空气电离的程度可计算X射线的量 7 2X射线成像仪器 7 2 1X射线成像原理 X射线发生装置 阴极 阳极 真空玻璃管 7 2X射线成像仪器 7 2 1X射线成像原理 2 计算X线成像 CR特点 用IP板代替X线胶片 IP板可重复使用达上千次 IP上的潜影可用激光扫描系统读取 并转换成数字信号 影像可后处理 可改变图像特性 7 2X射线成像仪器 7 2 2血管数字减影的原理 7 2X射线成像仪器 7 2 2血管数字减影的原理 蒙片 MaskImage 对检查部位直接进行X光拍摄得到的图像 盈片 ContrastImage 给病人血管注射含碘造影剂后对同一部位拍摄得到的图像 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 1 发展简述 1895年 伦琴发现X射线 开创医学影像先河 1914年 提出用普通X射线源获得某个断层像 缺点 成像时间长 容易引入运动伪迹 x射线源和探测器运动速度的稳定性直接影响图象效果 在成像过程中很难保证X射线本身的稳定 增加患者的照射剂量 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 2 计算机断层成像CT的理论基础 投影坐标R 其原点为xoy坐标原点在其上的垂足 R与x轴的夹角为 反映了投影的方向 投影 沿某一投影方向 对每一条投影线计算f x y 的线积分 得到一系列的投影值 形成投影函数 改变 角可得到一系列 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 2 计算机断层成像CT的理论基础 投影重建 从一系列 密度函数f x y 在某一方向的投影函数 一维傅立叶变换 的 是原密度函数f x y 的 二维傅立叶变换F 在 平面上沿同一方向且过原点的直线上的值 函数恢复出f x y 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 3 Radon的结论与现代X线CT的关系 就是已知 称投影 求 x y 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 4 X线CT的发展 第一代X CT 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 4 X线CT的发展 第二代X CT 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 4 X线CT的发展 第三代X CT 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 4 X线CT的发展 第四代X CT 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 4 X线CT的发展 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 4 X线CT的发展 螺旋X CT 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 5 其他类型的CT 近年来又有更先进的CT出现 ECT磁共振CT超声CT微波CT 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 6 CT图像重建原理 直接求解 运算量大 实际中不现实 7 2X射线成像仪器 同理从y方向投影可得 从x方向投影 用灰度代表各象素处的 值 得到断面X CT图象 7 2X射线成像仪器 1 首先假设一组初始象素值 一般取均匀图像 2 计算假设图像在某一方向上的投影值 3 将计算的投影值和实际测量的投影值比较 计算误差 4 用计算得到的误差修正假设图像 5 重复上述2 到4 步 直到误差小于设定值 逐步近似法 7 2X射线成像仪器 投影重建算法的物理概念 断层平面中某一点的密度值可看作这一平面内所有经过该点的射线投影之和 反投影重建 周围会出现数值由大渐小的晕状伪迹 7 2X射线成像仪器 滤波反投影 将投影函数微分处理后再进行反投影 这个过程可以在空间域中实现 也可以在频率中实现 在频域中实现滤波反投影的依据是 中心切片定理 7 2X射线成像仪器 滤波反投影 7 2X射线成像仪器 滤波反投影 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 7 重建图像的显示 CT值 不同的CT系统对同一成像目标得到的CT值往往不同 同一台CT随着累计曝光时间的增加 也会发生变化 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 7 重建图像的显示 窗宽和窗位 7 2X射线成像仪器 7 2 3计算机X线断层扫描与图像重建 7 重建图像的显示 CT的数量等级共有2000个 而人眼能区分的灰度级为33个 如果2000个等级一起在屏幕上显示 图像细节人眼无法分辨 7 3磁共振成像系统 突出优点 对人体无创伤 无电离辐射 安全 可以较容易获得人体不同断面的图像 图像分辨力比较高 高对比度成像 可进行功能成像fMRI 在不注射造影剂的情况下 可显示血管影像 MRA 多参数成像 诊断信息丰富 7 3磁共振成像系统 T1ContrastTE 14msTR 400ms T2ContrastTE 100msTR 1500ms ProtonDensityTE 14msTR 1500ms 多参数成像 7 3磁共振成像系统 缺点 成像速度慢 几十秒 图象易受多种伪像影响 禁忌症多 佩带心脏起博器 人工髋关节与假肢等 定量诊断难 7 3磁共振成像系统 7 3 1NMI成像的基本原理 高速旋转的质子 高速旋转的中子 自旋 它们有质量 它们具有角动量 原子核 自然状态下 核磁矩的方向各自东西 杂乱无章 其结果是互相抵消 那么整体上说 组织总的净磁向量M是零 因为M是各方向磁矩正 负值相加之和 7 3磁共振成像系统 7 3 1NMI成像的基本原理 人体进入静磁场后 一个最直接的结果就是经过质子有序化排列 组织宏观上产生了一个纵向磁化矢量 这时组织就有了磁性 7 3磁共振成像系统 7 3 1NMI成像的基本原理 绕Z轴质子进动 倾角一致 质子只可能有两种状态 7 3磁共振成像系统 放入外加磁场 t 0时 上 下锥体质子数相同 t 上锥体由于能量低 如水往低处流 上锥体质子数 下锥体 部分磁化 t 更多质子翻到上锥体并达到动态平衡如下图 c t 1 0s 图6 4磁化现象 7 3磁共振成像系统 磁化向量M 平衡态时 Mxy 0 M Mz 7 3磁共振成像系统 相位相干后 M0将偏离Z轴 并绕Z轴进动 进动频率 共振频率 M0分解成MZ Mxy 若在xy平面内安放接收线圈 就有感应信号 正弦波 其频率 进动频率 7 3磁共振成像系统 射频脉冲消失 磁化向量慢慢回到主磁场方向 Mz Mxy 接收线圈中感应信号的强度逐渐减弱 相位相干现象也逐渐消失 7 3磁共振成像系统 7 3磁共振成像系统 Mxy Mz 均按指数律 Mxy衰减时间常数 横向驰豫时间T2 Mz的时间常数 纵向驰豫时间T1 7 3磁共振成像系统 T1驰豫时间 自旋 晶格驰豫时间 核磁弛豫中 Mz由零恢复至最大的过程 称为纵向弛豫过程 Mz恢复到原纵向磁化强度63 的时间 称为一个纵向弛豫时间T1 7 3磁共振成像系统 晶格场是一波动磁场 由晶体中的质子波动引起 取决于分子的旋转和平移的平均速度 该速度又与分子大小有关 驰豫时间T1既与外磁场强度有关 又与晶格场中分子有关 即与组织有关 当提出T1值时 必须指明测试时的外加磁场强度 如 当B0 0 1T 0 5T时 软组织中的T1 300ms 700ms 7 3磁共振成像系统 T2驰豫时间 自旋 自旋驰豫时间 核磁弛豫中Mxy由最大衰减至零的过程 称为横向弛豫过程 磁化强度下降63 所需的时间 为横向弛豫时间T2 7 3磁共振成像系统 物理意义 代表了横向磁化向量消失的速率 原因是质子进动的相位相干现象消失 a b c d a 射频结束瞬间 横向磁化达到最大 进动相位一致 b c 外部磁场的不均匀性使得进动相位分散 横向磁化矢量逐渐减小 d 最终相位完全分散 横向磁化矢量为零 7 3磁共振成像系统 组织T2时间的分析 不同成分和结构的组织T2不同 例如水的T2值要比固体的T2值长 T2与磁场强度无关 T2的长短取决于组织内部的局部小磁场的均匀性对小磁化散相的有效性 一般组织分子的大小均匀性越好 如水 散相效果越差 T2越长 组织分子的大小越不均匀 如肌肉 散相越快 T2越短 7 3磁共振成像系统 7 3 2NMI设备 7 3磁共振成像系统 7 3 2NMI设备 7 3磁共振成像系统 7 3 2NMI设备 磁体子系统 梯度子系统 射频子系统 图象子系统 7 3磁共振成像系统 磁体子系统组成 1 主磁体 2 检查床 永磁型 常导型 超导型 主磁场强度 高场 场强 1 5T中场 0 5T 场强 1 0T低场 0 1T 场强 0 5T超低场 场强 0 1T 7 3磁共振成像系统 用于产生一个高度均匀 稳定的静磁场 三种类型 永磁式 场强较低 安装 维护费用低 缺点是热稳定性差 磁场不能关闭 一旦疏忽有金属物体被磁体吸住 就很难取下 从而影响磁场的均匀性 常导式 优点 易制造且造价相对较低 缺点 耗电大 超导式 优点 较高的场强 缺点 制造困难 相应的制冷系统的运行与维护费用比较可观 7 3磁共振成像系统 梯度子系统 为了区分共振质子的空间位置而设置 共有x y z三个梯度线圈 在扫描过程中需要快速改变这些梯度场的强度与方向 其场强强度大约只有主磁场的百分之一 临床上使用的梯度场大约为 0 2GS cm 1 1GS cm 1GS 10 4T 7 3磁共振成像系统 射频发射器 产生一定的射频脉冲 由射频放大 混频 滤波和检波等部分 射频接收器 图像子系统 将采集到的数据进行图象重建 并将图象数据送到显示器显示 7 4核医学成像设备 放射性核素成像 ECT 的过程 把某种放射性同位素标记在药物上 形成放射性药物 引入人体 药物被人体的脏器和组织吸收 在体内形成辐射源 在体外用核子探测装置检测体内同位素在衰变过程中放出 射线 构成放射性同位素在体内分布的密度图像 7 4核医学成像设备 7 4 1ECT概述 相对于XCT而言 ECT的射线源在人体内部 即放射线药物引入人体后 药物释放出伽玛射线 ECT的本质是由在体外测量发自体内的 射线技术来确定在体内的放射性核素的活度 不仅反映体内的形态 而且能反映组织器官的功能 可显示动态图像 ECT特点 7 4核医学成像设备 7 4 1ECT概述 ECT应用的三种原理 示踪剂原理 可反映体内生物功能信息 容积采集原理 环绕被检测物旋转 获得圆柱体内的全部信息 滤波反投射图像重建原理 依原采集角度向一个假设中心反投射 逐层重现采集信息的空间结构 7 4核医学成像设备 7 4 2ECT分类 1 SPECT单光子发射计算机断层扫描 ECT 单光子ECT SPECT SinglePhotonETC 正电子ETC PET PositronEmissionTomograph 照相机在各个不同的角度上获