大学精品课件：生物与医学工程概论

1、生物医学成像技术,李德玉 ,1,内容,引言 生物医学工程学科 生物医学成像概述 现代医学成像系统模型 主要医学成像技术的发展历程 超声、XCT、磁共振 生物医学成像技术的作用与未来 生物医学图像的作用：诊断、治疗与研究 生物医学成像的发展趋势与未来,2,引言,生物医学工程 生物医学成像概述 现代医学成像系统模型,3,生物医学工程,综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法 从工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的结构、功能和其它生命现象 揭示和论证生命运动的规律，深化对生命系统的认识 提供防病、治病、卫生保健、康复、安全防护的新理论和新方法 设计和研制用于防病、治病等的新材料、人工

2、器官、装置与系统的新兴交叉学科,4,生物医学工程：典型的交叉学科,生物医学工程的目标： 探索人类生命机理 表征组织与器官的病变机理 给出研究和技术开发最佳手段 提供治疗与预防的有效方法,5,人类的梦想：象鸟一样飞翔,Engineering: Turn ideas into reality,6,医院,7,技术进步 非侵入 二维断层 三维实时,洞察解剖结构,8,医生与患者的梦想,医生的梦想,看到“看不到”的 微小的 内部的 生理的,患者的梦想,舒服的诊断与治疗 安全 无创 无痛,Engineering: Turn ideas into reality,9,生物医学图像,10,生物医学图像研究,生物

3、医学成像系统(Biomedical Imaging System) 图像形成的过程 成像机理、设备、系统分析 生物医学图像处理与分析(Biomedical Image Processing and Analysis) 对已获得的图像，采用各种算法进一步处理 增强、特征提取、模式分类、分割、识别等 生物医学应用研究（Biomedical Application） 生物学 临床 基础医学,11,主要生物医学成像系统,投影X射线成像 数字减影（Digital Subtraction Angiography） X射线计算机断层成像（X-CT: X-ray Computed Tomography） 磁共

4、振成像（MRI: Magnetic Resonance Imaging） 放射性核素成像（SPECT and PET） 超声成像（Ultrasonic Imaging） 显微成像系统（Microscopic System） 激光共聚焦成像（Laser Confocal System）,12,生物医学图象研究所涉及的领域,物理学 电子科学与技术 计算机科学与技术 材料科学与技术 精密机械,13,成像系统发展模式,随着某种物理现象发现之后出现 X投影成像 依赖于高速运算的计算机的出现 X断层成像：原理Radon变换 与军事技术研究突破密切相关 超声与声纳、雷达 核医学与核反应技术,14,现代医学成

5、像系统模型,15,医学成像系统中的能量,16,造影成像：不仅引入能量，可否引入物质,X射线血管DSA： 数字减影血管造影，是通过计算机把血管造影片上的骨与软组织的影像消除，仅在影像片上突出血管的一种摄影技术。 造影剂：碘或硫酸钡等 MRI造影 缩短质子的弛豫时间，间接改变质子的信号强度 造影剂的分类 顺磁性阳性对比剂（T1效应，如Gd-DTPA）：能够缩短组织的T1和T2弛豫时间，在小剂量时（1mml/kg）T1作用明显，T1WI表现为高信号。 磁化率阴性对比剂（T2效应，如Dy-DTPA）：通过引起局部核磁共振梯度的变化使组织信号丢失，在T2敏感序列上和T2梯度回波像表现最为明显。 超顺磁性

6、氧化铁粒子（SPIDs）：缩短T2弛豫时间，故称T2梯度回波对比剂，但在很小剂量时，则表现为T1增强效应,17,Lateral Cerebral,主要医学成像技术的发展历程,超声医学成像 XCT医学成像 磁共振医学成像,18,超声脑部成像,1942年，Dr. Karl Theodore Dussik (1908-) 第一个发表用超声波透射脑部的论文,19,Howry的超声波扫描机,受测者(G. Posakony)须浸在水中，以便传导声波,Dr. Douglass Howry (1920-1969,20,B-mode超声波探头,1958年，Dr. Ian Donald 与电机工程师Tom Bro

7、wn开发出接触皮肤的B-mode超声波探头,21,应用Doppler效应检查末梢血管的血液循环,1959年，Dr. Shigeo Satomura(里村茂夫)与Dr. Ziro Kaneko首先发表用Doppler检查末梢血管的血液循环,22,用M-mode检查胎儿心脏,1964年，武汉医学院之王新房及萧济鹏医生首先发表,23,3D超声波影像,1984年，Dr. Kazunori Baba(马场一宪)首先开发,马场一宪(1952,1996年，Dr. Kazunori Baba与ALOKA合作，实现实时3D超声波成像方法,24,各种不同的超声诊断成像仪器和图像,25,1895年，伦琴因发现X射线

8、，获得首届诺贝尔物理学奖,最早的X射线成像,26,Born: 16 Dec 1887 in Tetschen, Bohemia (now Decin, Czech Republic)Died: 25 May 1956 in Vienna, Austria,Johann Radon,27,XCT成像领域的诺贝尔奖获得者,28,Allan Cormack,Godfrey Hounsfield,因建立计算机断层扫描的算法和制造出第一台CT机器而获得1979年的诺贝尔生理学与医学奖,最早的XCT机,29,CT的扫描方式,30,CT设备与图像,31,X成像的演变,1901年(投影） 1975年（断层）

9、2000年（断层,32,Currently available cone beam scanners approved for use in dental medicine: (a) NewTom 3G (courtesy of Aperio Services LLC Sarasota FL, USA). (b) IS i-CAT (courtesy of Imaging Sciences, Hatfield PA, USA). (c) Hitachi CB MercuRay (courtesy of Hitachi Medical System America Inc., Twinsburg

10、, OH, USA). (d) J. Morita three-dimensional Accuitomo (courtesy of J. Morita USA, Irvine, CA,USA,Journal of Orthodontics, Vol. 32, 2005, 282293,Dental Cone Beam CT,33,Images taken with a CBCT scanner (courtesy of Aperio Services LLC, Sarasota, FL, USA; and Hitachi Medical System America Inc., Twinsb

11、urg, OH, USA). (h) Image equivalent to panoramic radiograph, using a 2 mm slice. (i,j) Image equivalent to traditional cephalograms, but with CBCT both left and right sides can be analysed and traced separately (an image equivalent to a traditional cephalogram can also be achieved by superimposing r

12、ight and left structures into a single image,Dental Cone Beam CT,34,Dental CBCT：Images,35,History： MRI,1980：Edelstein et al.运用Ernst的技术于人体成像，单一影像约需5 min取得 1986：成像时间缩到约5s 1986：开发出NMR显微镜 1987：EPI用于制作一心脏周期的实时影片。 1987：美国GE公司的Dr. Charles Dumoulin 完成核磁共振血管影像法(MRA)，不需使用对比剂便可得到血液流动的影像 1991：Richard Ernst因其在脉冲

13、Fourier转换NMR及MRI的成就而获得诺贝尔化学奖。 1993：开发出功能MRI (fMRI)，用于观察人脑各部位的功能,36,Nobel Prize in Physiol. or Med. 2003,Paul C. Lauterbur University of Illinois Urbana, IL, USA,Sir Peter Mansfield University of Nottingham, School of Physics and Astronomy Nottingham, United Kingdom,因对磁共振成像（MRI）方法的奠基性工作而获得2003年的诺贝尔生理

14、学与医学奖,37,伟大的NMR科学家,Felix Bloch (1952物理学) Edward M. Purcell (1952物理学) Richard R. Ernst (1991化学) Kurt Wuthrich (2002化学,Paul C. Lauterbur (2003生理或医学) Peter Mansfield (2003生理或医学,38,The Shameful Wrong that must be righted,世界上第一张 MRI 图象,1971年，SUNY-Brooklyn的医生Raymond Damadian 发现组织与肿瘤的核磁共振T1弛豫时间不同，而引发用NMR诊断

15、的想法,39,MRI设备及图像,40,功能性磁共振成像（fMRI,成像原理 脑的不同区域对应于人体的不同生理功能和心理活动。当某个区域处于兴奋状态时，这一局部的血流量会增加，引起血液中顺磁性物质氧合血红蛋白的增加，使得局部磁场均匀性发生变化，从而导致MR信号变化。这个过程称为血氧水平依赖性（BOLD）。 在脑区激活时，利用MR成像设备记录下这时候的大脑MR图像，并由计算机处理后用于脑功能的研究，这个过程被称为功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI,41,功能性磁共振成像,研究历史 1990年，Ogawa的动物实验表明能用MRI研究

16、大脑功能。 1991年春，第一幅人脑功能图像在麻省州立医院MR中心获得，图像显示了大脑对视觉刺激的功能性反应区域，开始了脑功能磁共振成像研究。 上述实验表明：fMRI可达2mm空间尺度、1s时间分辨率，为研究脑功能提供了一个新的、无创成像技术。 至今，fMRI仍主要依据血流敏感性和BOLD对比度增强原理,42,左手移动实验的脑功能区图像,43,其它成像系统举例,3D electrocardiographic activation imaging-by He, Bin,44,医学成像技术的作用与未来,生物医学图像的作用：诊断、治疗与研究 生物医学成像的发展趋势与未来,45,生物医学成像技术的作用

17、,46,生物医学图像： 以生物体（生物系统、器官、组织、细胞、分子）为成像对象 依据一定物理、化学、数学原理获得 表现生物体结构、功能、生理等信息,计算机辅助疾病诊断,临床图像采集,预 处 理,特征提取与选择,分 类 与 识 别,诊 断 结 果,应用软件,脂肪肝,47,治疗规划的依据：脊柱,48,青少年中不同程度的脊柱侧弯发病率约为3-5%，某些地区甚至达到11%。 脊柱侧弯测量技术及个性化支具设计、评价与优化,49,治疗规划的依据：脊柱,治疗规划的依据：口腔,50,治疗规划的依据：口腔,51,牙列图像自动分割算法 牙排列、关节运动、咬合、力学优化等手术模拟与评价技术,基础与临床医学研究的重要

18、手段,52,Imaging technologies are changing the way science is done. (R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993,核磁共振仪,MRI图像,3D几何信息提取,3D模型,网格划分,生物力学分析,生物力学建模与仿真的前提：膝关节,姚杰, 樊瑜波, 张明 , 李德玉, 宫赫, 前交叉韧带损伤导致膝关节继发性损伤的生物力学研究,力学学报，2009,53,生物力学建模与仿真的前提：主动脉弓,54,Xiao Liu, Fang Pu, Yubo Fan, Xiaoyan Deng, Deyu Li and

19、Shuyu Li. A numerical study on the flow of blood and the transport of LDL in the human aorta: the physiological significance of the helical flow in the aortic arch, Am J Physiol Heart Circ Physiol 297:163-170, 2009,生物力学建模与仿真的前提：主动脉弓,55,Xiao Liu, Fang Pu, Yubo Fan, Xiaoyan Deng, Deyu Li and Shuyu Li.

20、 A numerical study on the flow of blood and the transport of LDL in the human aorta: the physiological significance of the helical flow in the aortic arch, Am J Physiol Heart Circ Physiol 297:163-170, 2009,Flow patterns and wall shear stress distribution in human internal carotid arteries: The geome

21、tric effect on the risk for stenoses,56,Zhang, C., et al., Journal of Biomechanics (2011,LOCATION, ORIENTATION, AND RUPTURE STATUS IN ICA LATERAL ANEURYSMS,57,PICCINELLI et al. Neurosurgery 68:12701285, 2011,疾病机理研究的重要手段：老年痴呆症,58,Li SY, Shi F, Pu F, Li XB, Jiang TZ, Xie S, Wang YH, Hippocampal shape

22、analysis of Alzheimers disease based on machine learning methods, American Journal of Neuroradiology，2007, 28(7):1339-45,基于MRI图像提取脑海马结构，构建三维表面模型，并进行曲面参数化，计算描述脑海马结构三维形状的全局和局部度量，研究老年痴呆症病人脑海马结构的三维形状变化，为临床提供辅助诊断提供依据,疾病机理研究的重要手段：脑疾病,脑脊共济失调(SCA1-Spinocerebellar ataxia type 1,橄榄脑桥小脑萎缩(OPCA-olivopontocerebe

23、llaratrophy,59,Taken from ,临床研究的重要手段：心脏起搏器,60,Yin LX, Laske TG, Rakow N, Cai L, Williams T, Li CM, Zhao Y, Deng Y, Chen LJ, Li S, Wang S, Zheng CQ, Li DY, Wang TF, Zheng Y. Intracardiac echocardiography-guided his bundle pacing and atrioventricular nodal ablation. PACE-PACING AND CLINICAL ELECTROPHY

24、SIOLOGY, 2008.31(5): 536-542,生理研究的重要手段：膀胱,61,Zhong JR, Jia SH, Pu F, Niu HJ, Li SY, Li DY*, Fan YB*; Journal of Urology, 2010. (Supported by the National Key Technology R17:545-580,分子成像：从治病到理解病因并预测疾病,66,A, micro-PET B, micro-CT C, micro-SPECT D, Optical reflectance fluorescence E, T2-weighted microM

25、R F, Optical bioluminescence,在分子水平 认识疾病的原因 评价治疗效果 预测疾病的发展 开发新型药物 发展新的治疗手段,Massoud T F, Gambhir S S Genes Dev. 2003;17:545-580,思考,医学成像的未来发展趋势如何？ 从医学图像的发展历史中可以得到什么启示,67,谢谢,68,Nobel Prize in Physiol. or Med. 2003,Paul C. Lauterbur,劳特布尔1929年生于美国俄亥俄州小城悉尼，1951年获凯斯理工学院理学士，1962年获费城匹兹堡大学化学博士。1963年至1984年间，劳特布

26、尔作为化学和放射学系教授执教于纽约州立大学石溪分校。在此期间，他致力于核磁共振光谱学及其应用的研究。劳特布尔还把核磁共振成像技术推广应用到生物化学和生物物理学领域。1985年至今，他担任美国伊利诺伊大学生物医学核磁共振实验室主任,Sir Peter Mansfield,曼斯菲尔德1933年出生于英国伦敦，1959年获伦敦大学玛丽女王学院理学士，1962年获伦敦大学物理学博士学位。1962年到1964年担任美国伊利诺伊大学物理系助理研究员，1964年到英国诺丁汉大学物理系担任讲师，现为该大学物理系教授。他进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场的理论，为核磁共振成像技术从理论到应用奠定了基

27、础,69,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高，可以获得患者身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果，它对身体没有损害。2003年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性成果。 瑞典卡罗林斯卡医学院日决定，把2003年诺贝尔生理学或医学奖授予现年74岁的美国科学家保罗劳特布尔和现年70岁的英国科学家彼得曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。 诺贝尔奖评选委员会认为，用一种精确的、非入侵的方法对人体内部器官进行成像，对于医学诊断、治疗和康复非常重要。这两位科学家的成果对核磁

28、共振成像技术的问世起到了奠基性的作用,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电，它们可以在磁场中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率和方向。在磁场中旋转的原子核有一个特点，即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使原子核的能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一现象如同拉小提琴时琴弓与琴弦的共振一样，因而被成为核磁共振。 1946年美国科学家费利克斯布洛赫和爱德华珀塞尔首先发现了核磁共振现象，他们因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的，而原子的主要部分是原子核。如果把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如果把这种技术用于人体内部结构的成像，就可获得一种非常重要的诊断工具,2003年诺贝尔生理学或医学奖成果,然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。20世纪70年代初期，核磁共振成像技术研究才取得了突破。1973年，美国科学家保罗劳特布尔发现，把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场），再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后，英国科学家彼得曼斯菲尔德