医学图像成像模式

1、医学图像成像模式第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1.常规光学透射(或反射)成像光密度光密度与数字图像的灰度值成正比与数字图像的灰度值成正比p 成分、结构、浓度成分、结构、浓度p 光密度OD，透光强度p 图像灰度值v对比度增强机制：对比度增强机制： 提高图像对比度提高图像对比度 增强光密度差异增强光密度差异 细胞HE染色免疫组化染色一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1.常规光学透射(或反射)成像2.荧光(或生物发光)成像 某些物质的受激电子从某些物质的受激电子从状态经系统内交调迁移

2、到中间振动状态，状态经系统内交调迁移到中间振动状态，再从再从迁移回到迁移回到的过程中发出磷光的过程中发出磷光 物质吸收光能，从物质吸收光能，从激发激发到到 分子很快从分子很快从到一个不到一个不稳定的稳定的分子从不稳定的分子从不稳定的返回返回时会伴随光子产生，时会伴随光子产生，即荧光产生即荧光产生400nm760nm荧光波长p 荧光强度p 特定物质量p 图像灰度一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1.常规光学透射(或反射)成像2.荧光(或生物发光)成像3.光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能 灵敏度 光学CCDnCCD的背景噪声CCD读取噪声CCD暗电流热噪

3、声荧光背景光 光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能 灵敏度 光学CCD 冷却CCD 10-910-6 mM 光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能 灵敏度 空间分辨率 取决于光源深度荧光穿透组织的厚度 1.5 2 mm 光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率 实时成像 仅取决于CCD数据的读出光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率 稳定性好、毒性小 第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息二二X X线及线及X-CTX-CT及其图像信息及其图像信息X光的发现

4、与发展v1895 伦琴伦琴 发现发现X光光v1896 爱迪生爱迪生 制造制造X光透射机光透射机v1901 伦琴伦琴 获得第一届诺贝尔物理奖获得第一届诺贝尔物理奖CT(Computed Tomography)v1963 美国物理学家美国物理学家Cormark 提出数学重建提出数学重建算法算法v1971 英国工程师英国工程师Hounsfield 设计成功第设计成功第一台颅脑一台颅脑CT机机v1974 美国美国 Georgetown医学中心医学中心 全身全身CT机机v1979 Hounsfield 和和 Cormark 分享了诺贝尔分享了诺贝尔生理学或医学奖。生理学或医学奖。线性吸收系数：线性吸收系

5、数： 不同的生物组织和不同的厚度，对于X射线的衰减程度各不相同 X线吸收系数，物质固有属性图像的明暗程度图像的明暗程度( (灰度灰度) Vs. X) Vs. X线吸收系数线吸收系数 X-CTX-CT的数学基础：由投影重建图像的数学基础：由投影重建图像X-CT的扫描：投影的产生v CTCT值值( (相对线性吸收系数相对线性吸收系数) )线性吸收系数比例因子假设：空气0，骨2，（已知，水1 ）若：k=1000，则，空气CT=-1000，骨CT=1000 k=2000，则，？水的线性吸收系数CT值的信息p 特定物质（人体组织）p 线性吸收系数p CT值p 图像灰度值CT值和图像灰度相关，但可能超出图

6、像灰度范围。 对比度增强机制对比度增强机制 改变线性吸收系数及改变线性吸收系数及CT值值 图像的灰度对比度反映了不同组织成分的吸收系数的差异组织密度和线性吸收系数接近、CT值相近时，可采用对比度增强剂（碘） 异常血管增生，局部血液丰富，血脑屏障破坏（碘含量增加）口服硫酸钡溶液（肠道、食道） X-CTX-CT的一般技术性能的一般技术性能 灵敏度 密度相差不大（软组织）的区分能力不强 1 mM X-CTX-CT的一般技术性能的一般技术性能 灵敏度 空间分辨率 临床CT：1 mm 动物CT：10 m X-CTX-CT的一般技术性能的一般技术性能 灵敏度 空间分辨率 时间分辨率第二章第二章 医学图像的

7、成像模式医学图像的成像模式一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息二二X X线及线及X-CTX-CT及其图像信息及其图像信息三三磁共振成像及其图像信息磁共振成像及其图像信息MRIv1952，发现核磁共振現象的美国科学家 Bloch 和 Purcell获诺贝尔物理学奖v1977，第一台MRI问世v1991，发明核磁共振高解像技术的 Ernst获诺贝尔化学奖v2002，发明核磁共振三唯空间解像的 Wuthrich获诺贝尔化学奖v2003，MRI的发明人美国化学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield 获诺贝尔医学奖磁共振成像磁共振成像原子核的常态原子核的常态( (稳态稳态) )和非

8、常态和非常态 弛豫过程弛豫过程(relaxation)(relaxation)和驰豫时间和驰豫时间驰豫时间驰豫时间 vs. vs. 原子核的种类与数量原子核的种类与数量 纵向弛豫纵向弛豫(T1)(T1)，横向弛豫，横向弛豫(T2) (T2) v磁共振成像的图像表现弛豫时间是物质固有的物理属性医学MRI主要用氢核（1H）不同的测量时间T1/T2，表现了不同的物质对象 磁共振成像磁共振成像 医学医学MRIMRI成像均采用氢核（成像均采用氢核（1 1H H）人体内的氢核大多包含在水分子中人体内的氢核大多包含在水分子中 T1/T2T1/T2的生物学意义的生物学意义不同组织的不同组织的T1T1和和T2T

9、2值各异值各异同一组织在不同生理或病理状态的同一组织在不同生理或病理状态的T1T1和和T2T2值也不相同值也不相同 医学医学MRIMRI成像均采用氢核（成像均采用氢核（1 1H H）人体内的氢核大多包含在水分子中人体内的氢核大多包含在水分子中 T1/T2T1/T2的生物学意义的生物学意义 MRIMRI图像中的像素灰度反映了图像中的像素灰度反映了T1T1或或T2T2值值 对比度增强机制对比度增强机制对比度增强剂对比度增强剂MRIMRI： （1）软组织本身可区分 （2）加入磁性物质，使得磁场表现不同CTCT：（1）软组织密度相近，图像中难以区分（2）重金属吸收密度不同，明显差异 磁共振成像磁共振成

10、像3. MRI3. MRI的一般技术性能的一般技术性能灵敏度灵敏度v高于高于X-CTX-CT，低于核素成像和光学成像，低于核素成像和光学成像10-3 1 mM3. MRI3. MRI的一般技术性能的一般技术性能灵敏度灵敏度空间分辨率空间分辨率v稍逊于稍逊于X-CTX-CT，高于其他医学成像方式，高于其他医学成像方式v临床临床MRIMRI：1 mm动物动物MRIMRI：100 m 3. MRI3. MRI的一般技术性能的一般技术性能灵敏度灵敏度空间分辨率空间分辨率时间分辨率时间分辨率第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息二二X X线及线及X

11、-CTX-CT及其图像信息及其图像信息三三磁共振成像及其图像信息磁共振成像及其图像信息四四超声成像及其图像信息超声成像及其图像信息超声成像（US）v1912，出现了利用声波摄取影，出现了利用声波摄取影像的像的技术技术1.侦测冰山2.声纳二次大战v1949，美国医生，美国医生Howry创建了创建了初步的超声波初步的超声波仪器仪器 超声成像超声成像四B型超声成像原理超声成像原理v超声波在不同介质内传播的速度不同。v不同的生物组织会产生不同的反射波强度。v当声波从一个介质进入另一个介质的时候，声波频率不变，波长和声波速度将随着介质的不同而改变。超声成像原理v超声通过多个界面时的反射和透射形成回波v依

12、照接受回波的先后次序及时间长短，可标定出所发声波行进路线上的各介质存在的位置超声成像超声成像1. B型超声成像原理四超声成像的图像信息2.2. 超声成像的图像信息超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 v声阻抗是生物组织的固有特性，是一种反射回波v声阻抗=介质的密度*声速v声阻抗 反射波强度 图像灰度值2.2. 超声成像的图像信息超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 回波强度可反映介质的声阻抗n图像灰度值反映了超声波回波的强度n具有不同声阻抗介质的界面2.2. 超声成像的图像信息超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 回波强度可反映介质的声阻抗对比度增强v增强散射增强散射v理论上

13、可采用充气的微泡理论上可采用充气的微泡 超声成像超声成像1. B型超声成像原理2. 超声成像的图像信息四超声成像的一般技术性能3. 超声成像的一般技术性能灵敏度 和探测深度有关和探测深度有关3. 超声成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率v 角度分辨率 轴向分辨率 3. 超声成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率n超声速度、角度分辨率超声速度、角度分辨率 最大径向检测范围最大径向检测范围第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式一一光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息二二X X线及线及X-CTX-CT及其图像信息及其图像信息三三磁共振成像及其图像信息磁共振成像及其图像信息四

14、四超声成像及其图像信息超声成像及其图像信息五五放射性核素放射性核素( (发射型计算机断层发射型计算机断层) )成像及其成像及其图像信息图像信息PET的出现v19431943，瑞典化学家赫维西，瑞典化学家赫维西(George Charles de Hevesy)(George Charles de Hevesy)，发现了用于人体检测的安全发现了用于人体检测的安全有效的放射性追踪剂，有效的放射性追踪剂，获得诺贝尔化学奖。获得诺贝尔化学奖。v19951995，FDAFDA核准核准PETPET的临床使用。的临床使用。第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式放射性核素成像放射性核素成像1. 放

15、射性核素成像原理ECT的物理基础 v放射性核素发射放射性核素发射 射线射线v体外检测体外检测 射线可确定体内放射性核素活度射线可确定体内放射性核素活度v放射性核素是外源性的放射性核素是外源性的v 射线活度取决于组织的血流、代谢、排泄、细胞功射线活度取决于组织的血流、代谢、排泄、细胞功能、细胞数量、能、细胞数量、 内源性 结构成像 外源性 功能成像1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 ECT的数学基础1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 ECT的数学基础ECT的种类v单光子发射（SPECT）v正电子发射（PET） v体外的示踪剂注入体内，聚集在体内靶标组织，核素在衰变过程中发射高能量光子

16、束或正电子，穿透人体组织后向外辐射 v核素能与血流、代谢、组织等相结合v检测到不同方位上的“投影”信号后，可据此重建放射性核素在靶标组织内分布的映射图像 功能成像 第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式放射性核素成像放射性核素成像2. 核素成像的图像信息（1）图像的灰度直接反映了体内放射性核素的活度的强弱（浓度高低）直接反映了放射性核素的空间浓度分布间接反映了靶标组织的空间分布间接反映了组织浓度分布或生物活动程度2. 核素成像的图像信息（1）图像的灰度直接反映了体内放射性核素的活度的强弱（浓度高低）（2）根据不同的实验，可间接地反映特定功能的强弱或特定物质的多少（3）对比度增强剂vSPECT：1.同位素的半衰期较长；2.不是人体本身所具备的元素；3.生理/生化过程的显示受到限制。vPET：1.同位素的半衰期较短；2.都是人体组织所富有的元素；3.排泄快，影响小；4.如果要进行生物过程的长期比较，不合适。 第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式放射性核素成像放射性核素成像3. 一般技术性能 灵敏度vSPECTSPECT：10-6 10-8 mM PETPET：10-8 10-9 mM3. 一般技术性能灵敏度 空间分辨率nSP