医学影像物理学复习资料讲解

1、X射线物理学一、X射线的基本特性1. X射线在均匀的、各向同性的介质中，是直线传播，具有光的一切特性，具有波粒二象性。2. X射线不带电，不受外界磁场和电场影响；3. X射线具有贯穿本领；（不同组织穿透性不同：骨骼 -软组织-脂肪-肺、肠道）4. X射线的荧光作用；（X射线照射荧光物质可发出荧光 ）透视、增感屏5. X射线的电离作用；（X光子撞击电子-一次电离-撞击其它原子-二次电离） X射线损伤和治疗基础6. X射线的热作用;7. X射线的化学和生物效应：与物质进行光化学反应，生物体内电离和激发作用二、X射线的产生医学成像用的X射线辐射源都是利用高速运动的电子撞击靶物质而产生的。1. 产生X

2、射线的四个条件：（1）具有电子源（阴极）产生发射电子；（2）有加速电子使其增加动能的电位差（高管电压）（3）有一个高度真空（P zN一 Q132P ；S ： -1.7 Mev56B 粒子：强贯穿本领，电离能力小于 a粒子，大于丫射线。可被机体组织吸收，做核素治疗：I131治疗甲状腺亢进，甲状腺癌(2) B十衰变：衰变中射出B十粒子和中微子，转变为质子数一 1,质量数不变的新核素过程 衰变反应式：.Ax - ZAY - f Q Q18F 18O+：；+ v+0.66 Mev3. 丫衰变：在a B衰变过程中，所产生的子核处于不稳定的激发态，会向基态或低能态妖迁，释放 出能量以丫射线射出，而核内结构

3、 Z,A不变，只是核能态发生变化。此伴随丫射线射出的核能级妖迁称为T衰变。衰变反应式:Zax99 m43n99t43 1 c?丫粒子：极强贯穿本领，电离能力极弱，不带电。工照相机：一次性显像。静态、动态、局部、全身、功能、形态图像。20桢/秒单光子发射型计算机断层SPECT1)结构：丫机型双探头，旋转扫描机架，检查床，操作台和计算机组成。T机型的改变：双探头，以步进式或连续旋转方式采集信号T机型双探头：由准直器、闪烁体、光电倍增管、电阻矩阵(由一些阻值不同的电阻排列成的矩阵。四行,X+X-Y+Y-位置信号，N歹U)等零部件构成2）其放射性制剂是发生 r衰变的同位素，体外进行的是单个光子数量的测

4、量。成像方法：滤波反投影重建二维 的活度分布图象：可做横断层和纵断层成像横断层层厚由y1-y2决定，灵活，但也需衰减矫正正电子发射计算机断层PET正电子发射计算机断层扫描：是核医学发展的一项新技术，代表了当代最先进的无创伤性高品质影像诊 断的新技术，是高水平核医学诊断的标志，也是现代医学必不可少的高技术。PET作为一种三维医学成像技术，结合计算机化横断面影像重建技术（如同 CT扫描所用的）和放射性药物来产 生影像。PET符合成像的独特性是使用了正电子发射示踪剂，发生 性衰变，产生的正电子会与电子发生湮没 辐射，产生一对飞行方向相反、能量为 0.511 MeV的双光子，然后探测双光子。PET的物

5、理基础正电子放射性核素通常为富质子的核素，它们衰变时会发射正电子。原子核中的质子释放正电子和中微子并衰变为中子：+ B + + v其中P为质子，n为中子，B+为正电子，v为中 微子“正电子的质量与电子相等，电量与电子的电量相同，只是符号相反。通常正电子（B +）衰变都发生于人工放射性核素。PET的数据采集正电子湮灭作用产生的湮灭 丫光子同时击中探测器环上对称位置上的两个探测器。?每个探测器接收到丫光子后产生一个定时脉冲，这些定时脉冲分别输入符合线路进行符合甄别，挑选真符合事件1符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗（通常015ns）,同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的

6、 丫光子对，从而被符合电路记录。时间窗排除了很多散射光子的进入。PET显像的特点?由于C、N、。是人体组成的基本元素，而 F的生理行为类似于 H,故应用11C、13N、150、18F等正电子核素标记人体的生理物质如糖、氨基酸和脂肪，可在不影响内环境平衡的生理条件下，获得某一正常组织或病灶的放射性分布（形态显示卜放射性标记药物浓集速率、局部葡萄糖氨基酸和脂肪代谢、血流 灌注、受体的亲和常数、氧利用率以及其他许多活体生理参数等，藉此显示的形态和功能参数，以研究和 诊断人体内的病理生理异常与疾病，它较之传统的解剖结构现象更深入更全面，可更早期地发现病变。?应用光子准直和符合探测技术，提供了很好的空间

7、定位，大大提高了探测灵敏度。其灵敏度比MRI高，比SPECT高10-100倍；改善了分辨率（可达4mm）,可检出1cm大小的病灶，图象清晰，诊断准确率周I O?能从一定体积的组织快速获得35（或更多）层面的断层图象（CT、MRI均无法办到），且可获得全身各方向的断层图象，使临床医生能一目了然地看到疾病全身状况，它对肿瘤转移和复发的诊断尤为有利。?由于它采用两个互成180度角的探测器进行探测，以及 丫子光能量高，不易吸收，故湮没辐射的位置深度对测量结果无明显影响，并可以得到极正确的衰减校正，它可用实测数和经衰减校正后的真实数进 行三维分布的 绝对”定量分析（精度 10%）,远优于SPECTo?正

8、电子核素为超短半衰期核素，适合于快速动态研究PET 应用范围肿瘤学精神病学心血管系统药理学一 .超声波基本物理性质(探测深度越大，超声频率越低)(一)超声波定义超声波是一种频率高于20KHz 的机械波，它在弹性介质中传播。它在传播的过程中，必然与弹性介质产生相互作用。人体的软组织属于弹性介质，所以超声波在人体体内传播时，它也与人体软组织产生相互作 用。超声波的产生条件：高频声源和传播超声的弹性介质。超声波特点：频率高，波长短，方向性强，能量大，危害小等。诊断用超声频率： 1MHz-100MHz声阻抗(Z ):声压与质点振动速度之比。声压与质点振动速度同位相时，声阻抗为声阻Z=pc.单位瑞利(R

9、ayleigh). 声阻抗与密度有关，所以Z 由介质固有性质决定；声阻抗与温度有关。声阻抗物理意义：代表介质阻碍声波传播的能力。人体组织按声阻抗不同，分为：?低声阻：气体或充气组织，肺部组织?中声阻：液体和软组织，肌肉(超声检查)?高声阻：矿物组织，骨骼超声波在人体组织传播的过程中，受到人体组织的作用，产生衰减(attenuation) 、反射(reflection ) 、透过( transmission) 、 折射 ( refraction ) 、 散射 ( scattering) 、 会聚 ( convergence) 、 发散 ( divergence) 、 衍射 ( diffracti

10、on ) 、 干涉(inteference)和多普勒效应(Doppler effect)等现象。(四)超声波与人体组织的相互作用?超声波的热效应：温度升高?机械效应：振动和压力?化学效应：?空化效应：?这些生物效应，能引起组织产生某些变化、损伤甚至灭活，产生的大小与超声强度、频率、持续时间有关。?超声诊断的安全剂量:10-40mW/cm2超声诊断技术的分类超声诊断技术的类型极其丰富，按利用超声参数的不同，大概可以分为下列类型：1 .脉冲回波幅度法2 .多普勒法3 .谐波成像( harmonic imaging )4 . 超声CT( Ultrasonic Computed Tomography

11、)利用声速或衰减进行计算机重建的图像。5 .声全息(acoustical holography)6 .超声组织定征(ultrasonic tissue characterization)脉冲回波幅度法这是一类利用超声反射回波幅度变化来获取组织信息的方法。它主要提供组织器官解剖等结构和形态方面的信息。原理 人体器官表面有被膜包绕,被膜同其下方组织的声阻抗差大,形成良好界面反射,声象图上出现完整而清晰的周边回声,从而显出器官的轮廓。根据周边回声能判断器官的形状与大小。无回声：无反射，如血液、肿瘤、肾实质；低回声：肝炎不同程度的强回声：癌；骨质，结石；肺凡利用脉冲超声回波的幅度变化来传递人体组织的解

12、剖结构情况的技术都属于脉冲回波幅度法。其中在显示器上以波形的大小表示人体组织回波幅度的变化的显示模式称为幅度调制型，如 A 型超声；而用亮度表示人体组织回波幅度的变化的显示模式称为亮度调制型，如B 型、 C 型、 F 型、 M 型超声等1 .主控电路最简单的主控电路是同步触发信号发生器。它周期性地产生同步触发脉冲信号，分别去触发控制发射电路、扫描发生器。2 .发射电路发射电路是在受到同步信号触发时，产生高压电脉冲去激励探头发射超声波。3 . 接收电路它包括射频放大电路、解调和抑制、视频放大电路三个基本部分衰减概念：声波在介质中传播时，声波声强随传播距离增加而逐渐减弱的现象；声波衰减的主要原因扩

13、散衰减：反射波，折射波或者波阵面的扩大造成单位截面通过的声能减小；散射衰减：声波传播过程中，由于散射中心的散射作用，产生散射波，从而使沿传播方向上的声波能量减小；吸收衰减：声波传播过程中，与介质相互作用，声能被吸收，转化为热能或其他形式的机械能，从而使沿传播方向上的声波能量减小；声波在介质中的衰减规律：频率越大，传播距离越长，衰减越大? A 型超声（Amplitude Modulation）幅度显示型：荧光屏上出现脉冲波形，脉冲的幅度依据反射回波的强度大小决定，脉冲间距离正比于反射界面间距离。示波器上：横坐标表示波传播时间即探测深度。纵坐标表示脉冲的回波幅度信号。提供轴向一维组织信息，用于实质

14、性病变的定位诊断（病灶到体表的深度）。可据回波脉冲幅度及形状推测病灶的性质。这种模式测量距离比较准确。目前在眼科应用中比较多。超声波声束不扫查，只进行一个方向的传播，并利用显示波形的幅度反映组织界面反射回波的大小的一种超声诊断仪。? M 型超声（Motion Modulation）运动显示方式：亮度调辉运动展开型，将回波幅度信号加到显像管Z 轴亮度调辉极上，提供轴向一维诊断信息，主要用于心脏等运动器官检测。图像亮度：是回波幅度纵坐标：传播时间即探测深度横坐标 ：慢速时间扫描信号，用于展开人体活动器官的运动轨迹（心脏的活动时相），显示心脏各层结构相对体表的相对距离随时间的变化曲线，反映心脏一维空

15、间组织结构的运动情况，所以称为M 型（ Motion Mode ） 。在产科中用来测量胎心。M 型超声波声束同样不扫查，只进行一个方向的传播，但利用显示屏上随时间展开的深度变化曲线的亮度来反映组织界面反射回波大小的一种超声诊断仪，它属于辉度调制型.M 型和 A 型不同点有：1、 视放输出的回波信号不是去驱动CRT 的 Y 轴偏转，而是送到CRT 的阴极或栅极进行亮度调制。2、深度扫描电路（A 型称之时基电路）输出的扫描信号不是驱动CRT 的 X 轴偏转，而是Y 轴偏转，并在X 轴上加上时间扫描信号，用作时间坐标。3、标距电路采用点阵距离刻度，上下两点距离表示深度距离（如1cm） ，左右两点距离

16、表示时间（如0.5s） 。? B 型超声（ Bright Modulation）辉度调制显示方式：亮度调辉型，将回波幅度信号加到显像管Z 轴亮度调辉极上，提供二维断层图像，也可实时动态观测。图像亮度：是回波幅度纵坐标：传播时间即探测深度横坐标：时间扫描信号，但时间扫描电压变化速率一定要与声线的实际位置严格对应，即与探头移动同步变化。超声多普勒成像基本原理：多普勒频移为负，血流远离探头运动接收频率高于fo 多普勒频移为正，血流朝向探头运动；接收频率低于 fo,通过测量计算获得fd,实现血流速度v的测量。通过超声的多普勒效应，可方便测量运动的目标，目前已形成了多种诊断设备，用于心脏、血管、血流和胎

17、儿心率等诊断，如超声血流测量仪、超声胎儿测量仪、超声血管显像仪、心脏探查仪等。包括 1. 脉冲式多普勒超声2. 连续式多普勒超声3. 高脉冲重复频率式多普勒超声4. 彩色多普勒血流成像1.脉冲多普勒超声基本原理：由超声换能器以脉冲波的形式发射一组脉冲，再选定一定的时间延迟后，接收回波信号，也就是频移信号。脉冲式多普勒超声技术因具有距离选通功能，故可定位测量不同深度的血流速度信息，这是其最重要的优点；但缺点是，能获得的血流最大速度与最大可测深度之间互相制约。脉冲多普勒超声成像：对应探头发射的超声波对应产生的回波，探头只在一选定的时间延迟rk （接收回波延迟时间）后才开始接受回波信号,即只接收某一深度界面上的回波信号。从而实现了基于多普勒效应，对选定深度运动物体运动速度的测定。多道距离选通：采用一道发射电路和多道选通测量电路获得沿声束传播方向获得均匀分布于血管内的多个采样容积实现同时测量获得血管内各点的血流速度，构成流速分布图2） .扫描发生器DSC 扫描发生器产生的扫描电压加至显示器的偏转系统，使电子束按一定的