现代医学影像学进展课件

1、现代医学影像学进展影像设备发展常规X线-数字化CTMRIUSECT/PET/ SPECTPET-CTPET-MRIPACS综合化精细化数字化功能化智能化影像理念创新影像设备的发展威廉伦琴（Rontgen, W.K., 18451923 )德国物理学家， 1895年，伦琴发现了肉眼看不见的X射线，从 此诊断人体疾患时，便多了能透视肉体的“法眼”。1.常规（经典）X线成像系统影像接收器采用屏/胶结构的形式已有100多年历史了，随着CR、DR、DDR的先后出现，屏/胶结构的影像接收器已逐渐由CR的IP板、IDDR与DDR的平板接收器及DDR的扫描接收器所取代。从而使常规X线成像正在向数字化方向发展。

2、 1.1 X线数字化技术-CR计算机X线摄影(computed radiography, CR)，成像板(IP板)采集信息数字化处理贮存传输成像。CR技术的发明是X线迈向数字化的第一步，使经典X线影像的空间和密度分辨力大大提高。成像板(IP板)：向高分辨方向发展，空间分辨率在4.05.0LP(线对)/mm，扫描像素10Pixel/mm， 高质量图像可达4K，已达到或超过X线胶片的清晰度。IP板阅读器：对IP板的阅读实际上就是个图像的数字化采集过程，阅读器包括两大部分：对IP板高速高分辨的激光扫描系统和放大与高速机械传送系统。1.2 X线数字化-DR成像系统 平板探测器(Detector)的发明

3、是实现直接数字化X线摄影(digital radiography, DR)的关键。从而真正在空间分辨力，密度分辨力以及时间分辨上有质的飞越。其过程是：平板探测器采集信息数字化处理成像 。 1.3胸部能量减影摄片 能量减影(energy subtraction)的原理是利用两次不同剂量X线对同一部位的曝光而获得的图像。根据诊断的需要可显示不同的组织结构如骨骼、软组织或肺等。1.4 DSA技术新进展数字减影血管造影技术(Digital Sudtraction Angiography:DSA)，具有很高的空间分辨力和密度分辨率。最新的旋转式DSA技术可在注射造影剂同时旋转线管球和机架，可动态显示血管

4、结构并进行3D重建。科马克(A.M.Cormack, 1924 )美国物理学家60年代中期。任美国图夫茨大学教授的物理学家科马克发现，人体各种不同组织对X射线的透过率不同，并得出了一些计算公式，为X射线断层扫描机(CT)的发明奠定了理论基础。2. CT技术及其进展 豪斯菲尔德G.N.Housfield ,1918 英国电器工程师他根据科马克的理论和计算公式，将电子计算机技术和X射线扫描技术结合起来,终于在1971年研制出第一台电子计算机X射线断层扫描仪即CT。 1971年9月 第一台头颅X线CT扫描机在英国问世，由于此项杰出的发明，豪斯菲尔德（CT机的设计和制造者）与科马克（CT算法的发明者）

5、共同获得了1979年度诺贝尔医学和生理学奖。CT技术进展-高速化近年来，随着高热容量CT管球、高速计算机、高灵敏度探测器和高度精确系统的出现，CT扫描速度不断提高，应用领域不断拓宽。从24小时5分钟5秒0.5秒50毫秒平行移动窄扇型旋转扇型旋转扇型固定电子束CTCT技术进展-多排化螺旋CT使用滑环技术和高热容量CT管球，可连续不停地扫描整个需要检查的范围。多层CT在螺旋CT的基础上，使用多排探测器矩阵，每一排探测器数据可单独完成一层图像重建，也可多层探测器数据区同完成一层图像重建。CT技术进展智能化在所有的技术改良中，要突出实现更低的X线剂量、更快的采集与重建速度。更便捷和多样的重建处理、更短

6、的病人等候时间及更好的病人舒适度。 64层螺旋CT相关的技术进展锥形线束算法 降低扫描剂量 （1）智能滤过技术 （2）自动mA调制 （3）自动mA设置 （4）可变速扫描和期相选择性曝光技术 （5）全自动心电延迟算法CT设备下一阶段的发展1.超宽检测器的多层面螺旋CT： 16排CT32排CT40排CT64排CT目前已经研制了320排的超宽探测器，采集必将是大范围的容积性信息。2.平板探测器CT正在研发的平板探测器CT，目前由于产品尚未定型，相应的扫描技术与参数尚不能明确，正在研发当中。3.核磁共振-历史20世纪30年代：物理学家伊西多拉比(Isidor Rabi)发现原子核在磁场中对着磁场呈正向

7、或反向平行排列起来，而施加无线电波之后，则能使原子核的朝向发生翻转。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。20世纪40年代两名美国科学家菲利克斯布洛赫(Felix Bloch)和爱德华普塞尔(Edward Purcell)分别发现原子核在强磁场中能够吸收无线电波的能量，然后重新释放出能量恢复到原来状态，这段时间被称为“弛豫时间”。为此布洛赫和普塞尔分享1952年诺贝尔物理学奖。保罗劳特布尔 (1929 )美国科学家劳特伯尔得到第一个活体(一个蛤蜊)的第一张MRI图像，其研究论文于1973年3月在英国自然杂志上发表 彼得曼斯菲尔德 （1933 ）英国科学家英国科学家曼斯菲尔进一步改

8、进了磁场梯度法，并对图像做数学分析，从而使得NMR能够极快地形成有用的图像。 2003年10月6日，两位科学家因在核磁共振成像技术领域的突破性成就而共同分享诺贝尔生理学或医学奖。3.2 MRI 发展趋势3.0T设备趋于普及与实用化 7.0T的设备已开始研制，作为下一代MR设备发展的理念之一开放式磁体的发展趋势 中场设备的发展趋势专用MR设备 梯度磁场与切换率 线圈4. 超 声1912年用于水下探测1956年A型超声用于人体Professor Ian Donald 当前超声诊断已从单一器官扩大到全身，从静态到动态，从定性到定量，从模拟到全数字化，从单参数到多参数，从二维到三维显示。彩色多普勒血液

9、显示有可能代替创伤性导管检查。此外，在超声引导下进行各种介入诊疗，从而形成了一门新兴的科学-介人超声学，使诊断与治疗一体化。超声技术发展全数字化技术：数字化声束形成技术；前端数字化或射频信号模数变换技术；宽频探头和宽频技术。 三维超声成像技术 ：静态三维超声以空间分辨率为主，重组各种图像。动态三维超声以时间分辨率为主，可以做出3个立体相交平面上的投影图、F型图、俯视图、表面观、透视观和环视观。 5. 核医学成像-ECT/PET-CT1896 年：Henri Becquerels 发现放射性元素 ；1934年：人工同位素。1939年：Joseph Gilbert Hamiton，Mayo Sol

10、ey & Robley Evans发表首篇应用131I诊断病人的报告，1951年：Benedict Cassen等应用闪烁探测仪进行甲状腺核素检查，1953年：Robert Newell首先提出核医学（nuclear medicine）的概念。1958年：Hal Anger 照相机问世，1962年：第一台商用的Anger照相机于Ohio州立大学应用。 上世纪80年迄今 又相继发明ECT 、 SPECT 、 PET、Pet/CT,为功能分子影像学这门新兴学科的形成奠定了坚实的物质基础。特别是PET、Pet/CT与MRI影像的有机结合将是本世纪医学影像学在思维方式、工作模式以及理念等方面的革命性进

11、步。(1)核医学在心血管病诊断中的应用20世纪取得了明显进展，如心肌灌注显像，18F-FDG PET代谢显像，心脏受体显像等。本世纪的发展有粥样硬化斑块显像、血栓栓塞显像、分子探针显像以及冠状动脉PTCA后预防再狭窄腔内核素显像等。(2)核医学在肿瘤学中的应用 18F-FDG PET肿瘤显像已从基础研究正式用于临床，特别对良恶性鉴别、分期分级、术后有无复发、疗效监测等均有很大价值。(3)核医学在神经精神方面的应用脑血流灌注显像，脑代谢显像如18F-FDG PET和Pet-CT，脑受体显像等均为核医学显像的研究热点。新世纪核医学显像将在脑肿瘤、脑血管疾患、脑退行性疾患、精神疾患、颠痫以及戒毒等研

12、究方面发挥重要作用。(4)核医学在新药的研究开发、临床疗效检测以及药代动力学测定等方面有重要应用价值。医学影像学理念创新医学影像学科设置为一级临床学科，与内、外科同等级，国外称医学影像学科（Medical Imaging Departement）或放射学科（X-ray Departement)但后一称谓越来越少。根据技术特点包括如下门类：普通/经典X线放射学断层影像：CT、MRI、PET、PET-CT核医学显像：ECT、PET、SPECT等超声影像以及新出现的成像技术MEG、近红外成像等。在国外发达国家上述影像技术是综合利用的。1.综合化（comprehensive）2.数字化（digital

13、)3.功能化（functional)4.分子化（molecular）5.信息化(communication)6.诊断与治疗一体化（joined）现代医学影像学的理念创新一、综合化（comprehensive）CT 、MRI、PET以及PET-CT等高端影像技术的出现，使影像医学有了革命性突破。但这并不等于一种技术代替另一种技术，而是要求人们更好地，合理地综合应用这些技术的各自优势，以达到资源的最大整合和利用。1.诊断综合化现代医学影像学的发展,给人们诊断疾病提供了极大的方便的同时,对人们的诊断水平的要求越来越高,特别是对各种影像技术和诊断的综合运用显得越来越重要。任何一门学科都不是独立的，只有

14、充分发挥其最大潜能，才能达到诊断的最优化。（1）图像融合（fusion）A. 各种成像技术均有其优劣，图像融合的目的是取长补短,达最优化a.信息互补b.影像比较c.标准化分析B. 主要是高分辨率解剖像与低分辨率功能像间的融合。MR解剖像与功能像单模态融合 信息互补 CT解剖像 PET功能像 融合像Registration/Fusion 影 像 比 较CT: 160 mAs; 130 KVp; pitch 1.6; 5 mm slicesPET: 7.1 mCi FDG; 2 x 10 min; 3.4 mm slicesCTPET/CTContrast CTPET/CTFebruary 200

15、0; SUV = 6June 2000; SUV = 3形态与功能的综合CT/PET多模态融合(2) 与其他相关学科的综合 现代医学影像技术的发展与其它学科的发展和支持是分不开的。首先是计算机学科，以及算法统计数学数字成像、存储及传输图像处理分析智能化分析Visualization 工程物理学科新的成像设备开发。如：X线CR、DR机、打印设备更新。CT。升级，单排、多排、第五代CT等。MR。高场新序列、特殊线圈开发。生物、生化技术分子影像学核医学示踪剂波谱介入栓塞生物材料化学、药学学科造影剂开发 碘造影剂、Gd造影剂、铁造影剂、超声造影剂示踪剂介入栓塞剂材料学新型介入材料开发 导管、导丝 栓塞

16、材料：生物材料、化学材料等无磁材料开发 用于MRI生物医学工程新材料的开发图象数据处理分析新技术应用生理、神经生理及心理认知学科在功能影像学中的应用脑功能 神经生理、认知、记忆、精神疾病心功能肾功能 (4) 临床医学影像新技术发展极大地支持了临床医学，临床医学的要求促进了医学影像学科的发展。疾病良恶性鉴别诊断疾病临床分级及分期机体功能状态的评价手术计划设定及引导立体定向手术和放疗立体定向手术肿瘤分级分期手术模拟 二、数字化（digital)(一)CT技术开创了数字化新时代 自CT技术发明以来，计算机技术有力地支持甚至决定了医学影像学科的发展：1.成像数字化，使图像后处理技术成为可能。CT/MR

17、输出即为数字图象。传统X线技术升级为CR、DR。DSA技术本身就是数字成像。2.图像存储与传输数字化即所谓的图像存档传输系统（picture archive and communication system, PACS ）3.计算机辅助诊断（computer assistant diagnosis/ computer added detector-CAD）：如目前胸部和乳房DR就配制了CAD技术，对肿块的检测有一定帮助。（二）图像后处理技术成像数字化使医学图像后处理成为可能，图像后处理技术一般有：图像重建技术图像融合技术图像分隔技术图像配准技术结构分析技术功能分析技术临床实际工作中多采用现成的

18、（商业)软件,使用好这些商业软件是我们医、技、工的头等重要任务。1. 图像重建-三维可视化可造成优良的视觉效果，对临床诊治非常有帮助，发展十分迅猛,也较为成熟,包括以下几种技术应用：(1).血管显影技术MRACTADSA3d-DSAMRACTA3d-DSA2.最大密度值投影3.最大表面积重建4.仿真内窥镜技术5.容积再现2. 图像融合技术 可以直接、真切、特异地反应机体的功能情况，但空间分辨率低。需要与高分辨的MR或CT进行融合。3. 其他后处理技术研究方向图像分隔技术图像配准结构分析运动分析（1）图像分隔将图像中具有特殊含义的不同区域区分开来，这些区域是互相不交叉的，每一区域都代表特定的含义

19、。把感兴趣的目标物体从复杂的背景中分离开来是其它处理步骤的基础,如三维可视化、计算机辅助诊断等都以图像分隔为基础。基于模糊连接图像分隔方法基于模糊连接图像分隔方法 分隔与三维重建三、功能化（functional) 20世纪90年代前期：核医学是唯一的功能影像技术。 20世纪90年代初期：功能磁共振成像（fMRI）和功能CT成像技术出现，引起了医学影像学的又一次革命的进步：突破了传统影像形态结构概念，成为一种探索机体生理功能及生化反应特征的工具，成为功能医学影像学的主体部分。 20世纪90年代后期：正电子发射断层成像（PET）技术的临床应用，极大地丰富了功能成像的内函。 新世纪初：PET-CT的

20、临床应用又把功能成像推向更高水平。形成了DSA、fMRI、CT以及PET-CT为一体的、相互补充的医学功能影像学。它将与分子成像构成一门崭新的现代医学影像学-功能分子影像学。 功能影像包括：1.核医学通过注射放射性示踪剂，与器官组织特异性结合，根据放射性示踪剂与器官的动态结合能力来检测组织的功能。 ECT 、SPECT、 PET等F-18 和 C-11 全身扫描 18F-FDG半衰期 110 分钟 11C-Acetate半衰期 20 分钟2.CT灌注成像静脉内注射造影剂，通过测定脑血容量(CBV)及脑血流量(CBF)来反应组织的血供情况。目前16层以上的CT还可做体部灌注成像如肿瘤灌注等。 脑

21、灌注成像CT灌注成像显示左侧脑梗死半暗区 3.功能磁共振（fMRI） 医学影像研究最广泛、最热门的领域,包括：基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）的皮层激发功能成像弥散加权成像（diffusion weighted imaging, DWI)弥散张量成像（diffusion tensior imaging, DTI)MR灌注成像（perfusion weighted imaging ，PWI)MR波谱（MR spectroscopy，MRS） （1）BOLDfMRI狭义的fMRI即BOLD-fMRI。当某项任务造成皮层激发时，脑血氧

22、代谢水平的不匹配就造成了T2*信号的增强。常用于神经生理、心理认知及神经外科手术指导。BOLD-fMRI显示脑功能区 （2）MR灌注成像（PWI）A.外源性对比剂法：通过团注造影剂Gd，测定组织MR信号，通过测量CBV、CBF值来反应组织的血供，常用于肿瘤分级等。 B.内源性对比剂法：又称动脉质子标定。无需注射造影剂，通过特殊的MR序列（如FAIR），对1H进行预标定，达到感兴趣层时再测定其强度。 （3）弥散加权成像（DWI）不同组织1H，其布朗运动特征不同，通过测定此运动特征的弥散系数及成像来反应脑组织的病理变化。 （4）弥散张量成像(DTI)利用水的弥散特性来反应人体组织器官特征。常用于描

23、绘神经白质束，指导神经外科手术。 （5）磁共振波谱（MRS）不同组织含有不同化学物质，其中1H、31P或Na等成分不同，有特定的波峰坐标值。用于测定组织的生化成分，鉴别良恶肿瘤、脑梗死程度。(6)还有其它脑电磁生理功能成像方面脑磁图（magneoencephalogram，MEG）经颅磁激发系统(transcranial magnetic stimulation,TMS)脑电图（electroencephalogram，EEG）近红外光学成像 这两种常与MR解剖图像融合，用于研究心理认知功能，临床用作癫痫灶的定位诊断。TMS+MRIERP+MRI 四.分子化（molecular）分子影像学：是

24、综合影像技术、分子生物学、化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机等科学的一门新兴学科，与功能影像学合称为功能分子影像学，是本世纪最具发展前景的学科之一。Micro-CT/MRI分子探针（Molecular Probe）分子探针（特异性示踪剂）插入人体细胞内遇到特定分子或特定基因产物时发射信号PET、PET/CT、MRI或红外线记录其信号显示其分子图像、代谢图像、基因转变图像等。目前有多种分子探针技术，Zerhouni宣称，他发明的分子探针，已处于“革命化的边缘”。五.信息化(communication) 1、图像存储与传输系统：PACS的基本原理与结构图像信息的获取图像信息的传输图像信息的存

25、储与压缩图像信息的处理调用管理方便存储无胶片化传输方便迅捷2.信息放射学概念 信息放射学以放射学信息系统（RIS）、 PACS和互连网为基础。图像必须数字化，接口必须标准化（DICOM3.0）。质量控制（QC)质量保证（QA）影像信息存档与传输放射科工作管理远程放射学 六.诊断与治疗一体化现代医学影像学与传统影像学最大的不同点除了上面所述之外,诊断与治疗一体化显得越来越明显，形成了一门新的学科介入影像学,是微创医学的基础。技术主要包括：1.成形术 2.栓塞术 3.动脉内药物灌注术 4.经皮穿刺体腔减压术 5.经皮针刺活检术 6.消融术 腔道支架血管栓塞物线圈 介入术操作中股骨头缺血性坏死-溶栓治疗七.学科建设国外现状：1.学科专业化多有专门的医学影像实验室，作为科研及新技术开发基地。国外很多专业实验室（如fMRI、PET、PET-CT）有专门的设备，不需依附于医院。2.学科联合化国外专门实验室人才配备齐全，涉及理、工、医、生等多专业。医院独立成像设备贵重，动辄数百、千万计。只有作为医疗使用的医院才可配备。学科孤立使用维护昂贵，也只有用于临床，很少用于基础科研。缺乏与其他相关学科的联系。医院依赖如欲开展项目，必须与医院联合，鲜有自己有独立设备者。国