医学影像成像原理

1、关于医学影像成像原理第一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月第3章 医学影像成像原理现代医学影像的成像原理和技术路线从根本上说是依据电离辐射（如X射线、射线）和非电离辐射（如超声波）的自身性质和它们与物质的相互作用，并利用计算机等现代技术手段来采集成像数据，按一定的数学方法用计算机重建数字图像。因此，深入挖掘图像所蕴藏的生物信息和很好的控制图像质量，不但需要雄厚的医学知识，而且需要掌握各种成像技术的原理。 第二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1 X线成像原理X线的本质：电磁辐射常用X线诊断设备： X线机、数字X线摄影设备（CR、DR 、 DSA）和X线计算机体层（ X线CT

2、）3.1.1 X线的特征3.1.2 X射线成像原理3.1.3 计算机X线摄影（CR）3.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）第三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1.1 X线的特性X射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短的射线X射线的频率约在3101631020 Hz之间，波长约在1010-3nm之间 X线诊断常用的X线波长范围为0.0080.031nm 第四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1.1 X线的特性Hz第五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. X射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性 。（1）X射线的波动性 X射线同可见

3、光一样，具有干涉、衍射、偏振、反射、折射等现象，说明X射线具有波的特性。它的波动性主要表现在以一定的波长和频率在空间传播。它是一种横波，其传播速度在真空中与光速相同，可以用波长，频率f等来描述。（2）X射线的微粒性 X射线的波动性虽然可以成功地解释X线的干涉与衍射现象，但却不能解释X射线的荧光作用、光电效应、电离作用等。X射线在以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。说明X射线在与物质相互作用时交换能量。3.1.1 X线的特性第六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. X射线的波粒二象性X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，且有干涉、衍射等现象发生。X射线在与

4、物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。3.1.1 X线的特性第七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线与物质间的相互作用（1）X射线的穿透作用。因X射线波长短，光子能量大，物质对其吸收较弱，所以对物质有很强的穿透能力。其贯穿本领的强弱与物质的性质有关，如X射线的物质密度和原子序数等因素。 其贯穿本领的强弱与物质的性质有关3.1.1 X线的特征第八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线与物质间的相互作用（2）X射线的荧光作用。 X射线是肉眼看不见的，但当它照射某些物质时，能够使这些物质的原子处于激发态，当它们回到基态时就能够发出荧光。医学中

5、透视用的荧光屏、X射线摄影用的增感屏、影像增强器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。 （3）X射线的电离作用。 X射线虽然不带电，但具有足够能量的X光子能够撞击原子中轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。 电离作用也是X射线损伤和治疗的基础。 3.1.1 X线的特征第九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线与物质间的相互作用（4）X射线的热作用。X射线被物质吸收，绝大部分都将变为热能，使物体温升。 （5）X射线的化学效应。X射线能使多种物质发生光化学反应。例如，X射线能使照相底片感光。（6）X射线的生物效应。 生物组织经一定量的X射线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、

6、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。3.1.1 X线的特征第十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1. 2 X射线成像原理当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X 射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-ray tube，球管）。1X射线的产生X射线的产生需要的基本条件是：（1）有高速运动的电子流；（2）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量。第十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低

7、压电源，如图3.2所示。 3.1. 2 X射线成像原理在这一过程中，约不到1的动能转变为光能向外辐射，辐射出来的射线就是X射线，而99以上的能量转变为热能。第十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线人体成像使用X射线对人体进行照射，并对透过人体的X射线信息进行采集、转换，并使之成为可见的影像，即为X射线人体成像。（1）X射线影像的形成 当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时，X射线一部分被吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异，对投照在其上的X射线的吸收量各不相同，从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息，最终

8、形成X射线信息影像。X射线信息影像不能为人眼识别，须通过一定的采集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光的强度分布，形成人眼可见的X 射线影像。3.1. 2 X射线成像原理第十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 人体不同密度组织与X线成像的关系不同密度组织结构由于吸收程度不同，在X线胶片上或荧屏上显出具有黑白或明暗对比、层次差异的X线影像。病理变化也可使人体组织密度发生改变。例如，肺结核病变是在原属低密度的肺组织内产生中等密度的纤维性改变和高密度的钙化灶。使用X射线拍摄的胸片上就可以清晰地显示肺影的背景位置出现代表病变的白影。因此不同组织密度的病理变化可产生相应的病理X线影像。

9、 图3.3 人体不同密度组织(厚度相同)与X线成像的关系第十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 人体不同厚度组织与X线成像的关系人体组织结构和器官形态不同，厚度也不一致，在组织密度相同的情况下，厚的部分，吸收X线多，透过的X线少，薄的部分则相反。 密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件第十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线人体成像（2）X射线的采集与显示 医用X射线胶片与增感屏 医用X射线胶片的主要特性是感光，即接受光照并产生化学反应，形成潜影（latent image）。 经过对有潜影的胶片处理（暗室处理：显影、定影等），使胶片上的潜影转变

10、为可见的不同灰度（gray）分布像。X射线照射的胶片，经过显影、定影后，胶片感光层中的卤化银还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高，则吸收X射线多，透过的X线少,在X射线照片上呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上呈黑影。3.1. 2 X射线成像原理第十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线人体成像（2）X射线的采集与显示 医用X 射线胶片与增感屏 医用X射线增感屏为荧光增感屏，其增感原理为增感屏上的荧光物质受到X射线激发后，发出易被胶片所接收的荧光，从而增强对X 射线胶片的感光作用。 主要目的是：在实际X

11、射线摄影中，仅有不到10%的X射线光子能直接被胶片吸收形成潜影，绝大部分X射线光子穿透胶片，得不到有效的利用。因此需要利用一种增感方法来增加X射线对胶片的曝光，降低X射线的辐射剂量。常采用措施是在暗盒中将胶片夹在两片增感屏之间，然后进行曝光。第十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X射线人体成像（2）X射线的采集与显示 X射线电视系统X射线电视系统主要包括X射线影像增强器、光学图像分配系统、含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。 X射线影像增强管是影像增强器的核心部件。 随着计算机技术的发展，有大量自动化控制成像和信息处理方法融入普通X线摄影技术之中。包括计算机X线摄影

12、、直接数字化X线摄影等。大大提高了普通X线成像质量。3.1. 2 X射线成像原理第十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1.3 计算机X线摄影（CR）计算机X线摄影（Computed Radiography，CR）是将X线透过人体后的信息记录在成像板（Image Plate，IP）上，经读取装置读取后，由计算机以数字化图像信息的形式储存，再经过数字/模拟（D/A）转换器将数字化信息转换成图像的组织密度（灰度）信息，最后在荧光屏上显示。其中，成像板是CR 成像技术的关键。第十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. 成像板（IP）成像板（IP）是使用一种含有微量素铕（Eu2+

13、）的钡氟溴化合物结晶制作而成能够采集（记录）影像信息的载体，可以代替X线胶片并重复使用2-3万次。IP板可在普通室内明间进行操作，无需暗室处理，处理速度快。当透过人体的X线照射到IP板上时可以使IP板感光并形成潜影以记录X线影像信息。 成像板的构造： （1）表面保护层。（2）辉尽性荧光体层。（3）基板（支持体）。（4）背面保护层。3.1.3 计算机X线摄影（CR）第二十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. CR 系统成像的基本过程 （1）影像信息的采集：携带人体信息的X射线照射IP板后，IP板将X射线的能量以潜影（模拟信号）的方式贮存下来，完成对影像信息的采集（记录）。（2）影像信息

14、的读取： 要将贮存在IP板中以模拟信号的形式记录的影像信息读出并转换成数字信号，需使用激光扫描仪。如图3.6所示，随着由高精度步进电机带动IP板匀速移动，激光束经摆动式反光镜的反射，在与IP板垂直的方向上，依次对IP板进行精确、均匀地扫描。与此同时，随着激光束的扫描，IP板上释放出与贮存的影像信息相应的荧光并被自动跟踪集光器收集，经光电倍增管转换成相应强弱的电信号，进一步放大后由A/D转换器转换成数字化的影像信号并输入到计算机中。在计算机显示器上电信号被重建为可视影像，并根据诊断需要对图像进行数字处理。在完成对图像的读取后，由激光扫描仪对IP上的残留信号进行消影处理，为下次使用做好准备。3.1

15、.3 计算机X线摄影（CR）第二十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. CR系统成像的基本过程 与普通X摄影相比较，CR的优点是： 宽容度大，摄影条件易选择。 可降低投照辐射量：CR可在IP获取信息的基础上自动调节放大增益，最大幅度地减少X线曝光量，降低病人的辐射损伤。 影像清晰度较普通片高。 对影像可进行后处理，对曝光不足或过度的胶片可进行后期补救。 可进行图像传输、存储。由于激光扫描仪可以对IP上的残留信号进行消影处理，IP板可重复使用2-3万次。3.1.3 计算机X线摄影（CR）第二十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）直接数

16、字化X射线摄影(Digital Radiography，DR)是在具有图像处理功能的计算机控制下，采用一维或二维的X射线探测器直接把X射线信息影像转化为数字图像信息的技术。 当前DR设备主要采用二维平板X射线探测器（flat panel detector，FPD)，包括：（1）非晶态硅平板探测器先经闪烁发光晶体转换成可见光再转换为数字信号（2）非晶态硒平板探测器 将X线直接转换成数字信号第二十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）第二十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2 X-CT成像原理X-CT与X射线摄影相比较有很大区别， X射

17、线摄影产生的是多器官重叠的平片图像CT是用X射线对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像，显著的扩大人体的检查范围，提高病变的检出率和诊断准确率X射线平片与CT断层对比图 第二十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 X-CT（X-ray computed tomography, X-CT）是运用扫描并采集投影的物理技术，以测定 X 射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再将其转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术，X-

18、CT成像的本质是衰减系数成像。3.2.1. X-CT成像技术第二十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. X-CT成像装置与流程X-CT成像装置主要由X线管、准直器、检测器、扫描机构、测量电路、电子计算机、监视器等部分所组成的。X-CT成像流程是：X线首先经过准直器形成很细的直线射束，用以穿透人体被检测的断层平面。X线束经人体薄层内器官或组织衰减并透射出后到达检测器，检测器将接收人体该断面不同方向、不同密度的组织器官对X线的衰减值，并将相应的图像信息转变为对应的电信号。通过电子测量电路将电信号放大，再由模数转换器（A/D）将其变为数字信号，送给计算机系统进行处理。计算机系统按照设计好

19、的图像重建方法，对数字信号加以一系列的计算和处理等，得出人体断层平面上器官或组织密度数值分布情况,然后把它们按电视监视器（TV monitor）扫描制式进行编码，以便在屏幕上依据不同器官或组织的密度表示出不同的灰度，显示人体该断层平面上的器官或组织密度的图像。 第二十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2.1. X-CT成像技术2. X-CT成像的数据采集与处理X-CT成像的数据采集是利用X线管和检测器等的同步扫描来完成的。检测器是一种X线光子转换为电流信号的换能器。X-CT成像的数据采集根据X-CT成像的物理原理进行的。 X线管发出直线波束 第二十八张，PPT共九十九页，创作于2

20、022年6月2. X-CT成像的数据采集与处理下面以X线管发出的直线波束和单一检测器为例说明数据采集的基本原理。如图3.10a所示，第一次扫描先采用等间隔直线平移，X线束对被测人体断层每扫描一个间隔，接收的透射X线强度信号经计算可得到该处吸收系数之和的数值。当直线平移扫描完断层后，就获得此方向上的一组吸收系数之和与X线扫描位置的曲线，如图3.10b。我们把这个曲线称为X线束经被测人体吸收后在该方向上的投影（Projection），投影上各点数值称为投影值。第一次直线平移扫描后，扫描系统需要旋转一个小角度来改变方向，作第二次直线平移扫描，又可得到另一方向上的投影。重复此过程，就能得到被测人体整个

21、平面在所有方向上X线束的投影。设每次直线平移扫描间隔为180次，即一个方向上的投影可得到180个投影值，如果把被测人体断层分成180180个单元体，就必须旋转180次角度，为了不进行重复扫描，则每次旋转角度为1。因此，从X线束扫描被测人体断层中，能得到 180180个投影值，相应地可建立180180个方程，通过计算求解出180180个单元体对应的X线吸收系数。 第二十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X-CT成像的数据采集与处理衰减值位置图3.10 X线束平行扫描的数据采集第三十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X-CT成像的数据采集与处理综上所述，X线穿过人体的

22、过程中，在受检体内欲成像的层面可被看作为一系列二维的体积元（体素）组成的面阵，并由计算机对其进行空间位置编码，当X线进行扫描时，计算机将计算出每个单位容积的X线吸收系数（也称作衰减系数值）。将值换算成CT值，即可以作为表达组织密度的统一单位。人体组织与器官的CT值等于该物质的吸收系数m与水的吸收系数w之差，再与水的衰减系数相比之后乘以1000。其单位名称为Hu (Hounsfield Unit), 1000为Hu的分度因素。人体组织的CT值界限可分为2000个分度，上界为骨的CT值(1000Hu)，下界为空气的CT值（-1000Hu）。这样分度包括了由最高密度（骨皮质）到最低密度（器官的含气部

23、分）的CT值。常规人体组织的CT值如表3.3。第三十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月2. X-CT成像的数据采集与处理组织器官CT值（HU）组织器官CT值（HU）骨组织400肝脏5070钙化80300脾脏3560血块或新鲜出血6484胰腺3055脑白质2535肾脏2550脑灰质2844肌肉4055脑脊液38胆囊1030血液1332甲状腺5090或更高空气200以上脂肪20100表3.3 常规人体组织的CT值 在求得人体组织与器官的CT值后，经计算机重建并依据不同器官或组织的密度表示出不同的灰度，在屏幕上进行显示即得到断层平面上的器官或组织密度的图像。 第三十二张，PPT共九十九页，

24、创作于2022年6月3.2.2 X-CT 的扫描方式目前CT的扫描方式从机械扫描方式发展到电子束扫描方式，探测器数量也从原始的1个发展到现在的多达4800个，扫描速度更快、成像时间更短，安全性也更高。CT的各种扫描方式中，单束平移-旋转方式、窄扇形束平移-旋转扫描方式、旋转-旋转方式、静止-旋转方式的共同点是都需要X射线管和检测器之间进行同步扫描机械运动。为满足人体动态器官的检查，需要进一步提高扫描的速度，在静止-旋转扫描模式基础上发展出来的电子束扫描方式，没有机械运动，大大地提高了扫描速度，可以实现对人体心、肺等动态器官的检查。 第三十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2.2

25、X-CT 的扫描方式1. 单束平移-旋转（T/R）方式单束扫描是由一个X射线管和一个检测器组成，X射线束被准直成笔直单射线束形式，X射线管和检测器围绕受检体作同步平移-旋转扫描运动。这种扫描首先进行同步平移直线扫描。当平移扫完一个指定断层后，同步扫描系统转过一个角度（一般为1）后再对同一指定断层进行平移同步扫描，如此进行下去，直到扫描系统旋转到与初始值位置成 180角为止。这种扫描方式的缺点是射线利用率极低，扫描速度很慢，对一个断层扫描约需 5分钟时 间，只适用于无体动器官的扫描。单束平移-旋转方式 第三十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2.2 X-CT 的扫描方式2.窄扇形束

26、扫描平移-旋转（T/R）方式窄扇形束扫描称为第二代CT扫描。扫描装置由一个X射线管和630个的检测器组构成同步扫描系统。扫描时，X射线管发出角度为320的窄扇形射线束，630个检测器同时采样，并采用平移-旋转扫描方式 。窄扇形束扫描完一个断层的时间可降为10秒左右。可以实现对人体除心脏器官以外的其它各器官的扫描成像。这种扫描的主要缺点是：由于检测器排列成直线，对于X射线管发出的扇形束来说，扇形束的中心射束和边缘射束的测量值不相等，需校正，否则扫描会因这种运动而出现运动伪影，影响CT图像的质量。 窄扇形束平移-旋转扫描方式 第三十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3. 旋转-旋转（R/

27、R）方式 这种扫描称为第三代CT扫描，扫描装置由一个X射线管和由250700个检测器排列成一个可在扫描架内滑动的紧密圆弧形。X射线管发出张角为3045，能覆盖整个受检体的宽扇形射线束。 由于这种宽扇束扫描一次即能覆盖整个受检体，故只需X射线管和检测器作同步旋转运动。这种排列使扇形束的中心射束和边缘射束到检测器的距离相等，可减少中心射束和边缘射束的检测值差异。可靠性也比平移-旋转方式高。用此种方式对断层扫描所用的时间已降为1秒左右。这种扫描的缺点是：要对每个相邻检测器的接收灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转扫描运动会产生环形伪像。X线管旋转采样点检测器轨道检测器扇形X线束旋转-旋转扫描方式 第

28、三十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月4. 静止-旋转（S/R）方式这种扫描称为第四代CT扫描方式，扫描装置由一个X射线管和 6002000个检测器所组成。在静止-旋转扫描方式中，每个检测器得到的投影值，相当于以该检测器为焦点，由 X射线管旋转扫描一个扇形面而获得。静止-旋转扫描方式的优点是：每一个检测器上获得多个方向的投影数据，能很好地克服宽扇形束的旋转-旋转扫描方式中由于检测器之间差异所带来的环形伪影，扫描速度与静止-旋转方式相比也有所提高。检测器X线管轨迹X线管静止-旋转扫描方式 第三十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月5.电子束扫描方式电子束扫描又称为第五代CT，扫

29、描装置由一个特殊制造的大型X射线管和静止排列的检测器环组成。可用于心肺等动态器官的CT检查。在大型的X射线管内，从电子枪发射出的电子束经过两次磁偏转控制，产生的电子束高速地旋转偏转并撞击在X射线管的环形靶体上，然后沿环形靶体上发射出X射线，经准直后成为扇形束。扇形束透射受检体后的衰减射线束再投照在静止的检测器环上，便可检测出来自不同方位的投影值。真空泵靶环扫描床电子枪电子束聚焦线圈偏转线圈X线束电子束扫描方式 检测器第三十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2.3 螺旋CT工作原理1、螺旋CT扫描装置 螺旋扫描是指在扫描期间， X线管连续旋转并产生X线束，同时扫描床在纵轴方向连续移

30、动，这样，扫描区域X线束进行的轨迹相对被检查者而言呈螺旋运动，扫描轨迹为螺旋形曲线，这样可以一次收集到扫描范围内全部容积的数据，所以也称为螺旋容积扫描。 螺旋CT扫描装置包括探测器、X线管滑环、机架与检查床、控制台与计算机。其中滑环技术是螺旋扫描的基础，螺旋扫描是通过滑环技术与扫描床的连续移动相结合而实现的。第三十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2.3 螺旋CT工作原理2、螺旋CT扫描过程在螺旋扫描中，当扫描床匀速通过X线扫描时，X线管连续曝光旋转，如图3.16所示。X线管每旋转一周，床面移动的距离称为螺距(pitch)。不同于轴向扫描时产生的分离独立的数据组，螺旋扫描产生一组

31、连续的数据。螺旋扫描及层面投影 第四十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.2.3 螺旋CT工作原理3、多层螺旋CT扫描特点（1）降低X射线球管损耗。多层螺旋CT球管发射同等量的X射线，可以同时获得多层图像，提高X射线的利用率。（2）扫描覆盖范围更长。由于探测器具有多个数据采集通道，当层厚、扫描时间、螺距相同时，覆盖范围是单层的多倍。（3）扫描时间更短。由于取消了扫描时间间隔，单层螺旋扫描已经使检查时间缩短到传统CT扫描的十分之一。多层螺旋则使扫描时间又进一步缩短，在层厚不变，螺距相同的情况下，扫描时间仅为单层螺旋的1/2至1/64。（4）扫描层厚更薄。由于具有多个数据采集通道，可以在

32、一次扫描中，在同样的扫描时间内，完成更薄的层厚检查，提高空间分辨率。 现在广泛使用的多层螺旋CT，又称多层CT。它的结构特点是具备多排检测器和多个数据采集系统。第四十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3 MRI成像原理磁共振成像MRI是一多种特征参数、多种靶位核素的成像技术。目前临床上主要有氢核密度、弛豫时间 T1、T2和组织流动的成像。磁共振成像基本原理是利用特定频率的电磁波，向外在磁场中的人体进行照射，人体内各种不同组织的氢核在电磁波的作用下会发生核磁共振，并吸收电磁波的能量，随后再发射出电磁波。MRI系统探测到这些来自人体中的氢核发射出来的电磁波信号之后，经过计算机进行处理

33、和图像重建，即可得到人体的断层图像。由于氢核吸收和发射电磁波时会受周围化学环境的影响，所以从磁共振信号中获取的人体断层图像，不仅可以反映形态学的信息，还能够从图像中得到相应的与生物化学和病理学等有关信息。因此MRI被认为是一种研究活体组织、诊断早期病变的医学影像技术。 第四十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.1 磁共振现象1. 原子核的磁矩人体和其他物体一样，也是由分子、原子组成的。组成人体的元素主要有C、H、O、Ca、P及其他微量元素。每个原子都有一个原子核，原子核显正电性，因为作自旋运动而具有磁矩，称为核磁矩。在通常情况下，组成物体的原子核系统中每个磁矩的方向都是随意的，

34、磁矩间的磁性相互抵消，对外不表现磁性，其总磁矩为零。氢核系统处于外磁场中，由于平行于B0的分量多于反平行于磁场的分量，使得氢核磁矩不能完全互相抵消，于是在外磁场方向便出现一个磁矩，即磁化矢量或宏观磁矩M，这是氢核磁矩从无序排列变成有序排列的结果第四十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.1 磁共振现象2.原子核在磁场中的运动对同一种原子核，磁场愈强，原子核的旋进频率就愈高。而对不同种类的原子核，在相同的磁感应强度作用下，旋进频率不相同。处于磁场中的氢核磁矩，若在垂直于B0方向上再施加一个交变磁场，即射频（radiofrequency，RF）电磁波，氢核磁矩将吸收电磁波的能量，使部

35、分氢核被激发，称为共振吸收。去掉电磁辐射场后，氢核磁矩又会把吸收能量中的一部分以电磁辐射的形式发射出来，称为共振发射。大量氢核磁矩吸收和发射能量，都会在环绕氢核系统的接收线圈上产生感生电动势，这就是磁共振信号，其强度与参与共振氢核的数目及射频脉冲过后提取信号的时刻有关。 第四十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.1 磁共振现象3.核磁弛豫大量的氢核磁矩顺磁场方向排列并不随时间变化的状态，称为稳定平衡状态。如果受到电磁辐射激发，这时氢核磁矩就不能长久保持这种状态，它们会逐渐恢复到平衡状态。这个恢复过程称为弛豫过程，它反映了氢核之间以及氢核与周围环境之间相互作用的过程。恢复到原来平

36、衡状态所需的时间称为弛豫时间（relaxation time）。弛豫时间包括纵向弛豫时间T1与横向弛豫时间T2两种。 （1）纵向弛豫时间T1，是指高能态的核将其能量转移到周围分子而转变成热运动，恢复到低能态的过程所需要的时间。（2）横向弛豫时间T2，这种弛豫是通过相邻的同种核之间的能量交换实现的，反映横向磁化衰减、丧失的过程所需要的时间。第四十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理1. 磁共振成像的方法 MRI成像的指导思想是用磁场值来标定受检体共振核的空间位置。为了达到这一目的，人们在均匀的强磁场中叠加一个随位置坐标而变化的可控磁场，称为线性梯度磁场。然后通

37、过梯度磁场来建立共振信号与空间位置之间的关系。为了重建一幅断层图像，即建立起不同点的共振信号与位置坐标一一对应的关系。首先对观测对象进行空间编码，把研究对象简化为由若干个小体积（体素）的集合，然后依次测量每个体素，或将体素排列成线或面的信息量，再根据各体素的编码与空间位置对应关系实现图像的重建。 第四十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理（1）层面的选择 将待测物体置于一均匀磁场B0中，设磁场方向是Z轴方向，在均匀磁场的基础上，再叠加一相同方向的线性梯度场GZ使磁感应强度沿Z轴方向由小到大均匀改变 。由此可见，垂直于Z轴同一层面上的磁感应强度相同，不同层面（

38、图中l、2、3层面）梯度磁场的强度不同（层面箭头的长短不同），方向沿箭头所指方向。可设计电磁波RF脉冲的频率，使2层面的氢核发生共振，而l、3层面的氢核则不会发生共振。如果把RF脉冲的频率设计成其他层面的频率时，也可使其他层面氢核分别发生共振，这一过程称为层面的选择，也称作选片，所以称作选片梯度磁场。XYZB0GZ层面的选择 第四十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（2）编码 编码是将研究的物体断层分为若干个体素，对每个体素标定一个记号。经过选片后取出层面的若干个体素，由于整个层面处于相同的磁场中，故每个体素中的磁矩在磁场中旋进的频率和相位均相同。为在断层面空间对某个点进行区分，需要

39、在选择的层面进行二维定位，目前MRI使用的是频率与相位二种编码方法。 XYZB0GZ选片后层面的若干个体素 3.3.2 磁共振成像的原理第四十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（2）编码 频率编码。首先沿x轴方向选择某一条直线上的若干体素，沿y轴方向施加一个线性梯度磁场，这时层面上垂直于y轴方向的同一条直线的磁感应强度相同，而不同直线上的磁场则不同，磁矩旋进也有差异，用这种方法可以识别垂直于y轴的各条直线。 相位编码。沿x轴施加一个线性梯度磁场，并沿x轴使磁场强度由小逐渐变大，这时层面中垂直于x轴方向的同一条直线的磁场均相同，而不同直线磁场略有差异，磁矩旋进的速度也不一样，这就使各个

40、体素中磁矩旋进的相位发生变化，用这种相位差作为一种标记，可识别沿x轴方向的每一条直线上各体素的MR信号。XYZB0GZ选片后层面的若干个体素 3.3.2 磁共振成像的原理第四十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理（3）图像重建 经过选片、相位编码和频率编码，可以对整个层面的体素进行标定。由于观测层面中的磁矩是在RF脉冲激励下旋进，因此停止RF脉冲照射时，各体素的磁矩在回到平衡态的过程中，磁矩的方向发生变化，在接收线圈中可以感应出这种由于磁矩取向变化所产生的信号。这种感应信号是各个体素带有相位和频率特征的MR信号的总和。为取得层面各体素MR信号的大小，需要根据

41、信号所携带的相位编码和频率编码的特征，把各体素的信号分离出来，这一过程称为解码，由计算机完成。 计算机对探测到的信号进行计算，得到具有相位和频率特征的MR信号的大小，再根据这些信号与层面各体素编码的对应关系，依次将其显示在荧光屏上，信号大小用灰度等级表示，信号大，亮度亦大；信号小，亮度亦小。这就可以得到一幅反映层面各体素MR信号大小的图像。第五十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理2. 人体的磁共振成像氢核是人体MRI的首选核种。在人体各种组织中，含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的磁共振灵敏度高、信号强，这是氢核被首选作为人体成像元素的原因。表3.4给出人体

42、组织中氢核与其他元素磁共振信号的相对灵敏度，并规定氢的相对值为1。 元素相对灵敏度元素相对灵敏度 1H1.000 Na1*10-3 C 2.5*10-4 P1.4*10-3 14N 3.1*10-4 K1.1*10-4 O4.9*10-4 Ca9.1*10-6 F 6.3*10-6 Fe5.2*10-9表3.4 人体组织中氢核与其他元素的MR信号对比相对灵敏度 第五十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理2. 人体的磁共振成像由于MR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织和脏器含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则MR信号强度有差异，表3.5列出人体几种

43、组织和脏器的含水比例。利用这种差异作为特征量，把各种组织区分开，这就是氢核密度的MR图像。 表3.5 几种人体组织、肝脏含水比例组织名称含水比例组织名称含水比例皮肤69肾81肌肉79心80脑灰质83脾79脑白质72肝71脂肪80骨13第五十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理2. 人体的磁共振成像除了氢核密度可以作为成像特征信息外，人体不同组织的T1、T2值也可以提供诊断依据。尤其是人体正常组织与病变组织的含水量和T1、T2值均有显现差异，所以可以利用此特点从图像中把病变组织识别出来，从中还可以判断病变的不同发展阶段，为临床诊断提供依据。 人体组织的MR信号

44、强度取决于该组织中的氢核密度及其氢核周围的环境。这里所说的环境意指人体组织结构和生化以及病理状态。磁共振原理告诉我们，T1、T2反映了氢核周围环境的信息。换句话说，人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、T1和T2三个参数的差异及变化，是MRI用于临床诊断最主要的物理学依据。第五十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理2. 人体的磁共振成像第五十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.2 磁共振成像的原理2. 人体的磁共振成像第五十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.3磁共振成像系统 磁共振成像系统主要由磁场系统

45、、射频系统、图像重建系统三大部分组成。1. 磁场系统（1）静磁场。（2）梯度磁场。（3）场强与精度。2. 射频系统（1）射频发生器。（2）射频接收器。第五十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.3.3磁共振成像系统3.图像重建系统此系统的作用是进行图像信息处理，给出所激发层面的组织分布图像。工作过程是：由射频接收器送入信号，经AD转换器把模拟信号转变为数字信号，以便于贮存和计算机累加运算，经过累加处理的MR信号，得到具有相位和频率特征的MR信息，根据与观测层面体素的对应关系，经计算机运算和处理，得到层面图像数据，再经过DA转换，加到图像显示器上，按信号的大小用不同的灰度等级显示出所欲

46、观测的层面图像。 第五十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4 超声波成像原理超声波的频率范围一般在2104Hz5109Hz之间，在人耳听觉的频率范围之外。虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有此本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔，它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢？原因就是蝙蝠能发出210万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。第五十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用

47、“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置、距离等。那时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声波，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始研究将超声波应用于人体腹部器官、甚至周身器官的探测与诊治。如今超声波扫描技术已成为现代医学影像诊断不可缺少的工具了。第五十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减

48、。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线或影像的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。 第六十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月 医学上应用的超声成像是靠反射或散射回波来运载生物信息的。超声回波运载信息主要包括三个方面：大界面造成的反射波小粒子所引起的散射波生物组织对声能吸收所导致的回波幅值衰减 3.4 超声波成像原理第六十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.1 超声波的特性超声波的传播特性（1）方向性好。由于在同种介质中超声波长比普通声

49、波波长短得多，可以像光一样沿直线传播，具有很好的方向性。利用这一特点在医学探测时，可以起到很好的定位作用。 （2）强度高。超声波比普通声波具有大得多的能量。近代超声技术已能产生几百乃至几千瓦的超声波功率，医学上利用这一特点可以通过超声碎石法去除脏器中的结石。 （3）对液体和固体的穿透力强。虽然超声波在气体中能够被强烈吸收，但在液体和固体中吸收却很小。第六十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（4）反射与折射。超声波入射到人体组织或器官时引起返回的过程，称为声波反射。而声波穿过介质之间的界面，进入另一种介质中继续传播的现象，称为声波透射。当超声的入射方向不垂直于两种介质的界面时，它通过界

50、面进入另一种介质后改变传播方向的过程，称为声波折射。 反射与折射示意图 第六十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（5）散射与衍射。声波传播过程中，遇到直径小于波长的微小粒子，微粒吸收声波能量后，再向四周各个方向辐射球形波，这种现象称为声散射，散射现象是声波传播中最普遍、最基本的现象，也是脉冲回波技术的依据与超声诊断技术的基础。当声波传播过程中遇到与波长相当的障碍物，声波将绕过该障碍物而继续前进，这种现象称为声衍射。散射与衍射示意图 第六十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月（6）声波衰减。声波在介质内传播过程中，由于介质的热传导性、分子吸收以及散射等因素导致声能减少、声强减弱

51、的现象称为声衰减。在人体绝大多数软组织中，引起声波衰减的主要原因是声吸收，声波传播中的一部分能量被转化为热能，从而使继续传播的声强减弱。在人体组织中衰减程度一般规律是：骨组织（或钙化）肌腱（或软骨）肝脏脂肪血液尿液（或胆汁）。（7）超声多普勒效应。当声源与人体组织之间存在相互运动时，人体组织接收声波的频率会发生变化，这种现象称为多普勒效应。 第六十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.1 超声波的特性2超声波与物质作用的特性超声波会对人体组织产生各种生物效应，包括热效应和非热效应，其作用机制较为复杂。（1）热作用机制（2）机械作用（3）超声空化作用（4）化学效应第六十六张，PPT

52、共九十九页，创作于2022年6月3.4 超声波成像原理3.4.2 超声波的产生超声波的产生是对某些特殊材料加载高频交变电信号使之产生高频机械振荡而获得的。大多数超声诊断仪采用脉冲形式发射超声波，即每隔一定时间发射一个振荡脉冲，每次振荡持续的时间，称为脉冲宽度（约几微秒）。每秒发出振荡脉冲的次数，称为重复频率（约1000次秒）。高频脉冲发生器用来产生超声波频的电振荡。常用的超声波检查使用脉冲振荡发射器与超声回波接收器一体装置。 第六十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4 超声波成像原理3.4.3 超声波成像技术超声波探测技术可以分为两大类，即基于回波扫描的超声探测技术和基于多普勒效

53、应的超声探测技术。基于回波扫描的超声探测技术主要用于解剖学范畴的检测、了解器官的组织形态学方面的状况和变化。基于多普勒效应的超声探测技术主要用于了解组织器官的功能状况和血流动力学方面的生理病理状况，如观测血流状态、心脏的运动状况和血管是否栓塞检查等方面。第六十八张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4 超声波成像原理3.4.3 超声波成像技术1. 脉冲回波检测技术基于回波扫描的超声探测技术是利用超声波在传播路线上遇到介质的不均匀界面能发生不同频率与密度的回声波反射的物理特性来检测回波信号，并对其进行接收放大和信号处理，最后在显示器上显示超声检查图像。 目前，医生们应用的超声诊断方法有不

54、同的形式，可分为A型、B型和M型三大类。 第六十九张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. 脉冲回波检测技术（1）A 型超声A型显示是最基本的超声显示方式。A型超声是以波形来显示组织特征的方法，主要用于测量器官的径线，以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性，如实质性、液体或是气体是否存在等。脉冲之间的距离正比于反射界面之间的距离。A超主要用于颅脑的占位性病变的诊断。A型超声诊断仪仅能提供体内器官的一维信息，而不能显示整个器官的形状，目前在临床只起到定位的作用，远不如B型超声诊断仪应用广泛。第七十张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. 脉冲回波检测技术（2）M 型超声M型超

55、声诊断仪（简称M超）又叫超声心动仪之称。M型超声是用于观察心脏等活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的动态活动情况，其曲线的动态改变称为超声心动图，它能够用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等，多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。M超可用来研究心脏的各种疾病（常用频率为27MHz），也可对胎儿心脏搏动情况作检查。 第七十一张，PPT共九十九页，创作于2022年6月1. 脉冲回波检测技术（3）B 型超声B型超声诊断仪（简称B超）是目前超声图像诊断应用最广泛的机型。它得到的是脏器或病变的二维断层图像，并可以进行实时的动态观察。它还能与其它形式的超声设备复合成更先进的超声诊断系统对

56、运动脏器进行实时动态观察。B型超声是用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时，首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点，这些光点可通过荧光屏显现出来，这种方法直观性好，重复性强，可供前后对比，所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。第七十二张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.3 超声波成像技术2.多普勒效应的超声探测技术近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统，可在超声心动图解剖标志的指示下，以不同颜色显示血流的方向，色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来，并且还可以与其他检查仪器结合使用，使疾病的

57、诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用，随着科学的进步，它将更加完善，将更好地造福于人类。多普勒效应的超声探测技术是利用运动物体散射或反射声波时造成的频率偏移现象来获得人体内部器官如心脏、血液等动态检查信息。第七十三张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.3 超声波成像技术2.多普勒效应的超声探测技术（1）D型超声 D型超声全名为超声多普勒血流测量技术。它在医学临床诊断中用于心脏、血管、血流和胎儿心率的诊断，相应的仪器有超声血流测量仪、超声胎心检测仪、超声血管显像仪以及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等。根据电路的结构，超声多普勒成像大致可分为听诊型、指示记录型、

58、电子快速分析型和显像型四类，每一类中又可分为连续波式和脉冲波式。早期超声多普勒血流计以听多普勒频移的声音为主，目前已发展为带有计算机处理的超声多普勒实时显像仪。第七十四张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.3 超声波成像技术2.多普勒效应的超声探测技术（2）彩色多普勒血流显像仪 彩色多普勒血流显像仪(简称“彩超”)是利用红细胞与超声波之间的多普勒效应实现显像的。 彩色多普勒血流仪包括二维超声显像系统、脉冲多普勒（一维多普勒）血流分析系统、连续波多普勒血流测量系统和彩色多普勒（二维多普勒）血流显像系统。 第七十五张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.3 超声波成像技术2.

59、多普勒效应的超声探测技术（2）彩色多普勒血流显像仪 震荡器产生相差为/2的两个正交信号，分别与多普勒血流信号相乘，其乘积经模/数（A/D）转换器转变成数字信号，经梳形滤波器滤波，去掉血管壁或瓣膜等产生的低频分量后，送入自相关器作自相关检测。由于每次取样都包含了许多个红细胞所产生的多普勒血流信息，因此经自相关检测后得到的是多个血流速度的混合信号。把自相关检测结果送入速度计算器和方差计算器求得平均速度，连同经FFT处理后的血流频谱信息及二维图像信息一起存放在数字扫描转换器（DSC）中。最后，根据血流的方向和速度大小，由彩色处理器对血流资料作为伪彩色编码，送彩色显示器显示，从而完成彩色多普勒血流显像

60、。 第七十六张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4.3 超声波成像技术2.多普勒效应的超声探测技术（2）彩色多普勒血流显像仪 彩色多普勒又称二维多普勒，它把所得的血流信息经相位检测、自相关处理、彩色灰阶编码，把平均血流速度资料以彩色显示，并将其组合，叠加显示在B型灰阶图像上。它较直观地显示血流，对血流的性质和流速在心脏、血管内的分布较脉冲多普勒更快、更直观地显示。对左向右分流血流以及瓣口返流血流的显示有独到的优越性。但对血流的定量不如脉冲波和连续波多普勒。 第七十七张，PPT共九十九页，创作于2022年6月3.4 超声波成像原理3.4.3 超声波成像技术3. 超声波成像特点（1）软组