医学影像成像理论医学影像成像理论第一章 绪论第一节 医学成像技术的分类课件

1、医学成像原理1学习内容主要内容：各成像技术的相关概念、成像原理，包括模拟X线，数字X线，CT成像、超声（US）成像、磁共振（MRI）成像。学习重点：数字X线、CT、US、MRI成像原理考核方式：平时成绩30%+考试成绩70%2教材及参考资料教材：医学影像成像理论，李月卿，人民卫生出版社，第2版参考资料：医学成像原理，顾本立，科学出版社，2012年医学成像的物理原理，汤乐民，科学出版社，2012年医学成像的基本原理，黄力宇，电子工业出版社34学时分配（共九章，40理论学时，1-7周）章节学时章节学时第一章 绪论2第七章 磁共振成像6第二章 放射物理基础6第八章 超声成像6第三章 模拟X线成像4第

2、九章 核医学成像2第四章 数字X线成像6考前模拟测试2第六章 CT成像65第一章 概论6生物医学信号的分类由生理过程自发产生的主动信号，例如心电（ECG）、脑电（EEG）、肌电（EMG）、眼电（EOG）等电生理信号和体温、血压、脉博、呼吸等非电生信号。它们是对人体进行诊断、监护和治疗的重要依据。外界施加于人体、把人体作为通道、用以进行探查的被动信号，如超声波、同位素、X 射线等。关于生理、病理状况的信息将通过被动信号的某些参数来携带。7医学影像技术概念8医学影像技术借助于某种介质X线电磁场超声波放射性核素可见光红外线微波与人体相互作用理工学基础理论和技术人体内部组织器官的结构、功能等具有医疗情

3、报的信息源（提取信息）传递影像信息接收器影像判读诊断医学影像技术包括：9X线摄影（radiography）X线计算机体层成像（computed tomography，CT）磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）超声成像（ultrasound imaging，USI）放射性核素成像（radioactive nuclide imaging，RNI）可见光成像、红外成像和微波成像等。第一节 医学成像技术的分类10医学成像技术分类11按成像原理和技术的不同分生物医学显微图像学（biomedical microimaging，BMMI）现代医学影像学（modern m

4、edical imaging，MMI）信息载体X线成像磁共振成像超声成像放射性核素成像其他成像 一、X线成像121895年，伦琴发现X线1972年，Hounsfield研制成功世界上首台用于颅脑的X线计算机体层摄影，Cormark对CT扫描图像进行重建。1979年获诺贝尔奖。X线成像原理13X线球管人体X线各组织密度、原子序数、厚度不同含有人体信息的X线对比度接收器屏-片系统影像增强器影像板平板探测器可见影像图像处理X线成像实质是成像组织结构对X线衰减程度的模拟。数字X线设备141983年，日本富士公司首推计算机X线摄影（CR）系统1997年后，数字X线摄影（DR）、数字减影血管造影（DSA）

5、设备相继问世数字X线设备信息处理过程15X线信息探测器电信号A/D数字化影像计算机图像处理人工智能技术特征信息/计算机辅助诊断（CAD）医学影像存储与通信系统（PACS），实现远程诊疗二、X线计算机体层成像16CT成像原理将衰减系数分布情况以灰度方式显示CT成像优势获得无层面组织外结构干扰的横断面图像，能准确地反映横断平面上组织器官的解剖结构；密度分辨力高，能显示出普通X线检查不能显示的病变；能够准确地测量各组织的X线衰减值，可通过各种计算定量分析；可进行各种图像的后处理。17CT技术发展181989年，在滑环技术基础上，螺旋CT问世1998年，多层面CT诞生，心脏动态成像得以实现2004年，

6、推出64排螺旋CT，又称容积CT2005年，双源CT研制成功，实现单扇区扫描三、磁共振成像发现：1946年，美国斯坦福大学布洛赫（Felix Bloch）和哈佛大学的珀塞尔（Edward Purcell）首先发现了磁共振现象。20世纪70年代，美国纽约州大学的马迪安（Raymond Damadian）和劳特伯（Pual Lauterbur）将磁共振用于医学成像。20世纪80年代被快速地发展起来称为医学影像新技术。19MRI成像原理通过对静磁场（B0）中的人体施加某种特定频率的射频脉冲（radio frequency，RF）电磁波，使人体组织中的氢质子（1H）受到激励而产生磁共振现象，当射频脉冲

7、中止后，1H在弛豫过程中发射出射频信号（MR信号），被接收线圈接收（探测器），再利用梯度磁场进行空间定位，最后进行图像重建而成像的。20MRI特点以RF脉冲作为成像的能量源， 不使用电离辐射，对人体安全、无创；图像对脑和软组织分辨力极佳，能清楚地显示脑灰质、闹白质、肌肉、肌腱、脂肪等软组织以及软骨结构；多方位成像；多参数、多序列成像；选择性成像；可进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。21四、超声成像超声成像原理：大多是采用脉冲回波方式成像，即用一个短暂的电脉冲激励换能器晶片，使之振动产生超声波并射入体内，进入体内的超声波在遇到组织界面时，就会产生较强的回波信号。根据接收到的回波信号

8、可以直接获取扫查平面上的人体组织结构图像。22abca、b、c代表在人体组织中不同深度的反射体超声波频率选择因超声波在人体组织中的衰减与频率近似成正比关系，故应根据扫查组织深度及分辨力要求灵活选用超声波频率。23部位频率/MHz腹部等较深部位1.03.0眼部、皮肤等浅表组织20血管内40超声成像的突出优点无电离辐射，对人体无损、无创；可提供人体断面实时的动态图像，广泛地用于心脏、腹部的检查；可借助经典的多普勒原理进行超声血流检测，用于对心血管和脑血管等疾病的诊断。24超声成像新技术：三维超声、四维超声、彩色多普勒能量图、谐波成像技术等。五、放射性核素成像25主要是利用人体内不同组织对放射性核素

9、的吸收情况不同，通过示踪剂在体内和细胞内转移速度和数量的差异及变化而产生特征图像，从而提供脏器的形状、大小、功能和血流量的动态测定指标，以及测量病变部位的范围，能反映体内生理、生化、病理情况，可显示组织、器官的功能等。是目前核医学研究和临床诊断所采用的主要手段。六、其他成像可见光成像：内镜技术，如电子内镜、激光纤维内镜红外成像：主要用于人体浅表疾病的探查微波成像：微波层析成像、微波热声成像电阻抗成像：26第二节 医学影像成像的基本条件27广义的摄影（成像）：是应用光或其他能量来表现被照体的信息状态，并以可见的光学影像加以记录的一种形式。成像系统：即将信息载体表现出来的信号加以处理，形成表现信息

10、影像的系统。成像程序为能量信息信号检测图像形成。成像三大要素：成像的信息源（被检体）、信息载体与信息检测（接收器）、对形成的影像进行判读（影像视读）28一、信息影像的传递与形成（一）模拟X线信息影像的传递与形成29被照体转 换 介 质X线I0X线信息影像载有信息成分的X线强度I的不均匀分布（输入信息）转换为二维荧光强度不均匀分布传递给胶片形成银颗粒的不均匀分布（潜影形成）观 察 器密度影像，经显影加工成二维光学密度分布密度分布转换为光学的空间分布视网膜视觉影像大 脑意识影像，识别、判断形成诊断诊断输出X线摄影的目的：掌握和控制X线影像形成的条件，准确地最大限度地从被照体中取得有用信息，并尽可能

11、真实地转换成可见影像；或者说，在允许的辐射剂量内获得最有效的影像信息。30（二）数字X线信息影像的传递与形成基本上与模拟信息影像的传递与形成相同，不同之处主要是影像信息的传递过程中增加了模/数转换，即将模拟信息转换成数字信息，而后进行各种处理和图像重建，最后还要将数字影像通过数/模转换成可以视读的模拟图像。31二、信息源（被检的人体）（一）X线成像X线成像是X线束进入人体后，一部分被人体组织结构吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向向前传播。X线通过人体的衰减规律一般采用单能窄束X线的衰减指数衰减规律。当X线的衰减以光电吸收为主时被检体的线性衰减系数与人体组织的原子序数Z、密度存在着如下关系：3

12、2因此，一束强度为I0的原发X线透过人体组织后其透过X线强度I是不一样的，即产生了X线对比度（KX）。注意：人体组织不是一种单质，而是一种复合物，所以其原子序数应为有效原子序数 。33人体组织结构骨骼肌肉脂肪空气衰减系数衰减差异的大小形成了X线影像的对比度影像接收器可见X线影像X线成像的信息源是人体的组织结构。X线在透过人体时，主要发生光电效应和康普顿效应两种作用形式的衰减。34X线的总衰减设为10042kV90kV73kV（二）磁共振成像35磁共振成像（MRI）是处于静磁场（B0，也称主磁场或外磁场）中的氢质子（1H）在RF脉冲磁场激励下发生磁共振现象，RF脉冲停止后发生弛豫现象而获得磁共振

13、信号，这种信号的强弱与人体组织的1H密度密切相关。在人体组织各种组织结构中，1H占原子数量的2/3，而且1H为磁化最高的原子核，所以MRI成像的信息源是利用人体中自旋不为零1H。MRI包含的信息纵向弛豫时间T1；横向弛豫时间T2；1H的密度；流体的流动效应；不同组织的磁敏感性；1H所处的局部化学环境（如甲醇分子CH3COOH中的两种H）；水质子状态（游离态或结合态）；组织方向及分子的大小等的不同，呈现出不同的MR信号。36（三）超声成像37超声成像的信息源是被检体内各种组织结构、脏器界面对超声波的声阻抗Z。将接收到的回波信号进行亮度调制（四）放射性核素成像核医学显像是脏器内、外或脏器内各组织之

14、间、脏器与病变之间的放射性药物分布存在浓度差别，选择能够聚集在特定脏器、组织和病变的放射性药物，使该脏器、组织或病变与邻近组织之间的放射性浓度差达到一定程度。即放射性核素成像的信息源是放射性药物在脏器、组织或病变与邻近组织之间的放射性浓度差异。38三、信息载体（一）X线对于X线成像来说，一次成像过程中，X线管发出的X线束的强度（I0）是基本均匀的，其穿过人体不同组织结构时由于各种组织对X线衰减程度（）的不同，致使透过各种组织结构到达影像接收器的X线强度I（影像信息）不同。因此可以说X线是人体组织结构信息的载体。X线对人体不同组织穿透性能的差别，是X线摄影和透视的基础。39（二）射频电磁波在静磁

15、场B0中被检体中的1H收到一定频率的RF电磁波作用时，在1H的能级之间发生共振跃迁，产生磁共振现象。1H吸收射频电磁波能量发生跃迁，当RF停止后又会释放出能量恢复到初始状态，产生MR信号（T1、T2、T*等弛豫信号），用MR接收线圈采集MR信号。MR信号产生必须具备三个基本条件：即能产生共振跃迁的原子核1H、静磁场B0、产生一定频率电磁波的交变磁场。射频电磁波是产生和传递MR信号的信息载体。40（三）超声波超声探头发射的超声波经声阻抗Z不同的组织界面时会发生反射、透射、散射现象，其反射声波带回了脏器界面的形状轮廓；透射声波进入另一组织后碰到新的组织界面又反射回另一脏器的界面；超声波遇到小的障碍

16、物（如细胞）时会产生散射，散射波带着脏器的信息被探头接收。USI中超声波是人体组织结构、脏器信息的载体。41（四）放射性药物在核医学成像中用各种方法将放射性药物注入人体需要显像的部位，再利用人体内的放射性核素所放出的射线信号，反映放射性核素的浓度分布，显示人体组织器官、脏器的形态学信息和功能信息；放射性核素示踪技术能准确定量地测定代谢物质的转移和转变，可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并对组织器官进行定量分布。核医学成像中放射性核素是人体组织结构、脏器信息的载体。42四、信息检测各种不同的成像技术其影像信息的检测（探测器）不同。常用的信息检测器：模拟X线成像中的屏-片系统、X线电视中

17、的影像增强器（I.I），CR中的成像板（IP），DR中的平板探测器（FPD），CT中的探测器、MRI中的接收线圈，超声成像中的探头以及核医学成像中的放射性探测器。43（一）屏-片系统屏-片系统即增感屏与X线胶片组合系统，是透过被检体后带有人体信息的接收介质，即接收器或称为带有人体信息的X线探测器。44工作原理：通过人体的X线到达增感屏的荧光体层时激发增感屏发出荧光，并将荧光强度分布传递给胶片，与X线胶片的感光乳剂层中的卤化银AgX发生光化学反应，形成银颗粒分布的潜影（Ag原子）；在潜影的催化下，已经过X线曝光的胶片经显影处理，将胶片上大量的AgX还原成Ag原子；大量的Ag原子形成二维的光学密度

18、分布，形成了模拟X线影像的X线照片。45（二）影像增强器-X线电视早期的X线透视成像荧光影像很弱，只能在暗室中进行。现在的X线透视成像是将透过人体的X线照射到影像增强器，I.I将荧光强度增强，然后输送给X线电视，使之成为可见的视频影像。46（三）成像板在CR中使用成像板（IP）作为影像信息的接收器。CR系统中，透过人体的X线入射到IP板时，X线量子被IP中的光激励发光物质层内的荧光颗粒吸收，释放出电子，其中一部分散布在成像层内呈半稳定状态，形成潜影；将形成潜影的IP进行激光扫描时，半稳定状态的电子转换为光量子，发生光激励发光现象，光量子被光电倍增管检测到，将光信号转化成电信号并放大，再经模/数转换器转换成数字信号，进行处理后形成数字影像。47（四）平板探测器DR中使用两种平板探测器（FPD）作为影像信息的接收器，即直接转换FPD和间接转换FPD。直接转换FPD分为非晶硒为光电材料的FPD和多丝正比电离室型，是将透过人体的X线影像信息直接转换为数字信息；间接转换FPD分为CsI+a