医学影像系统原理1old课件

1、 医学影像系统原理导论丁明跃华中科技大学生物医学工程系“图像信息处理与智能控制”教育部重点实验室2022/10/32 一、什么是医学影像技术？二、医学影像技术分类三、医学影像技术在临床医学及医学研究中的应用四、医学影像技术发展与未来目录 3什么是医学影像技术？医学影像技术是借助于某种介质(如X-射线、电磁场、超声波、放射性核素等)与人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以影像的方式表现出来，提供给诊断医生，使医生能够根据自己的知识和经验针对医学影像中所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的一门科学技术（李月卿，李萌，医学影像成像原理，人民卫生出版社，）。What is med

2、ical imaging?Medical imaging is the technique and process used to create images of the human body (or parts and function thereof) for clinical purposes (medical procedures seeking to reveal, diagnose or examine disease) or medical science (including the study of normal anatomy and physiology). Altho

3、ugh imaging of removed organs and tissues can be performed for medical reasons, such procedures are not usually referred to as medical imaging, but rather are a part of pathology. SPECTPET/CT10MRI images acquired on 7T Varian/Magnex超声图像12医学影像技术所涉及的专业领域医学影像成像，medical imaging,又称为医学成像，是指对于人体内部组织、器官的形态结

4、构、密度、功能等信息的获取，以及图像的形成、存储、处理、分析、传输、识别与应用的一门多学科交叉科学技术，它涉及到物理学、材料、计算机、图像处理、医学等，是医学物理学的重要分支。医学影像成像主要内容可归纳为三大部分：医学影像成像原理、医学影像处理技术和医学影像临床应用技术。14医学影像成像技术分类医学影像成像技术根据所研究的内容和层次，按其成像原理和技术的不同，可分为两大领域：一是以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微成像（Bio-medical micro-imaging, BMMI）;二是以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现代医学成像(modern medical imaging,

5、MMI)。15现代医学影像成像技术分类X射线成像：测量穿过人体组织、器官后的X射线强度磁共振成像：测量人体组织中同类元素原子核的磁共振信号；超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波；核素成像：测量放射性药物在体内发射出的射线；光学成像：直接利用光学及电视技术观察人体器官的形态；红外、微波成像：测量人体表皮的红外和体内的微波辐射信号。17医学成像系统的评价形态学成像与功能成像。X射线成像等所能够显示的是人体结构的解剖学形态，对于疾病的诊断主要是依据形态学上的密度变化，它较难在病理研究中发挥作用。尽管放射性同位素成像的分辨率是比较低的，但是它能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题，功能

6、成像在临床诊断与医学研究中已越来越显示出它的作用。对人体的安全性。电离辐射对人体造成的损伤可大致分为两种：一种属于对照射体的直接损伤，如局部发红、脱发、增加某种疾病，如白血病的发病率等；另一种损伤是属于遗传性的，可能影响到下一代。18X-射线成像系统的历史与发展 X-ray photograph taken by Wilhem Conrad Roentgen (1845-1923), of his wifes hand in December 1895 (some sources give the date as 22 December 1895). 19X-射线(伦琴射线)的发明 Roent

7、gen was Professor of Physics at the University of Wurzburg, and it was in 1895 that he experimented with cathode rays and made the discovery which he named X-rays: the X signifying their unknown origin. The property which made X-rays so interesting was their ability to pass through matter. As a resu

8、lt it became possible for the first time to make visible images of the bones inside the body. This is the oldest surviving X-ray image of a part of the human body. 20X-射线成像X-射线的发明是医学影像发展史上的重要里程碑。于是，基于人体不同器官和组织对X-射线的不同吸收的基本原理，我们可以采用不同量化等级（即灰度）对于人体组织密度进行表征，从而区分不同器官和组织，达到对人体内部进行成像的目的。Wilhem Conrad Roen

9、tgen 因发明了X-射线成像技术于1901年12月10日荣获首次诺贝尔物理学奖。21X-射线成像发展经历模拟X射线成像增感屏-胶片成像系统计算机X射线成像数字减影血管造影DSA(Digital subtraction angiography) CR（computed radiography):采用可纪录并由激光读出X射线的成像板(Imaging plate, IP)DR（digital radiography):采用平板探测器(Flat panel detector,FPD)的数字X射线成像22CT成像发展经历1972年英国工程师G.N. Hounsfield发明了X射线计算机断层成像（X-

10、ray computed tomography, X-CT）扫描方式：单束平移-旋转方式窄扇形束平移-旋转方式宽扇形束旋转-旋转方式宽扇形束静止-旋转方式电子束扫描24与美国GE公司CT医学成像部首席科学家谢强教授合影27 三维CT图像28核磁共振成像发展经历 1946年，美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自对立地发现了核磁共振现象。由于这一发现在物理和化学领域具有的重要意义，E.Purcell和F.Bloch两人共同获得了1952年的诺贝尔物理奖。1971年美国纽约州立大学的R. Damadian利用核磁共振仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究发现

11、，癌变组织的T1,T2驰豫时间值比正常组织长。29核磁共振成像发展经历1973年美国纽约州立大学的P.Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，用两个充水试管获得了第一幅共振图像。1978-1980年磁共振成像方法得到不断发展，先后研究出梯度选层方法、相位编码成像方法、自旋回波成像方法以及傅立叶变换成像方法等。1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像。此后，又获得了人体的第一幅胸、腹部图像。30人脑核磁共振图像32核磁共振成像发展经历1980年磁共振机以商品出售磁共振血管成像（Magnetic resonance angiography）:时间飞跃法（Time of flight）相

12、位对比法(Phase contrast)对比增强法(Contrast enhanced MRA)33超声成像技术发展经历人耳能够感知的声音频率在，频率高于该范围的叫做超声波，简称超声。1950年，美国的D.H.Howry利用复合圆周扫描法得到了第一张人体组织横切面的超声影像图。1952年，Wild应用A型超声仪在临床进行超声诊断。1954年B型超声诊断应用于临床实践。34超声成像技术发展经历1957年，美国的J.J.Wild首次应用机械旋转探头（P型）伸入直肠内探查，摄取下腹腔内的体层像。同年，日本的里村茂夫首先将多谱勒效应的声学原理应用于超声诊断，利用连续波多谱勒判断心脏瓣膜病，为多谱勒超声

13、医学诊断的临床应用作出了重大贡献。1991年美国一家公司推出世界上第一台数字化超声系统。我国隶属于清华大学工业研究院的北京天惠华公司也在2003年推出了类似系统。35超声成像技术发展经历 三维超声是在传统二维超声基础上发展起来的一项应用技术，加拿大西安大略大学Robarts Research Institute 是世界上最早从事三维超声成像技术与应用的研究单位之一。以Fenster教授为首的研究小组从二十世纪九十年代就成功开发出该项技术，并先后申请了二十余项专利技术。 36加拿大Robarts研究所39与世界著名超声专家Chehem和Fenster教授合影(2006年2月)403D Ultra

14、sound image system based on rotational scanning41The comparison of 3D pork liver US image：Topview Traditional methodOur method42The comparison of 3D pork liver US image：Sideview Traditional methodOur method43平行扫描三维成像装置44用于扇形扫描的直肠探头45随机扫描三维超声成像装置46放射性核素成像发展经历放射性药物中所含的放射性同位素是不稳定性核素，其原子核处于不稳定状态，需要经过核内结

15、构和能级的变化才能趋于稳定的核素。它能自发地释放出核射线和能量而转换为另一种核素。放射性核素示踪技术放射性核素示踪技术就是以放射性核素或其标记物作为示踪剂（Tracer），借助核探测仪器追踪示踪剂在生物体内或体外的运动规律，并进行定量或定性分析，动态地研究物质的一些变化规律的方法，亦称为“示踪原子分析法”。 47放射性核素成像发展经历1958年美国的Hal-Anger成功研制出第一台照相机。发射型计算机断层成像（Emission computed tomography,ECT）是在体外从不同角度采集体内某脏器放射性分布的二维影像，后经过计算机数据处理重建，显示出三维图像。ECT根据所用的放射性

16、核素放出射线类型的不同分为两大类：一类是利用能放射光子的核素成像的单光子发射型计算机断层成像（Single proton emission computed tomography，SPECT）；另一类是利用+衰变核素成像的正电子发射型计算机断层成像(Positron emission tomography，PET)。48放射性核素成像发展经历SPECT只被动接受引入人体内的单光子放射性核素所发出的射线，在体外测定其分布浓度转化成电信号，在计算机辅助下经过重建影像得到断层图像。PET发射出的正电子在组织中很快与负电子相互碰撞而发生湮没辐射(annihilation radiation)，同时产生

17、两个方向相反、能量相同（511kev）的光子。由于正电子在组织中只能瞬态存在，故不能直接测量，只有利用测量湮没辐射的光子探测正电子的存在。49医学影像技术在临床医学及医学研究中的应用医学影像技术的应用主要表现在三个方面:疾病诊断介入治疗术后评价50采用扇形扫描所得到的前列腺三维超声图像51Prostate Brachytherpy:分割出的三维前列腺52针检测结果53用于前列腺癌治疗的三维超声成像系统54旋转扫描三维成像装置 55Carotid plaque segmentation:颈动脉三维超声图像56颈动脉斑块体积: 964 mm3三维超声图像中分割出的颈动脉斑块57xnzpxpznynBreast biopsy:三维超声图像导引的乳腺活检实验装置58医学影像技术发展与未来多模态图像融合分子成像介入治疗术后评价主要内容及课时安排绪论 2学时X射线成像技术 4学时CT成像技术 8学时MRI成像技术 8学时超声成像 4学时核医学成像 4学时讨论 2学时59考试方式及成绩计算开卷笔试总成绩=平时成绩+考试成绩 其中平时成绩占30%,考试成绩占70%.6061课程教材及主要参考教材课程教材： 余建明,医学影像技术学,科学出版社,2004年