第1章医学影像设备绪论2017

本章提要

医学影像设备是确定由于疾病或损伤所造成的机能失常的原因，获取人体内部结构的有关信息，用以了解人体内部病变是否存在及其病变的大小、范围、形态、范围与周围器官关系的设备。主要有：Ct、MR、DSA、CRDR核医学超声

本学科主要任务是：研究医学影像设备的基本结构、基本原理、基本应用、安装调试、质量保证和日常维护管理第一页，共75页。第一节X线成像设备的发展第二页，共75页。X线机第三页，共75页。第四页，共75页。一、初始阶段含气离子管产生X线、蓄电池供高压、裸线输送图像极差第五页，共75页。二、实用阶段真空技术发展1913年美国coolidge研制成功第一只热阴极、固定阳极X线管第六页，共75页。1915年，高压变压器和高压整流管相继投入使用，X线的量和质得以改善X线机的构造进入了电磁部件控制阶段，有了配合摄影、透视、治疗所需的机械结构和辅助设备第七页，共75页。三、提高完善阶段1927年，研制成功旋转阳极X线管。第八页，共75页。X线机结构更完善、更精密、多功能和自动化方向发展，各种预示电路稳压电路、保护电路也相继完善。高压发生器采用单相全波整流方式高压电缆由裸露式发展为防电击式机械和辅助设备结构更加坚固灵活有了断层、记波摄影、荧光摄影、放大摄影等设备。防护进一步加强第九页，共75页。四、影像增强器阶段20世纪50年代，出现了影增---X线电视成像系统第十页，共75页。X线机主机电路和机械结构实现了自动化和半自动化高压发生器采用高压硅堆整流器控制电路采用新型电子元件、数字技术、集成电路、自动检测、计算机系统机械结构更加紧密和灵活隔室操作更加有利于防护第十一页，共75页。五、数字化阶段20世纪80年代CR90年代末DRPACS全数字化医院平板探测器对普通放射和DSA的影响第十二页，共75页。CR图像处理系统第十三页，共75页。第十四页，共75页。第十五页，共75页。第二节CT成像设备的发展第十六页，共75页。第十七页，共75页。第十八页，共75页。第十九页，共75页。

●1972年Housfield发明头颅CT-非螺旋CT：

扫描部位的延伸

●80年代到90年代：扫描速度的角逐

●90年代到2000年：MSCT

●1989年，螺旋CT

●1998年，MSCT

●2004年，64层CT容积CT

●2005年，DSCT

●2009年，能谱CT

第二十页，共75页。一、提高速度（一）提高扫描速度1.提高轴向扫描速度（1）20秒阶段：平扫+旋转方式最快（2）1秒阶段：旋转+旋转最快（3)亚秒阶段：普通螺旋最快0.75秒（电机+皮带）（4）﹤0.5秒阶段：电磁驱动达0.35秒（5）﹤0.3秒阶段：利用超高速气动轴承和高压气流达0.27秒（6）﹤0.1秒阶段：第一代双源DSCT83毫秒（7）﹤50毫秒阶段：电子束CT25毫秒第二十一页，共75页。第一代双源CT安装有两套X线球管和两套探测器的CT机。两套采集系统成90°放置，一套覆盖全部50cm扫描野，一套覆盖26cm中心扫描野。可分别调节KV和mAs，可同时也可独自采集图像，时间分辨力明显提高。扫描参数：KV、mA、Time；准直器总宽度19.2mm，64层/周，最薄层厚0.3mm，球管旋转速率周第二十二页，共75页。2.提高容积扫描速度320排CT16cmcoverageperrotation320X0.5mmdetectorelements350msecrotationtime650lbpatientcouch第二十三页，共75页。（二）重建和处理速度得益于计算机技术的发展采用并行处理、多工作站流水作业，多处理器的工作站SCSI磁盘阵列光纤传输、千兆网络专用图像处理软件第二十四页，共75页。二、提高图像质量（一）空间分辨率指在高对比条件下（对比度差异大于10%）鉴别出细微差别的能力。是图像中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限，即对细微结构的分辨率。1.平面内的空间分辨率与探测器X轴方向密度有关2.Z轴空间分辨率层厚有关各向同性第二十五页，共75页。（二）时间分辨率是指CT扫描图像分辨运动器官部位的能力1.平面时间分辨率：轴向时间分辨率机架转速有关2.Z轴时间分辨率Z轴方向上覆盖范围内的扫描速度320CT各时同性第二十六页，共75页。第二十七页，共75页。三、拓展应用范围(一）心脏扫描要求转速小于0.5秒通过扇区重建技术来提高时间分辨率心电门控重建原理中，在机架旋转速度不变的前提下，可以采用螺旋扫描多个以上心动周期中同一时相获取数据重叠重建而获得图像，时间分辨率就成了可变值。第二十八页，共75页。扇区：是一周螺旋扫描中的一个数据段。在冠状动脉CT图像的重建中一般采用180°的扫描数据，称为单扇区重建。如果采用一段螺旋扫描中不同心动周期、相同相位两个90°的扫描数据合并重建为一幅图像，则被称为双扇区重建；目的主要是为了提高冠状动脉CT检查时的时间分辨率第二十九页，共75页。（二）CT灌注成像定义：是在静脉注射对比剂的同时对选定的层面进行连续多次动态扫描，以获得该层面内每一体素的时间密度曲线（TDC），然后根据曲线利用不同的数学模型计算出组织血流灌注的各项参数，并可通过色彩赋值形成灌注图像，以此来评价组织器官的灌注状态。利用影像技术进行灌注CTP可以测量局部组织血流灌注，了解血流动力学及功能变化，属于功能成像范畴。定量观察参数：血流量BF、血容量BV、峰值时间TTP、平均通过时间MTT、表面通透性PS等。常见临床应用：脑、心脏、肝脏、肾。第三十页，共75页。CBPMTTCT灌注彩图第三十一页，共75页。（三）双能量成像最早应用于DR和CT,2005年随着双源CT的应用而开拓了双能量成像的新领域。原理：利用X线与物质作用的衰减定律物理学家已经测定:物质的质量吸收系数随X线能量变化任何物质都有对应的特征吸收曲线吸收曲线能够用两个能量点来表达和CT有关的现象:CT值对应物体对X射线的线性吸收在连续能谱下物质吸收是平均效应不同能谱(kV)产生不同的平均效应第三十二页，共75页。目前两种方式：双源CT、高压发生器瞬时切换单源CT第三十三页，共75页。低能量图像有助于提高图像质量及病灶捡出率70keV混合能量50keV第三十四页，共75页。（四）仿真内镜技术利用计算机软件功能，将螺旋CT容积扫描获得的图像数据重组出空腔器官内表面的立体图像，类似纤维内窥镜所见。容积数据重建出立体图像是CT内窥镜成像的基础。CTVE目前多用于鼻腔、喉管、气管、支气管、胃肠道、输尿管、膀胱和大血管等但有组织特异性较差，且不能进行活检等第三十五页，共75页。结肠CTVE第三十六页，共75页。气管CTVE第三十七页，共75页。（五）各种后处理技术VR、MIP、MPR、SSD等各种后处理技术---进入多维诊断模式第三十八页，共75页。第三十九页，共75页。四、减少辐射剂量（一）硬件方面探测器灵敏度提高：气体-晶体-固态陶瓷-光子高频高压发生器准直器滤过器（二）软件方面管电流调制技术四维实时剂量调节技术前瞻性门控迭代重建技术第四十页，共75页。第三节磁共振成像设备的发展第四十一页，共75页。磁共振成像（magneticresonancimanging,MRI）是利用射频（radiofrequency,RF)电磁波对置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）,用感应线圈采集共振信号，经处理，按一定数学方法，建立的数字图像。是通过测量构成人体组织的元素原子核的磁共振信号来实现人体成像的。是随着计算机技术、电子技术、低温超导技术迅速发展可提供形态学信息、生物化学及代谢信息第四十二页，共75页。超导型MRI的构成第四十三页，共75页。1946年，美国的Purcell及Bloch领导的两个研究小组各自独立地发现了MR现象。两人共同获得1952年的诺贝尔物理奖

●1970年美国纽约州立大学的Raymond.Damadian利用MRS仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究发现，癌变组织的T1、T2弛豫时间比正常组织长。

●1972年美国纽约州立大学的Pual.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MR图像。

第四十四页，共75页。●1973-1978年产生多种成像方法和理论，进行了一系列人体成像的基础医学研究和技术准备工作。●1976年英格兰Mansfield活体手指MR图像●1977年Damadian得到第一幅胸部质子密度加权图像

●1978年在英国取得了第一幅人体头部的MR图像。在此后的同一年，又取得了人体的第一幅胸、腹部图像。

第四十五页，共75页。图为2003年医学奖得主美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德第四十六页，共75页。●1980年，第一台可以应用于临床的全身MRI在Fonar公司诞生●1984年，第一台医用MR获美国FDA认证●1985年，我国引进第一台临床MRI●1989年，安科公司生产出国产永磁0.15TMR第四十七页，共75页。一、磁体

它的作用是产生均匀的静磁场。向着高场强、短腔磁体、开放式及专用机发展静音技术低磁场强度永磁开放型MRI设备的磁场强度已达0.4T。开放式MRI设备的优点是可消除病人的幽闭恐惧症。超导型MRI设备的磁场强度已由传统的1.5T发展到3T。第四十八页，共75页。第四十九页，共75页。开放式MRI设备第五十页，共75页。二、梯度切换速度、幅度更高双梯度快速扫描序列要求高性能的梯度磁场。梯度磁场与切换率的提升和改进。目前梯度磁场强度已达到50mT/m以上，切换率200mT/m/ms以上。梯度磁场与切换率影响MRI设备的成像时间，决定图像的空间分辨率。双梯度系统、组合平面系统和非线性梯度系统的出现，使MRI设备梯度线圈的形式多样化。第五十一页，共75页。三、射频系统

射频系统用来发射射频磁场，激发样品的磁化强度产生磁共振，同时，接受样品磁共振发射出来的信号。

经历了线性极化线圈、圆形极化或者正交线圈、相控阵线圈及全景化一体TIM技术第五十二页，共75页。四、采集技术和重建系统现代脉冲序列和扫描技术设计集中于更高采集效率的方法+128-127K0phasefrequency第五十三页，共75页。五、软件技术的发展Propeller技术MR-DSA乳腺动态增强LAVA技术MRS扩散张量成像fMRI第五十四页，共75页。3DFocalCSI-前列腺频谱

第五十五页，共75页。弥散张量成像—3D白质束成像第五十六页，共75页。3DfMRI第五十七页，共75页。第四节核医学成像设备的发展第五十八页，共75页。核医学是研究放射性核素及其射线在医学上应用的学科。核医学影像设备通过探测注射到受检者体内的放射性药物发出的射线进行成像，是核技术、电子学、影像学、计算机和医学相互渗透互相结合得综合性医学影像设备。可以显示人体的生理、生化过程及脏器形态是分子影像的主要成像模式第五十九页，共75页。最早采用的仪器是1951年卡森研制的放射性同位素线性扫描仪（即闪烁扫描仪）。1957年，美国人Anger研制的γ闪烁照相机（gammascinticamera）具有快速显像的本领，使得核素影像诊断从静态进入到动态观察，能够指示脏器的生理代谢功能。1974年，放射性核素扫描与CT技术结合起来，研制出发射型计算机体层扫描术（emissioncomputedtomography，ECT）。这一技术不仅对各种脏器及其病变进行立体显像，能动态观察各种脏器的形态、功能和代谢的变化，而且能进行体层、立体显像。第六十页，共75页。第六十一页，共75页。正电子发射型计算机体层

（positronemissioncomputedtomography,PET）利用围绕患者对向分布的多对探头采集一对来自正电子湮灭辐射的Y光子进行用符合成像。同位素：碳、氮、氧、氟等在肿瘤、神经和心血管得到深入应用。第六十二页，共75页。电第六十三页，共75页。PET-CT（positronemissiontomography-computedtomography）全称为正电子发射断层显像/X线计算机体层成像仪：是一种将PET（功能代谢显像）和CT（解剖结构显像）两种先进的影像技术有机地结合在一起的新型的检查技术，它是将微量的正电子核素示踪剂注射到人体内，然后采用特殊的体外探测仪（PET）探测这些正电子核素人体各脏器的分布情况，通过计算机断层显像的方法显示人体的主要器官的生理代谢功能