影像设备概论

1.课程名称:医学影像设备学

教材：医学影像设备学(第三版)主编：徐跃梁碧玲2.教学学时:20学时理论16学时，实验4学时

3.授课对象:医学影像专业本科

考核方式：考查医学影像设备学是一门重要的医学影像专业课，是学生掌握临床影像操作技能的桥梁课程。它的特点是综合性强，涉及面广，既有X线、超声波、磁共振、γ射线等的原理和特性，又有机械制造、电子线路、计算机、摄影及医学影像设备的参数、性能、功能、指标等内容。它是一门既有理论，又有实践，既有抽象的概念，又有大量形象的图像的课程。通过本课程了解各种影像设备的发展历程和发展趋势；熟悉影像设备的组成、分类和用途；介绍诊断用X线机、数字成像设备、计算机体层（CT）、磁共振成像（MRI）、超声成像设备、核医学成像设备的组成、分类、基本结构、原理、用途。

掌握影像设备的基本结构、原理，以及应用范围。教学安排第一章：概论2学时第二章：X射线发生装置2学时第三章：诊断用X射线机2学时第四章：数字X射线设备2学时第五章：X射线计算机体层成像设备2学时第六章：磁共震成像设备2学时第七章：超声成像设备2学时第八章：核医学成像设备2学时实习：4学时总计：20学时第一章医学影像设备学概论第一节医学影像设备的发展简史

第二节医学影像设备的分类

第一节医学影像设备的发展简史一、常规射线设备问世，为放射学的建立奠定了基础

1895年11月8日，德国物理学家伦琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高压放电实验时，发现了一种肉眼看不见、但具有很强的穿透本领、能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线，简称为X线。

下面是伦琴当时发现X线和实验室用的设备：1896年，德国西门子公司研制出世界上第一只X线管。20世纪10~20年代，出现了常规X线机。其后，由于X线管、高压变压器和相关的仪器、设备以及人工对比剂的不断开发利用，尤其是体层装置、影像增强器、连续摄影、快速换片机、高压注射器、电视、电影和录像记录系统的应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的学科体系，称为影像设备学。X-Ray二、CT扫描设备的诞生，是医学影像设备的里程碑1972年，英国工程师汉斯菲尔德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一台用于颅脑的X线计算机体层摄影（x-raycomputedtomography，X-CT）设备，简称为X-CT设备，或CT设备。CT设备是横断面体层，无前后影像重叠，不受层面上下组织的干扰；同时由于密度分辨力显著提高，能分辨出0.1%~0.5%X线衰减系数的差异，比传统的X线检查高10~20倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。Third&FourthGenerations近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0.75s（512×512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛的普及，功能有了进一步的扩展。大孔径CT设备可兼顾日常应用与肿瘤病人定位，组合型CT设备可在完成CT检查后直接进行正电子发射型计算机体层（positiveemissioncomputedtomography，PET）检查，使CT的形态学信息与PET的功能性信息通过工作站准确融合，可以更准确地完成定性与定量的诊断。平板探测器CT设备目前尚在开发阶段，一旦技术成熟，从机器设计、信息模式、成像速度、射线剂量到运行成本都会有根本性的改变，将会引起CT设备的又一次革命。20世纪80年代初用于临床的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一种新的非电离辐射式医学成像设备。MRI设备的密度分辨力高，通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像，这是它优于CT设备的特点之一。迄今，MRI设备已广泛用于全身各系统，其中以中枢神经、心血管系统、肢体关节和盆腔等效果最好。中场超导（0.7T）开放型MRI设备进一步普及，它便于开展介入操作和检查中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检查的限制。双梯度场技术可在较小的范围内达到更高的梯度场强，有利于完成各种高级成像技术，如功能成像、弥散成像等。降噪措施和成像专用线圈也都有了较大的进步，如功能成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊断效果已接近和达到CT设备水平，脑影像的分辨力在常规扫描时间下提高了数千倍，而显微成像的分辨力达到50~10μm，现已成为医学影像诊断设备中最重要的组成部分。生物体磁共振波谱分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）具有研究机体物质代谢的功能和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合的临床应用，将会引起医学诊断学上一个新的突破。MRIAnMRIwasrequestedofthis36-year-oldpatienttoconfirmthesuspicionofdiaphragmalherniaforplanningsurgery.Thefetus—inits26thweek—hasahistoryofknownsitusinversusandsonographicsuspicionofatrialseptumdefectanddiaphragmalhernia.Thepatient'spositionwasobliquetotheleftsidetoreducecompressionoftheinferiorvenacavabythefetus,leadingtoreducedvenousflowtotherightatrium.Toreducemovementartifacts,sedationwasaccomplishedbyoraladministrationof5mgdiazepampriortotheexam.Whatwerethefindingsanddiagnosis?UlrichKramer,MD,andHeinz-PeterSchlemmer,MD,attheUniversityHospitalTuebingen(Tuebingen,Germany)•ImagecapturedviatheMagnetomAvanto1.5TMRIwithTimfromSiemensMedicalSolutions(Malvern,Pa)Fetal1.5TMRIFindings*andDiagnosisThefetuspresentedwithpelvicorientation;theplacentawassituatedventrally.Situsinversuspresentingwithaleft-sidedliverwasdetected.Mesenterialstructuresweredetectedinthedorsalmediastinum,predominantlyontheleftside.Thevolumeoftheleftlungwasconsiderablyreducedsecondarytocompressionbyintestinalstructures.Theurogenitalstructuresandurinarybladderappearednormal.Inacaseofsitusinversus,MRIdemonstratedalargediaphragmaldefectwithleft-sideddystopiaofabdominalstructuresinthemediastinumandconsecutivelungcompression.Thiscrucialinformationwasneededforpropertherapyplanning,becausesurgeryisindispensableinthiscasetokeepthebabyaliveafterdelivery.

MoreInformationontheScanSiemensMedical'sMagnetomAvantowithTim(totalimagingmatrix)allowstwoBodyMatrixcoilstobeusedincombinationwithSpineMatrixcoilsforextendedcoverage.First,localizerimageswereacquiredtofindthecorrectangulationforcoronalandsagittalslicesinthefetus.Subsequently,TrueFISPsequenceswereusedtogetanatomicalcoverageofthoracicandabdominalstructuresofthefetus.RepresentativeangulationswererepeatedwithT2WTSEsequencestodemonstratefindingswithhigherresolution.Thisparticularimageisanultrafast,T2WTrueFISP(fetalsagittal)imagewiththefollowingparameters:TR4.3ms/TE2ms/FlipAngle:69°/BW:490Hz/Px/SliceThickness:4mm/Matrix:156x256mm/FoV:325x400mm.Thisscantookonlyafewseconds.*Thesefindingsarebasedontheentireexam,notjusttheimageshownhere.HumanNeckPlane: SagittalSequence: SpinEchoWristImageCoil: AsymSTSSequence: SpinEchoSlice: CoronalTR/TE: 2000/27msFOV: 8cmThk: 1.5mmMatrix: 256x256Nex: 1Hydrocephalus（脑积水）MRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchoolImageContrast(T2)SIGNALTEWhiteTumorMRAngiographyHeadS/IProjectionMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchoolProtonNMRSpectroscopyinMultipleSclerosisPMMatthews,Neurology41:1252(1991)CHO CholineCr CreatineNAA N-acetylaspartateLA LactateActivePlaqueNormal-AppearingWhiteMatter硬化症MultispectralTissueClassificationT1T23DHistogramSegmentedImageFletcher,Barsotti,Hornak,Magn.Reson.Med.29:623(1993)Morphological(形态学的)ImageProcessingChen,Dougherty,Totterman,Hornak,Magn.Reson.Med.29:358(1993)NormalCysticScleroticOsteoporosisMotorActivation-RightIndexFingerMovement1Hz 2Hz 3Hz%100755025Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、计算机X线摄影（computedradiography，CR）和数字摄影（digitalradiography，DR）是20世纪80年代、90年代开发的数字X线机。前者具有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，目前，正向快速旋转三维成像实时减影方向发展，从而扩大了血管造影的应用范围。后者具有减少曝光量和宽容度大等优点，更重要的是可作为数字化图像纳入图像存储与传输系统（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途的影像探测器之一。DSA20世纪50年代和60年代，超声成像（ultrasonography，USG）设备和核医学设备相继出现，当时在医学上的应用往往各成系统。1972年X-CT设备的开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。70年代末80年代初，超声CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和数字X线机逐步兴起，并应用于临床。尽管这些设备的成像参数、诊断原理和检查方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进行诊断。PhotocourtesyPhilipsResearch

Ultrasoundexaminationduringpregnancy

PhotocourtesyPhilipsResearch

3Dultrasoundimages

（六）医用内镜前述各种医学影像设备虽然在某种程度上能显示出人体的内部组织形态，但这种显示是间接的、非直观的。真正能做到直观的仪器，目前唯有内镜。利用光学内镜，能使人眼直接看到人体内脏器官的组织形态，从而提高了诊断的准确性。内镜的诊疗优势，已成为医学界的共识。医用内镜的种类很多，目前临床上用得最多的是光导纤维内镜（纤镜），而最有发展潜力的是电子内镜。光导纤维内镜（简称为纤镜）以胃肠内镜为例，它是由头端部、直径为7.9~12.8mm的可弯插入管以及将光源和头端部连接起来的连接管组成。头端部由目镜，远端弯角，抽吸和送水的各种控制件及工作钳孔等组成，可以手持。纤镜可弯曲的套管中密封有传像束和导光束，它们将头端和末端连接在一起。导光束将来自光源的光传输到内镜的末端以照明视物。传像束将图像作为反射光传回到目镜。导光束和传像束由30000~50000根光学纤维构成，它们即使在弯曲时也能进行双向光传输。传像束要连贯地排列，使每根纤维在内镜头、尾两端的相对位置保持一致，以便在目镜中重建一幅十分逼真的图像。电子内镜的功能比光导纤维内镜多得多，是内镜的一大进步。它主要由内镜、光源、视频处理中心、视频显示系统、图像与病人数据记录系统及附属装置组成。其最大的特点是采用电荷耦合器（chargescoupleddevice，CCD）将观察到的物像由光信号转换成电信号，并传输到视频中心进行处理，达到最终显示的目的。传输到监视器的图像还可记录下来，用视频打印机打印，也可传输到另一场所进行同时观察。20世纪80年代初，USG内镜问世。它是将US探头和内镜连在一起，在内镜的引导下，将US探头送入体内进行扫描，所得到的信息要比在体表上获得的扫描信息准确详细。目前这类设备主要用线性和扇形两种扫描方式，而采用凸式扫描做彩色多普勒和B型图像显示则较为少见。此外，激光内镜和三维内镜亦在发展之中。前者是将诊断与治疗功能结合在一起的新一代内镜。后者可提供立体图像，能使许多高难度的手术得以顺利实施，且大大提高了手术的安全系数，是内镜发展史上又一新进展。二、治疗用设备（一）介入放射学设备所谓介入放射学（interventionalradiology）系统，就是借助高精度计算机化的影像仪器的观察，通过导管深入体内，对疾病直接进行诊断与治疗的一种新型设备与技术。它的问世，使临床某些疾病由不可治变为可治，使治疗的难度由大变小，使有创伤变成少创伤甚至无创伤，使病人免受或减轻了手术之苦，操作比较安全，治疗效果也较好。利用介入放射学系统开展诊疗工作，对提高某些心血管病、脑血管病、肿瘤等重大疾患的诊疗水平，提高治愈率与存活率，改善生活质量，发挥了重要作用。医学影像设备的导向是完成介入治疗的关键。这需要一套由机械、仪器仪表、计算机、光学仪器等多种仪器组成的大型精密仪器设备系统。特别是20世纪80年代初发展起来的影像技术与计算机结合的DSA问世后，由于它能实时地向医生提供导管导向的位置、局部循环结构、栓塞或扩张的效果等有关介入诊疗的信息，因而具有极大的优越性，目前可以说已基本取代了常规的血管造影设备。而计算机的应用，使DSA向智能化、光纤网络的综合快速数据处理能力、无胶片处理方式、尽可能低的X线剂量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的图像处理技术方向发展，从而为介入放射学提供了有力的保证。医学影像设备的导向是完成介入治疗的关键。这需要一套由机械、仪器仪表、计算机、光学仪器等多种仪器组成的大型精密仪器设备系统。特别是20世纪80年代初发展起来的影像技术与计算机结合的DSA问世后，由于它能实时地向医生提供导管导向的位置、局部循环结构、栓塞或扩张的效果等有关介入诊疗的信息，因而具有极大的优越性，目前可以说已基本取代了常规的血管造影设备。而计算机的应用，使DSA向智能化、光纤网络的综合快速数据处理能力、无胶片处理方式、尽可能低的X线剂量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的图像处理技术方向发展，从而为介入放射学提供了有力的保证。介入性导管，根据用途可分为两类，即诊断用导管和治疗用导管及其附件。前者包括心血管、脑血管造影导管，肝、肾、胰、脾等内脏器官用导管十余种。这种导管要有一定耐压性和满足大流量的要求（15~25ml/s）。后者如消化道治疗导管、肿瘤化疗用导管、射频消融导管、溶栓导管、二尖辫球囊扩张导管等。其附件有血管内支架（自膨胀型、球囊膨胀型、形状记忆型）、导丝（引导导管用）等。专家预测，在21世纪，应用微电子、分子生物学和基因工程的新成果，集多功能如内镜、USG设备、血流压力测量等于一体的新一代治疗导管及传输装置将进一步发展。应用生物适应性良好的材料、内支架、留置用导管的研制和临床应用将有助于进一步提高介入治疗的水平。开放式MRI设备与其相应配套装置的开发以及与USG设备的配合使用，将使介入治疗技术向低或无放射线方向发展。影像设备的研制、开发，使实时成像和立体成像引导下的介入性操作成为可能，加上新的抗癌药物、栓塞剂和基因疗法的应用，将进一步提高介入治疗的精度与疗效。（二）立体定向放射外科学设备立体定向放射外科（stereotacticradiosugery，SRS）或称立体定向放射治疗（stereotacticradiotherapy，SRT），是一门新的医疗技术。它是利用现代X-CT设备、MRI设备或DSA设备，加上立体定向头架装置对颅内病变区做高精度定位；经过专用治疗计划系统（具有三维显示和计算功能的计算机）做出最优化治疗计划；运用边缘尖锐的小截面光子束（MeV级）以等中心照射方式聚焦于病变区（位于等中心处），按治疗计划作单平面或多个非共面的单次或多次剂量照射。由于照射野边缘剂量下降很陡，就像用刀切一样，所以，用γ射线时称为γ-刀，用X线时称为X-刀。无论是γ-刀，还是X-刀，都不是将病变切除，而是用放射线将肿瘤细胞杀死。γ-刀的主体结构是一个半球形金属屏蔽系统，其中排列着201个60Co源，每个60Co源均有双重不锈钢屏蔽，它所发出的γ射线经准直校正后，形成一个狭光束，聚焦于半球的中心。准直分为内外两层，外准直与60Co源一起固定于主机内，内准直为半球形头盔，根据孔洞直径分为4mm、8mm、14mm、18mm四种，以适应不同大小的