医学空间分辨率的技术问题

医学空间分辨率的技术问题

1显微诊断是医学诊断的基础病理诊断是临床医学诊断的“金标准”。现代医学的进展与细胞病理学的进展密切相关。病理学诊断可分为宏观尸检和显微切片两大部份。宏观尸检主要依靠肉眼的观察作出判断,如肿块,出血,缺损,溃疡,空洞,肿胀,肥大,狭窄,梗塞,囊肿,坏死,化脓,结节等宏观的病理形态学的变化,更精确的定性诊断,则必需依靠显微切片的观察。例如一块甲状腺上的肿物,只有病理切片观察才能明确诊断是良性甲状腺腺瘤还是恶性甲状腺腺癌。细胞病理学诊断是现在医学的基础。临床病理讨论会(ClinicalPathologicalConference)对临床医学的发展具有不可替代的作用。1973年,Hounsfield等首次报告CT的临床应用。25年来,医学影像学有了飞速的发展。高分辨率X线CT,MRI,超声影像仪,SPECT,PET2在过去25年中，ct技术取得了进展2.1代ct成像技术近25年来,医学CT经历了原始的第1代CT发展至目前第5代高分辨CT和高速电子束CT。其空间分辨率及时间分辨率扫描成像皆有所提高。其主要进展表现为以下方面;2.1.1高精度ct检测结果原来的第1代CT的空间分辨率仅为cm数量级,目前第七代高精度CT已可达到0.35mm(350μm)。将空间分辨率提高将近2个数量级。2.1.2提高了生产级由原来的cm数量级减薄到目前的1.0mm,提高了约1个数量级。2.1.3高速ct扫描1帧由于将机械式扫描装置改进为电子束扫描装置,使CT的成像速率大大提高。第1代CT扫描1帧需用数分钟(100s以上)。目前的高速CT扫描1帧仅需20～50ms,已将时间分辨率提高了3个数量级以上。由于电子束扫描,消除了惯性,理论上其扫描速率还可以更进一步提高。2.1.4度分辨率进展近25年来密度分辨率进展不大,仍为1/1000左右。2.1.5病料重构处理第1代CT是应用求解矩阵方法,对数据进行图象重构,处理速度慢,而且很难避免病态方程的出现。目前已采用卷积反投影法,不仅克服了上述困难,而且提高了运算速度和改善了图像的质量。2.1.6样品检测性能第1代CT应用碘化钠(NAI)晶体为检测材料,后来改用锗酸铋(BGO)晶体检测,性能进一步改善。目前应用钨酸镉(CdWO4)晶体为检测器材料,其检测效率较BGO晶体提高约3倍。同时检测器探头的尺寸,进一步缩小,检测器探头的数目进一步增加,为提高空间分辨率和改善图像质量奠定基础。2.1.7ct计算机软件选型因计算机技术的迅猛发展,目前CT所用的计算机,比起第1代CT的计算机不仅运算速度快,而且存储容量大,已能充分满足CT图像处理的需要。2.1.8动伪差最小时期的触发和成像技术可在心脏舒张末期亦即心搏运动伪差最小的时期进行触发扫描成像,从而大大减少由于心脏收缩造成的心搏运动伪差。2.2“三自”结构的应用CT3显微镜ct的定义以及治疗结束时的临床医学中的作用3.1“三自”结构的应用CT3.2“三自”结构的应用CT4医学显微ct的前进阶近25年来医学CT的空间分辨率已提高2个数量级,按此推算,最多再用25年,再提高2个数量级,即可达到显微CT的要求。因此,目前医学CT正处在突破的前夜,再向前迈进就是显微CT光明的彼岸。但要进一步提高医学CT的空间分辨率,目前还存在很大的困难,需要认真对待和克服。但我们认为这些困难并非不可逾越的障碍,只要技术上进行革新,这些困难是可以克服的。现将显微CT的技术难点,逐项分析如下:4.1“三自”结构的应用CT4.2“三自”结构的应用CT4.2.1显微ct的设备特点一般认为,CT的空间分辨率与探头的大小属于同一数量级。因此缩小探头尺寸是提高CT空间分辨率的关键。可以采用集成电路光刻技术,作成以钨酸镉晶体为材料的CCD阵列探测器。每个探头的宽度为1μm～10μm。目前医学CT探头的宽度为MM数量级,其空间分辩率比μ-CT低2～3个数量级。由于探头的宽度变小,所以单位长度内所含探头的数目,将成倍增加。以探头宽度为10μm间隔为10μm的检测器为例,其探头的线密度达到每cm5000个。单个探头的长度决定CT切面每层的厚度。目前医学CT的层厚已可达1mm。一般病理切片的厚度为5μm～10μm微米。所以显微CT为了能看见组织结构,层厚最多不能超过去50μm,即层厚尚需降低20倍。检测器探头的数目,第1代CT为几十个,目前医学CT探头数目已有数百个,高分辨工业CT的探头数目已多达几千个。因人体头部的尺寸较躯体小,为了先易后难,显微CT可以先从头部入手。按头围长50cm计算,则μ-CT的总探判断数将达到达25万个,这是一个很庞大的数目,而且由于探头变小,单个探头检测的信号亦变小,需要高灵敏低噪声的放大系统。技术难度的确很大,但在理论上是可以实现的。4.2.2.4低功率t电子束焦斑直径和CT的空间分辩率有直接联系。目前CT的焦斑直径为mm数量级,显微CT至少应降至10μm或50μm。由于焦斑直径缩小,单位面积的能量密度亦成比例增大100-400倍。为了避免损坏钨靶可以采用降低电流密度以及提高扫描速度,减少照射靶点时间等办法解决。如焦斑面积小100倍,扫描速率相应提高100倍即可克服焦斑过热问题。4.2.3x-ct分析因为CT发出的X射线是一组波长不同的射线束。所以当穿过人体时,波长较长能量较小的X射线首先被组织吸收,而相对高能量短波长的X射线则较易通过,从而在CT图像上出现硬化伪影误差。在显微CT这一现象更加突出。为了消除硬化伪影误差的干扰可以用两组能谱不同的X射线束相继扫描,然后通过校正计算即可消除其硬化伪影误差。因此显微CT的X线球管的高压值应能根据需要进行调节,根据不同组织,选取两组最合适的X射线能谱进行扫描,以达到最佳图像质量的效果。4.2.4环境振动位移环境的振动传导至CT机造成图像因振动位移而模糊,在宏观CT这一现象并不严重。但在显微CT由于其空间分辨率很高,所以微小的振动位移将使图像严重模糊。目前应用抗震地基,已可将环境的振动位移降至1μm以下。所以显微CT必需加上抗震地基以消除环境振动伪差。4.2.5消除运动干扰工业CT没有人体运动干扰,但在医学CT必需消除人体运动干扰。人体运动伪差可分为呼吸运动、心搏冲击运动以及肌肉颤动三种运动伪差现分述如下:4.2.5.呼吸运动伪差的消除这是第1代CT迂到的难题,因为大多数人都有很难摒息呼吸1分钟以上。目前由于CT扫描速度的提高,在数秒内即完成1帧的扫描,所以除了呼吸困难患者之外,都能停止呼吸以消除呼吸运动伪差。显微CT扫描时间更短,所以更不成问题。4..5.速射血期作用心脏收缩射血时由于反作用力产生一个向下的冲击运动,这一冲击搏动在心脏急速射血期作用最大,位移为mm或cm数量级。但在舒张末期,心脏处于相对平稳状态。所以采用心电门控触发扫描技术,在心脏舒张末期冲击运动最小的时期进行触发扫描成像,扫描时间很短,基本上可以消除心搏冲击运动所致的伪差。4.2.5.高扫描速度修复在病人检查时,因病人不能完全放松,以致造成肌肉紧张出现随机颤动。克服的办法是让病人尽量放松并用提高扫描速度来解决。例如每秒振动3次、波幅0.3mm的随机颤动,若扫描时间为1ms,则肌肉随机颤动位移为1μm,则可以接受这一误差。但如果病人是巴金森病患者,则难以进行显微CT观察。必要时可采用工业CT上行之有效的光栅位置检测系统以校正人体的空间绝对位置,通过计算可以消除肌肉随机颤动造成的伪差。5准直器的研制综上所述,未来显微CT应具备以下性能规格,才能满足临床医学显微诊断的要求:5.1应用防震地基减震,振幅小于1μm;5.2微焦点技术,焦斑直径小于100μm;5.3快速电子束扫描成像,时间分辨率为每帧1ms～10ms;5.4钨酸镉CCD检测器,每个探头宽度为10μm,长度为50μm;5.5空间分辨率10μm,切片层厚50μm5.6X射线球管的高电压自40kV至140kV分级可调;5.7双线双能量双光锥束X射线相继扫描装置;5.8采用软件虚拟准直技术(VirtualCllimation),取消常规准直器以提高信号强度,改善图象质量;5.9X射线硬化伪差校正软件;5.10心电门控舒张末期触发扫描技术;5.11高灵敏度低噪声电子放大技术;5.1216位A/D高精度,高速信号采集装置;5.13高速采样,高速运算及海量存储的电子计算机系统及图像工作系统;5.14高速,高质量图像重建与图像处理软件系统;5.15感兴趣区快速选择成像技术。与感兴趣区无关的数据,不参与图像处理;感兴趣区的大小为1mmX1mm,共有2048X2048个象素点;5.16图像变焦缩放技术(Zoomingtechnique):可将图像的局部进行放大或缩小;5.17人体三维自动精密移动框架系统:可将人体移动至任意部位进行观察;5.18多窗口显示技术:在屏幕上不仅显视显微的结构图像同时显示观测的精确位置;5.19显微CT与显微定位聚焦手术结合,可以进行精细的显微定位手术操作;5.20按CT密度凋色的特殊显微CT染色技术:目前一般图像的伪彩色编码是按CT的灰阶进行色度编码,和常规病理切片的染色相差很大。所以显微CT图像的显色应尽量和病理切片保持一致。例如,显微CT的“苏木素-伊红染色程序”,按CT密度值将胞核染成兰色,胞浆染成红色。此外,神经元在兴奋时其胞内钙离子浓度在1ms的瞬间增加近