医学成像系统概论

医学成像系统MedicalImagingSystem

主讲教师：肖振国生物医学工程学院xiaozhenguo@课程介绍医学成像系统作为医学图像研究领域中的一个研究方向，是物理学、电子技术、计算机技术、工程数学及材料科学与精细加工等多种高新技术相互渗透的产物。医学图像由于含有极其丰富的人体信息，能以非常直观的形式向人们展示人体内部组织结构、形态或脏器的功能等，因此，医学图像已成为医学研究及临床诊断中最活跃的领域之一。作为生物医学工程专业的一门重要专业课程，医学成像系统将使学生从医学成像原理、医学成像设备及医学成像系统分析等方面系统掌握该研究领域的基础知识，了解该领域的最新发展方向。

掌握X射线成像、超声成像、磁共振成像、核医学成像的基本原理，了解各种基本的成像装置及系统的性能，培养较强的抽象与逻辑思维能力以及用理论解决实际问题的能力，从而初步具备研究医学成像方法、系统以及设备的能力。教学目标

教材：

医学成像系统（第2版），高上凯，清华大学出版社，2010年

参考书：

[1]医学成像技术与设备，沈克涵，科学普及出版社，2004年

[2]医学成像系统，王学民，清华大学出版社，2006年

[3]

医学影像物理学，张泽宝，人民卫生出版社，2005年

[4]

医学影像成像原理，李月卿，人民卫生出版社，2001年

[5]

医学影像设备学（第2版）徐跃，人民卫生出版社，2005年

[6]

医学成像的基本原理，黄力宇，电子工业出版社，2009年课时安排总学时：72学时课堂讲授：54学时

实验：18学时第一章概论2学时第二章投影X射线成像系统6学时第三章数字X射线成像系统4学时第四章X射线计算机断层成像系统10学时第五章超声成像系统10学时第六章磁共振成像系统12学时第七章核医学成像8学时第八章PACS简介2学时第一章概论医学图像研究领域包含两大分支：医学成像系统（medicalimagingsystem）是指图像形成的过程，包括成像机理、成像设备、成像系统的分析等问题。医学图像处理（medicalimageprocessing）是指对已获得的图像作进一步处理，包括图像增强、图像压缩、图像恢复、图像滤波等问题。1.1医学成像系统、成像设备的发展历程医学成像系统医学成像系统X线成像可见光成像X线计算机体层成像磁共振成像红外、微波成像放射性核素成像阻抗成像超声成像医学成像按其信息载体可分为以下类型：（1）X线成像：测量穿过人体组织、器官后的X线强度；（2）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；（3）核素成像：测量放射性药物在体内放射出的γ射线；（4）超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波；（5）光学成像：直接利用光学及电视技术，观察人体器官形态；（6）红外、微波成像：测量体表红外信号和体内的微波辐射信号。1.1.1

X线投影成像1895年德国物理学家伦琴（WithelmConradRoentgen1845-1923）发现X射线，并为其夫人拍摄了手部的X线透视照片，这是世界上第一幅X射线照片，为医学成像奠定了基础。为此，伦琴获1901年诺贝尔物理学奖。1896年德国西门子公司研制出世界上第一支X线球管。20世纪10-20年代才出现常规的X线机。体层装置、影像增强器、连续摄影、电视、电影、录像记录系统的应用，20世纪60年代形成了放射诊断学（radiology）。X线设备：摄片和透视两大类。X线成像是通过测量穿透人体的X线来实现。设备主要有:X线机：分辨率较高，可达到0.1mm，但得到的是人体不同深度组织信息叠加到一起的平面像，因此对于病变深度很难区分，对于软组织不够敏感。数字X线摄影设备（CR、DR）：提高了影像的分辨率，扩大了诊断范围，对肠胃和心脏更容易观察。血管数字减影(DSA)等。

通用X射线机HITACHI中小型C臂X射线机数字X线影像设备CR（ComputedRadiography)系统DR（DigitalRadiography）数字放射摄影系统

DirectRayX光直接数字成像采集系统

X线投影成像

西门子AXIOMArtisdTA数字减影系统数字造影系统DSA1.1.2X线计算机断层成像设备

为了克服在投影X线成像中出现的影像重叠问题，后来出现了对接收到的投影数据进行计算，利用计算机由投影重建图像的数学原理出发，实现了计算机断层成像，即X射线计算机断层成像（X-raycomputedtomography，X-CT）设备。1917年奥地利的数学家Radon提出了投影重建图像的理论。50年代美国物理学家A.Mcormack，不仅证明了在医学领域中X射线投影重建图像的可能性，而且提出了实验的方法，并完成了仿真与实验研究。1972年英国工程师G.N.Hounsfield首先研制出世界上第一台用于颅脑的CT扫描机。为此他们在1979年获得了诺贝尔生理和医学奖。Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖工作原理是利用计算机对投影数据多角度采集，并投影重建图像。现在的X-CT机多采用多个检测器构成扇形的扫描方式，不但减少了扫描和数据处理的时间，减少了照射的剂量，改善了图像的分辨率，由最初的3-5min，到现在的1-5s，成像的厚度可以小于1mm，空间分辨率可达到0.1mm量级。FirstGenerationOnedetectorTranslation-rotationParallel-beamSecondGenerationMultipledetectorsTranslation-rotationSmallfan-beamThirdGenerationMultipledetectorsRotation-rotationLargefan-beamThird&FourthGenerations(FromPicker)(FromSiemens)螺旋锥形束CT东芝螺旋CT高速螺旋CT飞利浦Brilliance64排螺旋CT超高速64排螺旋CT

电子束CT

在20世纪50年代超声成像设备出现，目前它是医院中仅次于投影X射线机而使用的最为频繁的成像设备。超声诊断设备根据其显示方式不同，可分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、C型（亮度显示）、M型（运动显示）、P型（平面目标显示）等。目前医院用得最多是B型超声诊断仪—B超。1.1.3超声成像超声成像的发展1928年研究超声的生物效应；1950年应用A型超声显示仪对人体进行检查；60年代应用超声波进行理疗，眼科及牙科手术；70年代实时B型超声显像仪应用于临床；80年代图像质量大为提高，各种特殊探头出现彩色多普勒超声诊断仪出现。超声诊断仪的基本结构超声诊断仪的基本结构包括：探头、显示器、基本电路超声诊断仪的类型A型超声诊断仪（幅度显示）M型超声诊断仪（运动显示）B型超声诊断仪（切面显示）彩色多普勒超声诊断仪B超便携式B超

成像原理主要是采用脉冲回波的方式成像。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人体，进入人体的超声波在遇到组织界面时，会产生较强的回波信号，利用接收到的回波信号就可以直接获取扫查平面上人体图像，即B超图像。

超声图像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射。在临床上用于甲状腺、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有独到之处。它的横向分辨率可达2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。

超声图像Ultrasoundexaminationduringpregnancy

近年广泛应用超声的另一个方面是超声多普勒系统，利用多普勒原理，当入射到人体的超声波遇到运动的红血球时，血球产生的后方散射信号会发生频移（多普勒频移）。通过对多普勒回波信号的分析就能得到各种血流参数，如方向、速度等信息，对诊断心血管疾病和脑血管疾病为重要依据。

80年代还有超声彩色血多普勒血流仪。它是将血流信息叠加到二维的B超上，因此在B超的图像上，还可以显示血管的流向，红色是指向换能器，蓝色是背向换能器的。主要应用心血管疾病、心脏的检查中。彩色血多普勒血流仪彩色多普勒血流成像

超声的频率一般应高于0.15MHz，对较深部位的成像人们选用1.0-3.0MHz频率，对较浅的部位如眼球，一般选用20MHz的声频，频率太高导致衰减太快，在软组织检查中，空气对超声有明显的衰减特性，因此人们一般不用超声检查肺部。至于超声计算机体层，由于目前所需扫描时间较长，且分辨率低，还有待于改进与提高。

1.1.4核医学成像

在20世纪50年代放射性核素的技术和设备也应用于医学方面。放射性核素成像是把某种放射性同位素标记在药物上，然后引入病人的体内，当他们被人体组织吸收后，人体就形成了一个放射源，放射性同位素一边衰变、一边向体外放射γ光子，核医学成像设备通过有选择的测量摄入体内的发出的γ射线，实现人体成像。

此类设备主要：

γ照相机、单光子发射型计算机体层（SPECT）正电子发射型计算机体层（PET）。优势在于从图像中，不仅可以看到器官的形态，更重要的是可以从中了解人体脏器的新陈代谢情况，这是其它成像系统作不到的。所以虽然放射性同位素图像的分辨力比较低，约为1cm左右，但在临床中还经常使用的检查工具。经典的核医学成像系统同位素闪烁扫描机

照相机发射型计算机断层成像（ECT）单光子发射型计算机体层（SPECT)正电子发射型计算机体层（PET）

γ照相机既是显像仪器又是功能仪器，在临床可用它对脏器进行静态和动态照相检查，动态照相检查主要用于心血管疾病的检查、快速的拍摄体内的器官图片，从一系列的图片中了解器官的新陈代谢的功能。

SPECT具有γ照相机的功能外，又能增加体层成像的功能，明显的提高了诊断病变的定位能力，它的原理是将γ照相机探测器围绕探测部分旋转采集信号，用相应的投影数据重建算法，重建放射性核素分布的断层图像，如X-CT。但它不如CT的图像清晰，而且在操作中放射性药物使用也比较麻烦。

单光子发射计算机断层显像仪（SPECT）

正电子发射型计算机体层成像(PET)Siemens的SPECT系统GE的SPECT系统SPECTSPECTSPECT图像-脑部SPECT图像-脑部2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。

癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。SPECT图像-骨骼

PET的成像情况与其不同，它可以用人体物质组成元素来制造放射性药物，这些药物在衰变过程中释放正电子，正电子在与电子相互发生湮灭现象后，会产生两个能量为511KV的、且传播方向相反的两个光子。用一个符合检测器检测出这种成双出现的γ射线光子，然后重建断层图像。PET-CT图示PETPET-CT图示PETPET

核医学成像使用的是低浓度的放射性物质，它成像的分辨率在成像系统中属最低，这是由于图像是由人体发射γ光子所致，光