1、医学成像技术 Medical Imaging Technology,主讲： 廖 小 丽 生命科学与技术学院,课程介绍,医学成像技术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。医学影像由于含有及其丰富的人体信息，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，医学成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核心课程，医学成像技术将为学生对实现医学自动化所必须的图像化诊断提供依据，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
2、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、磁共振成像、核医学成像、超声成像的基本原理，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。,学习目的：,Main Journals,Science Nature IEEE Transaction on Biomedical Engineering IEEE Transaction on Medical Imaging Magnetic Resonance Imaging Medical Physics Physics in Medicin
3、e and Biology ,参考网站,1、http:/www.ctsim.org/ 自由软件CTSim 2、http:/www.ieee-tmi.org/ IEEE Transactions on Medical Imaging杂志的网站 3、http:/www.cie- 中国电子学会主页 4、http:/ 中国医学影像技术临床医学在线 5、htpt:/ 中国放射影像专业网站： 开设影像数据库、影像教学库、远程会诊、资源检索等栏目,课时安排,总学时：48学时 课堂讲授：40学时 实验： 8学时 第一章 医学成像技术概论 3学时 第二章 普通X射线成像 8学时 第三章 数字X射线成像 5学时
4、第四章 X射线计算机体层成像（X-CT) 8学时 第五章 医学磁共振成像 10学时 第六章 核医学成像 6学时,考核环节：,平时成绩：20分半期考试：10分实 验： 20分期末考试： 50分答疑时间：每周二下午 答疑地点：主楼西404 联系方式：电 话 13808198264E-mail ,“9点”问题1笔4线连9点,打破常规,跳出定势,第一章 医学成像技术概论,问题：什么是医学成像?医学成像是借助于某种介质（如 X线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以图像的方式表达出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学图像中所提
5、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。,问题：医学成像的目的是什么？通过各种方式探测人体，获得人体内部结构的形态、功能等信息，将其转变为各种图像显示出来，进行医学研究和诊断。,医学成像及相关的图像处理技术在生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起着重要的作用，X射线、CT、MRI的发现或发明者获得诺贝尔奖，就是其重要价值的印证。,伦琴夫人的手指,伦琴因发现X射线获得首届诺贝尔物理学奖。,Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。,Bloch和Purcell因发现NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖。,发明MRI中Fourier重
6、建方法的Ernst获得1991年诺贝尔化学奖。,Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。,医学影像学的组成,医学影像学,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,医学影像学的主要内容,医学影像学,医学影像 成像原理,医学影像 处理技术,医学影像 临床应用技术,图像形成过程 的物理原理,对已获得的图像 作进一步的处理,获得最客观 的诊断及最优治疗 方案的选择、确定 和实施,专业现状及发展前景,伦琴（wilhelm konrad Roentgen) 1895年发现X线以
7、后不久，X线就被用于对人体进行检测，从而形成了放射诊断学（diagnostic radiology)的新学科，并奠定了医学影像学（medical imaging)的基础。,上世纪5060年代开始应用超声与核素扫描进行人体检 查，出现了超声成像（USG）和闪烁成像（ scientigraphy)。70年代和80年代相继出现了X线计算机体层成像（X-CT)、 磁共振成像（MRI)和发射体层成像（ECT),包括单光子发射 体层成像（SPECT)与正电子发射体层成像（PET)等新的成 像技术。,70年代迅速兴起了介入放射学（interventional radiology)，介入超声和超声组织定位，M
8、RI和CT的立体 组织定位等，以及PET在分子水平上利用影像技术研究人体 心、脑代谢和受体功能，大大扩展了本专业的应用领域。近年来，我国医学影像学发展非常迅速，医学影像设 备不断更新，检查技术不断完善，介入治疗的效果已提高到 一个新的水平，并有力地促进了临床医学的发展。,现在，除了X线诊断设备外，USG、CT等已在较多医疗单位应用，PET、X-刀、全身刀等也在较高的医疗中心使用。作为学术团体的中华医学会放射、超声、磁共振等有力地推动了国内和国际地学术交流，世界性的北美放射学会也代表了世界医学影像学最高水平。我国医学影像学高等教育已开展十余年，是目前发展较快的一门学科。“全国高等医学影像教育研究
9、会”于1999年8月23日在天津正式成立，这可以说是我国医学影像学高等教育发展史中的里程碑。,我国医学成像设备的发展 1951年 上海精密医疗器械厂试制第一台X线机 1983年 第一台颅脑CT试制成功 1988年 第二代颅脑 CT问世 1990年 第三代全身CT装置研究成功近期 永磁型和超导型MRI,X-刀,全身刀等设备,百闻不如一见,One picture is worth more than ten thousand words.Anonymous,X片(X-ray Film),CT (Computerized Tomography),CT,MRI (Magnetic Resonan Im
10、agceing),PET (Positron Emission Computerized Tomo.),Ultrasound Imaging,快乐地学习,有兴趣才有乐趣！,有了乐趣，学习就不再成为一种负担！,培养兴趣比多掌握几个公式更重要！,学习成为乐趣，教师就可以下课了！,第一节 医学成像技术的分类,按其成像原理和技术的不同，分为两大领域：一、以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微图像学(biomedical microimaging,BMMI)二、以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现代医学影像学(modern medical imaging,MMI),现代医学成像按其信息载体可分为
11、以下几种基本类型：,（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：测量体表的红外信号和体内的微波辐射信 号。,一、X线成像,1901 伦琴 (Roentgen) 发现X射线(1895) 1914 劳厄（Laue） 晶体的X射线衍射 1915 布拉格父子 (Bragg) 分析晶体结构 1917 巴克拉 (Barkla) 发现元素的标识X
12、射线 1924 塞格巴恩 (Siegbahn ) X射线光谱学 1927 康普顿(Compton等六人) 康普顿效应 1936 德拜 (Debye) 化学 1946 马勒 (Muller) 医学 1962 沃生(Wason等三人) 医学 1964 霍奇金 (Hodgkin) 化学 1979 柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield） 医学1981 塞格巴恩(Siegbahn) 物理,同X射线有关的诺贝尔奖,诊断用X线机分类(1) 透视用X线机(2) 普通摄影用X线机(3) 消化道造影用X线机(4) 胸部摄影用X线机(5) 心血管造影用X线机 (6)其他,X射线诊断系统,数字血管
13、减影系统 _计算机与常规X线血管造影的结合,减影技术的基本内容: 把人体同一部位的两帧影像相减,从而得出其差值部分，减影像中骨骼和软组织等背景影像被消除，只留下含有造影剂的血管影像。,GE 1250MA心血管造影机,移动式C型臂手术X线机,冠状动脉X光介入治疗术,数字X线影像设备,CR（Computed Radiography)系统,DR（Digital Radiography ）数字放射摄影系统 Direct Ray X光直接数字成像采集系统,X射线计算机断层成像(X-CT),1. 历史的回顾：CT的发展 1895年 伦琴发现X线,为CT诞生打下基础。 1917年 奥地利数学家J.H.Rad
14、on提出图像重建理论的数学方法。 1963年 A.M.Cormack描述了计算人体吸收分布特性的技术方法。 1972年 G.N.Housfield 和J.Ambrose进行了第一次临床CT检查。 1974年 共安装60台临床CT(头颅CT)。,1975年 第一台全身CT投入临床使用。1979年 Hounsfield 和Cormack荣获诺贝尔医学奖。1989年 W.A.Kalender和P.Vock进行了第一次螺旋 CT的临床检查。1998年 多层探测器系统得到应用。2000年 共安装大约30000台临床CT(全身CT)。,东芝螺旋CT,二、磁共振成像,概述：磁共振成像（MRI)在显示颅底及后
15、颅凹的疾病上明显地优于X-CT，是枕骨大孔部位病变最正确的诊断方法，对脑干、大脑、和脊髓等中枢神经系统的病变有较高的探测灵敏度。由于MR成像参数较多（原子核密度、纵向驰豫时间T1和横向弛豫时间T2)，它不但能从形态上，而且能从器质上和新陈代谢的情况上诊断各种疾病，因此在临床上的应用范围在不断扩大。,三、核医学成像,概述：核医学成像是一种以脏器内外或脏器内正常组织与病变之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变的显像方法。,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）,单光子发射计算机断层显像
16、仪（SPECT）,正电子发射型计算机体层成像(PET),四、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,普及型B超,便携式B超,实例：,第二节 医学成像系统的评价,应从各个不同角
17、度全面分析成像系统的优缺点，并指 明其临床适用范围。 一、电磁波透射成像的分析 医学成像模式的分类,医学影像的获得有赖于某种形式的能量与人体组织相互作用的物理过程（如X线成像、超声成像、磁共振成像等）,医学影像是反映人体生命过程中自身发出的某种信息（如红外成像等）,用透射方法成像时，需考虑的主要因素：分辨力、衰减 从分辨力的角度考虑：用于成像的辐射波的波长至少应小于1.0cm 从衰减的角度考虑：若衰减过大，则很难检测到透过人体的射线；若衰减过小，则不能得到对比清晰的图像。,电磁波谱及其用于医学成像的波段,二、超声成像与X线成像的比较,超声波与X线在人体组织中的传播过程不同，因此这两种成像方式有
18、明显不同的特点： 1、X线波长短（1101251011 m），在人体内沿直线传播，不受组织差异的影响，图像分辨率高；诊断用超声波波长为0.5mm左右，在人体中传播时将发生衍射，造成图像分辨力降低，这是超声成像制约因素。,2、空气对超声波呈现明显的衰减特性；而空气对X线的衰减作用可忽略不计。,3、超声成像可直接获取三维空间中某一特定点的信息，即可方便地获取人体断面图像；而X线难以有选择地对所指定的平面成像。,4、对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。,5、具有各自最适宜的临床应用范围。脉冲回波式超声适用于腹内软组织结构或心脏的显像，不宜对胸腔肺部进行检查；X线探查胸腔很成功，但对腹部检查只能显
19、示极少的器官（若采用X线造影法，也可有选择地对特定器官显像。）,三、形态学成像与功能成像,形态学成像：X线成像显示的是人体结构的解剖学形态，对疾病的诊断主要是根据形态上的密度变化，较难在病理研究中发挥作用。 功能成像：放射性同位素能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题。功能成像一般可分为有源和无源两类。,将某种放射性物质引入人体内，通过在体外检测其辐射能量来判断某个脏器的功能。,直接检测人体在生命过程中产生的围绕人体的物理场及各种辐射，也可用于脏器功能的检查。,四、对人体的安全性,电离辐射对人体造成的损伤评价X线与放射性同位素成像给人体造成电离辐射损伤时注意其差别； X线摄影时，辐射强度相对
20、较大，但照射时间短； 放射性同位素材料浓度虽低，但对人体的照射持续较长时间，直至其排出体外或衰变结束。,直接损伤（如局部发红、脱发、有可能增加某些疾病的发病率等）,遗传性损伤,因此，进行X线检查时应尽可能减少对人体的照射剂量；选择放射性材料时，应考虑其具有较短的半衰期。超声成像无损、无创，特别是对敏感区域，如胎儿与眼部的检查，比X线安全得多。但对发育初期的胚胎，也应慎用。,四大成像技术比较,成像技术 成像方式 测试对象 观察目的 信息量 成像效果普通X线 各组织对X线吸收不同 吸收系数 组织形态 大 三维组织成像在二维平面上CT(适用于脑、 各组织对X线吸收差异； 吸收系数 组织形态 中 二维
21、断面影像；空间分辨力肾、胆囊、 计算机图像重建与处理 较屏片系统差；密度分 血栓） 辨力高。 MRI（适用于 利用生物组织中氢原子 质子参数 组织形态 大 二维分布像；空间分辨力较 脑、心、肾、 的原子核的磁共振现象 密度分布 化学组成 高 胆囊、血栓） ；重建图像 T1、T2 USI（适用于 MHz超声脉冲辐射人体时 声 阻 体内界面 中 分辨力较高 胆囊、胎儿、 ，遇声阻抗变化界面发生 形状 血管系统） 反射、散射的声回波像。核素成像 自发射； 核素（放射 组织形态 小 获得体内脏器和组织的形态 （ECT、 重建成像 活性）分布 器官代谢 图像；观测器官的功能；观 照相机等） 功能 测组织
22、的生理、生化现象。,第三节 医学成像技术展望,在保证人身安全的前提下，努力改进信息传递方式，提高信息传递效率并开创新的信息表达方式，提高图像显示质量；其最终的医疗意义是更精确地发现人体组织初期病理变化，为早期诊断、治疗提供依据。,现代医学影像学未来发展趋向：,磁共振方面：磁共振波谱成像（MRS）超声方面：彩色血流成像（CFM）、腔内超声成像、数字处理三维图像显示、超声CT 等。CT方面：继续提高空间分辨力和扫描速度；重点研究疾病在新陈代谢方面的变化；降低成本 。,一、开发超高分辨力的显示系统,二、提高成像设备的性能，增加新的功能,三、医学图像数字化,医学成像的两种方法：综合数字图像诊断装置（T
23、DIS）将得到发展独立诊断工作站联网系统,模拟方法（普通屏片系统成像、光学系统成像、电视技术的图像等）,数字方法（CT、MRI、DSA、ECT、超声、微波成像等）,独立诊断 工作站,MR,医学教学 图像,X线,超声,CT,核医学,医学成像系统将向着从模拟图像到数字图像、从平面图像到立体图像、从局部图像到整体图像、从宏观图像到微观图像、从静态图像到动态图像、从形态图像到功能图像、从单一图像到综合图像等方向发展。即是要获得多时相（动态）图像、多维图像、多参数图像、多模式图像，以供临床多种诊断指标（包括病灶检测、定性、脏器功能评估、血流估计等）、治疗（包括三维定位、体积计算、外科手术规划等）的多种参
24、考以及多地域显示观察。,医学成像系统的发展趋势,四、医学图像存储与通讯系统 （picture archiving and communication systems, PACS),PACS是基于现代计算机和通讯技术，替代传统的胶片格式图像，以数 字格式处理图像，从而以高效率、高性能价格比来检查、存储、查询、提 取医学图像。其特点是利用计算机通讯网络在图像获取设备、图像存储设 备、医学图像工作站等PACS设备之间实现数据传送。,1. 全规模 PACS ( full-service PACS )涵盖全放射科和医学影像学科范围，包括所有医学成像设备，有独立的影像存储及管理亚系统，足够量的软拷贝显示和
25、硬拷贝输出设备，以及临床影像浏览，会诊系统和远程放射学服务。,PACS类型及其特征,2. 数字化PACS ( digital PACS )包括常规X-线影像以外的所有数字影像设备如（CT、 MRI、DSA等），具备独立的影像存储及管理亚系统和必要 的软硬拷贝输出设备。 3. 小型PACS ( mini-PACS )局限于单一医学影像部门或影像亚专业范围内，在医学 影像学科内部分地实现影像的数字化传输、存储和软拷贝显 示功能。,应用PACS系统可望取得以下明显效果： 实现过去与现在的图像对比，提高诊断精度； 经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病灶； 除查询病历和其他资料外，还可以作化验、心电
26、图记录，比 人工取片、查寻等更省时省力。 从临床使用的角度来看，其操作的实时性和获得图像信息的 可靠性，尤其可贵。,第四节 关于电离辐射的基本知识,一、电离与电离辐射电 离：原子的轨道电子逸离原子的过程。直接电离：由具有足够动能的带电离子与原子中的电子相互碰撞引起，如快速运动的电子、质子、粒子等都有可能直接使空气电离。间接电离：不带电离子（光子、中子等）在引起核转变的过程中产生出新的高能粒子，由这些粒子再直接或间接引起物质的电离。,直接致电离粒子,间接致电离 粒子,电离辐射：能够直接或间接使空气电离的辐射。,产生高能的次级 带电离子（通常 为电子）,带电粒子产生 大部分电离过程 （次级电离）,
27、例如：一个30keV的次级电子，大约能电离1000个原子。,X射线或射线光子的致电离过程：,辐射源,能量,吸收介质,二、常用的辐射单位 照射量(X)及其单位伦琴(R) 定义： X或射线在空气中电离出的同一种符号的总电量Q对空气质量m的微商。单位：伦琴(R)1R是指1cm3干燥空气(0.001293g)在X或射线照射下所产生的正(或负)离子的总电荷量为1静电单位电量时的照射量。即1R是在1kg空气中产生2.58 10-4C/kg电荷量时的照射量。,照射量是衡量X射线或射线对空气电离本领的一个量。,定义：被照射物质所吸收的任何电离辐射的平均能 量E对被照射物质质量m的微商。 单位：戈瑞(Gy)/拉
28、德(rad)。 1Gy=1J/kg 1Gy=100rad,吸收剂量(D),吸收剂量可用于任何辐射类型。,剂量当量(H) 定义：为了比较不同辐射类型引起的生物效应，用品质因子Q来描述不同类型射线对生物体造成伤害的程度，则吸收剂量D与品质因子Q的乘积即为剂量当量H。 H=Q D 单位：希沃特(Sv) 若吸收剂量单位用rad，则剂量当量的单位为雷姆(rem)，则：1Sv=100rem,各单位之间的关系 -照射量换算成吸收剂量,以R为单位的照射量只能用来描述X射线和射线 对空气的效应；而吸收剂量与剂量当量可用于所有类型的辐射。在国际单位制中，戈瑞（Gy）可以用来描述一切 介质中的吸收剂量，而希沃特（S
29、v)或雷姆(rem)则表 示人体的生物效应。在讨论辐射的生物效应时，应尽 可能使用以Sv或rem为单位的剂量当量。,5）注意：,三、 辐射的生物效应 躯体效应和遗传效应 随机性效应和非随机性效应,临床症状表现在 受照者后代身上,临床症状表现 在受照者本人身上,如：白内障、皮肤 的良性损伤、造血障碍、 生育能力损害等 躯体效应,如：躯体效应中 的癌症和遗传效应,四、辐射防护 （1）对人体的辐射分为：外照射和内照射 内照射：当放射性核素经由食道、呼吸系统、皮肤粘膜或伤口进入体内时，可引起内照射的危害。 外照射：来自体外的电离辐射对人体的照射。 （2）内照射防护措施尽可能切断放射性物质进入人体的各种途径，减少放射性核素进入人体的一切机会。 （3）外照射防护措施缩短接触放射源的时间，增大离开放射源的距离和采取适当的屏蔽措施。 （4）屏蔽物质：如铅、铁、混凝土等。,（5）注意：对X或射线的防护，以采用原子序数大、密度大的材 料为宜；对于射线的防护，需设两道防线：第一道防线由铝、 有机玻璃或混凝土等一类低原子序数（Z26）的物质组成； 第二道屏蔽层由原子序数大、密度大的材料（如铅）所组成。发展新技术和新设备、新材料是从根本上改善防护性能的方向！,医生穿20斤重铅衣在X光射线辐射下手术,
