醫(yī)學影像物理學

1、醫(yī)學影像物理學復習資料第一章X射線的產(chǎn)生條件：（1）電子源（陰極）發(fā)射電子（2）加速電子增加動能的電位差（高管電壓）（3）一個高度真空（P<10-4Pa）的環(huán)境（玻璃外殼） ，使電子在運動過程中盡可能減少能量損耗，保護燈絲不被氧化。（4）一個受電子轟擊而輻射X射線的物體（陽極靶）。X射線管的結構:1.X射線管的陰極（cathode） 發(fā)射電子的電子源，使電子聚焦后去撞擊陽極； 組成:發(fā)射電子的燈絲和聚焦電子的凹面陰極體。 圓焦點型：陰極燈絲繞成螺旋型，放在 碗狀陰極槽中，散熱差： 類型: 線焦點型：陰極燈絲繞成長螺線管型， 放在陰極體頭部的長形凹槽中。 雙焦點型：有大小不同的兩組燈絲，可

2、產(chǎn)生大 小雙焦點，若選用大焦點，只給長燈絲通電。2.X射線管的陽極（anode） 產(chǎn)生X射線。 固定式：鎢、鉬制成，嵌在銅制陽極體上襯底類型：特點：產(chǎn)熱高，用于管電流小，曝光時間長的牙科和骨科X光機（按結構分） 旋轉(zhuǎn)式：將陽極和陽極體作成圓盤狀，用小電機帶動旋轉(zhuǎn)； 特點：產(chǎn)熱均勻分布，避免局部過熱，功率。3. .有效焦點的面積為實際焦點面積的sin倍。(為靶與豎直方向的夾角)X射線管陰、陽極體的作用:陰極體作用： 使電子初聚焦 防止二次電子危害陰極體作用：接收從陰極發(fā)射出的電子并將它們傳導至與X射線管相連的電纜，使其能返回高壓發(fā)生器；為靶提供機械支撐；（3）良好的熱輻射體。X射線管的電特性X射

3、線管工作過程陰極通電后溫度升高，會產(chǎn)生熱電子發(fā)射，陰極和陽極之間外接很高的直流電壓，陰極發(fā)出的熱電子被直流高壓加速，以很高的速度轟擊金屬陽極，產(chǎn)生X線。X射線管的焦點及焦點的性能參量1、實際焦點：燈絲發(fā)射的電子，經(jīng)聚焦加速后，撞擊在陽極靶上的面積。2、有效焦點：實際焦點在垂直于X射線管軸線方向上投影的面積，即X射線照射在膠片上的有效面積實際焦點和有效焦點大小的影響實際焦點面積增大，散熱好，但有效焦點面積也增大，膠片影像模糊 實際焦點面積減小，陽極靶單位面積上的電子密度增大，實際焦點溫度增大，陽極損壞；圖象有效焦點越小，影像越清晰；有效焦點為點光源時：膠片圖象邊界清晰；有效焦點為面光源時：膠片邊

4、界模糊有半影；高斯分布>矩形分布>雙峰分布管電流增大，焦點增大，影像質(zhì)量下降；管電壓增大，焦點增大，影像質(zhì)量下降；輻射形式：韌致輻射，標識輻射。韌致輻射定義：（連續(xù)X射線產(chǎn)生）高能入射電子通過陽極原子核附近，受到原子核引力場的作用會降低速度并改變方向，入射電子損失的能量以電磁輻射的形式釋放。這種形式產(chǎn)生的輻射稱為“軔致輻射”或“制動輻射”連續(xù)X射線產(chǎn)生原因： 每個高速電子與靶原子作用時的相對位置不同 每個電子與靶原子作用前的能量也不同 故各次相互作用對應的輻射損失也不同，因而發(fā)出的X光子頻率也互不相同，大量的X光子 組成了具有頻率連續(xù)的X光譜。連續(xù)X射線產(chǎn)生特點： 每條曲線都有一個

5、峰值； 曲線在波長增加的方向上都無限延展，但強度越來越弱； 在波長減小的方向上，曲線都存在一個稱為短波極限波長min的極限值； 隨著管壓的升高，輻射強度均相應地增強； 各曲線所對應的強度峰值和短波極限的位置均向短波方向移動。標識輻射定義：（離散X射線）是高能電子與陽極物質(zhì)內(nèi)層電子作用的結果。高速電子把原子核外內(nèi)層電子擊出的過程中伴隨的標識X射線的電磁輻射，稱標識輻射，也稱特征輻射。產(chǎn)生條件：入射電子的動能大于陽極原子中殼層電子的結合能，而輻射光子的能量則僅僅取決于陽極原子的電子能級之差。標識X射線波長僅取決于陽極靶物質(zhì)。X射線的基本特性1. X射線在均勻的、各向同性的介質(zhì)中，是直線傳播：2.

6、X射線不帶電，不受外界磁場和電場影響；3. X射線具有貫穿本領；（不同組織穿透性不同：骨骼-軟組織-脂肪-肺、腸道）4. X射線的熒光作用；(X射線照射熒光物質(zhì)可發(fā)出熒光)透視、增感屏5. X射線的電離作用；（ X光子撞擊電子一次電離，撞擊其它原子二次電離） 6。 X射線的熱作用；7. X射線的化學和生物效應： （與物質(zhì)進行光化學反應；生物體內(nèi)電離和激發(fā)作用）X射線的強度：單位時間內(nèi)通過單位橫截面積的輻射能量（光子數(shù)和每個光子能量決定）。 常用X射線的量和質(zhì)表示強度；量：X光子數(shù)目N，mA.s 質(zhì)：X光子的能量hv（平均），可表示X射線的硬 度：穿透物質(zhì)的能力 X射線按硬度大小分類：極軟、軟、

7、硬、極硬四類；用途各異。影響強度因素：影響因素（增加）X射線的質(zhì)X射線的量毫安秒不變增加管電壓增加增加靶原子序數(shù)增加增加濾過增加降低距離不變降低電壓脈動降低降低管電流不變增加光電作用光電作用過程是光致電離的過程，一個輻射光子使原子的一個殼層電子脫離原子，變成光電子。光子的能量用來克服電子的結合能使原子電離，剩余部分能量變?yōu)楣怆娮拥膭幽?。康普敦散射定義：能量較高的輻射光子（遠高于電子的結合能）在與物質(zhì)相互作用時，入射光子與原子內(nèi)一個軌道電子發(fā)生相互作用時，光子損失一部分能量，并改變運動方向，電子獲得能力而脫離原子。X線攝影與X線熒光透視應用熒光屏顯像的檢查方法稱為X射線透視；應用X射線膠片顯像的

8、檢查方法稱為X射線攝影；X線熒光透視投照部位厚度一定，則熒光屏上暗的地方對應人體組織密度高的部位，X線吸收多；熒光屏上亮的地方對應人體組織密度低的部位，X線吸收少；缺點: 有輻射且量大 不能留下客觀記錄 透視影象是先將X射線影象轉(zhuǎn)為熒光屏的光影象，然后再轉(zhuǎn)為上影象，兩次影象轉(zhuǎn)換，丟失信息，同時熒光屏亮度有限，人眼視覺靈敏度低，熒光物質(zhì)顆粒大，則較細微結構的影像看不清楚，對早期病變和復雜結構組織器官看不情。X射線攝影 投照部位厚度一定，則膠片上暗的地方對應人體組織密度低的部位，X線吸收多；熒光屏上亮的地方對應人體組織密度高的部位，X線吸收少；第二章數(shù)字減影血管造影（DSA）的原理將造影前、后獲得

9、的數(shù)字圖像進行數(shù)字減影，在減影圖像中消除骨骼和軟組織結構，使?jié)舛群艿偷膶Ρ葎┧溆难茉跍p影圖像中顯示出來，有較高的圖像對比度。數(shù)字減影的3種基本方法：時間減影，能量減影(能把不同吸收系數(shù)的組織影像分開)，混合減影。影響DSA影象質(zhì)量的因素：(1) 噪聲 (2)運動偽影(3)造影劑濃度DSA的優(yōu)缺點： （與膠片減影相比）優(yōu)點：1.對比度大2. 實時處理 3.直接顯示和校正缺點：1.運動會產(chǎn)生偽影2.不進行選者性注射時，會血管重疊CR成像過程：1.影像信息的采集2.影像信息的讀取 3. 影像信息的處理4. 影像信息的再現(xiàn)影響CR影像質(zhì)量的因素 空間分辨力：PSL物質(zhì)結晶體的顆粒度、影像讀出系統(tǒng)

10、的電光學特性、激光束光點的大小、散射程度 CR影像中的噪聲： X射線量子噪聲：IP吸收過程中產(chǎn)生 光量子噪聲：光電倍增管轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生 固有噪聲：IP結構噪聲、激光噪聲、模擬電路噪聲、A/D轉(zhuǎn)換中量子噪聲等CR影像的優(yōu)缺點 優(yōu)點：1.數(shù)字影像 2.X 射線照射量的動態(tài)范圍大 3.照射劑量低 4.應用范圍廣 5.IP可重復使用 缺點： 時分力差、空分力稍差、設備昂貴。CT原理CT是綜合運用層面X線掃描原理，利用高靈敏光子探測技術，先進的數(shù)據(jù)處理方法和顯示技術，根據(jù)人體不同組織和病變對X線衰減系數(shù)不同，采用一定的數(shù)學方法，把探測的結果經(jīng)計算機處理，獲得人體衰減系數(shù)在人體某剖面上的二維分布矩陣，再用電子

11、技術轉(zhuǎn)化為一系列準確而詳細的組織層面灰度圖像，實現(xiàn)斷層圖像的現(xiàn)代醫(yī)學成像技術。CT重建過程1.劃分體素和像素;2.掃描并采集足夠的投影數(shù)據(jù);3.采用一定的算法處理投影數(shù)據(jù),求解出各體素的成像參數(shù)值(即衰減系數(shù))獲取分布,并轉(zhuǎn)為對應的CT值分布;4.把CT值轉(zhuǎn)為與體素對應的像素的灰度,即把CT值分布轉(zhuǎn)為圖像畫面上的灰度分布,此灰度分布就是CT像。1.反投影法（利用投影數(shù)值近似的復制出 的二維分布矩陣.）原理:沿掃描路徑的反方向，把所得投影的數(shù)值反投回各體素中去，并用計算機進行運算，求出各體素u 值而實現(xiàn)圖像的重建。缺點：邊緣失銳解決的辦法：采用濾波反投影法X-CT成像與普通X線成像最大不同之處普

12、通X射線攝影像是重疊的模擬像,而X-CT圖像是數(shù)字化的斷層圖像CT影像設備的組成 掃描系統(tǒng)（X線管、探測器和掃描架）; 計算機系統(tǒng)（數(shù)據(jù)儲存、運算等）和圖像重建系統(tǒng); 圖像顯示和存儲、照相系統(tǒng)。 算法舉例2.濾波反投影圖像重建定義:用一濾波函數(shù)與前投影值卷積作為新的投影函數(shù)，再反投影。優(yōu)點：去偽影，且速度快。3.CT值： CT影像中每個像素所對應的物質(zhì)X射線線性平均衰減量的大小。則衰減系數(shù)為 的某種物質(zhì)的CT值為： 單位為亨 為能量是73Kev的X射線在水中的線性衰減系數(shù) K 為分度系數(shù)，一般K=1000窗口技術：（CT機放大某段范圍內(nèi)灰度的技術。） 將放大灰度范圍的上限增強為全白，下限壓縮為

13、全黑。增強了局部灰度范圍內(nèi)不同灰度之間黑白對比的程度。窗口：被放大的灰度范圍。窗寬：被放大的灰度范圍上下限之差。窗寬=CT max-CT min窗位：被放大的灰度范圍的灰度中心值。 窗位=(CT max+CT min)/2規(guī)律:窄窗寬CT值范圍小每級灰階代表的CT值跨度小黑白對比度大。適合觀察密度差別小的組織。寬窗寬，適合觀察密度差別大（肺、骨質(zhì)）的組織。第三章磁共振現(xiàn)象：定義：處在某一靜磁場中的物質(zhì)的原子核受到相應頻率的電磁波作用時，在它們的能級之間發(fā)生共振躍遷現(xiàn)象。優(yōu)點：（1）有多個成像參數(shù)，能提供豐富的診斷信息；（2）無電離輻射，安全可靠；（3）有極好的組織分辨能力；（4）不需造影劑，即

14、可觀察心臟和血管系統(tǒng)；（5）掃描方向靈活，可做橫斷面、冠狀面、矢狀面及任意切面斷層掃描。缺點：但掃描時間相對較長?？辗至^低。設備昂貴，禁忌癥多。產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象的基本條件：1. 能夠產(chǎn)生共振躍遷的原子核； 2. 恒定的靜磁場 3. 產(chǎn)生一定頻率電磁波的交變磁場。旋進（進動）：具有角動量的體系在外力矩的作用下，角動量方向發(fā)生連續(xù)改變的現(xiàn)象。純旋進：在外力矩與體系的角動量始終垂直時，角動量大小不變，方向發(fā)生連續(xù)改變的現(xiàn)象。自旋：電子的自旋運動電子的自旋磁矩等于電子的自旋磁旋比乘以電子的自旋角動量。即g l 為帶電粒子軌道g因子，對于電子，其軌道運動gl =-1；自旋運動gl =-2。磁共振信號的采

15、集當在靜磁場中物質(zhì)的原子核受到定頻率的電磁波作用時，在它們的能級之間發(fā)生共振躍遷，這就是磁共振現(xiàn)象。物質(zhì)吸收電磁波能量而躍遷之后，又會釋放電磁能量恢復到初始狀態(tài)，如果用特殊裝置接受這部分能量信號，就采集到了磁共振信號。SE序列的加權圖像名稱TE選擇TR選擇效果T1加權圖像短 短T1小I值大T2加權圖像長長T2大I值大質(zhì)子密度加權圖像短長質(zhì)子密度大I值大射頻磁場由于縱向磁化矢量Mz方向與外磁場方向平行，它是疊加在外磁場上，故無法測量出來。為此在XY面上任一方向加入射頻磁場Br（繞B0的旋轉(zhuǎn)磁場），使磁化矢量M偏離B0 ,在XY面上產(chǎn)生不為零的橫向磁化矢量投影分量 M x y=M sin。 射頻脈

16、沖的頻率必須與原子核的進動頻率相同。M與B0間夾角=B r t t為Br作用時間。射頻脈沖的作用： （原子核同時繞B0和Br旋進）1. 是低能級的原子核吸收了RF脈沖的能量后躍遷到了高能級，原子核在外磁場中排列方向由同方向平行變?yōu)榉捶较蚱叫校M而又抵消了相同數(shù)目低能級原子核的磁力，縱向磁化矢量變小。2. 是受射頻詠沖磁場的磁化作用，進動的原子核趨向于射頻磁場方向而變?yōu)橥健⑼龠\動，即處于“同相”。這樣，在x-Y平面上疊加起來，形成了一個新的宏觀磁化量，即橫向磁化矢量Mxy,不為零，繼續(xù)繞z軸進動。磁共振圖像重建第四章名詞解釋：同位素：原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同、而中子數(shù)不同的核素。 核素：原子核內(nèi)具

17、有相同質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)并處于相同能量狀態(tài)的原子稱為一種核素。同量異位素：質(zhì)量數(shù)相同的不同元素互稱為同量異位素同質(zhì)異能素：核中質(zhì)子/中子數(shù)相同，但處于不同能態(tài)的核素互稱為同質(zhì)異能素 ； 如99/43Tcm為Tc的同質(zhì)異能素。結合能：自由核子結合成為原子核過程中釋放出的能量。比結合能：原子核的結合能/原子核的核子數(shù)A。放射性核素的來源 （1）反應堆（2）回旋加速器（3）放射性核素發(fā)生器 反應堆：以U235和PU239為核燃料進行（n,f）中子核裂變反應，然后用在裂變過程中產(chǎn)生的中子n轟擊靶物引起核反應，再將經(jīng)中子輻照后的靶物進行化學處理，即可生產(chǎn)出醫(yī)用放射性核素。如Mo99 , I131 回旋加速器

18、:用來加速帶電粒子轟擊靶物質(zhì)引起核反應的裝置。 主要生產(chǎn)短壽命和超短壽命的貧中子放射性核素，適用于核醫(yī)學成像設備。如C11,N13,O15,F18. 放射性核素發(fā)生器:一種從較長半衰期的母體核素中分離出由它衰變而來的短半衰期子體核素的裝置。如Mo99-Tc-99m 發(fā)生器。放射性衰變方式1.同量異位衰變 一種核素轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量數(shù)相同的另一種核素，即它的同量異位素。 N/P比過高，輻射b-粒子，原子序數(shù)加一;（N-P） N/P比過低，輻射b+粒子，原子序數(shù)加一;（PN） N/P比過低，俘獲殼層電子，原子序數(shù)減一（PN） Mo-99 Tc-99(m) + b- + n2. 同質(zhì)異能衰變 一種核素變?yōu)樗?/p>

19、的同質(zhì)異能素；從激發(fā)態(tài)向基態(tài)恢復，多余能量以g射線射出。 Tc-99m Tc-99 + gRNI成像原理(核素示蹤技術)將放射性制劑（事先被標記）引入生物體，它們將隨同被研究物質(zhì)一起參與機體內(nèi)的輸運、集聚和代謝；通過對放射性射線的檢測就可間接了解被研究物質(zhì)在生物體內(nèi)的動態(tài)變化，獲取定性、定位和定量的結果。g照相機將人體內(nèi)放射性核素分布快速，一次性顯像的設備。可提供靜態(tài)圖像、也可進行動態(tài)觀測、也可提供局部、全身圖像、功能信息豐富、可把形態(tài)學和功能性信息顯示結合起來。顯像時間短，20楨/秒。g衰變：b衰變：衰變：SPECT機型的改變：雙探頭探測光子，濾波反投影重建圖象可做 橫斷層 和 縱斷層成像P

20、ETPET為一種三維醫(yī)學成像技術，結合計算機化橫斷面影像重建技術（如同CT掃描所用的）和放射性藥物來產(chǎn)生影像。PET符合成像的獨特性是使用了正電子發(fā)射示蹤劑，發(fā)生b+衰變 ，產(chǎn)生的正電子會與電子發(fā)生湮沒輻射，產(chǎn)生一對飛行方向相反、能量為0.511 MeV的雙光子，然后探測雙光子。 第五章超聲波的產(chǎn)生產(chǎn)生條件：高頻聲源和傳播超聲的彈性介質(zhì)。產(chǎn)生方法：壓電換能法發(fā)射：壓電換能器將高頻電磁振動能量轉(zhuǎn)換為機械振動能量（超聲波）；接收：壓電換能器將超聲波振動能量轉(zhuǎn)換為電磁能量；超聲波分類：（1）按超聲振動形式分： 縱波：振動分量與傳播方向平行在（ 氣，液，固中都能傳播 ）； 橫波：振動分量與傳播方向垂直

21、，只能在（固體）中傳播；（2）按發(fā)射方式分： 連續(xù)波：正弦等幅波，頻率和振幅都不變。 脈沖波：阻尼衰減振蕩波。(3) 按頻率分：低頻：1_-2.75MHz 中頻：3_-10MHz 高頻：12_-20MHz 超高頻：20MHz聲速：單位時間內(nèi)傳播的距離，聲速大小與介質(zhì)的密度、彈性、波動類型有關；在20oc空氣中343ms-1,在水中為1450ms-1，在人體軟組織中一般取為1540ms-1聲阻抗Z：聲壓與振動速度之比；z的單位為（瑞利/10(-1)kg.m(-2).s(-1)），當聲壓與振動速度同位相時，Z=c, 組織密度，c聲速。影響因素：溫度，密度，聲速。人體組織按聲阻抗不同，分為：低聲阻：

22、氣體或充氣組織，肺部組織中聲阻：液體和軟組織，肌肉(超聲檢查)高聲阻：礦物組織，骨骼超聲波在介質(zhì)中的傳播特性（1）擴散衰減（2）散射衰減（3）吸收衰減:聲波通過介質(zhì)薄層（1）當Z2比Z1和Z3小很多時，如Z2為軟組織之間空氣薄層，則聲束幾乎不能透射；（2）當薄層厚度d為整數(shù)或半整數(shù)倍的2時，相當于垂直通過，介質(zhì)薄層消失；（3）當 且d為2/4的奇數(shù)倍時，相當于兩截面不存在。耦合劑：石蠟或油類物質(zhì)，滿足（3）不污染，不腐蝕，不刺激，膠凍狀態(tài)，可高溫消毒脈沖回波幅度法定義：凡利用脈沖超聲回波的幅度變化來傳遞人體組織的解剖結構情況的技術。分類：幅度調(diào)制型：在顯示器上以波形的大小表示人體組織回波幅度的

23、變化的顯示模式，如A型超聲；亮度調(diào)制型：用亮度表示人體組織回波幅度的變化的顯示模式，如B型、C型、F型、M型超聲等。 脈沖式回聲診斷儀基本結構1.主控電路 最簡單的主控電路是同步觸發(fā)信號發(fā)生器。它周期性地產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號，分別去觸發(fā)控制發(fā)射電路、掃描發(fā)生器。2.發(fā)射電路 發(fā)射電路是在受到同步信號觸發(fā)時，產(chǎn)生高壓電脈沖去激勵探頭發(fā)射超聲波。3.接收電路 它包括射頻放大電路、解調(diào)和抑制、視頻放大電路三個基本部分。超聲癥斷成像的基本原理1. 聲束在介質(zhì)中以直線傳播，以此可估計成像方位。2. 在各種介質(zhì)中聲速均勻一致，以此可估計成像層面。3. 在各種介質(zhì)中介質(zhì)的吸收系數(shù)均勻一致，以此確定增益補償?shù)?/p>

24、技術參數(shù)。脈沖回波成像原理由于人體組織和臟器具有不同的聲速和聲阻抗，在界面上會反射聲波，大部分超聲能量穿過界面繼續(xù)向前傳播待遇到第二界面時，又產(chǎn)生回波，并仍有很大部分超聲能量穿過第二界面繼續(xù)前進，圖中說明了如何利用超聲脈沖回波來測量產(chǎn)生回波的深度?；夭ǔ上裣到y(tǒng)的三部分(1)換能器：（2）信號處理部分：（3）顯示器和記錄部分超聲回波測距脈沖回波成像時，產(chǎn)生回波的位置可以根據(jù)脈沖發(fā)出并達到界面以及返回所經(jīng)歷的往返路程與聲速的關系確定。聲源至界面的距離為：L=ct/2 ( t為回波時間 )時間增益補償STC 定義：也就是深度增益補償，使淺部組織回波信號小放大甚至衰減，而深部組織回波信號得到較大的放大

25、，使不同深部的組織回聲信號都得到充分的顯示。 A型、B型和M型超聲A型超聲 幅度顯示型：熒光屏上出現(xiàn)脈沖波形，脈沖的幅度由反射回波的強度大小決定，脈沖間距離與反射界面間距離成正比。（一維圖像顯示） 示波器上（橫坐標表示波傳播時間即探測深度 縱坐標表示脈沖的回波幅度信號）B型超聲超聲波束按一個方向掃查（直線或弧線掃查），并與超聲波的傳播方向組成一個與超聲波傳播方向一致的二維切面，切面上光點的亮度反映組織回波大小。 輝度調(diào)制顯示方式：亮度調(diào)輝型，將回波幅度信號加到顯像管Z軸亮度調(diào)輝極上，提供二維斷層圖像，也可實時動態(tài)觀測。 圖像亮度為回波幅度。示波器上（橫坐標：時間掃描信號，但時間掃描電壓變化速率一定要與聲線的實際位置嚴格對應，即與探頭移動同步變化?？v坐標：傳播時間即探測深度。） B型掃描方式 1