醫(yī)學影像設備學教學課件

醫(yī)學影像設備學

教學課件韓豐談主編醫(yī)學影像設備學教學課件第1頁第一章醫(yī)學影像設備學概論第一節(jié)醫(yī)學影像設備發(fā)展簡史

第二節(jié)醫(yī)學影像設備分類

醫(yī)學影像設備學教學課件第2頁第一節(jié)醫(yī)學影像設備發(fā)展簡史

1895年11月8日，德國物理學家倫琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高壓放電試驗時，發(fā)覺了一個肉眼看不見、但含有很強穿透本事、能使一些物質發(fā)出熒光和使膠片感光新型射線，即X射線，簡稱為X線。1896年，德國西門子企業(yè)研制出世界上第一只X線管。20世紀10~代，出現(xiàn)了常規(guī)X線機。其后，因為X線管、高壓變壓器和相關儀器、設備以及人工對比劑不停開發(fā)利用，尤其是體層裝置、影像增強器、連續(xù)攝影、快速換片機、高壓注射器、電視、電影和錄像統(tǒng)計系統(tǒng)應用，到20世紀60年代中、末期，已形成了較完整學科體系，稱為影像設備學。醫(yī)學影像設備學教學課件第3頁1972年，英國工程師漢斯菲爾德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一臺用于顱腦X線計算機體層攝影（x-raycomputedtomography，X-CT）設備，簡稱為X-CT設備，或CT設備。CT設備是橫斷面體層，無前后影像重合，不受層面上下組織干擾；同時因為密度分辨力顯著提升，能分辨出0.1%~0.5%X線衰減系數(shù)差異，比傳統(tǒng)X線檢驗高10~20倍；還能以數(shù)字形式（CT值）作定量分析。醫(yī)學影像設備學教學課件第4頁近30年來，CT設備更新速度極快，掃描時間由最初幾分鐘向亞秒級發(fā)展，圖像快速重建時間最快已達0.75s（512×512矩陣），空間分辨力也提升到0.1mm。寬探測器多層螺旋CT設備得到了廣泛普及，功效有了深入擴展。大孔徑CT設備可兼顧日常應用與腫瘤病人定位，組合型CT設備可在完成CT檢驗后直接進行正電子發(fā)射型計算機體層（positiveemissioncomputedtomography，PET）檢驗，使CT形態(tài)學信息與PET功效性信息經(jīng)過工作站準確融合，能夠更準確地完成定性與定量診療。醫(yī)學影像設備學教學課件第5頁平板探測器CT設備當前尚在開發(fā)階段，一旦技術成熟，從機器設計、信息模式、成像速度、射線劑量到運行成本都會有根本性改變，將會引發(fā)CT設備又一次革命。醫(yī)學影像設備學教學課件第6頁20世紀80年代初用于臨床磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）設備，簡稱為MRI設備。它是一個新非電離輻射式醫(yī)學成像設備。MRI設備密度分辨力高，經(jīng)過調整梯度磁場方向和方式，可直接攝取橫、冠、矢狀層面和斜位等不一樣體位體層圖像，這是它優(yōu)于CT設備特點之一。迄今，MRI設備已廣泛用于全身各系統(tǒng)，其中以中樞神經(jīng)、心血管系統(tǒng)、肢體關節(jié)和盆腔等效果最好。醫(yī)學影像設備學教學課件第7頁中場超導（0.7T）開放型MRI設備深入普及，它便于開展介入操作和檢驗中監(jiān)護病人，克服了幽閉恐懼病人和不合作病人應用MRI檢驗限制。雙梯度場技術可在較小范圍內到達更高梯度場強，有利于完成各種高級成像技術，如功效成像、彌散成像等。降噪辦法和成像專用線圈也都有了較大進步，如功效成像線圈和肢體血管成像線圈等。腹部診療效果已靠近和到達CT設備水平，腦影像分辨力在常規(guī)掃描時間下提升了數(shù)千倍，而顯微成像分辨力到達50~10μm，現(xiàn)已成為醫(yī)學影像診療設備中最主要組成部分。醫(yī)學影像設備學教學課件第8頁生物體磁共振波譜分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）含有研究機體物質代謝功效和潛力，今后如能實現(xiàn)MRI設備與MRS結合臨床應用，將會引發(fā)醫(yī)學診療學上一個新突破。醫(yī)學影像設備學教學課件第9頁數(shù)字減影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、計算機X線攝影（computedradiography，CR）和數(shù)字攝影（digitalradiography，DR）是20世紀80年代、90年代開發(fā)數(shù)字X線機。前者含有少創(chuàng)、實時成像、對比分辨力高、安全、簡便等特點，當前，正向快速旋轉三維成像實時減影方向發(fā)展，從而擴大了血管造影應用范圍。后者含有降低曝光量和寬容度大等優(yōu)點，更主要是可作為數(shù)字化圖像納入圖像存放與傳輸系統(tǒng)（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X線實時高分辨力成像板將是最具革命性、最有發(fā)展前途影像探測器之一。醫(yī)學影像設備學教學課件第10頁20世紀50年代和60年代，超聲成像（ultrasonography，USG）設備和核醫(yī)學設備相繼出現(xiàn)，當初在醫(yī)學上應用往往各成系統(tǒng)。1972年X-CT設備開發(fā)，使醫(yī)學影像設備進入了一個以計算機和體層成像相結合、以圖像重建為基礎新階段。70年代末80年代初，超聲CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和數(shù)字X線機逐步興起，并應用于臨床。盡管這些設備成像參數(shù)、診療原理和檢驗方法各不相同，但其結果都是形成某種影像，并依此進行診療。醫(yī)學影像設備學教學課件第11頁介入放射學自20世紀60年代興起，于70年代中期逐步應用于臨床，近年來尤以介入治療進展快速。因其含有安全、簡便、經(jīng)濟等特點，深受醫(yī)生和病人普遍重視與歡迎，現(xiàn)仍處于不停發(fā)展和完善過程之中。90年代倍受人們青睞立體定向放射外科學設備，因為它能夠不作開顱手術而治療一些腦疾患，很受歡迎，全世界都在主動開發(fā)和應用這種高新設備。介入放射學設備與立體定向放射外科學設備，都是經(jīng)過醫(yī)學影像設備來引導或定位，所以也屬于醫(yī)學影像設備范圍。醫(yī)學影像設備學教學課件第12頁總而言之，各種類型醫(yī)學影像診療設備與醫(yī)學影像治療設備相結合，共同組成了當代醫(yī)學影像設備體系。醫(yī)學影像設備學教學課件第13頁醫(yī)學影像設備學教學課件第14頁第二節(jié)醫(yī)學影像設備分類當代醫(yī)學影像設備可分為兩大類，即醫(yī)學影像診療設備和醫(yī)學影像治療設備。一、診療用設備按照影像信息載體來區(qū)分，當代醫(yī)學影像診療設備主要有以下幾個類型：①X線設備（含X-CT設備）；②MRI設備；③超聲設備；④核醫(yī)學設備；⑤熱成像設備；⑥光學成像設備（醫(yī)用內鏡）。醫(yī)學影像設備學教學課件第15頁（一）X線設備X線設備經(jīng)過測量穿透人體X線來實現(xiàn)人體成像。X線成像反應是人體組織密度改變，顯示是臟器形態(tài)，而對臟器功效和動態(tài)方面檢測較差。這類設備主要有常規(guī)X線機、數(shù)字X線機和X-CT設備等。以X線作為醫(yī)學影像信息載體，出于兩方面考慮，即分辨力和衰減系數(shù)。從分辨力來看，為了取得有價值影像，輻射波長應小于5×10-11m。另首先，當輻射波經(jīng)過人體時，應展現(xiàn)衰減特征。若衰減過大，則透射人體輻射波微弱，當測量透射人體輻射波時，因為噪聲存在，很可能造成測量結果無意義。反之，若輻射波透射人體時幾乎無衰減，則因無法準確測量衰減部分而失效。醫(yī)學影像設備學教學課件第16頁在X線設備中，屏-片組合分辨力較高，可到達5~10LP/mm，且使用方便、價格較低，是當前各級醫(yī)院中使用最普遍設備之一。但它得到是人體不一樣深度組織信息疊加在一起二維圖像，所以病變深度極難確定，且對軟組織分辨不佳。數(shù)字X線機使用曝光量寬容度大，可取得數(shù)字化影像，便于進行圖像后處理，且擴大了診療范圍，利于胃腸和心臟等部位檢驗。X-CT影像空間分辨力可小于0.5mm，能分辨組織密度差異可到達0.5％。X-CT影像清楚度很高，可確定受檢臟器位置、大小和形態(tài)改變。醫(yī)學影像設備學教學課件第17頁（二）MRI設備MRI設備經(jīng)過測量組成人體組織中一些元素原子核磁共振信號，實現(xiàn)人體成像。20世紀40年代發(fā)覺了物質磁共振現(xiàn)象，20世紀80年代MRI設備應用于臨床。MRI影像空間分辨力普通為0.5~1.7mm，不如X-CT；但它對組織分辨遠遠好于X-CT，在MRI影像上可顯示軟組織、肌肉、肌腱、脂肪、韌帶、神經(jīng)、血管等。另外，它還有一些特殊優(yōu)點：①MRI剖面定位完全是經(jīng)過調整磁場，用電子方式確定，所以能完全自由地按照要求選擇層面；②MRI對軟組織對比度比X-CT優(yōu)越，能非常清楚地顯示腦灰質與白質；③MR信號含有較豐富相關受檢體生理、生化特征信息，而X-CT只能提供密度測量值；④MRI能在活體組織中探測體內化學性質，提供關于內部器官或細胞新陳代謝方面信息；⑤MRI無電離輻射。當前，還未見到MR對人體危害報道。醫(yī)學影像設備學教學課件第18頁MRI缺點：①與X-CT相比，成像時間較長；②植入金屬病人，尤其是植入心臟起搏器病人，不能進行MRI檢驗；③設備購置與運行費用較高。總之，MRI設備可作任意方向體層檢驗，能反應人體分子水平生理、生化等方面功效特征，對一些疾病（如腫瘤）可作早期或超早期診療，是一個很有發(fā)展前途和潛力高技術設備。醫(yī)學影像設備學教學課件第19頁（三）診療用超聲設備診療用超聲設備分為利用超聲（ultrasound，US）回波USG設備和利用US透射超聲CT（ultrasonographyCT，UCT）兩大類。USG設備，依據(jù)其顯示方式不一樣，能夠分為A型（幅度顯示）、B型（切面顯示）、C型（亮度顯示）、M型（運動顯示）、P型（平面目標顯示）等。當前，醫(yī)院中用最多是B型USG設備，俗稱B超，其橫向分辨力可到達2mm以內，所得到軟組織圖像清楚而富有層次。利用US多普勒系統(tǒng)，可實現(xiàn)各種血流參量測量，是近年來廣泛應用又一個US技術。臨床上，USG設備在甲狀腺、乳房、心血管、肝臟、膽囊、泌尿科和婦產(chǎn)科等方面有其獨到之處。當前UCT所需掃描時間較長，且分辨力低，有待于深入改進與提升。但因為它是一個無損傷和非侵入式診療設備，所以未來可能成為主要影像診療設備。醫(yī)學影像設備學教學課件第20頁X線成像與US成像是當前用得最為普遍兩種檢驗方法，但對人體有沒有危害是它們之間一個主要區(qū)分。就X線來說，盡管現(xiàn)在已經(jīng)顯著地降低了診療用劑量，但其危害性仍不容忽略。實踐表明，它將造成癌癥、白血癥和白內障等疾病發(fā)病率增加。而從現(xiàn)有資料來看，當前診療用US劑量還未有使受檢者發(fā)生不良反應報道。另外，X線在體內沿直線傳輸，不受組織差異影響，是其有利一面，但不利一面是難以有選擇地對所指定平面成像。對US波來說，不一樣物質折射率改變范圍相當大，這將造成影像失真。但它在絕大部分組織中傳輸速度是相近，骨骼和含有空氣組織（如肺）除外。US波和X線這些不一樣輻射特征，確定了各自最適宜臨床應用范圍。比如，US脈沖回波法適合用于腹內結構或心臟顯像，而利用X線對腹部檢驗只能顯示極少內部器官（若采取X線造影法，也可有選擇地對特定器官顯像）；對于胸腔，因肺部含有空氣而不宜用US檢驗，用X線則可取得較為滿意結果。醫(yī)學影像設備學教學課件第21頁（四）核醫(yī)學設備核醫(yī)學設備經(jīng)過測量人體某一器官（或組織）對標識有放射性核素藥品選擇性吸收、儲聚和排泄等代謝功效，實現(xiàn)人體功效成像。主要有γ相機、單光子發(fā)射型CT（singlephotonemissionCT，SPECT）和正電子發(fā)射型CT（positiveemissionCT，PET）。γ相機既是顯像儀器，又是功效儀器。臨床上可用它對臟器進行靜態(tài)或動態(tài)攝影檢驗。動態(tài)攝影主要用于心血管疾病檢驗。因為SPECT含有γ相機全部功效，又含有體層功效，所以顯著提升了診療病變定位能力；加上各種新開發(fā)出來放射性藥品，從而在臨床上得到日益廣泛應用。SPECT能做動態(tài)功效檢驗或早期疾病診療。缺點是圖像清楚度不如X-CT，檢驗時要使用放射性藥品。PET能夠用人體組織一些組成元素（如15O、11C、13N等）來制造放射性藥品，尤其適合作人體生理和功效方面研究，尤其是對腦神經(jīng)功效研究。在其附近需要有生產(chǎn)半衰期較短放射性核素加速器和放射化學試驗室。醫(yī)學影像設備學教學課件第22頁核醫(yī)學成像只需極低濃度放射性物質，這與X線成像時口服硫酸鋇不一樣。普通情況下，核醫(yī)學成像橫向分辨力極難到達1.0cm；且圖像比較含糊，這是因為有限光子數(shù)目所致。相比之下，X線成像含有高分辨力和低量子噪聲。醫(yī)學影像設備學教學課件第23頁（五）熱成像設備熱成像設備經(jīng)過測量體表紅外信號和體內微波信號實現(xiàn)人體成像。紅外輻射能量與溫度相關，所以又能夠說，熱成像就是利用溫度信息成像。研究人體溫度分布，對于了解人體生理情況、診療疾病含有主要意義。影響體表溫度原因很多，最主要是皮下毛細血管網(wǎng)血流情況。血流受控于棘狀血管舒縮中心，其四肢交感神經(jīng)系統(tǒng)主要控制著血管舒縮節(jié)律。所以，利用熱成像，首先能夠評價血流分布是否正常；其次，能夠評價交感神經(jīng)系統(tǒng)活動；還能夠研究皮下組織所增加代謝熱或動脈血流經(jīng)過熱傳導使體溫升高情況。另外，前后皮膚溫度還受其它原因影響，如傷痛感受器、化學受體、丘腦下部等。因為出汗而形成局部熱蒸發(fā)損失，也需給予考慮。醫(yī)學影像設備學教學課件第24頁醫(yī)用熱成像設備普通包含紅外成像、紅外攝影、紅外攝像和光機掃描成像等。光機掃描熱成像儀將人體熱像轉變?yōu)檫B續(xù)改變圖像電信號，經(jīng)放大處理即可在顯示器上顯示熒光影像。其優(yōu)點是溫度分辨力可達0.1~0.01K，且含有靈敏度高、空間分辨力高。當前，光機掃描熱成像儀已應用于乳腺癌普查和診療，血管瘤和血管閉塞情況檢驗和診療，以及妊娠早期診療等。還有一個熱釋電攝像機，將輸入熱輻射由紅外透鏡聚焦，在攝像管靶面上產(chǎn)生空間和強度改變與熱體溫度分布相同電荷圖形，最終把反應溫度情況電像轉變?yōu)橐曨l信號輸出。熱釋電攝像機在整個紅外光譜區(qū)響應相當平穩(wěn)，又無需制冷，含有電子掃描、能與電視兼容等優(yōu)點，是一個很有發(fā)展前途熱成像系統(tǒng)。但當前它存在著靈敏度低、工作距離近、性能指標比光機掃描熱像儀差缺點，有待于深入完善與提升。醫(yī)學影像設備學教學課件第25頁體內以電磁波方式向外傳輸熱輻射，其中含有微波成份。微波成像系統(tǒng)借助于體外微波天線接收體內傳出微波，并經(jīng)過高靈敏度熱輻射計以實現(xiàn)溫度測量。如測量某一特定頻率信號，即可得到從體表到某一深度平均溫度。若采取多波段輻射計，并對測量數(shù)據(jù)作適當處理，就能推斷出不一樣深度組織溫度。如以溫度為參變量，則可取得不一樣深度體層圖像。因為引發(fā)人體組織溫度異常分布有各種各樣原因，所以，熱成像設備所提供信息僅供診療參考，不能作為診療依據(jù)。醫(yī)學影像設備學教學課件第26頁（六）醫(yī)用內鏡前述各種醫(yī)學影像設備即使在某種程度上能顯示出人體內部組織形態(tài)，但這種顯示是間接、非直觀。真正能做到直觀儀器，當前唯有內鏡。利用光學內鏡，能使人眼直接看到人體內臟器官組織形態(tài)，從而提升了診療準確性。內鏡診療優(yōu)勢，已成為醫(yī)學界共識。醫(yī)用內鏡種類很多，當前臨床上用得最多是光導纖維內鏡（纖鏡），而最有發(fā)展?jié)摿κ请娮觾如R。醫(yī)學影像設備學教學課件第27頁光導纖維內鏡（簡稱為纖鏡）以胃腸內鏡為例，它是由頭端部、直徑為7.9~12.8mm可彎插入管以及將光源和頭端部連接起來連接管組成。頭端部由目鏡，遠端彎角，抽吸和送水各種控制件及工作鉗孔等組成，能夠手持。纖鏡可彎曲套管中密封有傳像束和導光束，它們將頭端和末端連接在一起。導光束未來自光源光傳輸?shù)絻如R末端以照明視物。傳像束將圖像作為反射光傳回到目鏡。導光束和傳像束由30000~50000根光學纖維組成，它們即使在彎曲時也能進行雙向光傳輸。傳像束要連貫地排列，使每根纖維在內鏡頭、尾兩端相對位置保持一致，方便在目鏡中重建一幅十分逼真圖像。醫(yī)學影像設備學教學課件第28頁電子內鏡功效比光導纖維內鏡多得多，是內鏡一大進步。它主要由內鏡、光源、視頻處理中心、視頻顯示系統(tǒng)、圖像與病人數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)及從屬裝置組成。其最大特點是采取電荷耦合器（chargescoupleddevice，CCD）將觀察到物像由光信號轉換成電信號，并傳輸?shù)揭曨l中心進行處理，到達最終顯示目標。傳輸?shù)奖O(jiān)視器圖像還可統(tǒng)計下來，用視頻打印機打印，也可傳輸?shù)搅硪粓鏊M行同時觀察。醫(yī)學影像設備學教學課件第29頁20世紀80年代初，USG內鏡問世。它是將US探頭和內鏡連在一起，在內鏡引導下，將US探頭送入體內進行掃描，所得到信息要比在體表上取得掃描信息準確詳細。當前這類設備主要用線性和扇形兩種掃描方式，而采取凸式掃描做彩色多普勒和B型圖像顯示則較為少見。另外，激光內鏡和三維內鏡亦在發(fā)展之中。前者是將診療與治療功效結合在一起新一代內鏡。后者可提供立體圖像，能使許多高難度手術得以順利實施，且大大提升了手術安全系數(shù)，是內鏡發(fā)展史上又一新進展。醫(yī)學影像設備學教學課件第30頁醫(yī)學影像設備學教學課件第31頁二、治療用設備（一）介入放射學設備所謂介入放射學（interventionalradiology）系統(tǒng)，就是借助高精度計算機化影像儀器觀察，經(jīng)過導管深入體內，對疾病直接進行診療與治療一個新型設備與技術。它問世，使臨床一些疾病由不可治變?yōu)榭芍?，使治療難度由大變小，使有創(chuàng)傷變成少創(chuàng)傷甚至無創(chuàng)傷，使病人免受或減輕了手術之苦，操作比較安全，治療效果也很好。利用介入放射學系統(tǒng)開展診療工作，對提升一些心血管病、腦血管病、腫瘤等重大疾患診療水平，提升治愈率與存活率，改進生活質量，發(fā)揮了主要作用。醫(yī)學影像設備學教學課件第32頁醫(yī)學影像設備導向是完成介入治療關鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學儀器等各種儀器組成大型精密儀器設備系統(tǒng)。尤其是20世紀80年代初發(fā)展起來影像技術與計算機結合DSA問世后，因為它能實時地向醫(yī)生提供導管導向位置、局部循環(huán)結構、栓塞或擴張效果等相關介入診療信息，因而含有極大優(yōu)越性，當前能夠說已基本取代了常規(guī)血管造影設備。而計算機應用，使DSA向智能化、光纖網(wǎng)絡綜合快速數(shù)據(jù)處理能力、無膠片處理方式、盡可能低X線劑量、不分散注意力和操作方便界面、最快最好圖像處理技術方向發(fā)展，從而為介入放射學提供了有力確保。醫(yī)學影像設備學教學課件第33頁醫(yī)學影像設備導向是完成介入治療關鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學儀器等各種儀器組成大型精密儀器設備系統(tǒng)。尤其是20世紀80年代初發(fā)展起來影像技術與計算機結合DSA問世后，因為它能實時地向醫(yī)生提供導管導向位置、局部循環(huán)結構、栓塞或擴張效果等相關介入診療信息，因而含有極大優(yōu)越性，當前能夠說已基本取代了常規(guī)血管造影設備。而計算機應用，使DSA向智能化、光纖網(wǎng)絡綜合快速數(shù)據(jù)處理能力、無膠片處理方式、盡可能低X線劑量、不分散注意力和操作方便界面、最快最好圖像處理技術方向發(fā)展，從而為介入放射學提供了有力確保。醫(yī)學影像設備學教學課件第34頁介入性導管，依據(jù)用途可分為兩類，即診療用導管和治療用導管及其附件。前者包含心血管、腦血管造影導管，肝、腎、胰、脾等內臟器官用導管十余種。這種導管要有一定耐壓性和滿足大流量要求（15~25ml/s）。后者如消化道治療導管、腫瘤化療用導管、射頻消融導管、溶栓導管、二尖辮球囊擴張導管等。其附件有血管內支架（自膨脹型、球囊膨脹型、形狀記憶型）、導絲（引導導管用）等。醫(yī)學影像設備學教學課件第35頁教授預測，在二十一世紀，應用微電子、分子生物學和基因工程新結果，集多功效如內鏡、USG設備、血流壓力測量等于一體新一代治療導管及傳輸裝置將深入發(fā)展。應用生物適應性良好材料、內支架、留置用導管研制和臨床應用將有利于深入提升介入治療水平。開放式MRI設備與其對應配套裝置開發(fā)以及與USG設備配合使用，將使介入治療技術向低或無放射線方向發(fā)展。影像設備研制、開發(fā)，使實時成像和立體成像引導下介入性操作成為可能，加上新抗癌藥品、栓塞劑和基因療法應用，將深入提升介入治療精度與療效。醫(yī)學影像設備學教學課件第