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文檔簡(jiǎn)介

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)第一章US成像

第一章

US成像超聲(Ultrasound,簡(jiǎn)稱US)醫(yī)學(xué)是聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)及電子學(xué)相結(jié)合的學(xué)科。凡研究高于可聽聲頻率的聲學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用即超聲醫(yī)學(xué)。包括超聲診斷學(xué)、超聲治療學(xué)和生物醫(yī)學(xué)超聲工程,所以超聲醫(yī)學(xué)具有醫(yī)、理、工三結(jié)合的特點(diǎn),涉及的內(nèi)容廣泛,在預(yù)防、診斷、治療疾病中有很高的價(jià)值。

20世紀(jì)50年代建立,70年代廣泛發(fā)展應(yīng)用的超聲診斷技術(shù),總的發(fā)展趨勢(shì)是從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)圖像(快速成像)發(fā)展,從黑白向彩色圖像過渡,從二維圖像向三維圖像邁進(jìn),從反射法向透射法探索,以求得到專一性、特異性的超聲信號(hào),達(dá)到定量化、特異性診斷的目的。

近三十年來(lái),醫(yī)學(xué)超聲診斷技術(shù)發(fā)生了一次又一次革命性的飛躍,80年代介入性超聲逐漸普及,體腔探頭和術(shù)中探頭的應(yīng)用擴(kuò)大了診斷范圍,也提高了診斷水平,90年代的血管內(nèi)超聲、三維成像、新型聲學(xué)造影劑的應(yīng)用使超聲診斷又上了一個(gè)新臺(tái)階。其發(fā)展速度令人驚嘆,目前已成為臨床多種疾病診斷的首選方法,并成為一種非常重要的多種參數(shù)的系列診斷技術(shù)。第一節(jié)

基本原理和設(shè)備一、聲波

能夠在聽覺器官引起聲音感覺的波動(dòng)稱為聲波。人類能夠感覺的聲波頻率范圍約在20-20000HZ。頻率超過20000HZ,人的感覺器官感覺不到的聲波,叫做超聲波。

聲波的基本物理性質(zhì)如下:

(一)聲波的頻率、周期和速度

聲源振動(dòng)產(chǎn)生聲波,聲波有縱波、橫波和表面波三種形式。而縱波是一種疏密波,就像一根彈簧上產(chǎn)生的波。用于人體診斷的超聲波是聲源振動(dòng)在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的縱波。聲波在介質(zhì)中傳播,介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)在平衡位置來(lái)回振動(dòng)一次,就完成一次全振動(dòng),一次全振動(dòng)所需要的時(shí)間稱振動(dòng)周期(T)。在單位時(shí)間內(nèi)全振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率(f),頻率的單位是赫茲(HZ)。f=1/T,聲波在介質(zhì)中以一定速度傳播,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)一周,波動(dòng)就前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)(λ)。波速(C)=λ/T或C=f?λ。

(二)聲阻抗

聲波在媒介中傳播,其傳播速度與媒質(zhì)密度有關(guān)。在密度較大介質(zhì)中的聲速比密度較小介質(zhì)中的聲速要快。在彈性較大的介質(zhì)中聲速比彈性較小的介質(zhì)中要快。這就引出了聲阻抗的定義,聲阻抗為介質(zhì)密度(ρ)和聲速(C)的乘積。用字母Z表示,Z=ρ?C。

二、超聲波

超聲波就是頻率大于20KHZ,人耳感覺不到的聲波,它也是縱波,可以在固體、液體和氣體中傳播,并且具有與聲波相同的物理性質(zhì)。但是由于超聲波頻率高,波長(zhǎng)短,還具有一些自身的特性。

(一)束射性

超聲波具有束射性。這一點(diǎn)與一般聲波不同,而與光的性質(zhì)相似,即可集中向一個(gè)方向傳播,有較強(qiáng)的方向性,由換能器發(fā)出的超聲波呈窄束的圓柱形分布,故稱超聲束。

(二)反射和折射

當(dāng)一束超聲波入射到比自身波長(zhǎng)大很多倍的兩種介質(zhì)的交界面上時(shí),就會(huì)發(fā)生反射和折射。反射遵循反射定律,折射遵循折射定律。由于入射角等于反射角,因此超聲波探查疾病時(shí)要求聲束盡量與組織界面垂直。超聲波的反射還與界面兩邊的聲阻抗有關(guān),兩介質(zhì)聲阻抗差越大,入射超聲束反射越強(qiáng)。聲阻抗差越小反射越弱。

穿過大界面的透射聲,可能沿入射聲束的方向繼續(xù)進(jìn)行,亦可能偏離入射聲束的方向而傳播,后一種現(xiàn)象稱超聲折射,是由于兩種介質(zhì)內(nèi)聲速的不同所致。

(三)散射與衍射

超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播過程中,如果所遇到的物體界面直徑大于超聲波的波長(zhǎng)則發(fā)生反射,如果直徑小于波長(zhǎng),超聲波的傳播方向?qū)l(fā)生偏離,在繞過物體以后又以原來(lái)的方向傳播,此時(shí)反射回波很少,這種現(xiàn)象叫衍射。因此波長(zhǎng)越短超聲波的分辨力越好。如果物體直徑大大小于超聲波長(zhǎng)的微粒,在通過這種微粒時(shí)大部分超聲波繼續(xù)向前傳播,小部分超聲波能量被微粒向四面八方輻射,這種現(xiàn)象稱為散射。

(四)超聲波的衰減

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),入射超聲能量會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸減小,這種現(xiàn)象稱作超聲波的衰減。

衰減有以下兩個(gè)原因:(1)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),聲能轉(zhuǎn)變成熱能,這叫吸收;(2)介質(zhì)對(duì)超聲波的反射、散射使得入射超聲波的能量向其他方向轉(zhuǎn)移,而返回的超聲波能量越來(lái)越小。

三、多普勒超聲基本原理

(一)多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家克里斯汀?約翰?多普勒于1842年首次提出來(lái)的。描述了光源與接收器之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),光波頻率升高或降低的現(xiàn)象。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差別稱為多普勒頻移或多普勒效應(yīng)。

聲波同樣具有多普勒效應(yīng)的特點(diǎn),多普勒超聲最適合對(duì)運(yùn)動(dòng)流體做檢測(cè),所以多普勒超聲對(duì)心臟及大血管血流的檢測(cè)尤為重要。

(二)多普勒超聲心動(dòng)圖的基本方式

1脈沖式多普勒(PW)

2連續(xù)式多普勒(CW)

3彩色多普勒血流顯像(CDFI)

四、超聲診斷儀

(一)A型超聲診斷儀

A超是一種幅度調(diào)制型,是國(guó)內(nèi)早期最普及最基本的一類超聲診斷儀,目前已基本淘汰。

(二)M型超聲診斷儀

M超是采用輝度調(diào)制,以亮度反映回聲強(qiáng)弱,M型顯示體內(nèi)各層組織對(duì)于體表(探頭)的距離隨時(shí)間變化的曲線,是反映一維的空間結(jié)構(gòu),因M型超聲多用來(lái)探測(cè)心臟,故常稱為M型超聲心動(dòng)圖,目前一般作為二維彩色多普勒超聲心動(dòng)圖儀的一種顯示模式設(shè)置于儀器上。

(三)B型超聲診斷儀

B型顯示是利用A型和M型顯示技術(shù)發(fā)展起來(lái)的,它將A型的幅度調(diào)制顯示改為輝度調(diào)制顯示,亮度隨著回聲信號(hào)大小而變化,反映人體組織二維切面斷層圖像。

B型顯示的實(shí)時(shí)切面圖像,真實(shí)性強(qiáng),直觀性好,容易掌握。它只有20多年歷史,但發(fā)展十分迅速,儀器不斷更新?lián)Q代,近年每年都有改進(jìn)的新型B型儀出現(xiàn),B型儀已成為超聲診斷最基本最重要的設(shè)備。目前較常用的B型超聲顯像方式有:掃查方式:線型(直線)掃查、扇形掃查、梯形掃查、弧形掃查、徑向掃查、圓周掃查、復(fù)合掃查;掃查的驅(qū)動(dòng)方式:手動(dòng)掃查、機(jī)械掃查、電子掃查、復(fù)合掃查。

(四)D型超聲診斷儀

超聲多普勒診斷儀簡(jiǎn)稱D型超聲診斷儀,這類儀器是利用多普勒效應(yīng)原理,對(duì)運(yùn)動(dòng)的臟器和血流進(jìn)行探測(cè)。在心血管疾病診斷中必不可少,目前用于心血管診斷的超聲儀均配有多普勒,分脈沖式多普勒和連續(xù)式多普勒。近年來(lái)許多新課題離不開多普勒原理,如外周血管、人體內(nèi)部器官的血管以及新生腫瘤內(nèi)部的血供探查等等,所以現(xiàn)在彩超基本上均配備多普勒顯示模式。

(五)彩色多普勒血流顯像儀

彩色多普勒血流顯像簡(jiǎn)稱彩超,包括二維切面顯像和彩色顯像兩部分。高質(zhì)量的彩色顯示要求有滿意的黑白結(jié)構(gòu)顯像和清晰的彩色血流顯像。在顯示二維切面的基礎(chǔ)上,打開“彩色血流顯像”開關(guān),彩色血流的信號(hào)將自動(dòng)疊加于黑白的二維結(jié)構(gòu)顯示上,可根據(jù)需要選用速度顯示、方差顯示或功率顯示。目前國(guó)際市場(chǎng)上彩超的種類及型號(hào)繁多,檔次開發(fā)日新月異,更具高信息量、高分辨率、高自動(dòng)化、范圍廣、簡(jiǎn)便實(shí)用等特點(diǎn)。第二節(jié)

圖像特點(diǎn)不同類型的超聲儀有不同的圖像特點(diǎn),因B型超聲是最重要的診斷方法,故對(duì)其圖像特點(diǎn)做以下介紹:

一、切面聲像圖的回聲描述

1回聲強(qiáng)弱的描述:根據(jù)圖像中不同灰階將回聲信號(hào)分為強(qiáng)回聲、等回聲、低回聲和無(wú)回聲。而回聲強(qiáng)弱或高低的標(biāo)準(zhǔn)一般以該臟器正?;芈暈闃?biāo)準(zhǔn)或?qū)⒉∽儾课换芈暸c周圍正常臟器回聲強(qiáng)度的比較來(lái)確定。如液體為無(wú)回聲,結(jié)石氣體或鈣化為強(qiáng)回聲等。正常人體軟組織的內(nèi)部回聲由強(qiáng)到弱排列如下:腎竇>胎盤>胰腺>肝臟>脾臟>腎皮質(zhì)>皮下脂肪>腎髓質(zhì)>腦>靜脈血>膽液和尿液。

2回聲分布的描述:按圖像中光點(diǎn)的分布情況分為均勻或不均勻,密集或稀疏。在病灶部的回聲分布可用“均質(zhì)”或“非均勻”表述。

3回聲形態(tài)的描述:光團(tuán):回聲光點(diǎn)聚集呈明亮的結(jié)團(tuán)狀,有一定的邊界。光斑:回聲光點(diǎn)聚集呈明亮的小片狀,邊界清楚。光點(diǎn):回聲呈細(xì)小點(diǎn)狀。光環(huán):顯示圓形或類圓形的回聲環(huán)。光帶:顯示形狀似條帶樣回聲。

4某些特殊征象的描述:即將某些病變聲像圖形象化地命名為某征,用以強(qiáng)調(diào)這些征象,常用的有“靶環(huán)”征、“牛眼”征、“駝峰”征、“雙筒槍”征等。

5彩色多普勒血流顯象還可對(duì)臟器內(nèi)或腫塊內(nèi)、外及外周血管的分布、走向、多少、粗細(xì)、形態(tài)以及血流速度等多項(xiàng)參數(shù)加以顯示,多普勒及彩色血流的圖像特點(diǎn)見心血管一章。

二、超聲圖像的常見偽像

1多次反射

超聲垂直照射到平整的界面而形成聲波在探頭與界面之間來(lái)回反射,出現(xiàn)等距離的多條回聲,強(qiáng)度漸次減弱,尤其與薄層氣體所構(gòu)成的界面上,如肝左葉與胃內(nèi)氣體之間、膀胱回聲前部分的細(xì)小回聲。

2多次內(nèi)部混響

超聲在靶內(nèi)來(lái)回反射,形成彗星尾征,如子宮內(nèi)節(jié)育環(huán)。

3切片厚度偽像又稱部分容積效應(yīng)。

因聲束寬度較寬(即超聲切面圖的切片厚度較厚)引起。如膽囊內(nèi)假膽泥樣圖像。

4旁瓣偽像

由聲束主瓣外的旁瓣反射造成,在結(jié)石和腸氣等強(qiáng)回聲兩側(cè)呈現(xiàn)“狗耳”樣或稱“披紗”樣圖像。

5聲影

由于前方有強(qiáng)反射或聲衰減很大的物質(zhì)存在,以致在其后方出現(xiàn)聲束不能到達(dá)的區(qū)域即縱條狀無(wú)回聲區(qū)稱為聲影區(qū),利用聲影可識(shí)別結(jié)石、鈣化灶和骨骼等。

6折射聲影

超聲從低聲速介質(zhì)進(jìn)入高聲速介質(zhì),在入射角超過臨界角時(shí),產(chǎn)生全反射,以致其后方出現(xiàn)聲影,見于球形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)后方或器官的兩側(cè)邊緣,又稱邊緣聲影。

7鏡面?zhèn)蜗?/p>

超聲束投射到表面平滑的人體強(qiáng)回聲大界面如橫膈面上時(shí),猶如光投射到平面鏡上一樣,產(chǎn)生相似的實(shí)、虛兩圖像,如橫膈兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱的兩個(gè)腫塊回聲。第三節(jié)

檢查技術(shù)一、裝置

1實(shí)時(shí)線陣超聲診斷儀:適用于一般的腹部檢查,可有多種不同頻率探頭。主要缺點(diǎn)是探頭與人體接觸面較大,檢查時(shí)需要大的透聲窗才能使聲束有效地經(jīng)過檢查目標(biāo)。

2實(shí)時(shí)扇型超聲診斷儀:心臟探查最常用,探頭小,便于肋間掃查,缺點(diǎn)是近場(chǎng)視野小。

3實(shí)時(shí)凸陣超聲診斷儀:凸陣探頭具有比扇型探頭近場(chǎng)視野大,又比線陣探頭遠(yuǎn)場(chǎng)視野廣的優(yōu)點(diǎn)。

4彩色和頻譜多普勒超聲診斷儀:用于探查心血管、各種器官及病變相關(guān)血管,外周血管的血流速度、血流量等血流動(dòng)力學(xué)改變。

二、探測(cè)前準(zhǔn)備

一般不必作探測(cè)前準(zhǔn)備,在探測(cè)易受消化道氣體干擾的深部器官時(shí),需空腹檢查或作更嚴(yán)格的腸道準(zhǔn)備。膽囊檢查需前晚進(jìn)清淡飲食,當(dāng)天禁早餐;婦產(chǎn)科和膀胱前列腺檢查要求充盈膀胱;經(jīng)直腸檢查前需排便或灌腸;某些特殊檢查另有特別的檢查前準(zhǔn)備要求,將在具體章節(jié)中介紹。

三、探測(cè)方法和體位

(一)探測(cè)方法

1直接探測(cè)法:探頭與受檢者皮膚或粘膜等直接接觸,是常規(guī)采用的探測(cè)方法。

2間接探測(cè)法:探頭與人體之間灌入液體或插入水囊、Proxon耦合(延遲)塊等使超聲從發(fā)射到進(jìn)入人體有一個(gè)時(shí)間上的延遲。目的有三:①使被檢部位落入聚集區(qū),增加分辨力;②使表面不平整的部位得到耦合;③使嬌嫩的被檢組織(如角膜)不受擦傷。

(二)體位

超聲探測(cè)的體位因探測(cè)部位需要不同,可采用各種體位,如仰臥位、左右側(cè)臥位、俯臥位、坐位、立位、截石位、膝胸位等等,無(wú)一定限制。將在各論中分別介紹。

第四節(jié)

診斷與臨床應(yīng)用一、B型超聲檢測(cè)技術(shù)的臨床應(yīng)用

超聲診斷基礎(chǔ)著眼于詳盡的觀察與分析。捕捉各種特征,綜合分析病因,研究各種生理情況下的改變,以及結(jié)合其他形式進(jìn)行診斷。

(一)超聲圖像觀察

1臟器外形及大小、柔度或可動(dòng)度

各種臟器均有其自然的解剖形態(tài)及大小尺寸。觀察臟器的輪廓有無(wú)形態(tài)失常,腫塊的形狀、位置、大小、數(shù)目、范圍等,腹腔臟器的活動(dòng)度等。

2病灶邊緣回聲

發(fā)現(xiàn)病灶后,觀察病灶的邊緣回聲,有無(wú)包膜,是否光滑,壁的厚薄,以及周邊是否有暈圈等。

3后壁及后方回聲

由于人體各種正常組織和病變組織對(duì)聲能吸收衰減不同,故表現(xiàn)后方不同的回聲。如含液性的囊腫或膿腫,則出現(xiàn)后壁回聲“增強(qiáng)”;而鈣化、結(jié)石、氣體等,則其后方形成“聲影”。某些酷似液性病灶的均勻?qū)嵸|(zhì)性病灶,后方則無(wú)回聲增強(qiáng)效應(yīng)。

4內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征

可分為結(jié)構(gòu)如常,正常結(jié)構(gòu)消失,界面的增多或減少、界面散射點(diǎn)的大小與均勻度的不同以及其他各種不同類型的異常回聲等。

5周鄰關(guān)系

根據(jù)局部解剖關(guān)系判斷病變與周鄰臟器的連續(xù)性,有無(wú)壓迫、粘連或浸潤(rùn)。

6功能性檢測(cè)

如應(yīng)用脂餐試驗(yàn)觀察膽囊的收縮功能??崭癸嬎?,測(cè)定胃的排空功能及收縮蠕動(dòng)狀態(tài)等。

(二)常見的病理性圖像特點(diǎn)

1囊性與實(shí)質(zhì)性病變

超聲對(duì)液體與實(shí)質(zhì)組織有著顯著的圖像差別,因而很好鑒別。

2均質(zhì)性與非均質(zhì)性病變

均質(zhì)性病變呈均勻一致的低回聲、等回聲或強(qiáng)回聲,非均質(zhì)性病變則呈復(fù)雜的回聲結(jié)構(gòu)。

3鈣化性與含氣性病變

鈣化性病變圖像穩(wěn)定,聲影清晰,含氣性病變圖像不穩(wěn)定,聲影混渾。

4炎性與纖維化病變

急性炎癥早期以水腫為主,局部回聲減低,臟器腫脹,經(jīng)線值增大;慢性炎癥纖維組織增加,回聲增粗增多。

纖維化病變多呈強(qiáng)回聲,按其病變程度不同而表現(xiàn)不同。如血吸蟲肝纖維化呈典型的“地圖”樣改變。

5良性與惡性病變

一般而言,良性病變質(zhì)地均勻、界面單一故回聲均勻、規(guī)則。惡性病變因生長(zhǎng)快,伴出血,變性,瘤內(nèi)組織界面復(fù)雜不均勻,表現(xiàn)為不規(guī)則的回聲結(jié)構(gòu)。

如(1)腫瘤邊緣:①有:良性或惡性未向外伸展;②假邊緣:光暈圈,水牛眼;③規(guī)則:良性、惡性均可;④分界截然:良性為多;⑤不規(guī)則,偽足伸展:惡性為多。

(2)內(nèi)部回聲:①均勻:良性較大;②不均:惡性較大。

(3)內(nèi)部其他結(jié)構(gòu):①正常:多為良性;②異常:多為惡性。

(4)后方回聲:①正?;蛟鰪?qiáng):多為良性;②正常或減弱:多為惡性。

(5)侵入或轉(zhuǎn)移:阻塞或侵入管道、鄰近組織及/或臟器擴(kuò)散或轉(zhuǎn)移者考慮為惡性。

二、超聲多普勒檢測(cè)技術(shù)的臨床應(yīng)用

超聲多普勒是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種檢測(cè)技術(shù),隨著電子學(xué)的進(jìn)步,此法在臨床上得到日益廣泛的應(yīng)用,對(duì)心臟疾病、周圍血管疾患實(shí)質(zhì)器官的血流灌注、小器官血流供應(yīng)、占位性病變血供情況及胎兒血液循環(huán)的檢查上具有重大的價(jià)值。

(一)鑒別液性暗區(qū)的性質(zhì)

在切面超聲顯像圖上常見有各種形式的液性暗區(qū),可分別代表膿腔、積液、膽汁、尿液、羊水或血液等,一般情況下根據(jù)解剖部位、周圍輪廓、徑線長(zhǎng)短及連續(xù)關(guān)系等,其性質(zhì)易于區(qū)分,但有時(shí)因斷面復(fù)雜,暗區(qū)較多,在鑒別時(shí)很困難。進(jìn)行多普勒檢查時(shí)因動(dòng)脈、靜脈及靜止的液腔有明顯的不同,對(duì)鑒別性質(zhì)有很大幫助。如肝內(nèi)膽管高度擴(kuò)張時(shí),某一斷面很難區(qū)分門靜脈與擴(kuò)張的膽管,彩色血流顯像加上去,門靜脈有彩色血流顯示并有典型門靜脈頻譜,而膽管無(wú)血流顯示。再如診斷下肢深靜脈血栓時(shí),首先要用彩色多普勒鑒別并行的兩條血管哪一條為動(dòng)脈,哪一條為靜脈,然后再行進(jìn)一步追蹤檢查。

(二)鑒別器官及病變組織的血供

彩色多普勒血流顯像及能量圖可以清晰顯示臟器的正常血供,當(dāng)有病變或新生占位性病灶出現(xiàn)時(shí),通過血流顯示可以做出具有重要意義的鑒別診斷。甲亢病人甲狀腺血供異常豐富,呈典型特征的“火?!闭鳎桓闻K腫瘤如原發(fā)性肝癌則可探及腫瘤內(nèi)部及周邊血供豐富,并見動(dòng)脈頻譜;如血管瘤則血流很少,無(wú)動(dòng)脈頻譜。

(三)探測(cè)血流速度

人體任何一條血管及心瓣膜口的血流速度都有一定的正常范圍,如二尖瓣口舒張期峰值速度60cm/s~130cm/s,門靜脈右支主干的峰值速度在18cm/s左右。血流速度參數(shù)有峰值速度、加速度、減速度、平均速度、速度積分等,通過以上參數(shù)可對(duì)血流動(dòng)力學(xué)異常做出判斷。

(四)估計(jì)壓力差

利用數(shù)學(xué)公式-簡(jiǎn)化的伯努利方程:P1-P2=4V2(P1、P2分別代表所測(cè)瓣口前后的壓力,V為通過瓣口時(shí)的血流速度),可以測(cè)出瓣口前后的壓力差,間接反映血流是否通暢,有無(wú)狹窄,并可通過測(cè)三尖瓣返流速度推算肺動(dòng)脈壓力。

(五)測(cè)量血流量

血流通過某一管腔時(shí),其血流量(Q)與血流速度(V)快慢、管腔面積(A)大小及血流時(shí)間(T)長(zhǎng)短有密切關(guān)系,Q=V?A?T。根據(jù)以上公式,大部分彩色多普勒血流顯像儀在描記血流頻譜輪廓并標(biāo)志管腔兩側(cè)壁的位置后,均能自動(dòng)計(jì)算血流量,對(duì)臨床幫助很大。第二章CT成像第二章

CT成像

自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線以來(lái),X線就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像診斷。隨著科學(xué)技

術(shù)的不斷發(fā)展,醫(yī)學(xué)影像診斷的技術(shù)和設(shè)備也不斷改進(jìn)和提高,特別是1969年Hounsfield等發(fā)明的電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(ComputedTomography,簡(jiǎn)稱CT)的問世,使醫(yī)學(xué)影像診斷水平有了突破性進(jìn)展。隨著電子技術(shù)以及其它技術(shù)的發(fā)展,CT裝置由頭顱CT逐步發(fā)展至全身CT,從而開始了全身各個(gè)系統(tǒng)的CT檢查;由第一、二代CT發(fā)展至高分辨率的第三、四、五代CT,使人體各部的骨、軟骨、軟組織等諸細(xì)微結(jié)構(gòu)甚至支氣管內(nèi)、結(jié)腸內(nèi)等腔內(nèi)結(jié)構(gòu)均能很好地被展現(xiàn)。

CT檢查安全、簡(jiǎn)便、迅速、無(wú)痛苦。CT圖像是斷層圖像,密度分辨率高,解剖關(guān)系清楚,病變顯示良好,對(duì)病變的檢出率和診斷的準(zhǔn)確率均較高。此外,可以獲悉不同正常組織和病變組織的X線吸收系數(shù),以進(jìn)行定量分析。因此,CT得到越來(lái)越廣泛的臨床應(yīng)用。第一節(jié)

基本原理和設(shè)備一、CT基本原理

CT是用高度準(zhǔn)直的X線束圍繞身體某一個(gè)部位作一個(gè)斷面的掃描,掃描過程中由靈敏的、動(dòng)態(tài)范圍很大的檢測(cè)器記錄下大量的衰減信息,再由快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,然后輸入電子計(jì)算機(jī),高速計(jì)算出該斷層面上各點(diǎn)的X線衰減數(shù)值,由這些數(shù)據(jù)組成矩陣圖像,再由圖像顯示器將不同的數(shù)據(jù)用不同的灰度等級(jí)顯示出來(lái),這樣橫斷面上的諸解剖結(jié)構(gòu)就由電視顯示器清晰地顯示出來(lái)了。

(一)成像原理

CT采用的能量是X線。X線穿射人體后的衰減遵循指數(shù)衰減規(guī)律:

I=I0e-μd

式中I0為入射X線強(qiáng)度,I為通過物體衰減后的X線強(qiáng)度,d為物體厚度,μ為物體的線性衰減系數(shù)。如果已知I0和d,測(cè)I后便可知該物體的μ值。μ值與X線能量和該物體的原子序數(shù),電子密度有關(guān)。X線穿射人體經(jīng)部分吸收后為檢測(cè)器所接收,檢測(cè)器接收X射線的強(qiáng)弱取決于人體斷面內(nèi)的組織密度。如組織為骨,則吸收較多的X線,檢測(cè)器將測(cè)得一個(gè)比較弱的信號(hào)。反之,如組織為脂肪、氣腔等,吸收較少的X線,檢測(cè)器將測(cè)得比較強(qiáng)的信號(hào)。不同組織對(duì)X線吸收不同的性質(zhì)可用組織的吸收系數(shù)(亦稱衰減系數(shù))μ來(lái)表現(xiàn)。

沿著X射線束通過的路徑上,物質(zhì)的密度和組成等都是不均勻的,為便于分析,可將目標(biāo)分割成許多小部分象素,每個(gè)象素的長(zhǎng)度為W,W應(yīng)足夠小,使得每個(gè)小單元均可假定為單質(zhì)均勻密度體,因而每個(gè)小單元衰減系數(shù)可以假定為常值。設(shè)第一個(gè)小單元入射的X線強(qiáng)度為I0時(shí),可求出透過此小單元的射線強(qiáng)度為:

I1=I0e-μ1W

式中μ1為第一個(gè)小單元的衰減系數(shù)。對(duì)于第二個(gè)小單元來(lái)說,I1便是入射線的強(qiáng)度,設(shè)第二個(gè)小單元的衰減系數(shù)為μ2,射線經(jīng)第二次穿射后的強(qiáng)度為I2,則

I2=I1e-μ2W

將I2的表達(dá)式代入上式:

I2=(I1e-μ1W)e-μ2W=I0e-(μ1W+μ2W)=I0e-W(μ1+μ2)

將此過程繼續(xù)下去,則最后一個(gè)小單元穿射后的X線強(qiáng)度為:

In=I0e-W(μ1+μ2+μ3+……+μn)

式中μn是第n個(gè)小單元的衰減系數(shù),將方程中的未知數(shù)移至左邊,得

μ1+μ2+μ3+……+μn=1/W?In?I0/In

這個(gè)方程式表明,如果入射X線強(qiáng)度I0穿透強(qiáng)度In,物質(zhì)的長(zhǎng)度總量W均為已知,那么沿著入射X線通過途徑上衰減系數(shù)之和(μ1+μ2+μ3+……+μn)就可以計(jì)算出來(lái)。為了建立CT圖像,就必須求出每個(gè)小單元的衰減系數(shù)μ1、μ2、μ3、……μn。也就是說,CT建立圖像的過程就是求每個(gè)小單元衰減系數(shù)的過程,上述方程式就是CT建立圖像的基本方程。N個(gè)未知的衰減系數(shù)不可能由一次穿射而獲得,因?yàn)橐粋€(gè)方程式不可能解出多個(gè)未知數(shù)。但從不同方向上進(jìn)行多次的穿射,就可以收集足夠多的數(shù)據(jù),從而建立起足夠數(shù)量的方程式。如果把斷面等分成512×512個(gè)單元,X線在每個(gè)角度上投影512次,這樣每一個(gè)角度上可建得512×512個(gè)方程式,求得512×512個(gè)單元所對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)。然后由電子計(jì)算機(jī)求解這些方程式,從而得出每個(gè)小單元的衰減系數(shù)。CT機(jī)的象素越小,檢測(cè)器數(shù)目越多,計(jì)算機(jī)所測(cè)出的衰減系數(shù)就越多越精確,從而可以建立清晰的圖像,以滿足醫(yī)學(xué)診斷上的需要。

(二)圖像的重建

用來(lái)進(jìn)行CT圖像重建的數(shù)學(xué)運(yùn)算處理方法,直接關(guān)系到圖像質(zhì)量和重建時(shí)間。圖像重建有多種方法,包括①直接投射法;②迭代法;③解析法。而解析法是目前CT圖像重建技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法,它的基礎(chǔ)是富里葉變換投影定理,即一個(gè)投影的一維富里葉變換是圖像的二維富里葉變換在中心線的值,具體有以下三種方法:

1二維富里葉變換重建法

這種方法是先把掃描測(cè)得的投影值變換到頻域,然后利用映照變換為二維直角坐標(biāo)系統(tǒng),最后利用二維富里葉變換反演到真實(shí)空間得出重建圖像。

2空間濾波反射投影法

先把掃描測(cè)得的投影值直接進(jìn)行反投影,形成帶有星狀模糊的圖像,然后利用二維富里葉變換到頻域,再行二維濾波,最后利用二維富里葉逆變換反演到真實(shí)空間,得到修正后的重建圖像。

3褶積反投影法

首先把濾波函數(shù)和投影函數(shù)進(jìn)行褶積運(yùn)算,再使之反投影,以得到重建圖像。此法比前幾種重建法簡(jiǎn)單,無(wú)需進(jìn)行富里葉變換,因而也快得多。此外,這種方法重建的圖像質(zhì)量較高,因此是目前最廣泛應(yīng)用的方法。

二、影像CT成像的因素

(一)窗寬與窗位

CT檢查中,無(wú)論是矩陣圖像或矩陣數(shù)字都是CT值的代表,而CT值又是從人體不同組織、器官吸收X線后的衰減系數(shù)μ值換算而來(lái)的。

CT值=[(μ-μw)/μw]?α

μ和μw分別為受測(cè)物體和水的衰減系數(shù),α為各廠商所選定的標(biāo)度因素。當(dāng)α為500和1000時(shí),標(biāo)出的CT值分別標(biāo)為EMI單位或Hounsfield單位(Hu)。一個(gè)EMICT值相當(dāng)于兩個(gè)HounsfieldCT值。正常人體不同組織、器官的CT值常在一定范圍內(nèi)變化,不同機(jī)器所測(cè)得也可略有差異(表1-2-1,表1-2-2)。表1-2-1

人體組織、器官的CT值

組織類型

標(biāo)準(zhǔn)值(Hu)

范圍(Hu)

肝脾腎胰肌

肉甲狀腺脂

肪腦白質(zhì)腦灰質(zhì)密質(zhì)骨疏質(zhì)骨鈣

65±545±530±1040±1045±570±10-65±1030±236±4>250130±100>60

45~7535~5520~4025~5535~5050~80-50~-10028~3232~40

表1-2-2人體內(nèi)各液體的CT值

人體內(nèi)液體

標(biāo)準(zhǔn)值(Hu)

腦脊液血

液凝固血(新鮮)凝固血(陳舊)血

漿滲出液(蛋白>30g/L)漏出液(蛋白<30g/L)

5±455±580±1045±1527±2>18±2<18±2

目前絕大多數(shù)的CT掃描機(jī)具有1000或2000以上的CT值的變化范圍。在多數(shù)情況下實(shí)際所需了解的只是一個(gè)較小范圍的組織吸收X線值的變化,例如大多數(shù)顱內(nèi)病變CT值的變化都包括在-20至+100Hu之間。但是,有時(shí)欲了解一個(gè)較寬范圍的組織吸收X線值的變化,例如作胸部CT掃描,擬同時(shí)了解肺和其他軟組織的情況時(shí)就是如此。這就要求檢查者選擇顯示的CT值的范圍和范圍的中點(diǎn),這個(gè)范圍即所謂的窗寬,這個(gè)范圍的中點(diǎn)即所謂的窗位。在CT的黑白顯示器上,根據(jù)醫(yī)生的習(xí)慣,往往將高CT值顯示為淡色即白色,低CT值顯示為深色即逐漸加深直至黑色。顯示器具有一定數(shù)量的灰度等級(jí)(如16或64等)。由于人眼只能分辨有限數(shù)量的灰度等級(jí),根據(jù)擬顯示結(jié)構(gòu)CT值的變化范圍來(lái)確定窗寬和窗位是相當(dāng)重要的。每一灰度等級(jí)所包括的CT值范圍隨窗寬的加寬而增大,并隨其寬度變窄而變小。每一灰度等級(jí)所包括CT值的范圍,可用灰度級(jí)數(shù)除窗寬而算出。窗位即窗寬所表示CT值范圍的中點(diǎn),只有窗位選擇恰當(dāng)才能更好地顯示不同密度的組織。例如顯示器上窗寬選擇為100,而窗位為0,則CT值介于-50至+50Hu之間者呈現(xiàn)為不同的灰度,而CT值小于-50和小于+50Hu者分別顯示為黑色和白色。

(二)噪聲與偽影

掃描噪聲即光子噪聲,為穿透人體后到達(dá)檢測(cè)器的光子數(shù)量有限,且其在矩陣內(nèi)各圖像點(diǎn)(象素)上的分布不是絕對(duì)均勻所造成。所以均質(zhì)的組織或水在各圖像點(diǎn)上的CT值不是相等的,而是在一定范圍內(nèi)呈常態(tài)曲線分布的。為減少噪聲必須增加X線劑量,噪聲減半需增加約4倍的X線量。

組織噪聲為各種組織(如脂肪組織和腦組織)的平均CT值的變異所造成,即同一組織的CT值常在一定范圍內(nèi)變化,以致不同組織可以具有同一CT值。因此,根據(jù)CT值確定病理性質(zhì)時(shí)需注意這一點(diǎn)。

偽影(artifacts)為掃描時(shí)的實(shí)際情況與建像所帶來(lái)的一系列假設(shè)不符合所造成。常見的有以下幾種:①移動(dòng)偽影:掃描時(shí)患者的移動(dòng)可產(chǎn)生移動(dòng)偽跡,一般呈條狀低密度影,與掃描方向一致;②高對(duì)比偽影:高密度物質(zhì)如術(shù)后銀夾、齒冠等造成投射經(jīng)過它們時(shí),引起衰減計(jì)算的錯(cuò)誤所致;③射線硬化偽影(beamhardeningartifact):為高密度結(jié)構(gòu)如枕骨內(nèi)粗隆和前顱窗雞冠等引起體內(nèi)X線硬化程度密度不勻,雖經(jīng)計(jì)算和重建程序糾正但仍不完全所造成的偽影,可呈放射狀或條狀高密度或低密度影;④機(jī)器故障偽影;這種偽影也有多種,常見的為第三代CT中,部分檢測(cè)器不工作或工作不正常時(shí)所出現(xiàn)環(huán)形或同心圓狀低密度偽影。

(三)部分容積效應(yīng)(PartialVolumePhenomena)

短陣圖像中象素代表一個(gè)體積,即象素面積×層厚,此體積內(nèi)可能含有各種組織。因此,每一象素的CT值,實(shí)際所代表的是單位體積各種組織CT值的平均數(shù)。因而這種CT值所代表的組織密度可能實(shí)際上并不存在,例如骨骼與氣體加在一起可以類似肌肉。由此在高密度區(qū)域中間的較小低密度病灶的CT值偏高,而在低密度區(qū)域中間的較小高密度灶的CT值常偏低。

(四)空間分辨率與密度分辨率

空間分辨率所表示的是影像中能顯示的最小細(xì)節(jié),而密度分辨率所表示的是能顯示的最小密度差別。兩者之間有著密切關(guān)系。CT的空間分辨率是指密度分辨率大于10%時(shí)能顯示的最小細(xì)節(jié),與象素大小有密切關(guān)系,一般為象素寬度的15倍。CT的密度分辨率受噪聲和顯示物的大小所制約,噪聲越小和顯示物越大,密度分辨率越佳。CT圖像的空間分辨率不如X線照片高,但密度分辨率則比X線照片高得多。隨著CT機(jī)的不斷改進(jìn),CT的空間分辨率和密度分辨率也在不斷提高之中。

二、CT基本設(shè)備

一般CT由高壓發(fā)生器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、掃描機(jī)架、檢查床、操作控制臺(tái)、照相機(jī)等部位所構(gòu)成。而從功能上,它又可分為以下四部分。

(一)X線發(fā)生部分

包括高壓發(fā)生器和機(jī)架內(nèi)的X經(jīng)球管和冷卻系統(tǒng)等。其基本功能是提供一個(gè)穩(wěn)定的高壓。列重點(diǎn)介紹如下:

1高壓發(fā)生器

由于高壓值的變化直接反映X線能量的變化,而X線能量與吸收系數(shù)關(guān)系極為密切,也只有在X線能量穩(wěn)定的情況下,才能反映出真正的人體對(duì)X線的吸收數(shù)值。例如,X線能量在52-82keV范圍內(nèi)測(cè)量腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)的X線吸收系數(shù),若高壓每變動(dòng)1keV就會(huì)產(chǎn)生0.6%的誤差。因此,任何高壓系統(tǒng)均需采用高精度的反饋穩(wěn)定措施,一般要求直流高壓的波紋因素在0.05%以下,高壓穩(wěn)定度在0.1%以內(nèi)。

2X線球管

CT掃描所用X線球管與一般X線球管相似。一般采用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極球管。球管焦點(diǎn)較小,約0.6~2mm大小。球管的熱容量均較大,大者達(dá)300~400萬(wàn)熱力單位。

(二)X線檢測(cè)部分

包括位于掃描機(jī)架內(nèi)的檢測(cè)器、檢測(cè)回路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。其主要任務(wù)是檢測(cè)人體對(duì)X線的吸收量。

檢測(cè)器分固體和氣體兩大類。固體檢測(cè)器由閃爍晶體接收X線能量轉(zhuǎn)換為熒光,然后通過光導(dǎo)物質(zhì)耦合于光電倍增管上,進(jìn)行光電換能,并將微弱的電信號(hào)加以放大,再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將大小不等的電信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,以輸送給電子計(jì)算機(jī)處理,閃爍晶體有碘化鈉、碘化銫、鎢酸鎘和鍺酸鉍等。氣體檢測(cè)器則采用氣體電離室的原理,由X線使氣體產(chǎn)生電離,然后測(cè)量其電離電流的大小來(lái)反映X線光子的強(qiáng)度大小。常用者為氙氣。一般第一、第二代CT檢測(cè)器數(shù)量較少,而第三代以后的CT裝置檢測(cè)器數(shù)量較多,甚至多達(dá)數(shù)千只,所有檢測(cè)器均沿著一段圓弧排列,每個(gè)檢測(cè)器對(duì)應(yīng)著一束窄的X線,因而一次掃描可以同時(shí)獲得成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù),大大提高了CT機(jī)的密度分辨率。

檢測(cè)器和X線球管同處于掃描機(jī)架上構(gòu)成X線源-檢測(cè)系統(tǒng),掃描過程中X線脈沖式或連續(xù)發(fā)射,通過掃描機(jī)架中的光學(xué)編碼系統(tǒng)的控制,檢測(cè)器每隔一定時(shí)間檢測(cè)一次X線吸收量,然后由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速計(jì)算,構(gòu)成圖像矩陣,第一至第三代CT裝置,檢測(cè)器和X線球管是聯(lián)動(dòng)的,而第四代CT裝置檢測(cè)器則安裝在掃描機(jī)架四周,只有X線球管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

(三)電子計(jì)算機(jī)部分

包括電子計(jì)算機(jī)、圖像顯示器、磁盤、磁帶和寬行打印機(jī)等。其主要任務(wù)為進(jìn)行數(shù)字處理和圖像重建,以及記錄、儲(chǔ)存和顯示有關(guān)信息或圖像。重點(diǎn)介紹如下:

1電子計(jì)算機(jī)

目前第三、第四代CT所用的電子計(jì)算機(jī)中,檔次較高者多為小型機(jī),一般者也有用微機(jī)的。少者只有一臺(tái)計(jì)算機(jī),多者達(dá)10臺(tái)左右,常常包括主計(jì)算機(jī)和圖像處理計(jì)算機(jī)兩部分。主計(jì)算機(jī)是中央處理系統(tǒng),除了提供與CT裝置各部分的連接外,其主要功能為:①根據(jù)掃描系統(tǒng)所獲得的原始數(shù)據(jù),按照重建圖像的數(shù)學(xué)方程編制的軟件程序,計(jì)算出矩陣圖像中的參數(shù),以及矩陣數(shù)字中的CT值;②將存貯器中的矩陣圖像編入電視掃描程序中,然后在屏幕上顯示出CT圖像,或在寬行打印機(jī)中顯示出數(shù)字;③控制掃描系統(tǒng)的工作,以及控制其他部件的動(dòng)作。圖像處理計(jì)算機(jī)與主計(jì)算機(jī)相連接,專門處理多組數(shù)據(jù),本身不能獨(dú)立工作。

2磁盤和磁帶

磁盤可把掃描數(shù)據(jù)先貯存在它的緩沖區(qū)域,待一次掃描完成,這些原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后則存入磁盤的圖像區(qū)域。此外,它還能從磁帶存取圖像。而今磁盤的容量,隨機(jī)器種類而異。一般第三、第四代CT,矩陣為512×512的圖像可儲(chǔ)存數(shù)百至數(shù)千幅。磁帶可長(zhǎng)達(dá)800m,記錄數(shù)百幅圖像的數(shù)據(jù)。近年來(lái),磁光盤應(yīng)用趨增加,逐漸代替磁帶。磁光盤儲(chǔ)存的圖像可多達(dá)數(shù)千幅,檢索也更方便。

3顯示裝置

多用陰極射線管?,F(xiàn)今多用黑白電視顯示裝置,灰度等級(jí)為16~64級(jí)。也可采用彩色電視顯示裝置。

4照相機(jī)

CT圖像的數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存于磁盤或磁帶中,但仍需用照片直接記錄圖像。一般可用偏振光照片(PolaroidFilm)攝取或用膠片攝片。前者需用偏振光照相機(jī)和偏振光照片,特別是偏振光照片價(jià)格昂貴,故多不用。后者常用多幅照相機(jī),將陰極射線管上的圖像先行黑白反轉(zhuǎn),再用攝影機(jī)攝下,可拍一幅或多幅。膠片為單面膠膜,大小隨多幅照相機(jī)而異。目前所用多幅照相機(jī)暗盒多為片庫(kù)式,一般可裝膠片50-100張。近年來(lái)采用激光照相者日益增多,其圖像質(zhì)量往往優(yōu)于一般多幅照相機(jī)所獲得者。

(四)操作、控制部分

為整個(gè)CT操作或控制的命令部分,通過它進(jìn)行X線曝射條件的選擇,控制X線源-檢測(cè)系統(tǒng)工作。輸入有關(guān)圖像識(shí)別的多種數(shù)據(jù)和資料(包括日期、患者編號(hào)、層次的位置、層次的序數(shù)和患者聽眥線與垂直面所成角度等),控制圖像的顯示,以及窗寬、窗位的選擇等。操作、控制部分主要包括操作臺(tái)和診斷床。隨著CT機(jī)的不斷改進(jìn)和提高,操作臺(tái)和診斷床的性能也日趨完善。目前的操作臺(tái)已集顯示和操縱于一體,占地小、使用方便、功能全。診斷床也具有自動(dòng)上下升降、左右移動(dòng)和前后進(jìn)展的功能,還配備各種托架,以便作各種特殊位置的橫斷面掃描。為了提高工作效率,還可選購(gòu)獨(dú)立診斷臺(tái)或醫(yī)師診斷臺(tái)等。

(五)各代CT機(jī)的特點(diǎn)

1第一代CT

X線球管為固定陽(yáng)極,發(fā)射X線為直線筆形束,一般為一個(gè)檢測(cè)器,采用直線和旋轉(zhuǎn)掃描相結(jié)合,即直線(平行移動(dòng))掃描后,旋轉(zhuǎn)1°,再行直線掃描,旋轉(zhuǎn)180°完成一層面掃描,掃描時(shí)間3~6分鐘,短陣256×256或320×320,目前已經(jīng)淘汰。

2第二代CT

與第一代無(wú)質(zhì)的差別,僅由小角度(3°~30°)扇形X線來(lái)替代了直線筆形束,檢測(cè)器可增加至幾十個(gè),掃描時(shí)間縮減為十余秒至1.5分鐘。矩陣象素也與第一代CT機(jī)相仿。現(xiàn)已淘汰。

3第三代CT

X線球管為旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極,發(fā)射的X線為扇形束,角度較大,達(dá)30°~45°,檢測(cè)器多達(dá)幾百個(gè),只作旋轉(zhuǎn)掃描,掃描時(shí)間為1-5秒。矩陣象素除256×256、320×320和512×512外,還有1024×1024者。適用于全身各部位。此外,第三代CT還具有更多的重建程序、以及局部放大掃描、動(dòng)態(tài)掃描、掃描照相及氣體成像等功能。

4第四代CT

其檢測(cè)器多達(dá)1000余至4000余個(gè),固定安裝在掃描機(jī)架四周,形成一檢測(cè)器環(huán)或稱檢測(cè)器矩陣,球管位于環(huán)內(nèi)或環(huán)外。掃描時(shí)僅X線球管繞患者旋轉(zhuǎn),掃描時(shí)間約為1~5秒。為保證圖像質(zhì)量,檢測(cè)器環(huán)或檢測(cè)器矩陣具有章動(dòng)動(dòng)作。球管旋轉(zhuǎn)同時(shí),檢查臺(tái)面不斷前進(jìn),即形成螺旋CT,它可以具有CT血管造影的功能。

5電子束體層成像系統(tǒng)

也有人稱為超快速CT(UFCT),或第五代CT,或第四代CT變種。它的主要組成部分為電子槍,聚焦線圈,偏轉(zhuǎn)線圈,8排檢測(cè)器群,臺(tái)面高速移動(dòng)的檢查床和控制系統(tǒng)。利用電子束通過人體,能量衰減后,為檢測(cè)器所探測(cè),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換等過程,形成一幅與一般CT圖像相同的圖像。與一般CT不同之處為:它沒有球管和檢測(cè)器的轉(zhuǎn)動(dòng)(電子束由偏轉(zhuǎn)線圈操縱轉(zhuǎn)動(dòng)),掃描速度為一般CT的數(shù)倍~數(shù)十倍,完成許多CT(包括螺旋式CT)不能完成的任務(wù),如冠狀動(dòng)脈的CT血管造影和心臟造影等。這種裝置已有數(shù)年歷史,近1~2年來(lái)將它用于心臟和血管等疾病的診斷,獲得較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,因此進(jìn)展很快。它最快的掃描速度為0.05秒/層。它慢速成像和快速成像速度分別為每秒9次和每秒34次。從而有下列好處:①擴(kuò)大了影像診斷的范圍;②提高了圖像質(zhì)量(無(wú)移動(dòng)圖影);③減少造影劑劑量,并提高了高峰顯影質(zhì)量;④增加了單位時(shí)間的檢查人數(shù);⑤可作血流量、血流速度和彌散等功能檢查。

第二節(jié)

CT造影劑近10多來(lái)年,影像診斷技術(shù)發(fā)展迅猛,與之相適應(yīng)的造影劑在臨床上的使用更為廣泛和普遍。前者推動(dòng)了造影劑質(zhì)量的提高和不斷更新?lián)Q代。國(guó)外一些藥廠如德國(guó)先靈推出的新型造影劑更符合臨床要求,達(dá)到了比較理想的境地。但盡管如此,造影劑反應(yīng)還是難以避免,嚴(yán)重反應(yīng)甚至死亡事故還時(shí)有發(fā)生,值得重視。

CT增強(qiáng)檢查有許多優(yōu)點(diǎn),在許多臟器和疾病的診斷中幾乎是不可少的。熟悉多種造影劑的藥理性能,合理選擇造影劑,了解造影劑可能產(chǎn)生的毒副反應(yīng)以及處理方案是必須的。

一、CT造影劑的分類

根據(jù)不同目的和用途,在CT檢查中使用的造影劑有以下幾種類型:①靜脈或動(dòng)脈血管內(nèi)注射用造影劑;②膽系造影劑;③胃腸道口服造影劑;④椎管和腦室CT造影用造影劑;⑤肝脾特異性造影劑;⑥淋巴系統(tǒng)造影劑。

膽系造影分靜脈法和口服法,前者所用造影劑為靜脈注射用碘化物,通常為膽影葡胺,應(yīng)用方法與靜脈膽管造影一致。在注射后30-60min行CT掃描,對(duì)膽管系統(tǒng)顯示良好,有助于對(duì)膽管有關(guān)病變的診斷。口服法于CT檢查前12-14h口服碘番酸1-2g,可使膽囊充分顯示,對(duì)膽囊的細(xì)小病變的診斷有很大幫助。

胃腸道口服造影在腹部CT檢查中應(yīng)用廣泛,一般腹部CT檢查通常采用陽(yáng)性對(duì)比劑,如2%泛影葡胺或胃影葡胺,也有用低濃度醫(yī)用硫酸鋇懸液的。胃腸道本身CT檢查,現(xiàn)通常采用水或脂類對(duì)比劑,其顯示胃或腸壁以及軟組織腫塊的能力明顯優(yōu)于陽(yáng)性對(duì)比劑。

肝脾特異性造影劑乳化碘油如EOE-13,經(jīng)實(shí)驗(yàn)和臨床應(yīng)用證明,對(duì)小的肝脾腫瘤的檢出有相當(dāng)高的敏感性,對(duì)脾淋巴瘤的檢出更為理想,與CT血管造影結(jié)果相仿,而明顯優(yōu)于常規(guī)CT檢查。但其毒副反應(yīng)較高,如發(fā)熱、頭痛和口臭等達(dá)50%,嚴(yán)重反應(yīng)占3.6%,故目前仍無(wú)法在臨床上推廣應(yīng)用。

椎管和腦室造影劑要求特別高,以往用的碘苯酯、碘卡明和阿米培克(amipaque)均已被淘汰,代之以第2、3代非離子型造影劑,其中以碘曲侖(iotrolan,德先靈公司)最為理想。它具有極高的親水性和極低的親脂性,并有滲透壓低(與體液接近)和粘度適中等優(yōu)點(diǎn)。

淋巴系統(tǒng)造影劑分間接和直接注射兩類,后者有油劑和水溶性碘造影劑兩種,均不夠理想。

靜脈或動(dòng)脈血管注射用水溶性碘造影劑臨床應(yīng)用最廣泛。

二、水溶性碘造影劑

水溶性碘造影劑均為三碘苯環(huán)的衍生物,目前市場(chǎng)上可供應(yīng)用的有三大類:①高滲離子型(highosmolarionicagents),以泛影葡胺(diatrizoate)為代表;②低滲非離子型(lowosmolarnon-ionicagents),以碘帕醇(iopamidol)為代表,如德國(guó)先靈公司的優(yōu)維顯(ultravist)、揶威奈可明公司的歐乃派克(omnipague)和意大利的碘比樂(iopamiro);③低滲離子型,以苯環(huán)二聚體ioxaglate(hexabrix)為代表。

(一)滲透壓(Osmolality)

一般造影劑的滲透壓明顯高于血漿和體液,為產(chǎn)生毒副作用的一個(gè)重要因素。離子型造影劑在水溶液中都離解成陽(yáng)離子和陰離子,帶有正負(fù)電荷。陰離子含碘,為造影劑所需部分,而陽(yáng)離子含鈉鹽或甲葡胺,對(duì)人體有一定影響。其中碘原子數(shù)與溶質(zhì)質(zhì)數(shù)之比為3:2(比值為1.5),滲透壓較體液高5~7倍,屬高滲型。

非離子型造影劑在溶液中保持穩(wěn)定,不產(chǎn)生離子,不帶電荷,其中碘原子與溶質(zhì)質(zhì)數(shù)之比為3:1(比值為3),其滲透壓明顯低于離子型造影劑,但仍高于生理滲透壓,而第3代非離子型造影劑iotrolan(比值為6)已接近生理狀態(tài)。

(二)親水性(Hydrophilicity)

造影劑的親水性越高,則親脂性(Lipophilicity)就越低,造影劑與血漿蛋旦(包括酶類)結(jié)合力也越低,毒性反應(yīng)尤其是神經(jīng)系統(tǒng)毒性明顯下降。非離子型造影劑的苯環(huán)側(cè)鏈上帶有2個(gè)羧基,故其親水性高于離子型造影劑,也是毒性反應(yīng)低的一個(gè)重要因素。另外,非離子型造影劑與血漿鈣的結(jié)合甚少,且不含鈉鹽,也是毒性低的另一個(gè)因素。

(三)粘稠度(Viscosity)

與分子重量有關(guān),呈線性關(guān)系,分子量小,則粘稠度低,臨床上易于注射。粘稠度與造影劑毒性無(wú)關(guān)。離子型和非離子型兩類造影劑的粘稠度無(wú)明顯差別。目前正在研制小分子結(jié)構(gòu)的新型造影劑。

三、造影劑反應(yīng)

造影劑反應(yīng)與造影劑的滲透壓、親水或親脂性、蛋白結(jié)合力、鈉鹽含量以及與血鈣結(jié)合力等多種因素相關(guān),此外,也與機(jī)體的反應(yīng)性以及造影劑的注射量、速度、部位和在體內(nèi)的排泄過程有一定的聯(lián)系。從藥物特性(理論)以及大量臨床應(yīng)用結(jié)果來(lái)看,離子型造影劑的毒副反應(yīng)較非離子型明顯為高,為3~8倍,后者相對(duì)安全。

造影劑反應(yīng)大致分為以下幾種:

(一)一般反應(yīng)

如注射局部疼痛、頭痛(血管性)、惡性、嘔吐和蕁麻疹等。此類反應(yīng)最常見,屬輕度,通常為一過性,無(wú)需處理。

(二)過敏反應(yīng)

輕重不等,輕者如蕁麻疹、噴嚏、流淚、結(jié)膜充血、臉部紅腫(血管神經(jīng)性水腫),重者如喉部水腫、肺水腫、支氣管痙攣、血壓下降、休克、抽搐和昏迷、呼吸心跳停止等。此類反應(yīng)與組胺釋放、抗原-抗體反應(yīng)、補(bǔ)體系統(tǒng)的激活以及精神因素如焦慮、恐懼等有關(guān)。

四、造影劑反應(yīng)的預(yù)防和處理

盡管造影劑反應(yīng)的預(yù)防是極為困難的,但做好造影劑反應(yīng)的宣傳和造影劑的選擇,以及做好造影前的準(zhǔn)備,可以減少造影劑反應(yīng)的發(fā)生。

(一)造影劑的選擇

如上所述,造影反應(yīng)的發(fā)生和程度輕重是難以預(yù)測(cè)的,而造影劑過敏試驗(yàn)又不可靠,試驗(yàn)陰性的臨床意義是有限的,它的唯一意義在于試驗(yàn)陽(yáng)性者應(yīng)慎用,或至少選用反應(yīng)較少的非離子型造影劑。

對(duì)碘過敏試驗(yàn)陽(yáng)性或高危人群,必須盡可能選用非離子型造影劑。對(duì)于普通人群,在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,非離子型造影劑也為最佳選擇。

(二)造影前準(zhǔn)備

詳細(xì)詢問有關(guān)病史,特別是藥物和造影劑過敏史;了解病人的全身情況,尤其是肝、腎和心臟功能,如有損害者,盡可能予以短期糾治后再作造影檢查。腎功能損害者、嬰幼兒和老年患者,不必禁水,必要時(shí)可補(bǔ)充水分。碘過敏試驗(yàn)盡管價(jià)值有限,多數(shù)人主張列為常規(guī)進(jìn)行。造影劑注射前即刻靜脈內(nèi)給予糖皮質(zhì)類激素,如地塞米松10mg,可減少或減輕可能發(fā)生的副反應(yīng)。

(三)造影劑反應(yīng)的處理

遇到輕度反應(yīng)的可不加處理,可放慢造影劑注射速度,如反應(yīng)無(wú)進(jìn)一步發(fā)展,可完成CT增強(qiáng)掃描檢查,留在CT室觀察片刻。

中度反應(yīng)的,靜脈內(nèi)即刻注射20mg地塞米松或50-100mg氫化可的松。

重度反應(yīng)者,其搶救措施如下:①停止注射造影劑,并改用其他液體如生理鹽水或糖鹽水,保留該靜脈通路,以便用藥;②保持呼吸道通暢,吸氧。體位應(yīng)取仰臥,頭盡量后仰,有嘔吐病人頭應(yīng)取側(cè)位,并及時(shí)清除嘔吐物,以免被吸入。有喉水腫或痙攣者可用舒喘靈氣霧劑吸入,嚴(yán)重的應(yīng)作氣管插管,甚至行氣管切開;③藥物應(yīng)用。首先靜脈推注地塞米松20mg或氫化可的松50-100mg,再在500ml液體中加入100-200mg氫化可的松作維持滴注。心跳緩慢和血壓下降者可皮下注射腎上腺素0.5mg,并應(yīng)用升壓藥,如阿拉明20-60mg,多巴胺60-120mg加入500ml液體中靜脈滴注,具體用量視病情而定;④心跳停止者,需及時(shí)作胸外按摩和人工呼吸,心內(nèi)注射心三聯(lián),并加用呼吸興奮劑,如可拉明、洛貝林加入500ml液體中靜脈滴注;⑤有休克和昏迷者要及時(shí)補(bǔ)液,如用低分子右旋糖酐500ml快速靜脈滴注。腦部降溫,以減輕腦損害。休克糾正后,可應(yīng)用脫水劑,如50%葡萄糖100ml加速尿20mg靜脈推注或用25%甘露醇250ml靜脈滴注,以防腦水腫。上述步驟在搶救重度造影劑過敏反應(yīng)時(shí),幾乎是同時(shí)進(jìn)行的。

五、造影劑的使用方法

水溶性碘造影劑的給藥方法主要有以下幾種:

(一)一次性注射或集團(tuán)注射法(bolusinjection)

即將某一劑量的高濃度造影劑加壓快速注入靜脈,給藥后立即進(jìn)行增強(qiáng)掃描。一般用量為60-100ml(小兒1.5-2ml/kg體重),注藥速度約為45-50ml/min。這種方法用藥量少,可節(jié)省時(shí)間,但產(chǎn)生副作用機(jī)會(huì)較多。

(二)靜滴法

以20-30ml/min的速度注入含碘量300mgI/ml100ml后行增強(qiáng)掃描。這種方法可顯示病灶范圍、血供程序,但不利于顯示微細(xì)結(jié)構(gòu)及微小病灶,對(duì)血管的顯示也較差。盡管副作用較小,目前很少作為常規(guī)注藥方法。有的醫(yī)院將上述兩種方法結(jié)合作用。

(三)動(dòng)脈血管內(nèi)注射

采用Seldinger技術(shù),經(jīng)股動(dòng)脈穿刺插管,將導(dǎo)管置入欲掃描區(qū)域(或臟器)供血血管內(nèi)注射造影劑,同時(shí)行CT掃描。此種方法對(duì)病灶的檢出率明顯提高。使用最多的部位為肝臟,又分為肝動(dòng)脈造影CT(CTA)和經(jīng)動(dòng)脈門脈血管造影CT(CTAP)。第三章MR成像第三章

MR成像從本世紀(jì)40年代起核磁共振(NuclearMagneticResonance)作為一種物理現(xiàn)象就應(yīng)用于物理、化學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。美國(guó)哈佛大學(xué)的Purcell及斯坦福大學(xué)的Bloch因發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象共同獲得了1952的諾貝爾物理獎(jiǎng)。1973年Lauterbur等人首先報(bào)道利用核磁共振原理成像的技術(shù)。1978年Mallard、Hutchison及Lauterbar等人報(bào)告了MRI用于人體的情況。1980年商品MRI機(jī)出售,開始應(yīng)用于臨床。由于MRI所具有的獨(dú)特功能和巨大潛能,這一新的醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)在80年代得到迅速發(fā)展。為避免與核醫(yī)學(xué)中放射成像相混淆,現(xiàn)在將此技術(shù)稱為磁共振成像(MagneticResonanceImaging,簡(jiǎn)稱MRI)。MRI提供的信息量不但大于醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其它許多成像術(shù),且它提供的信息也不同于已有的成像術(shù),所以用它診斷疾病有很大的優(yōu)越性。第一節(jié)

基本原理與設(shè)備一、MRI基本原理

某些質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和為奇數(shù)的原子核如:1H(1氫)、31P(31磷)、23Na(23鈉)、13C(13碳)和19F(19氟)等,不僅具有一定的質(zhì)量,帶一定量的正電荷,還具有兩個(gè)彼此相關(guān)的特征性參數(shù),即自旋(spin)和磁矩(magneticmoment)。自旋(S)與磁矩(U)呈正比關(guān)系:

U=γ×S

γ:比例常數(shù)(又稱旋磁比)

不同原子核的γ值各異,換言之,每一種原子核都有自己固定的γ值。

在上述原子核中氫核(1H)即質(zhì)子,結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,但磁性較強(qiáng)(即磁矩較大),是構(gòu)成水、脂肪和碳水化合物等有機(jī)物質(zhì)的基本成份,人體內(nèi)含量高,在各器官、組織上分布廣,明顯優(yōu)于其他原子核,故目前臨床主要利用1H質(zhì)子看作具有固定質(zhì)量、帶正電荷、不停繞自身軸旋轉(zhuǎn)的小磁針。人體內(nèi)存在大量質(zhì)子,在自然狀態(tài)下,其磁矩所指方向各不相同,雜亂無(wú)章地分布,其磁距互相抵消,故宏觀上人體不顯磁性。

當(dāng)將人體置于一個(gè)外加的強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí),原來(lái)雜亂無(wú)章排列的質(zhì)子磁矩受外加磁場(chǎng)的影響,不停自旋的磁距指向發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)不是倒向外磁場(chǎng)方向,平行或反平行于外磁場(chǎng)方向排列,而是呈陀螺樣運(yùn)動(dòng)。除繞自身軸自旋外,還圍繞外磁場(chǎng)的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)方式稱進(jìn)動(dòng)(precession)又稱拉莫(Lamor)旋進(jìn),質(zhì)子繞外磁場(chǎng)磁矩進(jìn)動(dòng)的角頻率(W0)稱拉莫頻率,其大小與外磁場(chǎng)強(qiáng)度(B0)成正比:

W0=γ×B0

γ:旋磁比;B0:外磁場(chǎng)強(qiáng)度,單位:特斯拉(Tesla;T)

當(dāng)質(zhì)子進(jìn)動(dòng)時(shí),各個(gè)質(zhì)子磁矩的方向與外磁場(chǎng)磁矩方向的夾角各不相同,一些質(zhì)子的夾角小于90°,質(zhì)子與外磁場(chǎng)的磁矩方向大致相同,處于低位能狀態(tài),數(shù)量多數(shù);而夾角大于90°的質(zhì)子磁矩方向與外磁場(chǎng)相反,處于高位能狀態(tài),數(shù)量少些;夾角等于90°的質(zhì)子磁矩指向水平方向,在宏觀縱向上無(wú)磁矩。產(chǎn)全部質(zhì)子磁矩疊加起來(lái),由于順外磁場(chǎng)的質(zhì)子比逆外磁場(chǎng)方向的質(zhì)子多,故產(chǎn)生一個(gè)沿外磁場(chǎng)磁矩方向的宏觀磁矩。換言之,由于人體置于外磁場(chǎng)內(nèi),質(zhì)子磁矩受外磁場(chǎng)磁矩的影響,而呈有序化排列,使人體產(chǎn)生了磁性。

此時(shí),在與外磁場(chǎng)磁矩垂直的方向上加入射頻脈沖即高頻無(wú)線電波,當(dāng)其頻率與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率一致時(shí),即發(fā)生核磁共振(nuclearmagneticresonance;NMR)現(xiàn)象:質(zhì)子吸收射頻脈沖的能量,磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn),整個(gè)自旋系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)。當(dāng)射頻脈沖去除后,自旋系統(tǒng)自發(fā)地恢復(fù)到平衡狀態(tài),并將所吸收的能量仍以射頻脈沖的方式釋放。此射頻脈沖即為NMR信號(hào),用線圈接收此信號(hào),經(jīng)一系列計(jì)算機(jī)處理后,就得到了MRI圖像。

能使宏觀磁矩偏轉(zhuǎn)90°的射頻脈沖稱90°脈沖,使之偏轉(zhuǎn)180°的脈沖稱180°脈沖。實(shí)際應(yīng)用時(shí),射頻脈沖常以組合方式發(fā)放,組合脈沖又稱脈沖序列。

宏觀磁矩在射頻脈沖的作用下吸收能量發(fā)生偏轉(zhuǎn),整個(gè)自旋系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài),去除射頻脈沖后,自旋系統(tǒng)自發(fā)地恢復(fù)到平衡狀態(tài)的過程叫弛豫(relax)。為了便于分析,以90°脈沖為例說明弛豫過程。引入坐標(biāo)系,X、Y和Z軸代表空間三維方向,彼此互相垂直。質(zhì)子自旋系統(tǒng)置入外強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí),Z軸方向?yàn)楹暧^磁矩的指向,其磁距最大,而Y軸方向磁矩為零。當(dāng)加入90°射頻脈沖后,宏觀磁矩由Z軸倒入Y軸,致Y軸上磁矩最大,而Z軸上為零。射頻脈沖去除后,弛豫過程由兩種成份組成:

1縱向弛豫(LongitudinalRelaxation):縱向弛豫指宏觀磁矩縱向(Z軸方向)由零回復(fù)到最大的過程。此過程質(zhì)子釋放NMR所吸收的能量,即自旋系統(tǒng)與周圍外界環(huán)境發(fā)生能量交換,反映了質(zhì)子與周圍環(huán)境之間的關(guān)系,又稱自旋晶格弛豫(Spin-latticeRelaxation),此馳豫曲線為指數(shù)遞增曲線,當(dāng)Z軸宏觀磁矩從零恢復(fù)至最大值的63%時(shí),稱縱向弛豫時(shí)間,用T1標(biāo)示,通常人體組織的T1值為數(shù)百毫秒。

2橫向弛豫(TransverseRelaxation):橫向弛豫指宏觀磁矩在水平方向上(Y軸方向)

由最大趨于零的過程,表示各質(zhì)子磁矩進(jìn)動(dòng)的相位由有序恢復(fù)至雜亂無(wú)章的狀態(tài)。此過程不發(fā)生質(zhì)子與外界環(huán)境之間的能量交換,反映質(zhì)子與質(zhì)子之間的相互關(guān)系,即質(zhì)子本身的情況,故橫向弛豫又稱自旋-自旋弛豫(Spin-SpinRelaxation),此弛豫呈指數(shù)遞減曲線,Y軸磁矩由初始最大值衰減63%所需時(shí)間稱T2弛豫時(shí)間。通常人體組體組織的T2值較短,遠(yuǎn)小T1值,為數(shù)十毫秒。NMR質(zhì)子數(shù)量與MRI信號(hào)強(qiáng)度成正比,某器官或組織含質(zhì)子數(shù)量多,則發(fā)出的MRI信號(hào)強(qiáng)度就強(qiáng);反之,則弱。由于人體各器官及不同組織的質(zhì)子含量有一定差別,所發(fā)出的MRI信號(hào)強(qiáng)度即強(qiáng)弱不等,構(gòu)成了MRI圖像的基礎(chǔ)對(duì)比度。但人體各組織、器官的T1和T2長(zhǎng)短的差別遠(yuǎn)大于質(zhì)子含量的差異,尤其病變與正常組織之間更是如此,故臨床應(yīng)用MRI時(shí)常突出T1和T2的差別,獲得T1WI和T2WI,以形成更大的對(duì)比度,有利于顯示病變。應(yīng)該指出:在外磁場(chǎng)確定不變的情況下,具體組織的T1和T2均為常數(shù)。兩種弛豫過程均呈指數(shù)形式,一開始遞增或遞減的速度較快,然后越來(lái)越慢。

MR成像技術(shù)包括:

一、磁共振成像的立體定位

前述MR成像過程尚不能進(jìn)行三維立體定位,為使引出的MRI信號(hào)與空間位置對(duì)應(yīng),采用所謂空間編碼技術(shù),即在原外強(qiáng)磁場(chǎng)上再疊加三個(gè)三維方向上(即沿X、Y、Z軸)、隨空間位置改變而呈線性變化的磁場(chǎng),稱梯度磁場(chǎng),以便與原外加磁場(chǎng)相區(qū)別,后者稱靜磁場(chǎng)或主磁場(chǎng)。疊加上梯度場(chǎng)后,置于磁場(chǎng)中的人體內(nèi)處于不同空間位置的質(zhì)子,具有不同的共振頻率(以X、Y、Z三維方向標(biāo)示);反之,依賴質(zhì)子的頻率差別,可標(biāo)出具體質(zhì)子的空間位置,應(yīng)用梯度場(chǎng)技術(shù)使任意選擇MR成像平面、并行圖像的立體定位成為可能。

具體實(shí)施立體定位過程以空間坐標(biāo)系解釋如下:Z軸為宏觀外磁場(chǎng)磁距方向,在疊加梯度場(chǎng)后,垂直于Z軸的各平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性變化,故每一個(gè)層面的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率亦不同,用確定頻率的射頻脈沖激發(fā)人體,則僅有一個(gè)層面的質(zhì)子與射頻脈沖發(fā)生共振,而其他層面的質(zhì)子因進(jìn)動(dòng)頻率不同,而不被激發(fā),這就完成了MR成像的疊層。

確定選層后,在所選層面的X、Y軸方向分別進(jìn)行頻率和相位編碼。Y軸疊加梯度場(chǎng)后,使垂直于Y軸的各條直線上的質(zhì)子磁距進(jìn)動(dòng)速度呈線性變化,產(chǎn)生相位差,稱相位編碼;在X軸上疊加梯度場(chǎng)使垂直于X軸的各條直線上質(zhì)子磁距的進(jìn)動(dòng)頻率呈線性變化,稱頻率編碼,由相位編碼和頻率編碼線數(shù)組成MRI圖像的矩陣。為獲取一幅圖像,必須在相位編碼軸上重復(fù)激發(fā),激發(fā)次數(shù)等于相位編碼數(shù),而頻率編碼不必重復(fù)。

二、磁共振成像的脈沖序列

MRI過程中,向自旋系統(tǒng)發(fā)射射頻脈沖是重要環(huán)節(jié),而通常射頻脈沖是以脈沖序列的方式進(jìn)行的。迄今為止,應(yīng)用最廣泛的是自旋回波(SE)脈沖序列:先發(fā)射一個(gè)90°

脈沖,間隔τ時(shí)間后,再發(fā)射一個(gè)180°脈沖。其次為反轉(zhuǎn)恢復(fù)(InversionRecovery;IR)序列,先給一個(gè)180°脈沖,使宏觀磁矩反轉(zhuǎn),間隔τ時(shí)間后,再加一個(gè)90°脈沖。還有飽和恢復(fù)(SaturationRecovery;SR)序列,先給一系列90°脈沖,使自旋系統(tǒng)進(jìn)入飽和狀態(tài)(即平行和反平行于主磁場(chǎng)的自旋數(shù)量相等,故自旋系統(tǒng)沒有縱向磁距),再加180°脈沖,為變相的SE序列。后兩種方法少用。

(一)自旋回波脈沖序列

先發(fā)射一個(gè)90°脈沖,使宏觀磁矩從Z軸倒入Y軸(由縱向倒入橫向),即進(jìn)入X-Y平面。由于磁場(chǎng)的不均勻性,進(jìn)動(dòng)中各質(zhì)子相位由同步(即速度一致)逐漸變?yōu)楫惒?,稱去相位(Dehasing),質(zhì)子進(jìn)動(dòng)快慢不一,橫向磁矩由剛從Z軸倒入Y軸時(shí)的最大,逐漸變小,最終趨于零。與此相對(duì)應(yīng),產(chǎn)生了一個(gè)自由感應(yīng)信號(hào)(FreeInductionSignal;FIS)。間隔t時(shí)間后,在Y軸上加一個(gè)180°脈沖,宏觀磁矩繞X軸轉(zhuǎn)180°至Y軸方向,使異步進(jìn)動(dòng)的質(zhì)子重新趨于同步狀態(tài),稱相位重聚(Rephasing),故橫向磁矩出現(xiàn)先趨于零,又接近最大,然后再趨于零的變化過程。與此相適應(yīng),產(chǎn)生一個(gè)由小至大、又至小的回波信號(hào),即SE信號(hào)。90°脈沖發(fā)放至產(chǎn)生回波的時(shí)間稱回波時(shí)間(TimeofEcho;Te),兩個(gè)90°脈沖間隔時(shí)間稱重復(fù)時(shí)間(TimeofRepetition;TR)。SE序列所得MR信號(hào)的振幅見公式:

SI=N(H)(1-e-TR/T1)e-TR/T2

SI:MRI信號(hào)振幅;N(H):質(zhì)子密度。

從上述公式中可以看出決定SE序列MRI圖像黑白對(duì)比度的因素:即質(zhì)子密度、T1和T2時(shí)間、TR和TE時(shí)間,再加上“流空效應(yīng)”(EffectofFlow;EF),共六個(gè)因素。下面詳細(xì)闡述此六個(gè)因素的作用和特性。其中有四個(gè)因素由被檢查者的組織特性所決定:

1質(zhì)子密度(N),被成像組織單位體積內(nèi)質(zhì)子數(shù)越多,則產(chǎn)生的MR信號(hào)越強(qiáng),如脂肪含質(zhì)子多,在圖像上呈白色;纖維組織含質(zhì)子少呈灰黑色;骨皮質(zhì)、鈣化灶等無(wú)質(zhì)子,則無(wú)信號(hào)。應(yīng)用SE序列,被成像組織所含質(zhì)子密度的多少?zèng)Q定MRI圖像的基本對(duì)比度。

2T1時(shí)間長(zhǎng)短,T1短的組織在第二個(gè)射頻脈沖序列發(fā)放前,縱向弛豫完全,磁距大,產(chǎn)生的MR信號(hào)強(qiáng),以圖像上呈白色;相反,T1長(zhǎng)的組織,縱向弛豫不完全,磁距小,發(fā)生的MR信號(hào)弱,呈黑色。

3T2時(shí)間長(zhǎng)短,T2長(zhǎng)的組織橫向弛豫衰減得慢,則產(chǎn)生的MR信號(hào)就強(qiáng);相反,T2短的組織橫向弛豫衰減得快,信號(hào)就弱。

4流空效應(yīng),應(yīng)用SE技術(shù),以一定速度流動(dòng)的液體產(chǎn)生流空效應(yīng),呈無(wú)或低信號(hào)。產(chǎn)生此效應(yīng)的原因在于:射頻脈沖所激發(fā)的質(zhì)子在接收線圈獲取MR信號(hào)時(shí),因流動(dòng)已移出成像層面,而此時(shí)成像層面內(nèi)原部位的質(zhì)子為流入的非激發(fā)質(zhì)子,故不能產(chǎn)生MRI信號(hào)。與流動(dòng)液體相比,周圍靜止組織如:血管壁發(fā)出的MRI信號(hào)不變。血液在血管中流動(dòng)是產(chǎn)生此效應(yīng)的典型示例,較快速流動(dòng)的血液呈無(wú)或低信號(hào),與靜止呈中等信號(hào)的血管壁形成鮮明對(duì)比,清楚顯示出血管的形態(tài)結(jié)構(gòu)。這是SE技術(shù)的MRI的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn),也是MRI顯示心臟大血管解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

如果血流速度較慢,SE技術(shù)MRI圖像上血管內(nèi)可有少量信號(hào)呈灰色,而慢速血流則產(chǎn)生強(qiáng)白信號(hào)。分析MRI圖像時(shí)應(yīng)注意此效應(yīng)所致的血管內(nèi)信號(hào)變化。

5脈沖重復(fù)時(shí)間(TR),如TE不變,TR越長(zhǎng),組織的縱向弛豫越完全,則MR信號(hào)越強(qiáng),反之亦然。

6回波時(shí)間(TE),如TR不變,TE越長(zhǎng),橫向弛豫就越完全,產(chǎn)生的MRI信號(hào)就越弱;相反,TE短,MRI信號(hào)則強(qiáng)。

(二)快速成像技術(shù)

SE技術(shù)MR成像很實(shí)用,圖像質(zhì)量好,對(duì)比度高,但掃描時(shí)間長(zhǎng)。為了克服此缺點(diǎn),提高掃描速度,縮短TR和TE值,工程技術(shù)人員研究開發(fā)出快速成像技術(shù),最初廣泛應(yīng)用的快速成像技術(shù)有兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn):即小角度激發(fā)(<90°角)和反轉(zhuǎn)梯度回波。下面分別加以介紹。

1小角度激發(fā)(lowangleshot):常規(guī)SE脈沖序列,向質(zhì)子自旋系統(tǒng)發(fā)射90°脈沖,使宏觀縱向磁矩倒入X-Y平面,每次激發(fā)后都要經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的重復(fù)時(shí)間,以完成縱向弛豫,進(jìn)而再行第二次激發(fā),故成像速度較慢。改用小角度激發(fā),通過改良射頻脈沖的幅度和脈寬,使激發(fā)角在10°~90°之間改變,換言之,用小于90°的脈沖取代常規(guī)SE應(yīng)用的90°脈沖。在該脈沖的作用下,Z軸上的縱向弛豫與平衡態(tài)相比,小角度傾斜(如10°)其縱向磁矩降低并不明顯,而橫向Y軸的磁矩增加幅度較大,激發(fā)后磁矩仍大部分保持在縱向,僅需很短時(shí)間即恢復(fù)到平衡狀態(tài)。TR可取至很短如20毫秒以下甚至幾個(gè)毫秒,所獲圖像含較強(qiáng)的T2加權(quán)因素,稱準(zhǔn)T2WI,由于磁矩較90°脈沖小,其信噪比較低,圖像質(zhì)量不如SE法。當(dāng)激發(fā)角接近90°時(shí),所獲取圖像含T1加權(quán)因素多,稱準(zhǔn)T1WI,圖像信噪比較高,質(zhì)量接近SE法。

2梯度回波(gredientecho;GE):利用反轉(zhuǎn)梯度場(chǎng)來(lái)取代180°射頻脈沖產(chǎn)生回波,可使TE縮短至8~12ms,甚至更短為2~3ms,實(shí)施過程如下:在X軸頻率編碼方向加雙極梯度,首先負(fù)向梯度場(chǎng)通過選擇層面,使自旋系統(tǒng)去相位,自旋逐漸散開,彼此形成相位差;繼之梯度場(chǎng)反轉(zhuǎn),加一個(gè)與負(fù)向梯度大小相等,時(shí)間相同的正向梯度磁場(chǎng),使自旋瞬間反身,原先具有較大相位的自旋轉(zhuǎn)為較小,自旋以與去相位相同的速度復(fù)相位,此過程產(chǎn)生回波信號(hào),此信號(hào)稱梯度回波。

3多回波脈沖序列(multipleechopulsesequences):多回波脈沖序列與SE不同,在固定TR時(shí)間內(nèi)由一個(gè)90°脈沖和其后的一系列180°脈沖組成。在每一個(gè)180°脈沖后面都產(chǎn)生一個(gè)MRI回波,其信號(hào)強(qiáng)度依次按指數(shù)規(guī)律遞減。每一個(gè)回波信號(hào)可以重建一幅圖像,一次掃描可得到同一層面的一系列圖像。由于越靠后的回波信號(hào)越弱,實(shí)際應(yīng)用時(shí)以不超過四個(gè)回波為宜。如果多回波序列取TR值遠(yuǎn)大于組織的T1值(2000ms),第一個(gè)TE值遠(yuǎn)小于組織的T2值(30ms)時(shí),則其第一回波圖像為質(zhì)子密度加權(quán)像;第二回波圖像TE值加倍即60ms,第三回波TE值為90ms,第四回波為120ms,后三個(gè)回波均為,但其加權(quán)程度不同,回波數(shù)越高,圖像的T2加權(quán)程度越重。若取TR值約等于組織的T1值(500ms),則第一個(gè)回波為T1WI,以后各回波圖像為T1和T2混合圖像,但回波數(shù)越高,T2加權(quán)的成份亦越重。

應(yīng)用多回波技術(shù),一次掃描可獲取兩種以上不同性質(zhì)的圖像,進(jìn)行同層面各回波圖像的對(duì)比,增另了信息量,有利于鑒別診斷。

4快速自旋回波序列(fastspinechosequences;FSES):FSES是多回波脈沖序列的改良,在TR固定的情況下,它也是先發(fā)放一個(gè)90°脈沖,然后再加一系列180°脈沖組成脈沖序列,但它與多回波序列的區(qū)別在于:90°脈沖后的一系列180°脈沖所產(chǎn)生的回波,不是用來(lái)分別重建各自的圖像,而是用于共同填充一個(gè)K空間,即X-Y平面,組成一幅SE圖像,故掃描時(shí)間大為縮短。180°脈沖的數(shù)目越多,掃描時(shí)間越短。但圖像質(zhì)量隨180°脈沖數(shù)目增多而下降。如果有8個(gè)180°脈沖,掃描時(shí)間將縮短為原SE序列的1/8,一般應(yīng)用4-8個(gè)脈沖,兼顧縮短掃描時(shí)間和保證圖像質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面的要求。

K空間有一個(gè)特性,即其外圍80%的空間決定圖像的分辨率,中心20%的空間決定圖像的對(duì)比度。所以,只要調(diào)整K空間的中心回波即可選擇圖像的性質(zhì),以TR:3500ms,第一回波TE:30ms為例,如將第一個(gè)回波放在k空間的中心,所獲圖像為質(zhì)子密度像,將第四個(gè)回波放在k空間的中心位置(即TE:120ms),所獲圖像即為T2WI。也可以一次掃描獲取雙回波圖像,同一層面,一幅為質(zhì)子密度,另一幅為T2WI,但此時(shí),如回波數(shù)不變,所獲圖像幅數(shù)加倍,故成像時(shí)間比單純一種性質(zhì)圖像長(zhǎng)一倍,即加快掃描速度的程度減半。目前,新型MRI掃描機(jī)已常規(guī)配置FSE序列,特別是以FSE的T2WI代替SE的T2WI,使掃描時(shí)間縮短至1~2min,應(yīng)用廣泛。

5超快速成像(UltrafastMRImaging;UFMRI):UFMR成像掃描速度進(jìn)入毫秒級(jí),目前已可臨床實(shí)用,其基本技術(shù)有數(shù)種,其中最重要的是回波平面成像(echo-planarimaging;EPI),此技術(shù)能瞬間獲取二維圖像,不用心電圖門控進(jìn)行心臟實(shí)時(shí)掃描。早在1977年MRI開發(fā)的早期,Mansfield根據(jù)其資料采集方式就提出此成像方法,由于所獲圖像信/噪比低,有幾何變形和化學(xué)位移干擾,重建方法復(fù)雜,需要較高的梯度場(chǎng)和梯度場(chǎng)快速轉(zhuǎn)換,以及高度的磁場(chǎng)均等問題,最初未能很好解決,所以,初期十年此技術(shù)未獲臨床應(yīng)用。近年,上述問題逐一解決,最新推出的高場(chǎng)MRI掃描機(jī),均常規(guī)配置此功能,臨床已逐漸推廣應(yīng)用。

(1)EPI的基本工作方式:對(duì)橫斷面而言,繼Z軸層面選擇90°脈沖后,立即在X軸加180°脈沖,隨后在Y軸應(yīng)用波動(dòng)或雙向梯度場(chǎng)(正負(fù)轉(zhuǎn)換率約1000Hz),在X-Y平面上反復(fù)進(jìn)行磁化的去相位和復(fù)相位,誘發(fā)一系列回波充填K空間,即x-y平面,此過程組成一個(gè)光柵樣軌跡。然后,行傅立葉轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生一系列條形頻譜,一次激發(fā)即收集到重建圖像的全部數(shù)據(jù)。EPI不必進(jìn)行相編碼,應(yīng)用波動(dòng)式或雙向梯度場(chǎng)又稱“梯度場(chǎng)振蕩”,使讀出大為加快,屬讀出模式,成像速度主要取決于梯度場(chǎng)振蕩的讀出速度,即梯度場(chǎng)的切換速度。為提高信噪比和圖像質(zhì)量,臨床實(shí)際應(yīng)用時(shí),EPI技術(shù)與SE或梯度回波(GE)脈沖序列相結(jié)合,稱混合(hybrid)技術(shù)。例如在一次成像中,采用8個(gè)相位編碼的SE,應(yīng)用8次波動(dòng)梯度場(chǎng)。

(2)EPI的臨床應(yīng)用:EPI的特點(diǎn)是成像速度極快,有效的消除了各種運(yùn)動(dòng)偽影,包括周期運(yùn)動(dòng)(呼吸和心跳)和非周期運(yùn)動(dòng)(吞咽,腸蠕動(dòng)等)。EPI在心臟成像的應(yīng)用潛力巨大,它可超快速進(jìn)行心功能測(cè)定,包括整體功能(如射血分?jǐn)?shù))和局部功能(如室壁運(yùn)動(dòng)分析),顯示心臟瓣膜功能狀態(tài),關(guān)閉不全和/或狹窄等,進(jìn)行心臟,大血管的血流速度測(cè)量,應(yīng)用大分子造影劑,進(jìn)行首次通過法成像,獲取心肌灌注圖像,以早期發(fā)現(xiàn)心肌梗塞冠心病的心肌缺血區(qū),以及進(jìn)行三維立體掃描,顯示高清晰的冠狀動(dòng)脈圖像,有可能在MRA的冠狀動(dòng)脈成像方面有所突破。

三、磁共振血管造影(magneticresonanceangiography;MRA)

MRA技術(shù)已日趨成熟,臨床得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)X線心血管造影不同,它不是血管腔本身的成像,而是血流成像。MRA基本技術(shù)有二種,下面分別介紹。

1時(shí)間飛躍(time-of-flight;TOF):應(yīng)用快速掃描GE技術(shù),選取適宜的TR值和激發(fā)角,可產(chǎn)生血流的增強(qiáng)。由于脈沖間隔時(shí)間很短,掃描層面內(nèi)靜止組織反復(fù)被激發(fā),縱向磁矩不能充分弛豫而處于飽和狀態(tài),信號(hào)很弱,呈灰黑色;血管內(nèi)血液流動(dòng),采集MR信號(hào)時(shí),如果血流速度足夠快,成像容積內(nèi)激發(fā)的飽和質(zhì)子流出掃描層面外,而成像容積外完全磁化的自旋又稱不飽和自旋流入掃描層面,縱向磁矩大,發(fā)出強(qiáng)信號(hào)呈白色,于是血管內(nèi)外信號(hào)差別很大,使血管顯影。TOF法利用MR信號(hào)的縱向磁化矢量成像。

應(yīng)用此技術(shù)成像,按采集方式不同,又分為兩情況:

(1)二維TOFMRA,對(duì)緩慢或中等流速的血流敏感,用于評(píng)價(jià)靜脈和嚴(yán)重狹窄的動(dòng)脈效果好。

(2)三維TOFMRA,對(duì)快速血流敏感,可用作病變的初步篩選。

TOF法除流動(dòng)組織外,短T1的物質(zhì)也是亮白信號(hào),故血腫(亞急性期)可被誤認(rèn)

為異常血管,而有附壁血栓的血管似乎與正常血管一樣,造成誤漏診,分析圖像時(shí)應(yīng)予以注意。

2相位對(duì)比(phasecontrast;PC):應(yīng)用快速掃描GE技術(shù)和雙極流動(dòng)編碼梯度脈沖,對(duì)成像層面內(nèi)質(zhì)子加一個(gè)先負(fù)后正,大小相等,方向相反的脈沖,靜止組織的橫向磁矩亦對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)先負(fù)后正,大小相等,方向相反,對(duì)稱性的相位改變,將正負(fù)相位疊加,總的相位差為零,故靜止組織呈低或無(wú)信號(hào);而血管內(nèi)的血液由于流動(dòng),正負(fù)方向上相反的相位改變不同,迭加以后總的相位差大于零。其相位差與血流速度成正比,故血流呈亮白的高信號(hào),使血流與靜止組織間產(chǎn)生良好的對(duì)比。血流速度越快,MRA血流的信號(hào)越強(qiáng)。PC法MRA利用MR信號(hào)的橫向磁矩成像,掃描時(shí)間較TOF法長(zhǎng),但可測(cè)量血流速度和標(biāo)示血流方向。PC法MRA對(duì)極慢血流敏感,可區(qū)分血管閉塞和極慢血流,亦分為二維和三維MRA兩種形式。

3黑血技術(shù):無(wú)論應(yīng)用哪一種MRA技術(shù),血流均呈高信號(hào),而靜止組織呈灰黑色。這與傳統(tǒng)X線血管造影片所顯示的情況剛好相反。放射學(xué)家及臨床醫(yī)師已習(xí)慣了觀察傳統(tǒng)血管造影片,故MRA顯示為黑色血管影更易于被接受。MRI掃描機(jī)在圖像顯示部分有黑白翻轉(zhuǎn)功能,可將白色血管的MRA圖像直接翻轉(zhuǎn)成黑色血管。也有在MRA成像過程中獲得“黑血”的方法,稱黑血技術(shù)(blackbloodtechniques)。

(1)洗脫效應(yīng)(washouteffect)快速成像技術(shù)血流一般情況下呈白色,但當(dāng)血流速度明顯加快,TR較短時(shí),洗脫效應(yīng)占主導(dǎo),血流表現(xiàn)為黑色,即不飽和完全弛豫的質(zhì)子流出成像容積,此效應(yīng)在應(yīng)用薄層和/或長(zhǎng)TE時(shí)被增強(qiáng),這是獲得黑血的一種方法。

(2)MRA中應(yīng)用預(yù)飽和技術(shù)(presaturationtechnique)也能使血流呈黑色。在RF脈沖發(fā)放前,旋放預(yù)飽和脈沖,飽和帶與掃描層面平掃,RF脈沖激發(fā)后,飽和的自旋流入掃描層面,其縱向磁矩小,致血流為低信號(hào)呈黑色;相反靜止組織為白色。此技術(shù)所顯示的圖像更接近解剖學(xué)情況,有利于估計(jì)血管內(nèi)潰瘍和評(píng)價(jià)血管狹窄程序。MRA的預(yù)飽和技術(shù)是一種顯示血流起源和流動(dòng)方式的精確手段。

4二維和三維MRA的對(duì)比:臨床應(yīng)用時(shí)可靈活選用不同技術(shù)及采集方式。應(yīng)用預(yù)飽和技術(shù)可分別進(jìn)行單純動(dòng)脈或單純靜脈MRI,如欲顯示動(dòng)脈,則在成像容積靜脈血流入側(cè)加預(yù)飽和帶。不加預(yù)飽和帶,則成像容積內(nèi)動(dòng)靜脈同時(shí)顯像。

一般行MR成像,不必注入順磁性造影劑,但經(jīng)靜脈注入Gd-DTPA,也被用于MRA成像,應(yīng)用造影劑后的MRA,改變了組織的弛豫時(shí)間,首先是組織(如:粘膜、脈絡(luò)叢和垂體等)增強(qiáng),血管次之。并且,在圖像重建時(shí),應(yīng)用最大增強(qiáng)投射(MIP)的處理過程與圖像顯示不成比例,導(dǎo)致圖像失真。最后,增強(qiáng)后MRA預(yù)飽和技術(shù)失效,所獲圖像包含動(dòng)脈和靜脈的成份,不能行單純動(dòng)脈或靜脈成像。

二、MR成像設(shè)備

MRI設(shè)備主要由五部分構(gòu)成即:磁體系統(tǒng),射頻發(fā)射和接收系統(tǒng),圖像重建和顯示系統(tǒng),檢查床及圖像記錄貯存系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

(一)磁體系統(tǒng)

1主磁體

即用于產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的磁體,它是設(shè)備的主體部件,按其構(gòu)造分為三種類型。

(1)永久磁體(permanentmagnet)簡(jiǎn)稱永磁型,此型主磁體采用永磁材料(如鐵氧體)制成,其磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減極慢,可視為永久不變,且有運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單,無(wú)水電消耗,維持運(yùn)行費(fèi)用低;磁力線閉合,磁體漏磁小,磁場(chǎng)方向與人體長(zhǎng)軸相互垂直,S-N極在人體上下方向,射頻線圈的設(shè)備制作容易,填充因子大,線圈的效率高;對(duì)磁體間即掃描室場(chǎng)地和周圍環(huán)境的要求較低等優(yōu)點(diǎn)。但其亦具有磁體笨重、占地大、永磁材料昂貴;磁體受環(huán)境溫度的影響大,磁場(chǎng)均勻度的穩(wěn)定性較差,周圍環(huán)境稍有變化,磁場(chǎng)內(nèi)各部位的場(chǎng)強(qiáng)就發(fā)生變化,使磁場(chǎng)均勻度破壞,導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降;且由于受設(shè)計(jì)和制造上的制約,永磁磁體的場(chǎng)強(qiáng)較低,一般最高不超過0.3T。

最初MRI設(shè)備應(yīng)用永磁型磁體較多,后隨超導(dǎo)型磁體的大量應(yīng)用,用量曾一度下降。近來(lái),各醫(yī)療器械公司開發(fā)出一種所謂開放式(openstyle)MR掃描機(jī),采用永久磁體,或用阻抗式磁體,或二者混合共同,可將監(jiān)護(hù)搶救設(shè)備置于MR掃描機(jī)旁,掃描時(shí)家屬可在床邊陪同,應(yīng)用專用穿刺針、導(dǎo)絲和導(dǎo)管等,可作MR介入治療,為今后MRI機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向,故應(yīng)用永磁型磁體的數(shù)量又有所回升。

(2)阻抗式磁體(resistivemagnet)又稱常導(dǎo)型磁體,系常溫下,應(yīng)用勵(lì)磁電流通過線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。此型磁體又大

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