醫(yī)學(xué)成像技術(shù)講義第一章-概述-第二章-X射線成像

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)計(jì)算機(jī)X線攝影(computedradiography,CR)數(shù)字X線攝影(digitalradiography,DR)直接數(shù)字X線攝影(directdigitalradiography,DDR)計(jì)算機(jī)體層攝影(computedtomoraphy,CT)磁共振成像(magneticresonanceimage;MRI)數(shù)字減影血管造影(digitalsubtractionangiography;DSA)超聲成像(ulstransonography,USG)正電子發(fā)射體層成像(positronemissiontomography,PET)參考文獻(xiàn)胡軍武，醫(yī)學(xué)數(shù)字成像技術(shù)，湖北科學(xué)出版社，2001.9高上凱，醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)，清華大學(xué)出版社，2000.3高文，計(jì)算醫(yī)學(xué)工程與醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)，清華大學(xué)出版社，2000.3

傳統(tǒng)診斷：望、聞、問、切定性診斷第一章概述

一、疾病診斷方式與手段的巨大變革

從看不見到看見X射線成像CT核磁共振19世紀(jì)開始—看到病變超聲DSAfMRIPETSPECT20世紀(jì)—看到功能與代謝

多維成像

多模式成像

多參數(shù)成像二、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展趨勢二維醫(yī)學(xué)圖像已經(jīng)成為臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究中的重要依據(jù)，有效地提高了診斷的準(zhǔn)確性。但對醫(yī)學(xué)圖像的理解是一個(gè)復(fù)雜的過程。由于人體臟器結(jié)構(gòu)是三維空間分布，僅僅依靠一幅或幾幅二維圖像來理解三維結(jié)構(gòu)有一定的局限性。多維成像為了給醫(yī)生提供真正的三維結(jié)構(gòu)顯示圖，自七十年代開始就有人著手研究醫(yī)學(xué)三維成像的方法。早期的三維成像曾經(jīng)采用過全息攝影等方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成熟應(yīng)用，醫(yī)學(xué)三維成像在近十年中有了很大的進(jìn)步，并在臨床應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。有人將三維圖像隨時(shí)間變化的序列圖像稱為四維圖像。所謂的“四維圖像”就是動態(tài)的三維圖像。當(dāng)在屏幕上看到一顆立體的跳動的心臟或其他臟器時(shí)，就如同看到一個(gè)活生生的人。這樣的動態(tài)圖像無疑會對治療帶來益處。三維或四維成像被統(tǒng)稱為“多維成像”。是今后醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中的熱點(diǎn)。以三維成像為例，其過程涉及的主要問題有數(shù)據(jù)采集、三維重構(gòu)及顯示等。臨床診斷及治療計(jì)劃的制定往往需要來自不同成像方式的圖像信息。不同的斷層成像技術(shù)，如X-CT、MRI和PET等各有特點(diǎn)，且攜帶不同的生理、病理、功能或解剖學(xué)方面的信息。這些信息通常還起到了互相補(bǔ)充的作用。多模式成像如發(fā)射型CT能提供臟器功能方面的信息，但從解剖學(xué)角度看，它表現(xiàn)出的空間分辨率是比較低的。反之，X-CT和MRI等圖像能夠清晰地描述臟器解剖結(jié)構(gòu)，但對其功能缺乏敏感性。如果把不同來源的圖像融合在一起，構(gòu)成所謂的多模式圖像（Multi-modalimages），就有可能根據(jù)多方面的信息來提高對疾病的診斷效果。例如，我們可以從MRI獲得斷面解剖圖與血管像（包括血管解剖、血流灌注及擴(kuò)散等）；可以從PET圖像觀察代謝功能；還可以從CT圖像觀察骨架、鈣化的解剖結(jié)構(gòu)等。把這些信息綜合在一起，對神經(jīng)內(nèi)科病人的診斷是很有用的。在CT成像中，由于骨組織對X線有較大的吸收系數(shù)，因此對骨組織很敏感；而MRI成像中，骨組織含有較低的質(zhì)子密度，所以MRI成像對骨組織和鈣化點(diǎn)信號較弱，融合后的圖像對病變的定性、定位有很大的幫助

CT與MRI配準(zhǔn)與融合醫(yī)學(xué)圖像大致可以分為以下幾種類型：反映解剖結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)圖像；反映臟器功能的功能性圖像；用于組織定征的組織物理參數(shù)圖像。為了擴(kuò)大醫(yī)學(xué)圖像在臨床診斷中的應(yīng)用范圍并提高診斷的有效性，針對不同的需要不斷研究新的成像方法與新的成像參數(shù)也是很必要的。對于同一個(gè)人體斷面，形成不同物理或化學(xué)參數(shù)的圖像，就是所謂的多參數(shù)成像。

多參數(shù)成像如在超聲成像系統(tǒng)中，對于同一個(gè)心臟的斷面，可以構(gòu)成只反映其解剖結(jié)構(gòu)的B型斷層圖像，也可以通過檢測成像斷面中的血流信息，形成所謂的彩色多普勒血流圖。對斷面中的心肌來說，可以只看其靜止的斷面結(jié)構(gòu)，也可以給出收縮或舒張時(shí)的運(yùn)動速度或加速度圖像。多種參數(shù)的綜合應(yīng)用提高了對心臟疾病診斷的準(zhǔn)確性。又如近年來出現(xiàn)的功能性磁共振成像系統(tǒng)（functionalMagneticResonanceImaging，簡稱fMRI），采用了平面回波成像法（echo-planarimaging，簡稱EPI），實(shí)現(xiàn)了超高速的數(shù)據(jù)采集，從而解決了“實(shí)時(shí)”腦功能成像的問題。與傳統(tǒng)的MRI相比，fMRI不僅保存了很高的圖像空間分辨率，而且獲得了很高的時(shí)間分辨率。因此，除了用它來獲取斷面的解剖形態(tài)結(jié)構(gòu)圖外，還可以獲得一些新參數(shù)的圖像，如擴(kuò)散圖像、灌注圖像以及與事件相關(guān)的腦功能圖像。這些新參數(shù)圖像為臨床診斷與腦功能成像開辟了一個(gè)新的天地。1、醫(yī)療影象設(shè)備用計(jì)算機(jī)

輸入信息除了接收來自鍵盤輸入的信息外，還可接收自身數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(dataacquisitionsystem;DAS)。主控汁算機(jī)控制著多級的彼此相互獨(dú)立的CPU系統(tǒng)。多CPU提高處理速度。圖象存儲設(shè)備：硬盤、磁帶、光盤、磁盤陣列。

三、醫(yī)學(xué)數(shù)字成像技術(shù)的基礎(chǔ)圖1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2、數(shù)據(jù)采集

(1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)收集處理器發(fā)射源：不同的成像方法發(fā)射源的介質(zhì)不同UCR、DR、DDR、DSA和CT其發(fā)射源為X射線；U

MRI的發(fā)射源是射頻脈沖；UUSG的發(fā)射源是超聲波；UNM的發(fā)射源是某些具有放射性的同位素。

被檢體：當(dāng)被撿體受接到來自發(fā)射源的信號后，體內(nèi)組織使信號發(fā)生改變，離開被檢體到探測器/接收器。探測器/接收器：探測器/接收器是收集經(jīng)過人體后并帶有體內(nèi)信息的信號，再轉(zhuǎn)遞到下一個(gè)采集單元。采樣器：采樣器接收到上一級轉(zhuǎn)遞的信號，首先經(jīng)濾過器對它進(jìn)行濾過，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogue-to-digitalconverter，A/D)將模擬圖象(analogueimage)轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像(digitalimage)。采集到的原始數(shù)據(jù)必須送到RDCP數(shù)據(jù)收集處理器：數(shù)據(jù)收集處理器(reconstructionanddatacollectionprocessor，RDCP)可以把原始數(shù)據(jù)根據(jù)診斷的需要進(jìn)行各種后處理。記錄： 采集數(shù)據(jù)的最終目的是為了記錄人體內(nèi)的不同組織信息，供疾病的診斷，治療和復(fù)查模擬采樣：X線片的密度(density)是隨空間位置分布的連續(xù)函數(shù)，照片上點(diǎn)和點(diǎn)之間是連續(xù)的，中間沒有間隔，而感光密度隨坐標(biāo)點(diǎn)的變化也是連續(xù)的。它反映了入射線的X線強(qiáng)度的空間分布。數(shù)字影像的圖像矩陣(matrix)則是一個(gè)整數(shù)數(shù)值的二維數(shù)組。整幅圖像被分解成有限個(gè)小區(qū)域，每個(gè)這種小區(qū)域中圖像密度的平均值用一個(gè)整數(shù)來表示，這個(gè)小區(qū)域被稱為象素（pixel）。(2)數(shù)據(jù)采集的原理圖1.2A為一幅手的X線照片。其中有一條橫線。圖1.2B給出了橫線上的一維像的密度隨距離變化的連續(xù)函數(shù)；圖1.2C是用數(shù)字表示的—維數(shù)字圖像。在進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，采取每2mm間隔采一個(gè)點(diǎn)。即每個(gè)象素的寬度為2mm。像素密度數(shù)值用O-255共256個(gè)整數(shù)表不。256=28，像素密度用8位二進(jìn)制數(shù)表示。取橫線寬度力1mm，把整幅圖像劃分為若干條橫線，這樣每個(gè)象素即為1mm×2mm。在掃描中，這個(gè)寬度叫層厚（slicethickness)。每條橫線可獲得一幅一維圖像。這些一維數(shù)字圖像就可以組合成一幅二維數(shù)字圖像。將二維圖像變成一系列一維圖像的過程，在物理上可用時(shí)間掃描來完成。再通過A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡x散的數(shù)字序列。這樣，原始的數(shù)字圖像就產(chǎn)生了。圖1.2數(shù)據(jù)采集完成數(shù)據(jù)的采集要用A/D轉(zhuǎn)換器，而數(shù)據(jù)的精確還取決A/D轉(zhuǎn)換器的量化精度。數(shù)字圖像要在屏幕上顯示，也離下開D/A轉(zhuǎn)換器。它主要有以下兩項(xiàng)性能指標(biāo)。(a)轉(zhuǎn)換速度連續(xù)模擬信號首先在時(shí)間上進(jìn)行采樣，將連續(xù)的時(shí)間信號用按一定間隔采集的離散值來表示。采樣定理告訴我們，當(dāng)采樣的頻率高于連續(xù)時(shí)間信號最高頻率兩倍以上時(shí)，用采樣得到的離散時(shí)間序列可以完全恢復(fù)原來的連續(xù)時(shí)間信號而不損失任何信息。采樣頻率就是A/D轉(zhuǎn)換器的變換頻率。(3)A/D與D/A轉(zhuǎn)換器 （b）變化精度和動態(tài)范圍模擬信息的表示范圍沒有限制，但所接收到模擬量具有有限的動態(tài)范圍。整數(shù)數(shù)字量的變化是離散的，數(shù)字位數(shù)愈多，能表示的數(shù)字量的范圍就愈大。

A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與所轉(zhuǎn)換的模擬信號的信噪比(signal-to-noiseratio，SNR）動態(tài)范圍相適應(yīng)。D/A轉(zhuǎn)換器的精度和動態(tài)范圍要求較A/D轉(zhuǎn)換器略低一些

在1895年，德國物理學(xué)家威廉倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，被認(rèn)為是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)。這種“新光線”被應(yīng)用于檢查骨折和確定槍傷中子彈的位置。盡管X射線最初被醫(yī)學(xué)目的使用，但該新技術(shù)的理論也被應(yīng)用到無損檢測領(lǐng)域。例如，早期鋅板的X射線，暗示了焊接質(zhì)量控制的可能性，20世紀(jì)初期，X射線被應(yīng)用于鍋爐檢測。

第二章

X射線成像系統(tǒng)2.1X射線成像技術(shù)的發(fā)展歷史

紅外線紫外線電磁光譜的波長范圍紫外線紅外線的紅外線紅外線紅外線紅外線紅外線同X射線有關(guān)的諾貝爾獎1901

倫琴(Roentgen) 發(fā)現(xiàn)X射線(1895)1914

勞厄（Laue） 晶體的X射線衍射1915

布拉格父子(Bragg) 分析晶體結(jié)構(gòu)1917 巴克拉(Barkla) 發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識X射線1924

塞格巴恩(Siegbahn) X射線光譜學(xué)1927

康普頓(Compton等六人) 康普頓效應(yīng)1936

德拜(Debye) 化學(xué)1946

馬勒(Muller) 醫(yī)學(xué)1962 沃生(Wason等三人) 醫(yī)學(xué)1964

霍奇金(Hodgkin) 化學(xué)1979

柯馬克和豪森菲爾德（Cormack/Hounsfield）醫(yī)學(xué)1981 塞格巴恩(Siegbahn) 物理X射線管

陽極（對陰極）陰極104~105V+光電效應(yīng)：光子能量

逸出功+動能逆效應(yīng)：電子損失動能

產(chǎn)生光子(X射線)被加速的電荷會輻射出電磁能(光子)例：考察一下快電子靠近一個(gè)帶正電的原子核，并從原子核旁邊偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生光子?？祀娮釉雍寺娮覧K1EK2h

光子在碰到靶之前，每個(gè)電子獲得的動能EK=eV。電子碰擊在靶上而被減速，并在碰撞中基本上停下來。每個(gè)電子因與靶沖擊而損失掉它的動能EK=eV。

雖然絕大部分表現(xiàn)為靶中熱能，但這動能的很小一部分卻由于軔致輻射過程而產(chǎn)生電磁輻射。碰擊靶的任意一個(gè)電子都能與靶中原子作多次軔致輻射碰撞，因而產(chǎn)生許多光子。偶然有一個(gè)電子一次碰撞就停下來，它的全部能量都轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子的電磁能，在這種情況下產(chǎn)生能量最高的光子。X射線的產(chǎn)生條件：(1)用某種方法得到一定數(shù)量的自由電子。

如給陰極的燈絲加一個(gè)低電壓，燈絲加熱后會發(fā)射電子。迫使這些電子在一定方向上高速運(yùn)動。如在X射線管的兩極間加上高壓。(3)在電子運(yùn)動的路徑上設(shè)置一個(gè)急劇阻止其運(yùn)動的障礙物如陽級端靶

X射線穿過人體時(shí)，會出現(xiàn)衰減這種衰減主要是由

相干散射光電吸收康普頓(Compton)散射引起的X射線成像的原理（P13-14)

在1922—1923年間，康普頓在用X射線作光散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)：X射線被散射后，除部分波長沒有改變外，還有部分波長變長，這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)（康普頓散射）。

一些能量較大的X射線光子撞擊原子外層那些松散的電子，使其脫位，此時(shí)X光子只將一部分能量傳給被擊脫的電子使其獲得動能，光子自身的能量并沒有消失，只是能量減少且方向發(fā)生改變。X射線成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)X射線發(fā)生裝置

X射線源組件、高壓發(fā)生器X射線成像裝置

影像增強(qiáng)器、熒光屏、電視系統(tǒng)、電影攝影機(jī)、錄像裝置等。輔助設(shè)備

主要包括機(jī)械設(shè)備，如檢查床、各種支撐、保持裝置等。在19世紀(jì)下半頁，X射線技術(shù)---盡管長期不變--沒有發(fā)生巨大的變化，由射線源發(fā)射的X射線穿過物體，然后通過膠片或熒光屏接受。膠片的對比度和空間分辨率，隨膠片的速度和X射線源的控制，使用帶膠片的熒光增感屏，在低能量下，得到了較好的圖像效果。(1)膠片式在20世紀(jì)50年代，隨著圖象增強(qiáng)器的出現(xiàn)，發(fā)生了巨大的變化，第一次得到了實(shí)時(shí)的清晰的圖像。通過圖像放大器，從熒光屏上采集X射線，聚焦在另外一個(gè)屏上，可以直接觀察或通過高質(zhì)量的TV或CCD攝像機(jī)觀察。對于實(shí)時(shí)成像，雖然圖象增強(qiáng)器具有強(qiáng)大的性能，直到最近之前仍然選擇膠片保存大的圖像、高質(zhì)量的空間分辨率及對比度。(2)計(jì)算機(jī)化的X射線技術(shù)

（computedradiography）自從20世紀(jì)80年代引入了計(jì)算機(jī)化的X射線技術(shù)（CR），X射線成像發(fā)生了巨大的變化。直到此時(shí)，才實(shí)現(xiàn)了真正的自動化檢驗(yàn)、缺陷識別、存儲以及依靠人為對圖像或膠片的解釋。CR提供了有益的計(jì)算機(jī)輔助和圖像辨別、存儲和數(shù)字化傳輸，剔除了膠片的處理過程和節(jié)省了由此產(chǎn)生的費(fèi)用。CR作用類似膠片，但是取代了膠片，通過照射存儲熒光屏，將圖像存儲在其內(nèi)部。在許多情況下，該技術(shù)很容易的被翻新成膠片基的系統(tǒng)，但不需要膠片、化學(xué)藥品、暗室、相關(guān)設(shè)備及膠片存儲。與膠片一樣，也能夠分割CR屏和彎曲，雖然存儲板比膠片的成本高（14×17in），板的價(jià)格大約為700美元，但是可以被使用幾千次，其壽命決定于機(jī)械磨損程度，但實(shí)際比膠片更便宜。另外也和膠片一樣，使用條件要求非?？量?，不能使用在潮濕的環(huán)境中和極端的溫度條件下。CR與普通X射線成像的區(qū)別在于采用一種具有特殊輝盡性熒光物質(zhì)的影像板取代傳統(tǒng)的膠片。影像板感光后在熒光物質(zhì)中形成潛影，將帶有潛影的影像板置入讀取器中用激光束進(jìn)行精細(xì)掃描，其信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字化圖像，可在顯示器上觀察或進(jìn)行后處理，也可用激光相機(jī)打印成膠片。CR比其他數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：在大多數(shù)情況下，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室中只需要一個(gè)屏幕讀取器，該讀取器與圖像采集部分是獨(dú)立的，用戶可以分別購買，這一點(diǎn)就區(qū)別于其它的采集和讀取一體的數(shù)字技術(shù)。CR的缺點(diǎn)：類似膠片，不能實(shí)時(shí)。盡管比膠片速度快，但是必須將屏幕從X射線站移走，然后將其放入讀取器中。CR使得無膠片X射線技術(shù)前進(jìn)了大步，但是卻不能提供X射線數(shù)字技術(shù)的所有的優(yōu)勢。(3)數(shù)字平板在20世紀(jì)90年代后期，數(shù)字平板產(chǎn)生了。該技術(shù)與膠片或CR的處理過程不同，采用X射線圖像數(shù)字讀出技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)X射線檢測自動化。除了不能進(jìn)行分割外和彎曲。數(shù)字平板能夠與膠片和CR同樣的應(yīng)用范圍，可以被放置在機(jī)械或傳送帶位置，檢測通過的零件，也可以采用多配置進(jìn)行多視域的檢測。在兩次照射期間，不必更換膠片和存儲熒光板，僅僅需要幾秒鐘的數(shù)據(jù)采集，就可以觀察到圖像，與膠片和CR的生產(chǎn)能力相比，有巨大的提高。

兩種數(shù)字平板技術(shù)：即非晶硅（a-Si）和非晶硒（a-Se）。表面上，這兩種的平板都是以同樣的運(yùn)行方式：通過面板將提取X射線轉(zhuǎn)化成為數(shù)字圖像。面板無需象膠片一樣進(jìn)行處理，可以以幾秒鐘一幅圖像的速度到進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可以以每秒30幅圖像的速度進(jìn)行實(shí)況采集。另外，由于它們的精度高和視域?qū)?，平板以每?0幅的速度顯示圖像，替代圖像增強(qiáng)器，是比較理想的。然而，以每秒30的幅頻將使圖像的精度降低。對于非晶硒的平板技術(shù)，X射線將撞擊硒層，硒層直接將X射線轉(zhuǎn)化成電荷，然后將電荷轉(zhuǎn)化為每個(gè)像素的數(shù)字值，這種叫做直接圖像的方法。非晶硒比非晶硅提供了更好的空間分辨率。

兩種技術(shù)的空間分辨率都接近膠片，但是對比度范圍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過膠片的性能。DR與CR的區(qū)別是利用電子成像板技術(shù)直接成像。DR系統(tǒng)目前有兩種，一種是線掃描，一種為平板成像探測器。前者雖然相對價(jià)格便宜、密度分辨率高，但由于掃描成像速度慢尚未得到廣泛應(yīng)用。間接DR板：使用含碘化銫閃爍體的單片非結(jié)晶硅面板，將X射線先變成可見光，通過光電轉(zhuǎn)換方式再被探測器接受。直接DR板：使用非晶硒直接釋放電子被探測器接受。?高質(zhì)量的X線圖像：DR所提供的圖像非常清晰，具有很高的空間分辨率、密度分辨率、