醫(yī)學(xué)影像成像原理

1、第3章 醫(yī)學(xué)影像成像原理,3.1 X線成像原理3.2 X-CT成像原理3.3 MRI成像原理3.4 超聲波成像原理3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.1 X線成像原理,X線的本質(zhì)：電磁輻射常用X線診斷設(shè)備： X線機(jī)、數(shù)字X線攝影設(shè)備（DSA、CR、DR）和X線計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備（ X線CT）等。3.1.1 X線的特征3.1.2 X射線成像原理3.1.3 計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）3.1.4 直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）

2、,3.1.1 X線的特征,3.1.1 X線的特征,X射線在電磁輻射中的特點(diǎn)屬于高頻率、波長短的射線X射線的頻率約在3×1016～3×1020 Hz之間， 波長約在10～10-3nm之間 X線診斷常用的X線波長范圍為 0.008～0.031nm,3.1.1 X線的特征,1. X射線的波粒二象性X射線同時(shí)具有波動(dòng)性和微粒性，統(tǒng)稱為波粒二象性 。X射線在傳播時(shí)，它的波動(dòng)性占主導(dǎo)地位，具有頻率和波長，且有干涉

3、、衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象發(fā)生。X射線在與物質(zhì)相互作用時(shí)，它的粒子特性占主導(dǎo)地位，具有質(zhì)量、能量和動(dòng)量。,3.1.1 X線的特征,2. X射線與物質(zhì)間的相互作用(6點(diǎn))（1）X射線的穿透作用。 其貫穿本領(lǐng)的強(qiáng)弱與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),3.1.1 X線的特征,2. X射線與物質(zhì)間的相互作用（2）X射線的熒光作用。 X射線是肉眼看不見的，但當(dāng)它照射某些物質(zhì)時(shí)，如磷、鉑氰化鋇、硫化鋅、鎢酸鈣等，能夠使這些物質(zhì)的原子處于

4、激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們回到基態(tài)時(shí)就能夠發(fā)出熒光，這類物質(zhì)稱熒光物質(zhì)。 醫(yī)學(xué)中透視用的熒光屏、X射線攝影用的增感屏、影像增強(qiáng)器中的輸入屏和輸出屏都是利用熒光特性做成的。 （3）X射線的電離作用。 X射線雖然不帶電，但具有足夠能量的X光子能夠撞擊原子中軌道電子，使之脫離原子產(chǎn)生一次電離。 電離作用也是X射線損傷和治療的基礎(chǔ)。,3.1.1 X線的特征,2. X射線與物質(zhì)間的相互作用（4）X射線的熱作用。

5、 X射線被物質(zhì)吸收，絕大部分最終都將變?yōu)闊崮?，使物體溫升。 （5）X射線的化學(xué)效應(yīng)(感光作用和著色作用)。 X射線能使多種物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。例如，X射線能使照相底片感光。（6）X射線的生物效應(yīng)。 生物組織經(jīng)一定量的X射線照射，會(huì)產(chǎn)生電離和激發(fā)，使細(xì)胞受到損傷、抑制、死亡或通過遺傳變異影響下一代，這種現(xiàn)象稱為X射線的生物效應(yīng)。這個(gè)特性可充分應(yīng)用在腫瘤放射治療中。,3.1. 2 X射線成像原理,當(dāng)高

6、速帶電粒子撞擊物質(zhì)受阻而突然減速時(shí)，能夠產(chǎn)生X 射線。醫(yī)學(xué)影像診斷所用的X線產(chǎn)生設(shè)備是X線管（X-ray tube，球管）。1．X射線的產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生需要的基本條件是：（1）有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；（2）有阻礙帶電粒子流運(yùn)動(dòng)的障礙物（靶），用來阻止電子的運(yùn)動(dòng)，可以將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線光子的能量。,3.1. 2 X射線成像原理,X射線的產(chǎn)生裝置主要包括三部分：X射線管、高壓電源及低壓電源，如圖3.2所示。,3.1. 2 X射

7、線成像原理,2. X射線人體成像使用X射線對(duì)人體進(jìn)行照射，并對(duì)透過人體的X射線信息進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換，并使之成為可見的影像，即為X射線人體成像。（1）X射線影像的形成 當(dāng)一束強(qiáng)度大致均勻的X射線投照到人體上時(shí)，X 射線一部分被吸收和散射，另一部分透過人體沿原方向傳播。由于人體各種組織、器官在密度、厚度等方面存在差異，對(duì)投照在其上的X射線的吸收量各不相同，從而使透過人體的X射線強(qiáng)度分布發(fā)生變化并攜帶人體信息，最終形成X射線信息影像。X射

8、線信息影像不能為人眼識(shí)別，須通過一定的采集、轉(zhuǎn)換、顯示系統(tǒng)將X射線強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)換成可見光的強(qiáng)度分布，形成人眼可見的X 射線影像。,3.1. 2 X射線成像原理,① 人體不同密度組織與X線成像的關(guān)系,3.1. 2 X射線成像原理,② 人體不同厚度組織與X線成像的關(guān)系,密度和厚度的差別是產(chǎn)生影像對(duì)比的基礎(chǔ)，是X線成像的基本條件,3.1. 2 X射線成像原理,2. X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示 ① 醫(yī)用X 射線膠片與增感屏

9、醫(yī)用X射線膠片的主要特性是感光，即接受光照并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成潛影（latent image）。 經(jīng)過對(duì)有潛影的膠片處理（暗室處理：顯影、定影等）。使膠片上的潛影轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷牟煌叶龋╣ray）分布像。膠片感光層中的鹵化銀還原成金屬銀殘留在膠片上，形成由金屬銀顆粒組成的黑色影像。人體組織的物質(zhì)密度高，則吸收X射線多，在X射線照片上呈白影；反之，如果組織的物質(zhì)密度低，則吸收X射線少，在X射線照片上呈黑影。,3.1. 2 X射線成像

10、原理,2. X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示 ① 醫(yī)用X 射線膠片與增感屏 醫(yī)用X射線增感屏為熒光增感屏，其增感原理為增感屏上的熒光物質(zhì)受到X射線激發(fā)后，發(fā)出易被膠片所接收的熒光，從而增強(qiáng)對(duì)X 射線膠片的感光作用。 主要目的是：在實(shí)際X 射線攝影中，僅有不到10%的X射線光子能直接被膠片吸收形成潛影，絕大部分X射線光子穿透膠片，得不到有效的利用。因此需要利用一種增感方法來增加X射線對(duì)膠片的曝光，以縮短攝影時(shí)間，降低X射線的

11、輻射劑量。常采用的增感措施是在暗盒中將膠片夾在兩片增感屏（intensifying screen）之間，然后進(jìn)行曝光。,3.1. 2 X射線成像原理,2. X射線人體成像（2）X射線的采集與顯示 ② X射線電視系統(tǒng)X射線電視系統(tǒng)主要包括X射線影像增強(qiáng)器、光學(xué)圖像分配系統(tǒng)、含有攝像機(jī)與監(jiān)視器的閉路視頻系統(tǒng)與輔助電子設(shè)備。 X射線影像增強(qiáng)管是影像增強(qiáng)器的核心部件。,3.1.3 計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）,計(jì)算機(jī)X線攝影（Comput

12、ed Radiography，CR）是將X線透過人體后的信息記錄在成像板（Image Plate，IP）上，經(jīng)讀取裝置讀取后，由計(jì)算機(jī)以數(shù)字化圖像信息的形式儲(chǔ)存，再經(jīng)過數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)換成圖像的組織密度（灰度）信息，最后在熒光屏上顯示。其中，成像板是CR 成像技術(shù)的關(guān)鍵。,3.1.3 計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）,1. 成像板（IP）成像板（IP）是使用一種含有微量素銪（Eu2+）的鋇氟溴化合物結(jié)晶制作而成能夠采

13、集（記錄）影像信息的載體，可以代替X線膠片并重復(fù)使用2-3萬次。當(dāng)透過人體的X線照射到IP板上時(shí)可以使IP板感光并形成潛影以記錄X線影像信息。 成像板的構(gòu)造： （1）表面保護(hù)層。（2）輝盡性熒光體層。（3）基板（支持體）。（4）背面保護(hù)層。,3.1.3 計(jì)算機(jī)X線攝影（CR）,2. CR 系統(tǒng)成像的基本過程 （1）影像信息的采集：（2）影像信息的讀?。号c普通X攝影相比較，CR的優(yōu)點(diǎn)是：① 寬容度大，攝影條件易選擇。

14、② 可降低投照輻射量：CR可在IP獲取信息的基礎(chǔ)上自動(dòng)調(diào)節(jié)放大增益，最大幅度地減少X線曝光量，降低病人的輻射損傷。③ 影像清晰度較普通片高。④ 對(duì)影像可進(jìn)行后處理，對(duì)曝光不足或過度的膠片可進(jìn)行后期補(bǔ)救。⑤ 可進(jìn)行圖像傳輸、存儲(chǔ)。⑥由于激光掃描儀可以對(duì)IP上的殘留信號(hào)進(jìn)行消影處理，IP板可重復(fù)使用2-3萬次。,3.1.4 直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）,直接數(shù)字化X射線攝影（Digital Radiography，DR）是在具有圖像處理

15、功能的計(jì)算機(jī)控制下，采用一維或二維的X射線探測(cè)器直接把X射線信息影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息的技術(shù)。 當(dāng)前DR設(shè)備主要采用二維平板X射線探測(cè)器（flat panel detector，F(xiàn)PD)，包括：（1）非晶態(tài)硅平板探測(cè)器 先經(jīng)閃爍發(fā)光晶體轉(zhuǎn)換成可見光，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（2）非晶態(tài)硒平板探測(cè)器 將X線直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),3.1.4 直接數(shù)字化X線攝影系統(tǒng)（DR）,（3）DR與CR成像技術(shù)的比較,3.2

16、 X-CT成像原理,X-CT與X射線攝影相比較有很大區(qū)別， X射線攝影產(chǎn)生的是多器官重疊的平片圖像CT是用X射線對(duì)人體層面進(jìn)行掃描，取得信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而獲得重建圖像，顯示的是斷面解剖圖像，其密度分辨力明顯優(yōu)于X線圖像，可以顯著的擴(kuò)大人體的檢查范圍，提高病變的檢出率和診斷的準(zhǔn)確率,X射線平片與CT斷層對(duì)比圖,3.2.1. X-CT成像技術(shù),X-CT（X-ray computed tomography, X-CT）是運(yùn)用掃描并采集投影

17、的物理技術(shù)，以測(cè)定 X 射線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)為基礎(chǔ)，采用一定算法，經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，求解出人體組織的衰減系數(shù)值在某剖面上的二維分布矩陣，再將其轉(zhuǎn)為圖像上的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)建立斷層解剖圖像的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，X-CT成像的本質(zhì)是衰減系數(shù)成像。,3.2.1. X-CT成像技術(shù),1. X-CT成像裝置與流程X-CT成像裝置主要由X線管、準(zhǔn)直器、檢測(cè)器、掃描機(jī)構(gòu)，測(cè)量電路、電子計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器等部分所組成的。X-CT成像流程是：X線--

18、--準(zhǔn)直器 （可以大幅度地減少散射線的干擾,并可決定掃描層的厚度 ）----檢測(cè)器-----轉(zhuǎn)變電信號(hào)------放大電信號(hào)----轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)----計(jì)算機(jī)系統(tǒng)----存入計(jì)算機(jī)的存貯器----編碼----顯示圖像,3.2.1. X-CT成像技術(shù),2. X-CT成像的數(shù)據(jù)采集與處理X-CT成像的數(shù)據(jù)采集是利用X線管和檢測(cè)器等的同步掃描來完成的。檢測(cè)器是一種X線光子轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的換能器。X-CT成像的數(shù)據(jù)采集根據(jù)X-CT成像的物

19、理原理進(jìn)行的。,X線管發(fā)出直線波束,3.2.2 X-CT 的掃描方式,CT的各種掃描方式中，單束平移-旋轉(zhuǎn)方式、窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)方式、旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)方式、靜止-旋轉(zhuǎn)方式的共同點(diǎn)是都需要X射線管和檢測(cè)器之間進(jìn)行同步掃描機(jī)械運(yùn)動(dòng)。為滿足人體動(dòng)態(tài)器官的檢查，需要進(jìn)一步提高掃描的速度，在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描模式基礎(chǔ)上發(fā)展出來的電子束掃描方式，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，大大地提高了掃描速度 。,3.2.2 X-CT 的掃描方式,1. 單束平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式

20、單束掃描是由一個(gè)X射線管和一個(gè)檢測(cè)器組成，X射線束被準(zhǔn)直成筆直單射線束形式，X射線管和檢測(cè)器圍繞受檢體作同步平移-旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)。這種掃描首先進(jìn)行同步平移直線掃描。當(dāng)平移掃完一個(gè)指定斷層后，同步掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度（一般為1°）后再對(duì)同一指定斷層進(jìn)行平移同步掃描，如此進(jìn)行下去，直到掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到與初始值位置成 180°角為止，這就是平移旋轉(zhuǎn)掃描方式,單束平移-旋轉(zhuǎn)方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,1. 單束平移

21、-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式這種掃描方式的缺點(diǎn):射線利用率極低，掃描速度很慢，對(duì)一個(gè)斷層掃描約需 5分鐘時(shí) 間，只適用于無體動(dòng)器官的掃描。,單束平移-旋轉(zhuǎn)方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,2.窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式 窄扇形束掃描稱為第二代CT掃描。掃描裝置由一個(gè)X射線管和6～30個(gè)的檢測(cè)器組構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。掃描時(shí)，X射線管發(fā)出角度為3°～20°的窄扇形射線束，6～30個(gè)檢測(cè)器同時(shí)采樣，

22、并采用平移-旋轉(zhuǎn)掃描方式 。,窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,2.窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)（T/R）方式這種掃描的主要缺點(diǎn)是：由于檢測(cè)器排列成直線，對(duì)于X射線管發(fā)出的扇形束來說，扇形束的中心射束和邊緣射束的測(cè)量值不相等，需校正，否則掃描會(huì)因這種運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，影響CT圖像的質(zhì)量。,窄扇形束掃描平移-旋轉(zhuǎn)方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,3. 旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式 這種掃描稱為第三代CT掃描，

23、掃描裝置由一個(gè)X射線管和由250～700個(gè)檢測(cè)器（或用檢測(cè)器陣列）排列成一個(gè)可在掃描架內(nèi)滑動(dòng)的緊密圓弧形。X射線管發(fā)出張角為30°～45°，能覆蓋整個(gè)受檢體的寬扇形射線束。 由于這種寬扇束掃描一次即能覆蓋整個(gè)受檢體，故只需X射線管和檢測(cè)器作同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,3. 旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)（R/R）方式 這種掃描的缺點(diǎn)是：要對(duì)每個(gè)相鄰檢測(cè)器的接收靈敏度差異進(jìn)行校正

24、，否則由于同步旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生環(huán)形偽像。,旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,4. 靜止-旋轉(zhuǎn)（S/R）方式這種掃描稱為第四代CT掃描方式，掃描裝置由一個(gè) X射線管和 600~2000個(gè)檢測(cè)器所組成。在靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式中，每個(gè)檢測(cè)器得到的投影值，相當(dāng)于以該檢測(cè)器為焦點(diǎn)，由 X射線管旋轉(zhuǎn)掃描一個(gè)扇形面而獲得。,靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是：每一個(gè)檢測(cè)器上獲得多個(gè)方向的投影數(shù)據(jù)，能很好地克服寬扇形束的旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)掃描方式

25、中由于檢測(cè)器之間差異所帶來的環(huán)形偽影，掃描速度與靜止-旋轉(zhuǎn)方式相比也有所提高。,檢測(cè)器,,X線管軌跡,,X線管,,靜止-旋轉(zhuǎn)掃描方式,3.2.2 X-CT 的掃描方式,5.電子束掃描方式電子束掃描又稱為第五代CT，掃描裝置由一個(gè)特殊制造的大型X射線管和靜止排列的檢測(cè)器環(huán)組成。這種機(jī)構(gòu)在50～100ms內(nèi)能完成 216°的局部掃描 。,電子束掃描方式,3.2.3 螺旋CT工作原理,螺旋掃描是指在掃描期間， X線管連續(xù)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生

26、X線束，同時(shí)掃描床在縱軸方向連續(xù)移動(dòng)，這樣，掃描區(qū)域X線束進(jìn)行的軌跡相對(duì)被檢查者而言呈螺旋運(yùn)動(dòng)，掃描軌跡為螺旋形曲線，這樣可以一次收集到掃描范圍內(nèi)全部容積的數(shù)據(jù)，所以也稱為螺旋容積掃描。 螺旋CT掃描裝置包括探測(cè)器、X線管滑環(huán)、機(jī)架與檢查床、控制臺(tái)與計(jì)算機(jī)。其中滑環(huán)技術(shù)是螺旋掃描的基礎(chǔ)，螺旋掃描是通過滑環(huán)技術(shù)與掃描床的連續(xù)移動(dòng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。,3.2.3 螺旋CT工作原理,多層螺旋CT，又稱多層CT。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具備多排檢測(cè)器和多個(gè)

27、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。,螺旋掃描及層面投影,3.2.3 螺旋CT工作原理,多層螺旋CT掃描特點(diǎn) ：（1）降低X射線球管損耗。（2）掃描覆蓋范圍更長。（3）掃描時(shí)間更短。（4）掃描層厚更薄。,3.3 MRI成像原理,磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）是一多種特征參數(shù)、多種靶位核素的成像技術(shù)。磁共振成像基本原理: 利用特定頻率的電磁波，向在磁場(chǎng)中的人體進(jìn)行照射，人體內(nèi)各種不同組織的氫核在電磁

28、波的作用下會(huì)發(fā)生核磁共振，并吸收電磁波的能量，隨后再發(fā)射出電磁波，MRI系統(tǒng)接收電磁波經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理和圖像重建，即可得到人體的斷層圖像。,3.3.1 磁共振現(xiàn)象,在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的原子核有一個(gè)特點(diǎn)，即可以吸收頻率與其旋轉(zhuǎn)頻率相同的電磁波，使原子核的能量增加，當(dāng)原子核恢復(fù)原狀時(shí)，就會(huì)把多余的能量以電磁波的形式釋放出來。這種現(xiàn)象稱為磁共振現(xiàn)象(magnetic resonance，MR)。,3.3.2 磁共振成像的原理,MRI成像方法是將檢查層

29、面分成體素信息，用接收器收集信息，數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)處理，同時(shí)獲得每個(gè)體素的T1（縱向弛豫時(shí)間，指高能態(tài)的核將其能量轉(zhuǎn)移到周圍分子而轉(zhuǎn)變成熱運(yùn)動(dòng)，從而恢復(fù)到低能態(tài)的過程所需要的時(shí)間）值與T2（橫向弛豫時(shí)間，通過相鄰的同種核之間的能量交換來實(shí)現(xiàn)，反映橫向磁化衰減、喪失的過程所需要的時(shí)間）值，用轉(zhuǎn)換器將每個(gè)T值轉(zhuǎn)為模擬灰度，而重建圖像。當(dāng)MRI應(yīng)用于人體成像時(shí)，由于人體各組織與器官的T值不同，從而形成不同的影像。,3.3.2 磁共振成像的原

30、理,MRI成像的指導(dǎo)思想是用磁場(chǎng)值來標(biāo)定受檢體共振核的空間位置。 （1）層面的選擇 將待測(cè)物體置于一均勻磁場(chǎng)B0中，設(shè)磁場(chǎng)方向是Z軸方向，在均勻磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上，再疊加一相同方向的線性梯度場(chǎng)GZ．使磁感應(yīng)強(qiáng)度沿Z軸方向由小到大均勻改變 。,層面的選擇,3.3.2 磁共振成像的原理,（2）編碼 編碼是將研究的物體斷層分為若干個(gè)體素，對(duì)每個(gè)體素標(biāo)定一個(gè)記號(hào)，常用nz ny nx來標(biāo)定層面每個(gè)體素的標(biāo)號(hào)。經(jīng)過選片后取出層面

31、的若干個(gè)體素，由于整個(gè)層面處于相同的磁場(chǎng)中，故每個(gè)體素中的磁矩在磁場(chǎng)中旋進(jìn)的頻率和相位均相同。目前MRI使用的是頻率與相位二種編碼方法。,選片后層面的若干個(gè)體素,3.3.2 磁共振成像的原理,（3）圖像重建 經(jīng)過選片、相位編碼和頻率編碼，可以對(duì)整個(gè)層面的體素進(jìn)行標(biāo)定。由于觀測(cè)層面中的磁矩是在RF脈沖激勵(lì)下旋進(jìn)，因此停止RF脈沖照射時(shí)，各體素的磁矩在回到平衡態(tài)的過程中，磁矩的方向發(fā)生變化，在接收線圈中可以感應(yīng)出這種由于磁矩取

32、向變化所產(chǎn)生的信號(hào)。這種感應(yīng)信號(hào)是各個(gè)體素帶有相位和頻率特征的MR信號(hào)的總和。為取得層面各體素MR信號(hào)的大小，需要根據(jù)信號(hào)所攜帶的相位編碼和頻率編碼的特征，把各體素的信號(hào)分離出來，這一過程稱為解碼，由計(jì)算機(jī)完成。,3.3.2 磁共振成像的原理,2. 人體的磁共振成像　　氫核是人體MRI的首選核種。(人體內(nèi)水分子中的氫原子可以產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，利用這一現(xiàn)象可以獲取人體內(nèi)水分子分布的信息，從而精確繪制人體內(nèi)部結(jié)構(gòu) ) 　　除了氫核密度可

33、以作為成像特征信息外，人體不同組織的T1、T2值也可以提供診斷依據(jù)?！　∪梭w組織的MR信號(hào)強(qiáng)度取決于該組織中的氫核密度及其氫核周圍的環(huán)境?！　1、T2反映了氫核周圍環(huán)境的信息。換句話說，人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病變組織之間氫核密度ρ、T1和T2三個(gè)參數(shù)的差異及變化，是MRI用于臨床診斷最主要的物理學(xué)依據(jù)。,3.3.3磁共振成像系統(tǒng),磁共振成像系統(tǒng)主要由磁場(chǎng)系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、圖像重建系統(tǒng)三大部分組成。1. 磁場(chǎng)系統(tǒng)（

34、1）靜磁場(chǎng)。（2）梯度磁場(chǎng)。（3）場(chǎng)強(qiáng)與精度。2. 射頻系統(tǒng)（1）射頻發(fā)生器。（2）射頻接收器。,3.4 超聲波成像原理,產(chǎn)生超聲波有兩個(gè)必要條件：一是要有高頻聲源，二是要有傳播超聲的介質(zhì)。在固體中，超聲振動(dòng)可以以縱波的形式傳播，也可以以橫波的形式傳播；但在氣體和液體中，因?yàn)榻橘|(zhì)沒有切變彈性，超聲只能以縱波的形式傳播。由于這種特性，超聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形的轉(zhuǎn)換。,3.4 超聲波成像原理,醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的超聲成像是靠反射

35、或散射回波來運(yùn)載生物信息的。超聲回波運(yùn)載信息主要包括三個(gè)方面：①大界面造成的反射波②小粒子所引起的散射波③生物組織對(duì)聲能吸收所導(dǎo)致的回波幅值衰減,3.4 超聲波成像原理,3.4.1 超聲波的特性１．超聲波的傳播特性（1）方向性好。（2）強(qiáng)度高。（3）對(duì)液體和固體的穿透力強(qiáng)。（4）反射與折射。（5）衍射與散射。（6）聲波衰減。（7）超聲多普勒效應(yīng)。,衍射與散射示意圖,反射與折射示意圖,3.4 超聲波成像原理,3.4.

36、1 超聲波的特性2．超聲波與物質(zhì)作用的特性（1）熱作用機(jī)制被組織吸收的超聲波對(duì)分子產(chǎn)生作用會(huì)導(dǎo)致兩種基本的結(jié)果：①分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量可逆轉(zhuǎn)性增加，使介質(zhì)溫度上升。②分子結(jié)構(gòu)永久性地被改變 。（2）機(jī)械作用（3）超聲空化作用（4）化學(xué)效應(yīng),3.4 超聲波成像原理,3.4.2 超聲波的產(chǎn)生 常用的超聲波檢查使用脈沖振蕩發(fā)射器與超聲回波接收器一體裝置。 1. 壓電效應(yīng) 醫(yī)用超聲波儀器主要采用壓電式超聲波

37、發(fā)生器。 2. 超聲波對(duì)人體的作用 （1）無反射型。 （2）少反射型。 （3）多反射型。 （4）全反射型。,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù) 超聲波探測(cè)技術(shù)可以分為兩大類，即基于回波掃描的超聲探測(cè)技術(shù)和基于多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)。 基于回波掃描的超聲探測(cè)技術(shù)主要用于解剖學(xué)范疇的檢測(cè)、了解器官的組織形態(tài)學(xué)方面的狀況和變化。 基于多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)主要

38、用于了解組織器官的功能狀況和血流動(dòng)力學(xué)方面的生理病理狀況，如觀測(cè)血流狀態(tài)、心臟的運(yùn)動(dòng)狀況和血管是否栓塞檢查等方面。,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù)1. 脈沖回波檢測(cè)技術(shù)基于回波掃描的超聲探測(cè)技術(shù)是利用超聲波在傳播路線上遇到介質(zhì)的不均勻界面能發(fā)生不同頻率與密度的回聲波反射的物理特性來檢測(cè)回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行接收放大和信號(hào)處理，最后在顯示器上顯示超聲檢查圖像。 目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型

39、、B型、M型及D型四大類。,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù)1. 脈沖回波檢測(cè)技術(shù)（1）A 型超聲A型顯示是最基本的超聲顯示方式A型超聲是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測(cè)量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性A超主要用于顱腦的占位性病變的診斷,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù)1. 脈沖回波檢測(cè)技術(shù)（2）M型超聲M型超聲診斷儀（簡稱M超）又叫超聲心動(dòng)儀之稱。

40、M型超聲是用于觀察心臟等活動(dòng)界面時(shí)間變化的一種方法。,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù)1. 脈沖回波檢測(cè)技術(shù)（3）B型超聲 B型超聲診斷儀（簡稱B超）是目前超聲圖像診斷應(yīng)用最廣泛的機(jī)型。B型超聲是用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù)2. 多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)多普勒效應(yīng)的超聲探測(cè)技術(shù)是利用運(yùn)動(dòng)物體散射或反射聲波時(shí)造成的頻率偏移現(xiàn)象來獲得人體內(nèi)部器

41、官如心臟、血液等動(dòng)態(tài)檢查信息。（1）D型超聲 D型超聲全名為超聲多普勒血流測(cè)量技術(shù)。 （2）彩色多普勒血流顯像儀 提取的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色、藍(lán)色、綠色的色彩顯示。 彩色多普勒血流顯像儀（彩超）能用彩色反映出血流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：紅色表示朝向探頭的血流，藍(lán)色表示離開探頭的血流，而湍流的程度用綠色成份的多少表示，色彩的亮度表示速率大小。,3.4 超聲波成像原理,3.4.3 超聲波成像技術(shù)3. 超聲波成像特點(diǎn)（1）有高

42、的軟組織分辨力。（2）具有高度的安全性。（3）實(shí)時(shí)成像。4．超聲的應(yīng)用  （1） 超聲檢驗(yàn)（2） 超聲處理（3） 基礎(chǔ)研究,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,放射性核素顯像（RNI）是核醫(yī)學(xué)診斷中的重要技術(shù)手段。目前RNI的主要技術(shù)有γ照相、單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（SPECT）及正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（PET），后兩者又統(tǒng)稱為發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（ECT）。,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.1 核醫(yī)學(xué)技

43、術(shù)基礎(chǔ) 核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)包括射線探測(cè)技術(shù)、放射性示蹤技術(shù)、放射性制劑等。 1．射線探測(cè)原理 放射性測(cè)量的原理是建立在射線與物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)之上的。 射線探測(cè)的原理主要有以下三種：（1）電離作用（2）熒光現(xiàn)象（3）感光作用,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.1 核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)2．放射性示蹤技術(shù) 示蹤技術(shù)是能指示物質(zhì)蹤跡的技術(shù)，將能指示被測(cè)物體蹤跡的物質(zhì)稱為示蹤劑。

44、 示蹤劑事先標(biāo)記或部分頂替被研究物質(zhì)。將示蹤劑引入生物體后，它們隨著被研究物質(zhì)一起參與機(jī)體內(nèi)的循環(huán)、集聚和代謝。 在RNI中是以放射性核素作為示蹤物質(zhì)，故有放射性核素示蹤技術(shù)的稱謂。放射性核素在其衰變過程中會(huì)發(fā)出在體外可以檢測(cè)到的射線，通過對(duì)射線的檢測(cè)可以做到對(duì)超微量定量及精確的定位。,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.1 核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)3．放射性制劑 臨床工作RNI檢查引入人體的是放射性制

45、劑(锝-99m 碘-123和碘-131 鉈-201 鎵-67 氟-18 氟代脫氧葡萄糖 銦-111 標(biāo)記的白細(xì)胞 )，所謂放射性制劑是指制劑分子中含有放射性核素的放射性制劑或放射性藥物的總稱。 放射性制劑在其制備過程中的要求為：（1）高產(chǎn)率。（2）微量、低濃度。（3）簡便、快速。（4）安全。,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.1 核醫(yī)學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)４．幾種常用核醫(yī)學(xué)探測(cè)儀器（1）井型γ計(jì)數(shù)器。（2）液體閃爍計(jì)數(shù)器。（

46、3）微機(jī)多功能測(cè)定儀。（4）甲狀腺功能測(cè)定儀。,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.2．SPECT成像系統(tǒng)1．SPECT顯像原理SPECT單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像是通過示蹤技術(shù)，將具有選擇性聚集在特定臟器或病變部位的放射性核素或其標(biāo)記化合物引入體內(nèi)（吸入、靜注或口服），根據(jù)示蹤劑在體內(nèi)器官發(fā)射到體表的光子（γ射線）密度，由計(jì)算機(jī)檢測(cè)并通過重建處理生成斷層影像。,SPECT基本原理示意圖,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5

47、.2．SPECT成像系統(tǒng)2．SPECT的基本結(jié)構(gòu) SPECT主要由探頭、電子線路、計(jì)算機(jī)影像處理系統(tǒng)和顯示記錄裝置四部分組成。（1）探頭 探頭是在體表檢測(cè)放射性γ射線的分布狀態(tài)的傳感器，由準(zhǔn)直器、晶體、光導(dǎo)、光電倍增管、前置放大器和計(jì)算電路等部件組成。（2）電子線路 電子線路指含光電倍增管的高壓電源、線性放大器和脈沖高倍分析器等電子控制裝置。,SPECT儀,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.3　P

48、ET成像系統(tǒng)1．PET的基本原理 PET為正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像。以正電子核素在湮沒時(shí)發(fā)射出的雙光子為探測(cè)對(duì)象。2. 正電子放射性藥物 目前臨床上較常用的正電子放射性藥物主要包括代謝類、受體類、灌注類與乏氧類，共4類。,如上所示為一位年輕女性的骨掃描圖像，其中右側(cè)眼眶下方有一處病變。,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.3　PET成像系統(tǒng)3．PET的基本結(jié)構(gòu) PET的結(jié)構(gòu)主要由探測(cè)器、電子裝置和計(jì)

49、算機(jī)影像處理系統(tǒng)組成,PET結(jié)構(gòu)示意圖,3.5 核醫(yī)學(xué)設(shè)備成像基本原理,3.5.3　PET成像系統(tǒng)4．PET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）PET 所用的放射性示蹤劑中的核素是構(gòu)成人體生物分子的主要元素。（2）由于采用了貧中子核素，其半衰期極短。（3）PET采用了具有自準(zhǔn)直的符合電路計(jì)數(shù)方法（4）由于正電子發(fā)生電子對(duì)湮滅的距離為 1.0 mm 左右。（5）因?yàn)樗p校正更為精確，PET便于做定量分析。（6）PET多環(huán)檢測(cè)技術(shù)可以獲得大量容