醫(yī)學成像系統(tǒng)

1、2024/3/10,1,醫(yī)學成像系統(tǒng),2024/3/10,2,,超聲成像,核醫(yī)學成像,磁共振成像,單光子發(fā)射型計算機斷層成像（SPECT）,正電子發(fā)射斷層成像（ PET ）,計算機斷層掃描成像（ CT ）,2024/3/10,3,超聲成像,2024/3/10,4,歷史,1928年 開始研究超聲的生物效應；1950年 應用A超對人體體內的腫塊的檢查；1960年 超聲波理療以及眼科，牙科手術；70年代 B超應用于

2、臨床，可實時獲得人體臟器的解剖結構圖像； 特點：無（低）損傷，非侵入性，操作方便80年代 超聲成像設備有了新的發(fā)展，圖像分辨率達到了0.5mm，圖像的灰階等級滿足了診斷要求； 研制了各種特殊探頭，可將探頭伸入體腔內進行超聲成像，顯示出比較小的器官； 彩色多普勒超聲診斷儀的出現(xiàn)，提供心臟內的血流流動情況和血流量。,2024/3/10,5,超聲成像的物理基礎,超聲在均勻介質中傳播時，不會發(fā)

3、生發(fā)射；當介質的聲阻抗發(fā)生變化時，超聲會在其界面發(fā)生反射；聲阻抗變化愈大，發(fā)射愈強；超聲在人體組織內的傳播速度為1540m/s；由于傳播速度低，同一換能器既發(fā)射超聲又接收回波；現(xiàn)代電子技術可區(qū)分來自不同深度的反射回波，使實現(xiàn)回波反射式超聲成像儀成為可能；目前使用的各種超聲成像儀都是回波反射型的，顯示的是人體組織的各界面對超聲波的反射特征；超聲在人體組織中傳播時產(chǎn)生衰減，與超聲頻率成正比；超聲在人體組織中傳播是一種復雜的過

4、程，除了發(fā)射，還有透射，以及衍射，散射，折射；,2024/3/10,6,超聲成像系統(tǒng),A型，M型，B型等超聲診斷儀：利用脈沖回波法，應用超聲在體內組織中幅度（能量衰減）變化的機理；多普勒超聲診斷儀：應用超聲的頻移效應；利用超聲在傳播過程中相位變化的信息，目前正在研究中；,2024/3/10,7,A型超聲診斷儀,原理：用壓電晶片作換能器，用重復頻率1000～2000Hz的電脈沖激勵?發(fā)射單聲束?進入人體?體內組織界面產(chǎn)生反射?反射回波

5、由同一發(fā)射換能器接收?轉換成電信號?放大，檢波?CRT顯示（橫坐標：超聲傳播時間，縱坐標：回波的幅度）特性：從回波的分布：包絡寬度及幅度大小，可以測度病灶的位置，大小等。缺點：這種顯示缺少解剖信息，診斷困難；,2024/3/10,8,M型超聲(超聲心動圖儀),顯示時把A型儀器的時間基線加到示波管的垂直偏轉板上，即用Y軸表示臟器的深度；把回波信號加到示波管亮度調制板上，于是Y方向上每一條亮暗不同的線相當于一個A型顯示；在水平偏轉

6、板上加一個慢時間掃描電壓，示波管上就能顯示出各界面隨時間的活動曲線； 用途：主要用于心臟的診斷，可看到兩個心動周期中各反射界面的運動情況，如二尖瓣開放與關閉的情況。,2024/3/10,9,B型超聲診斷儀,概念：使探頭發(fā)射超聲波時，按一定模式在一個水平上掃描，以亮度等級顯示回波幅度，令探頭掃描與X軸掃描電壓同步，就可獲得人體組織的二維斷層圖像。按掃描方式的不同，可分為： 機械扇形掃描

7、 相控陣扇形掃描 線陣掃描工作原理： 時序電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖?使發(fā)射電路產(chǎn)生寬度為τ的一窄脈沖?激勵換能晶片，產(chǎn)生超聲波（f由晶片決定）?不同深度的反射回路按先后次序進入放大器?檢波后成了視頻信號?顯示,2024/3/10,10,B型的主要功能,大都采用了數(shù)字掃描變換技術，采用大規(guī)模數(shù)字存儲器，將圖像實時地，數(shù)字化地存入存儲器中，并可同時從存儲器讀出圖像再到顯示器顯示；由于回波信號數(shù)

8、字化，儀器可具有記憶功能，可存儲多幅圖像；對圖像進行各種處理（例如偽彩色顯示），以利于診斷；也可使圖像靜止，即圖像凍結；提供各種字符顯示和測量功能；,2024/3/10,11,彩色多普勒超聲診斷儀,多普勒效應： 當超聲從運動物體反射時，其反射回波與發(fā)射頻率不同，頻率之差與運動速度有關，即相對運動引起頻移。用途：測量血管內的血流速度和血流量； 由于血流中紅血球等粒子速度的隨機性，多普勒頻移構成

9、一個頻譜，利用傅立葉變換，可分析多普勒頻譜成分，不但可計算出血流速度，還可區(qū)分血流方向。彩色多普勒用不同的顏色表示血流方向。用顏色的深度表示血流速度，用色調的變化表示血流擾動情況；,2024/3/10,12,線性掃描斷層圖像原理圖,2024/3/10,13,線性電子掃描的掃描原理,2024/3/10,14,數(shù)字波束形成器,,所有穿透深度上保持同質分辨率，使診斷信心達到更高層次。參見這幅圖像。,2024/3/10,15,,Voluson

10、 730建立在數(shù)字技術平臺之上，利用先進的信號處理技術，保證能夠獲得高分辨率的二維圖像，并獲得立體的三維圖像和實時動態(tài)的四維圖像。 由于應用了二次諧波成像技術、頻譜和彩色多普勒技術，以及我們的最新成果——復合影像解析技術，影像質量得以進一步提高。特點在于它的波束形成器，能夠處理的數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)超聲影像系統(tǒng)信息量的4倍多，從而大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)范圍，提供更多細節(jié)性的、高質量的影像。 增加的動態(tài)范圍增加了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時顯著地

11、提高了所有模式的超聲工作性能。,BACK,2024/3/10,16,CT機的歷史:1969 Godfrey Hounsfield, EMI Limited Developed first Prototype CT Head Scanner 1971 Atkinson-Morley Hospital, London First EMI Scanner Installed 1972 First Paper on CT present

12、ed by Hounsfield at the British Institute of Radiology 1972 Radiological Society of North America (RSNA) First Commercialization of Product 1973 Mayo Clinic (U.S.A) First Brain Scanner Installed 1974 Ledley (U.S.A.) I

13、ntroduced Whole-Body CT Scanner (ACTA),2024/3/10,17,,CT機房示意圖:,CT機:,X-CT與普通X攝影的區(qū)別：位于體內某一深度平面的病灶突出地顯示出來，而使其他深度平面地組織影像模糊不清。,2024/3/10,18,,,第一代 平移/螺旋式,第三代 旋轉/旋轉式,第二代 平移/螺旋式，探測器增加,第四代 固定/旋轉式,2024/3/10,19,第五代 （

14、電子束CT，EBCT，超高速CT）,電子槍真空泵電子束聚集線圈偏轉線圈病人床靶環(huán)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探測器環(huán).X線束,2024/3/10,20,,常用的輻射單位(1) 照射量及單位照射量：衡量X或γ射線對空氣的電離本領的一個量1=2.58×10-4 C/Kg(2)吸收劑量 1Gy＝1J/Kg=100rad(3) 劑量當量＝吸收劑量×品質因素 H=D×Q

15、 單位 (Sr) =Gy×Q

16、 1Sr＝100rem,常見幅值的Q值： X射線、γ射線和電子 Q＝1熱中子 2.3快中子和質子 10α粒子和多電荷粒子

17、 20,電離輻射的基本知識電離輻射：能直接或間接使空氣電離的輻射電離：原子的軌道電子逸離原子的過程,2024/3/10,21,輻射的生物效應:軀體效應遺傳效應隨機性效應非隨機性效應,電離輻射的基本知識,2024/3/10,22,,X射線的物理基礎--產(chǎn)生1985年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的產(chǎn)生需要兩個條件：高速運動的粒子流適當?shù)淖柚沽Ｗ恿鬟\動的障礙物,2024/3/10,23,,物理特性穿透作用熒光

18、作用電離作用化學特性感光作用脫水作用X射線通過物質時，會產(chǎn)生各種效應光電效應康普頓效應電子對的產(chǎn)生生物作用,X射線的物理基礎—特性,2024/3/10,24,量：X射線束內的光子數(shù)目（和管電流有關）質：X射線的光子的能量 （和管電壓有關）臨床上常用“硬度”來描述X射線的穿透能力，硬度大-->穿透強,X射線的物理基礎—量與質,2024/3/10,25,X線投影設備分類與組成（1）X線診斷設備：不打開人

19、體，觀察人體內部情況，了解內部結構及器官功能（2）分類：診斷X線機治療X線機（3）組成：控制臺 攝影臺 X線管 高壓發(fā)生器（4）X線診斷設備的任務發(fā)射X射線，對物體作中心投影，并由接受X射線的各圖像轉換系統(tǒng)轉換成可視圖像。,2024/3/10,26,診斷X線機的發(fā)展趨勢1.越來越高的專科X線機2.X線管 a.陽極轉速提高 b.陽極靶盤材質的進步3.高壓發(fā)生器 a.三相十二段整流電

20、路 b．變頻技術4.參量控制器5.數(shù)字影像存儲器,當前X線機存在的主要問題1.效率太低2.膠片敏感度不足3.參量控制臺自動化程度不高4.80Kw以上的設備性能不夠先進,2024/3/10,27,2024/3/10,28,X-CT的基本工作原理,X射線穿透人體—人體吸收射線—衰減—人體對側的探測器接受—放大,產(chǎn)生模擬信號—A/D轉換—計算機運算及圖象重建—D/A轉換—顯示器顯示,或用激光相機拍攝成膠片—最終得到人體的橫斷

21、面解剖圖象,2024/3/10,29,,非滑環(huán)技術,2024/3/10,30,,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球管往復運動掃描方式（為防止電纜纖纏）球管在掃描過程中可始終向一個方向旋轉，從而提高掃描速度,滑環(huán)技術,2024/3/10,31,,,高壓滑環(huán)： 由CT機架內成對的電刷和圓環(huán)－滑環(huán)構成,低壓滑環(huán)：接受由機架外傳輸來的低電壓，由滑環(huán)輸送給放在機架內的高壓發(fā)生器；,2024/3/10,32,螺旋掃描方式,借助滑環(huán)技術，球管圍繞機架連

22、續(xù)旋轉曝光，同時檢查床同步移動，連續(xù)采集人體的容積數(shù)據(jù)，進行各個掃描層面的圖像重建，掃描軌跡呈螺旋線螺旋掃描的特點：掃描速度快 1S旋轉360o，掃描一個層面由于采集的是容積數(shù)據(jù)，沒有層面的遺漏或重疊，有利于三維重建,2024/3/10,33,探測器:鎢酸鎘晶探測器 (CdWO4 )---70 年 代 高壓氙氣探測器 (Xenon)--- 80 年 代 閃爍晶體探測器 (GOS)--- 80 年 代 稀土陶瓷探

23、測器 (HiLight)--- 80 年 代 末,2024/3/10,34,探測器 ---- 高壓氙氣優(yōu) 點:高 穩(wěn) 定 性 － 無 需 經(jīng) 常 校 準 耐 受 性 － 溫 度 及 濕 度 首 先 應 用 于 CT 價 格 便 宜 缺 點:低 吸 收 效 率 需 要 高 mAs,2024/3/10,35,探測器 ----鎢酸鎘 :優(yōu) 點:造價低 吸收效率高 缺 點:吸潮- 水中毒 受環(huán)境溫濕度影響-不穩(wěn)定

24、 余輝效應 不易超小分割,2024/3/10,36,探測器 ----閃爍晶體探測器 GOS :優(yōu) 點:高吸收率(99%) 發(fā)光效率(82%) 光電轉換率 (93%) 缺 點:透光性差 Z軸均勻性差 能量轉換時損失大 水中毒,2024/3/10,37,,現(xiàn)代CT的一些技術特點 采用滑環(huán)技術高壓滑環(huán)低壓滑環(huán) 螺旋掃描技術速度掃描速度快采集容積數(shù)據(jù),有利三維重建,2024/3/10,38,,新型X

25、線發(fā)生器和探測器CT圖像質量和X線劑量有關劑量與掃描時間有關螺旋掃描由于掃描時間短，要求： 大毫安量，大熱容量的X球管（>400mA,>6.5MHn）X球管的高散熱率（>1000KHn） 大功率的X線發(fā)生器（>50Kw）,2024/3/10,39,,新型微機及存儲介質以多臺微機代替小型計算機64位機代替32位機圖像的存儲介質用光盤替代磁帶，存儲量提高，體積變小一些高檔機配備了工作站，內存大，速

26、度快，友好的界面，可構成醫(yī)院的PACS系統(tǒng)的組成部分新軟件功能的開發(fā)：動態(tài)掃描，冠裝面，矢狀面重組，多平面重組，三維重組已很普遍運動偽影校正，金屬偽影校正，牙科軟件包——提高圖像質量，擴大使用范圍,2024/3/10,40,2024/3/10,41,特殊高速CT/e系統(tǒng)軟件包包括如下功能：    掃描速度為1秒       60秒螺旋  &#

27、160;       三維圖像分析             冠狀頭部固定器如今可用于    使用磁光碟（MOD）    不使用磁光碟（MOD）    或使用可讀寫光盤存儲及檢索工作站,2024

28、/3/10,42,BACK,核醫(yī)學成像,2024/3/10,44,核醫(yī)學定義：研究放射性核素和核射線的醫(yī)學應用及其理論基礎的科學。用放射性核素進行醫(yī)學研究核臨床診斷是通過探測其放出的射線來實現(xiàn)的。需要對人體引入（注射或者口服）放射性藥物。人體內的各種器官對某種放射性藥物或它的化合物形成形式具有一定的選擇性，一旦藥物被吸收，該器官就變成放射源,核醫(yī)學成像,2024/3/10,45,診斷甲狀腺：用碘的同位素I131示蹤材料。一種锝的同

29、位素 Tc用于診斷心、腦、骨、腎等的病變。因為它可以用化學方法獲得而無須使用回旋加速器。它的半衰期短（6H），放出的γ射線能量140KeV，是人體衰減與成像條件之間的半衰值,核醫(yī)學成像,2024/3/10,46,核醫(yī)學的研究領域：研制更多的放射性藥物設計制造先進的儀器來檢測或顯示放射性元素的分布和活度確定放射性藥物的活度與特殊生理過程的關系,核醫(yī)學成像,2024/3/10,47,,核醫(yī)學成像系統(tǒng)的圖像顯示的是放射性藥物在人體內的分

30、布情況而不是X線成像中的衰減系數(shù)的分布。經(jīng)典的核醫(yī)學成像系統(tǒng)有兩種：同位素閃爍掃描機γ照相機提供放射性藥物在三維人體組織中分布的二維投影,核醫(yī)學成像,2024/3/10,48,,最新發(fā)展的發(fā)射型計算機斷層成像系統(tǒng)（ECT）單光子發(fā)射型計算機斷層成像（SPECT或ECT）正電子發(fā)射型斷層成像（PET）優(yōu)點：能獲得放射性藥物在斷面上甚至三維體內的分布圖,核醫(yī)學成像,2024/3/10,49,同位素閃爍掃描機,工作原理：,探測器

31、?將γ射線的能量轉換成電壓脈沖信號形成的能量，信號幅度與入射γ線的能量成正比計數(shù)器，顯示器：當脈沖信號幅度符合一定要求時，才計數(shù)、顯示掃描機構：顯示記錄與探測器在掃描機構的控制下作同步運動,2024/3/10,50,同位素閃爍掃描機,組成：準直器，閃爍晶體，光電倍增管，前置放大器，屏蔽層作用：準直器（鉛）：空間定位，使只有來自某一空間單元的射線進入探測器，直接影響儀器的分辨率與靈敏度閃爍晶體：與入射的γ射線光子發(fā)生相互作用時，

32、發(fā)射短暫的熒光（要求：俘獲率高，發(fā)光效率高）光電倍增管：將熒光變?yōu)殡娦盘柷爸梅糯笃鳎悍糯蠊怆姳对龉茌敵龅碾娦盘?探測器的結構圖：,2024/3/10,51,同位素閃爍掃描機,同位素閃爍掃描機的缺點：每次對所研究的區(qū)域掃描需要較長的時間，無法對臟器進行動態(tài)觀察。有被γ相機取代的趨勢。,2024/3/10,52,γ照相機,1958年，Angor發(fā)明和同位素閃爍掃描機相比，性能改善之處：采用了特殊結構的探測器：閃爍晶體的面積較大光

33、電倍增管：有19-91個，以角陣列排列，不僅把來自閃爍晶體的光變成電脈沖，而且能檢測被晶體吸收的每個γ光子的位置內部配置有位置計算器，用以將電子定位于CRT屏幕上相應的位置，以形成圖像,BACK,2024/3/10,53,,發(fā)射型計算機斷層成像：單光子發(fā)射型計算機斷層成像（SPECT）正電子發(fā)射斷層成像（ PET ）,2024/3/10,54,組成：高性能γ照相機和計算機原理：γ照相機的探測器可以在計算機控制下繞人體旋轉360

34、°，以獲得各個方向的投影數(shù)據(jù)。（放射性藥物沿投影線的濃度分布），由計算機對這些投影數(shù)據(jù)進行處理，采用在X-CT中的圖像重建算法，得到人體某一斷面上放射性藥物濃度的分布圖缺點：分辨率較低（8-10mm），靈敏度低,單光子發(fā)射型計算機斷層成像（SPECT）,BACK,2024/3/10,55,正電子發(fā)射斷層成像（ PET ）,特點：采用在衰變過程中釋放正電子的短壽命放射性核素，這種正電子在人體組織中只能傳播幾mm。正電子與電

35、子相互作用后，產(chǎn)生兩個能量相同，方向相反的γ光子。用安放于人體兩側的符合探測器束檢測，兩個探測點連線上是否有釋放正電子的核素存在。實際系統(tǒng)中，采用環(huán)形探測器陣列，以獲得各個方向的投影數(shù)據(jù)。然后用重建算法獲得斷面放射性核素的分布圖。符合探測器起到了準直器的作用，不必使用鉛準直器。所有PET的靈敏度高于SPECT，其分辨率也比SPECT高，達4mmPET使用的放射性核素（11C，15O，18F）?？捎脕順擞浺淮笈哂猩锘钚缘幕衔铩＿@

36、些化合物可以直接參與生物化學和生理活動過程，所以PET在研究人體生理，生化和代謝方向有著重要的作用。,2024/3/10,56,正電子發(fā)射斷層成像（ PET ）,問題：設備昂貴，醫(yī)院必須配置回旋加速器產(chǎn)生所需的短壽命放射性核素（11C的半衰期為20min），以便迅速合成示蹤標記化合物，然后用潔凈的壓縮空氣管道直接送到PET檢查室供使用。整個裝置的配套復雜，目前只用于研究，臨床難以推廣。,2024/3/10,57,GE Advance

37、d Pet,Premier 2D/3D 全身PET系統(tǒng)GE Advance 全身PET系統(tǒng)是一流的PET掃描儀，系統(tǒng)優(yōu)化可以進行常規(guī)2D和3D檢查，功能強大而且足夠靈活使應用不受限制，可以滿足所有PET掃描的需要。2D 重復重建Advance的 多層面分組(MSRB)技術和功能強大的工作站已經(jīng)與一種重復技術結合，為臨床用戶提供重復重建的益處。它使用排列子集(OS-EM)方法進行一種快速運算法則，用戶能對視圖、子集和重復進行數(shù)字選擇

38、。結果：改善成像質量用于低計數(shù)研究。縮短最小掃描時間可能應用于快速動態(tài)（Fast Dynamics），重建成像顯示膀胱和心臟區(qū)域條紋及溢出減少。片段衰減校正 片段衰減校正（Segmented Attenuation Correction）技術使用一種適應方法獲得高質量成像，能使常規(guī)全身傳送掃描達到2分鐘傳送掃描/FOV，導致數(shù)據(jù)校正提高五倍。,BACK,2024/3/10,58,磁共振成像,2024/3/10,59,,MR歷史：1

39、978年，第一幅人體頭部圖像1982年，第一幅胸、腹部圖像MR成像參數(shù)較多，它不但能從形態(tài)上，而且能從器質上和新陳代謝的情況上診斷各種疾病。臨床上，它在顯示顱底及后顱凹的疾病上明顯由于X-CT，是枕骨大孔部位病變最正確的診斷方法，對腦干，大腦和脊髓等中椎神經(jīng)系統(tǒng)的病變有較高的探測靈敏度。,2024/3/10,60,MR成像的系統(tǒng)：,2024/3/10,61,1.磁體,產(chǎn)生主磁場B。（可分為：永磁體，電磁體，超導磁體）永磁體：維護

40、費用小，磁場發(fā)射程度小，對周圍環(huán)境影響小。但：熱穩(wěn)定性差，整個磁體的溫度須保持恒定在1℃范圍內電磁體：由幾個大線圈以大電流而產(chǎn)生磁場 磁場可以關斷，制造容易，價格低廉超導磁體：由超導材料制成的線圈組成，磁體浸在致冷劑內，磁場強度大，且均勻穩(wěn)定； 但，制造困難，加個昂貴，維護費用高,2024/3/10,62,2.梯度磁場,由梯度信號發(fā)生器提供和調節(jié)通過梯度線圈的直流電流而產(chǎn)生，共有X,Y,Z三個梯度線圈。在

41、掃描過程中，須要改變梯度場的強度和方向，因此梯度信號發(fā)生器必須能快速地改變電流地大小和方向。,2024/3/10,63,3.射頻系統(tǒng),產(chǎn)生特點的激勵脈沖序列，通過射頻線圈產(chǎn)生垂直于主磁場B0的射頻場B1射頻線圈又作為接收線圈，接收人體各體元被激勵后產(chǎn)生的MR信號。,4.圖像定位和顯示,包括顯示處理器，對撿出的MR信號處理，存儲，圖像重建，顯示,2024/3/10,64,Signa VH/i 3.0T,,技術條件：為產(chǎn)生均勻同質敏感序

42、列(Spectroscopy and SS-EPI)，所采用的是高均勻同質度(< .5 ppm rms @ 40 cm DSV)有效屏蔽磁體. 先進的具有分期排列兼容性的射頻平臺和帶有來自第三方線圈制造廠生產(chǎn)的線圈的射頻線圈路標，實現(xiàn)了其多樣性和供3T用戶的選擇。 最具綜合性的臨床應用軟件包（掃描工具） 實現(xiàn)了具可補償性頭部研究的目的 為實現(xiàn)高分辨率薄層掃描、小有效視野和高b值擴散成像而設計的最大振幅為40 mT/m的高級

43、整體梯度 為實現(xiàn)較短的TE’s、每TR含更多斷層和較高級運動補償，其轉換速率為150 mT/m/msec 。 最大40cm有效視野 與GE’s 1.5T/1.0T產(chǎn)品具有相同的用戶界面，可以表明磁共振具有最廣泛的安裝基礎和被認可的磁共振臨床應用界面。,GE公司的Signa VH/I系統(tǒng)是一種高性能神經(jīng)成像系統(tǒng)，由整體磁體和梯度平臺系統(tǒng)組成，在3.0 Tesla磁通量下操作。憑借脈沖序列的廣泛多樣性，該系統(tǒng)可在任何垂直或傾斜斜面上成

44、像（包括單軸或雙軸傾斜）。,2024/3/10,65,小結：醫(yī)學成像技術的發(fā)展,物理學，電子學，數(shù)學，生物學，醫(yī)學和計算機科學的交叉發(fā)展方向：提高圖像質量和成像速度擴大臨床應用范圍，降低系統(tǒng)成本，減少對人體的損傷研究新的成像理論和技術：有限投影數(shù)據(jù)的圖像重建技術利用多側位X射線投影系統(tǒng)獲得斷層圖像三維圖像的重建及顯示技術以人體組織的電特性和對微波吸收程度的差異為基礎的阻抗CT和微波CT正在研究之中總之：醫(yī)學成像技術沿著