China Medical University Computer Center 2007.8
《醫學影像實用技術教程》
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
第1章 醫學影像技術概論
1.1 醫學影像技術發展歷程
1.2 醫學影像系統成像的物理共性
1.3 計算機醫學影像
1.4 影響對醫學圖像評價的因素
1.5 醫學影像設備的分類與組成
現代醫學影像技術的應用與發展,印證了100多年來醫學,生物,物理,電子工程,計算機和網絡通信技術的誕生與沿革.
數字醫學影像新技術,新設備對醫學影像診斷和數字影像治療帶來許多根本的改變.
醫院里有哪些醫學影像設備和是否開展數字影像介入治療,在很大程度上代表了這家醫院的現代化檢查治療的條件與診治水平.
目前現代醫學技術的提升和現代影像技術的發展相互融合,相互推動,相互依存的趨勢已經成為共識.
新的現代醫學影像技術和設備的研制也已經成為21世紀現代醫學技術和生命科學發展的經濟技術增長點.
1.1 醫學影像技術發展歷程
從1895年德國物理學家倫琴發現X光并由此拍出世界上第一張倫琴夫人手部的X線透視照片以來,醫學影像技術從無到有,從不完善到功能齊全,分類精細,經歷了一個100多年的發展過程.
教學目標:
了解X射線,CT,超聲,MRI,DSA,CR, DR,核醫學(ECT,PET,SPECT)等醫學影像技術的發展歷程
1,1895年11月8日,德國物理學家倫琴在做真空管,高壓,放電實驗時,發現了X射線或稱X線,并用于臨床的骨折和體內異物的診斷.
1896年,德國西門子公司研制出世界上第一支X線球管.
20世紀10-20年代,出現了常規X線機.
20世紀60年代中,末期形成了較完整的放射診斷或放射學(radiology)學科體系.
第一張X線照片
倫琴
國產直接數字化X攝影系統
2, 1971年,世界上第一臺用于顱腦的CT掃描機(計算機人體斷層攝影術)由柯馬克(A.M.Cormack)和郝恩斯費爾(G.N.Hounsfield)首次研制成功.1979年因此項技術的發明,柯馬克,郝恩斯費爾獲得了生理與醫學諾貝爾獎.
世界上第一臺4層CT掃描機
豪恩斯費爾德
CT機的分代主要以其X線管和探測器的關系,探測器的數目,排列方式以及X線管與探測器的運動方式來劃分.到今天為止CT經歷了5代發展,現在第6代CT正在研發中.
第1代CT機只有一個探測器,掃描角度為1 ,掃描時間270s/層.僅用頭部的掃描, 圖像質量差, 以平移加旋轉的掃描運動方式進行,稱為平移/旋轉型.
第2代CT機探測器的數目增加5～20個左右,X線束呈扇型,掃描角度增加為360 ,掃描時間仍較長,一般在20s～1min/層,掃描方式為窄扇形束掃描平移-旋轉方式 .
第3代CT探測器數目一般多超過100個,有的接近1000個,X線扇形束擴大到40 ～50 ,足以覆蓋人體的橫徑,這樣掃描就不需要再平移,而只需要旋轉就可以了,故稱為旋轉/旋轉型.掃描時間一般均在幾秒鐘,最快速度0.5s,實現了亞秒級掃描.
第1代到第3代CT機的X線管和探測器都是同步旋轉的,而第4代CT機與之不同,探測器呈360 環狀固定排列在機架內(目前有的機型多達4800個探測器),X線管則圍繞人體和機架作360 旋轉,把第4代稱固定/旋轉型(螺旋CT屬此型).
第5代CT機與第1到第4代CT機不同,在成像過程中X線管不需環繞機架作機誡運動,它是用電子束方法產生旋轉的X線源,再穿透人體由探測器接受,這種CT機稱為電子束CT,也稱超高速CT,特點是掃描速度很快,50～100ms/層,每秒最多可掃34層,就其掃描速度是普通CT的40倍,螺旋CT的20倍,可用于心臟一類運動器官的掃描.
第1代CT:掃描方式為平移(translate)+旋轉(rotate)(T+R)方式的CT.
第2代CT:掃描方式為平移(translate)+旋轉(rotate)(T+R)方式的CT.
第3代CT:掃描方式為旋轉+旋轉(R+R)掃描方式的CT.
第4代CT:掃描方式為靜止(stationary)+旋轉(S+R)掃描方式的CT.
第5代CT:掃描方式為靜止+靜止(S/S)電子束掃描方式的CT.
現代螺旋CT結構圖
第二代16層CT
第五代CT
3,20世紀50年代和60年代超聲和放射性核素也相繼出現.
1942年奧地利科學家達西科(Dussik)首先將超聲技術應用與臨床診斷,從此開始了醫學超聲影像設備的發展.
1954年瑞典人應用M型超聲顯示運動的心壁,稱為超聲心動圖.
人類從20世紀50年代開始研究二維B型超聲,至70年代中期,實時二維超聲開始應用.
超聲檢查 (二尖瓣粘連)
彩色超聲檢查 (胎兒發育)
4,70年代末80年代初,超聲,放射性核素,MR-CT和數字影像設備與技術逐步興起.其中磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是目前最為先進的影像檢查方法之一.
MRI是基于MR現象的醫學影像技術.MR現象是1946年分別由美國斯坦福大學物理系Bloch教授和哈佛大學的Puecell教授領導的小組同時獨立發現的.由于這一發現在物理,化學上具有重大意義,Bloch和Puecell共同獲得了1952年的諾貝爾物理學獎.
曼斯.菲爾德
裴奧.勞特伯
GE Signa Profile/o MRI
5,20世紀80年代推出了數字減影血管造影(DSA)和計算機X線攝影(CR)成像設備與技術,其后又推出了數字X線設備(DR).
數字減影血管造影術是常規造影術與電子計算機處理技術相結合的一種新型成像技術.血管造影檢查是對注入血管造影劑前后的圖像進行相減,得到無骨骼,內臟,軟組織背景的清晰的血管影象,而血管的形態,結構反映了多種疾病的基本信息.
計算機X線攝影(CR)是將X線攝照的影像信息記錄在影像板(IP板)上,這種可重復使用的IP影像板,替代了膠片,不需要沖印,因此也稱為干板.干板經激光讀取裝置讀取,由計算機精確計算處理后,即可得到高清數字圖像,最后經數字/模擬轉換器轉換,在熒屏上顯示出灰階圖像,有利于觀察不同的組織結構.
直接數字化X射線攝影系統(digital ray DR)是利用電子技術將X線信息的其它載體轉變為電子載體,X線照射人體后不直接作用于膠片,被探測器(Detector)接收并轉換為數字化信號,獲得X線衰減值(attenuation value)的數字矩陣,經計算機處理,重建成圖像.
6,20世紀90年代推出了更新,更強的核醫學影像設備ECT,包括PET,SPECT等設備.PET也稱正光電子成像設備,主要的優勢是超強的醫學影像的識別與診斷的能力,尤其是利用注入體內的增強顯影劑或示蹤劑,在體內循環可以動態地,靶向目標清晰地顯示被檢部位形態和功能的異常情況,甚至可以檢查出細胞級別的病變.
GE 全數字PET-CT
GE 生產的 SPECT
PET 圖像
1.2 醫學影像系統成像的物理共性
醫學影像成像源共性是充分和準確的利用成像源的物理作用,獲得人體內攜帶有某種物理量分布信息的影像數據.
醫學影像系統成像主要包括以下4個共性 :
源
源與物體(目標)的相互作用
檢測器
電子系統
1.2.1 源與目標的作用
1. 源
體外源:如X射線源,磁場源,超聲源,電磁波源,紅外線源等,這些人體外部的能源稱為外源.
外源共同的特點是對人體組織或器官具有已知和可控的作用.
體內源:如注入人體內部的同位素輻射源,或人體自身的熱輻射源等.這些增強顯影劑的輻射非常低,對人體無損害,但由此產生的醫學影像卻非常的清晰,并且受檢查的部位靶向性(命中率)準確.
2. 源與物體(目標)的相互作用
例如X射線穿過人體時,就可以準確檢測出某種源與每部分人體組織器官相互作用后的結果,指標和參數,據此來進行醫學影像的診斷或治療.
注意:源的生物安全劑量,質量指標和檢測標準.
3. 檢測器
檢測器的主要作用是在體外檢測攜帶有體內信息的信號.
檢測器的形式與各種源的類型有一一對應的關系.
這些影像信號檢測器共同的作用和主要功能評價指標很多是一樣的,如檢測弱信號的靈敏度,檢測與處理信號的速度,以及檢測用的源劑量的低強度,達到向更清晰,更快速,更安全,更多維
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