CT-MRI-USC-PET各种方法的优缺点总结

综述一、CT简介计算机体层摄影（computedtomography,CT）扫描仪利用X线对人体某一范围进行逐层的横断扫描，取得信息，经计算机处理后获得重建的图像。获得的图像为人体的横断解剖图，并可通过计算机处理得到三维的重建图像。1.基本结构CT的主要结构包括两大部分：X线体层扫描装置和计算机系统。前者主要由产生X线束的发生器和球管，以及接收和检测X线的探测器组成；后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、磁带机、操作台等。此外，CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。X线球管和探测器分别安装在被扫描组织的两侧，方向相对。当球管产生的X线穿过被扫描组织，透过组织的剩余射线为探测器所接收。探测器对X线高度敏感，它将接收到的X线先变成模拟信号，再变换为数字信号，输入计算机的中央处理系统。处理后的结果送入磁带机储存，或经数/模处理后经显示器显示出来，变成CT图像，再由多幅照相机摄片以供诊断。2.工作原理人体各种组织（包括正常和异常组织）对X线的吸收不等。CT即利用这一特性，将人体某一选定层面分成许多立方体小块，这些立方体小块称为体素。X线通过人体测得每一体素的密度或灰度，即为CT图像上的基本单位，称为像素。它们排列成行列方阵，形成图像矩阵。当X线球管从一方向发出X线束穿过选定层面时，沿该方向排列的各体素均在一定程度上吸收一部分X线，使X线衰减。当该X线束穿透组织层面（包括许多体素）为对面探测器接收时，X线量已衰减很多，为该方向所有体素X线衰减值的总和。然后X线球管转动一定角度，再沿另一方向发出X线束，则在其对面的探测器可测得沿第2次照射方向所有体素X线衰减值的总和；以同样方法反复多次在不同方向对组织的选定层面进行X线扫描，即可得到若干个X线衰减值总和。在上述过程中，每扫描一次，即可得一方程。该方程中X线衰减总量为已知值，而形成该总量的各体素X线衰减值是未知值。经过若干次扫描，即可得一联立方程，经过计算机运算可解出这一联立方程，而求出每一体素的X线衰减值，再经数/模转换，使各体素不同的衰减值形成相应各像素的不同灰度，各像素所形成的矩阵图像即为该层面不同密度组织的黑白图像。3.CT的密度分析CT图像，一方面是观察解剖结构，另一方面是了解密度改变。后者可通过测定CT值而知，亦可与周围组织的密度对比观察。人体内肿瘤组织因部位、代谢、生长及伴随情况不同，其密度变化各异。CT对组织的密度分辨率较高，且为横断面扫描，提高了肿瘤诊断的准确率。4.造影剂的应用虽然CT较普通X线摄影有更高的密度分辨率，但有些病变与正常组织间的密度差异很小，需要利用造影剂使上述密度差异加大，以帮助诊断。CT扫描用造影剂可分两大类：一类为用于空腔脏器的造影剂，另一类为静脉注射用造影剂（偶尔也通过动脉注射造影剂）。5.影响像素的物理因素通过电子计算机运算列出人体组织受检层面的吸收系数，并将之分布在合成图象的栅状阵列即矩阵的方格（阵元）内。矩阵上每个阵元相当于重建图象上的一个图象点，称为像素（pixel）。CT的成像过程就是求出每个像素的衰减系数的过程。如果像素越小、探测器数目越多，计算机所测出的衰减系数就越多、越精确，重建出的图象也就越清晰。所以与人体自身的质子分布以及人体内组织的密度，探测器的灵敏度和人体组织对X射线的衰减值和物理密度，处理图像、据的算法等有关系。6.CT检查的优缺点1)．CT检查的优点：（1）CT为无创性检查，检查方便、迅速，易为患者接受。（2）有很高的密度分辨力，密度相差5-6H的不同组织能被区分。能测出各种组织的CT值。（3）CT图象清晰，解剖关系明确。（4）CT能提供没有组织重叠的横断面图象，并可进行冠状和矢状面图象的重建。（5）用造影剂进行增强扫描，不仅提高了病变的发现率，而且有的能做定性诊断。2)．CT扫描的限度ＣＴ扫描虽有广泛的适应范围，但仍有限度。虽然发现病变的敏感性极高，但在定性诊断上仍有很大的限制。由于ＣＴ机测定的是物理参数，即人体组织对X线的衰减值或物理密度，医生就是根据正常组织和异常组织呈现的衰减值差异作为诊断的依据，如果衰减值无差异，再大的肿瘤也无法鉴别。可见CT扫描尽管有许多优越性，但也有其局限性，只有与其他设备，其他诊断手段相配合，才能充分发挥其作用。目前CT图像的质量有了明显改善，特别是高分辨力扫描（HRCT）图像已能显示肺小叶间隔改变。但这多是提高kV和mAs为代价取得的。而我们的目的是既要获得高质量的图像，又要使患者尽量地减少X线辐射，这应该使下一步CT改革的重点之一。要想同时获得这两种效益，看来一要提高探测器的灵敏度，一能够在不增加甚至减少辐射剂量的前提下，提高图像质量；二要进一步改进图像重建的处理方式，在软件方面下工夫。二、磁共振成像人脑纵切面的核磁共振成像核磁共振成像（NuclearMagneticResonanceImaging，简称NMRI），又称自旋成像（spinimaging），也称磁共振成像、磁振造影（MagneticResonanceImaging，简称MRI），是利用核磁共振（nuclearmagneticresonnance，简称NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。所以其像素与人体氢原子核的分布，氢原子核对电磁波的共振吸收和去掉射频脉冲之后发射的电磁波有关。1.NMR实验装置采用调节频率的方法来达到核磁共振。由线圈向样品发射电磁波，调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品共振频率附近连续变化。当频率正好与核磁共振频率吻合时，射频振荡器的输出就会出现一个吸收峰，这可以在示波器上显示出来，同时由频率计即刻读出这时的共振频率值。核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共振的仪器，主要由磁铁、探头和谱仪三大部分组成。磁铁的功用是产生一个恒定的磁场；探头置于磁极之间，用于探测核磁共振信号；谱仪是将共振信号放大处理并显示和记录下来。2.MRI系统的组成1）磁铁系统静磁场：当前临床所用超导磁铁，磁场强度有0.5到4.0T，常见的为1.5T和3.0T，另有匀磁线圈（shimcoil）协助达到高均匀度。梯度场：用来产生并控制磁场中的梯度，以实现NMR信号的空间编码。这个系统有三组线圈，产生x、y、z三个方向的梯度场，线圈组的磁场叠加起来，可得到任意方向的梯度场。2）射频系统射频（RF）发生器：产生短而强的射频场，以脉冲方式加到样品上，使样品中的氢核产生NMR现象。射频（RF）接收器：接收NMR信号，放大后进入图像处理系统。3）计算机图像重建系统由射频接收器送来的信号经A/D转换器，把模拟信号转换成数学信号，根据与观察层面各体素的对应关系，经计算机处理，得出层面图像数据，再经D/A转换器，加到图像显示器上，按NMR的大小，用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像。3.磁共振成像的优点与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像（computerizedtomography,CT）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点：1).对人体没有游离辐射损伤；各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值变大，而肝癌的T1值更大，作T1加权图像，可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤；2).通过调节磁场可自由选择所需剖面，能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可以看到神经根、脊髓和神经节等。能获得脑和脊髓的立体图像，不像CT（只能获取与人体长轴垂直的剖面图）那样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位；3).能诊断心脏病变，CT因扫描速度慢而难以胜任；4).对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT；5).原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像，例如氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。4.MRI的缺点及可能存在的危害虽然MRI对患者没有致命性的损伤，但还是给患者带来了一些不适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施，把这种负面影响降到最低限度。其缺点主要有：1).和CT一样，MRI也是解剖性影像诊断，很多病变单凭核磁共振检查仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；2).对肺部的检查不优于X射线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多；3).对胃肠道的病变不如内窥镜检查；4).扫描时间长，空间分辨力不够理想；由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用。5.MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面：1).强静磁场：在有铁磁性物质存在的情况下，不论是埋植在患者体内还是在磁场范围内，都可能是危险因素；2).随时间变化的梯度场：可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标。在足够强度下，可以产生外周神经兴奋（如刺痛或叩击感），甚至引起心脏兴奋或心室振颤；3).射频场（RF）的致热效应：在MRI聚焦或测量过程中所用到的大角度射频场发射，其电磁能量在患者组织内转化成热能，使组织温度升高。RF的致热效应需要进一步探讨，临床扫瞄仪对于射频能量有所谓“特定吸收率”（specificabsorptionrate,SAR）的限制；4).噪声：MRI运行过程中产生的各种噪声，可能使某些患者的听力受到损伤；三、正电子发射断层成像放射性核素成像技术是一种用放射性核素示踪的方法显示人体内部结构的技术是核医学研究和临床诊断的主要手段X-CT属于透射型计算机断层摄影(TCT)自X-CT问世后放射性核素成像技术也采用了图像重建的模式研制出发射型计算机断层摄影装置(EmissionComputerTomographyECT)按照所用的核物理探测方法ECT可以分为两类:正电子发射型计算机断层技术(PET)与单光子发射型计算机断层技术(SPECT或称SPET)。1.PET技术原理PET技术是用于作正电子衰变核素显像的先将一种标记过的具有生物活性的化合物作为示踪物质引入我们要研究的人体部位或器官这种示踪物质的空间分布状况能反映人体或器官的机能和代谢状况的空间信息它的标记是正电子放射性核素由于这种放射性核素发生b+衰变产生正电子正电子运动很短的一段距离后(几个毫米)就会与组织中的电子结合而发生湮灭其质量转化成一对向相反方向射出的两个能量为0.511MeV的γ光子再由探测器测量正负电子湮灭过程中产生的湮灭光子获取数据时需要两个位置相对的探测器进行时间匹配计数。2.PET的优缺点常用核素及其标记物1).正电子CT与单光子CT相比有很多优点:首先它不需要铅准直器而是电子准直因为两个γ光子在方向上成180º角只有两个相对的检测器同时检测到湮灭光子才计数如果湮灭事件发生在两个检测器连线之外则不能记录这种电子准直的视野非常均匀分辨率不受深度的影响而且探测效率高而平行孔准直器即使是高灵敏度的也只能探测到射入视野的0.3的光子其它大量的光子在准直器内被吸收其次射线的衰减补偿容易不受深度影响因为不论放射源的位置在哪里两个光子穿过的吸收体的总厚度相同而且湮灭光子