医学医学影像学概论

医学影像学概论解放军第254医院放射科朱砚医学影像学的定义医学影像学是以医学影像为基础，集X线、计算机体层摄影（CT）、磁共振成像（MRI）、数字减影（DSA）正电子发射体层（PET）、核医学、超声学（US）、放射治疗及介入治疗学等多学科有机结合的综合诊疗学科。X线成像德国物理学家伦琴在暗室偶然发现了一种看不见的射线，能穿透普通光线所不能穿透的纸板和木板等，并能作用于荧光屏产生荧光，伦琴把这种射线称为X线。X线的发现，对近代科学理论和应用技术，特别是对医学科学领域内的不断创新和技术突破产生了十分重大的影响，开创了X线检查疾病的新纪元。X线的产生X线是由高速运动的电子撞击物质突然受阻时产生的。X线的产生，必须具备3个条件：①自由活动的电子群；②电子群在高压电场和真空条件下高速运行；③电子群在高速运行时突然受阻（靶面）。X线机的基本结构X线管（X-RayTube）目前常用的X线管是热阴极真空管。阴极是钨制灯丝，阳极为钨靶，用以阻挡快速运行的电子群。变压器控制器主要用以调节通过X线管两极的电压和通过阴极灯丝的电流，分别控制X线的质和量。控制器内装有许多电钮、电表、电阻和自耦变压器，还装有调节曝光时间的计时器。X线球管X线的产生X线的产生是经过降压变压器使X线管灯丝加热，产生自由电子并云集在阴极附近。当升压变压器向X线管两极提供高压电时，阴极与阳极间的电势差陡增，处于活跃状态的自由电子，受强有力的吸引，成束以高速由阴极向阳极行进，撞击阳极钨靶原子结构并发生能量转换，其中大约1％能量形成了X线，由X线管窗口发射，其余99％以上则转换为热能，由散热设施散发。X线的特性穿透性荧光作用感光作用电离作用生物效应X线的特性穿透性X线对人体各种组织结构穿透力的差别是X线成像的基础。X线具有很强的穿透力，能穿透一般可见光不能穿透的各种不同密度的物质。X线对人体各种组织穿透力的差别是X线成像的基础。X线的特性荧光作用X线能激发荧光物质，产生肉眼可见的荧光，即X线作用于荧光物质，使波长短的X线转换成波长较长的荧光，这种转换叫做荧光效应。此特性是进行X线透视检查的基础。X线的特性感光作用感光作用是X线摄影的基础。涂有溴化银的胶片经X线照射后感光，产生潜影，经显定影处理，感光的溴化银离子（Ag+），被还原成金属银（Ag），并沉淀于胶片的胶膜内，在胶片上呈黑色。而未感光的溴化银在定影及冲洗过程中，从X线胶片上被洗掉，显出胶片片基的透明本色。X线的特性电离作用X线通过任何物质被吸收时，都将产生电离作用，使组成物质的分子分解成为正负离子。因为空气的电离程度，即其所产生的正负离子量同空气所吸收的X线量成正比，因此，测量电离的程度可计算X线的照射量，此为放射剂量学的基础。X线的特性生物效应X线穿透机体被吸收时，与体内物质产生相互作用，使机体和细胞结构产生生理和生物学的改变，主要是细胞组织产生抑制、损害甚至坏死，称为X线的生物效应。X线对机体的损害程度与吸收X线量的大小有关。X线的生物效应是放射治疗学的基础，同时也指导X线检查和治疗的防护措施。X线影像的形成必须具备3个基本条件①X线要具备一定的穿透力；②被穿透的组织结构必须存在密度和厚度的差异，从而导致穿透物质后剩余X线量的差别；③有差别的剩余X线量，仍为不可见的，必须经过载体显像（如X线片、荧屏等）的过程才获得有黑白对比、层次差异的X线影像。X线成像原理不同的人体组织结构，根据其密度的高低及其对X线吸收的不同可分3类①骨骼或钙化，它的比重高、密度大，吸收X线量多。X线片上骨骼部位感光最少显示白色，称为高密度影像；②软组织包括皮肤、肌肉、结缔组织，内脏及液体等，彼此之间密度差别不大，X线片上显示灰白色，称为中等密度影像。③脂肪及气体，脂肪组织较一般软组织密度低，在良好的X线片上显示灰黑色；气体的密度最低，吸收X线最少，在X线片上呈深黑色，称为低密度影像。传统X线检查技术1、常规检查：透视和摄影2、特殊检查：体层摄影、软X线摄影（钼靶）放大摄影、荧光摄影、记波摄影透视（fluoroscopy）X线摄影X线摄影（radiography）1、成像清晰，对比度及清晰度均较好2、简便实用：特别实用于密度、厚度差别较大的组织或器官。3、平面重叠成像立体感差，常需作互相垂直的两个方位摄影，例如正位及侧位；4、对功能方面的观察，不及透视方便和直接；费用比透视稍高。正常胸部后前位及侧位X线摄影（radiography）高千伏摄影（HighkVRadiography）高千伏摄影是用高于120kV（常用120~150kV）的管电压进行摄影。需用高电压小焦点X线管、特殊的滤线器和计时装置。由于X线穿透力强，能穿过被照射的所有组织，可在致密影像中显示出被隐蔽的病变。软X线摄影采用能发射软X线的钼靶管球，用以检查软组织，特别是乳腺的检查。造影检查人体组织结构中，有相当一部分，只依靠它们本身的密度与厚度差异不能在普通检查中显示。此时，可以将高于或低于该组织结构的物质引入器官内或其周围间隙，使之产生对比以显影，此即造影检查。引入的物质称为造影剂（contrastmedia）。造影检查的应用，显著扩大了X线检查的范围数字X线成像技术计算机X线成像（computedradiography，CR）将X线影像信息记录在成像板，构成潜影。不以X线胶片为记录和显示信息的载体，而是使用可记录并可由激光读出X线影像信息的成像板（imagingplate，IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片影像。CR的成像原理与设备影像的数字化信号经图像处理系统处理，可以在一定范围内任意改变图像的特性。这是CR优于X线照片之处，X线照片上的影像特性是不能改变的。图像处理主要功能有：灰阶处理、窗位处理、数字处理和X线吸收率减影处理等。CR可降低X线摄影的辐射剂量，有利于实现X线摄影信息的数字化储存、再现及传输。CR系统的主要临床应用CR可以根据X线吸收率的不同，对所得的影像信息进行再处理，对解剖结构的显示优于传统的X线平片。（1）CR在头颈及骨关节系统的应用：CR为数字化影像，可以进一步进行骨盐含量的定量分析。对关节部位，CR除可以观察骨质改变，还可以经过再处理而检查关节软骨、关节周围软组织的改变。CR系统可利用空间频率增强处理，清楚显示听小骨、前庭、半规管等结构，并能准确判断鼻窦前壁有无骨破坏。CR系统的主要临床应用（2）CR系统在胸部平片的应用：胸部平片是最常用的X线检查，CR胸片在总体上优于传统X线片，特别是易于观察与纵隔和膈肌重叠的部分。CR对肺部结节性病变的检出率及显示纵隔结构，如血管、气管等，也优于传统X线片。在间质性病变和肺泡病变的显示上，CR片的显示则不如传统X线片。CR系统的主要临床应用（3）CR系统在胃肠道和泌尿系检查中的应用：①CR影像的密度分辨力明显高于传统X线照片，在显示肠管积气、气腹和结石等病变方面优于传统X线影像。胃肠道双对比造影检查中，CR系统显示胃小区、微小病变、粘膜皱襞及结肠无名沟等结构明显优于传统的X线造影影像。②CR可以压缩泌尿系显影结构中的高密度影像且可运用调谐处理和空间频率处理功能改善软组织结构显示的密度层次及锐度，大大改善软组织的分辨力，尤其是在肾体层摄影时。③增加结石与微小钙化的显示能力。数字X线成像技术数字X线摄影DR（DigitalRadiography）直接将X线通过电子暗盒转换为数字化图像。DR的优点：（1）DR图像具有较高分辨率，图像锐利度好，显示细节清楚。（2）DR具有很宽的曝光宽容度，动态范围广，允许摄影中出现技术误差，在一些曝光条件难以掌握的部位，也能获得很好的图像信息。（3）与CR相同，DR也可以根据临床需要进行各种图像后处理（4）较传统X线摄影，可减少曝光时间和摄片数量，大大降低曝光剂量。DR设备数字X线成像技术CR和DR系统尽管仍有不足和缺点，如CR的时间分辨率较差，不能满足动态器官和结构的显示，DR系统许多方面尚不完善，且全部要更新设备。但数字化X线摄影作为一种新的X线成像技术已日渐广泛应用于临床影像诊断领域。随着其技术的不断完善，必将对影像诊断水平的提高发挥更大作用，数字化影像必将使21世纪的X线诊断发生重大变化。数字减影血管造影digitalsubstractionangiography,DSADSA基本设备包括X线发生器、影像增强器、电视透视、高分辨力摄像管、模／数转换器、电子计算机和图像储存器等。其基本过程为：X线发生器产生的X线穿过人体，产生不同程度的衰减后，形成X线图像，X线图像经影像增强器转换成可见的视频图像，然后由电子摄像机将可见的视频图像转变为电子信号，再将电子信号送至模／数转换器，变成数字信号，最后将数字信号送入电子计算机进行处理。处理后的所有图像均可以数据形式存贮并随时显示出来。介入手术DSA成像方式静脉注射数字减影血管造影（IVDSA）凡是经静脉途径置入导管或套管针注射对比剂行DSA检查者，皆称之为IVDSA。如将导管头端或套管针置放于外围浅静脉（外周法）、或将导管头置放于上腔静脉或右心房（中心法）注射对比剂行DSA并显示动脉者，称之为非选择性IVDSA。如将导管头置放于或邻近于受检静脉或心腔注射对比剂者，则称为选择性IVDSA。DSA成像方式IVDSA经周围静脉注入造影剂，即可获得动脉造影，操作方便，但检查区的大血管同时显影，互相重迭，造影剂用量较多，故临床应用少，不过在动脉插管困难或不适于作IADSA时可以采用。DSA成像方式动脉法数字减影血管造影（IADSA）DSA显示血管的能力与血管内碘浓度的高低密切相关。IADSA时，对比剂直接注入靶动脉或接近靶动脉处，稀释少，用较低浓度较少量的对比剂，其靶动脉内的碘浓度仍比用较大剂量、较高浓度注射的IVDSA高，可较清晰显示细小血管。DSA成像方式动脉法数字减影血管造影（IADSA）分非选择性和选择性两种。一般多采用经股动脉穿刺途径，少部分经肱动脉穿刺。穿刺插管后，将导管头端置于靶动脉之主动脉近端注射对比剂作顺行性显影者，称之为非选择性IADSA。如将导管头端进一步深入到靶动脉的主干或主干的分支，则称之为选择性或超选择性IADSA。目前，应用选择性或超选择性插管，对于小血管或病变部位，IADSA已能很好显示。血管穿刺针导管鞘2019/11/11放射介入基本概念41导管鞘的结构X线平片DSA照片肝癌化疗灌注栓塞术计算机体层成像（Computertomography）CT（Computertomography）计算机体层成像是Hounsfield1969年设计成功，1972年公诸于世的。CT不同于X线成像，它是用X线束对人体层面进行扫描，通过探测器取得信息，经计算机处理而获得的重建图像。所显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像。由于CT大大促进了医学影像学的发展。Hounsfield获得了1979年的诺贝尔奖。一、CT的成像基本原理X线人体探测器光/电转换器模/数转换器计算机数/模转换器CT设备CT设备主要有以下三部分：①扫描部分由X线管、探测器和扫描架组成；②计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；③图像显示和存储系统，将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光照相机将图像摄下。CT设备CT设备CT基本概念体素（Voxel）和像素（Pixel）CT图像实际上是人体某一部位有一定厚度（如1mm，10mm等）的体层图像。我们将成像的体层分成按矩阵排列的若干个小的基本单元。而以一个CT值综合代表每个小单元内的物质密度，这些小单元称之为体素。同样，一幅CT图像是由很多按矩阵排列的小单元组成，这些组成图像的基本单元被称之为像素。体素是一个三维的概念，像素是一个二维的概念。像素实际上是体素在成像时的表现。像素越小，越能分辨图像的细节，即图像的分辨率越高。CT基本概念矩阵（Matrix）矩阵是一个数学概念，它表示一个横成行、纵成列的数字阵列，将受检层面分割为无数小立方体，这些小立方体就是体素。当图像面积为一固定值时，像素尺寸越小，组成CT图像矩阵