第一章-医学影像学发展概况

第一篇概论医学影像解剖学是借助X线、CT、MRI、USG、ECT和PET等成像设备，研究正常人体各解剖结构的形态、位置及结构间相互关系，并侧重于临床医学实践的一门学科。与侧重于医学基础研究的断层解剖学不同，医学影像解剖学不仅研究正常人体解剖结构，还对人体部分器官的生理功能进行研究，是医学影像学发展的产物，并伴随医学影像学每一阶段的发展而发展。第一章医学影像学的发展【学习目标】通过本章的学习，了解医学影像学的发展和临床应用状况；掌握现代影像学常用名词和基本概念。1895年伦琴发现X线及X线在医学上的应用，在相当程度上改变了医学尤其是临床医学的进程，并为放射学及现代医学影像学的形成和发展奠定了基础（图1-1，图1-2）。到20世纪70年代初，计算机体层摄影（computedtomography，CT）的应用，使放射学进入了一个以体层成像和计算机图像重建为基础的新阶段。随后，磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）、放射性核素成像包括单光子发射体层摄影（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）和正电子发射体层摄影（positronemissiontomography，PET）、超声成像（ultrasonography，USG）、数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、数字X线成像等相继应用于临床，其间还有70年代中期介入放射学的应用和发展，从而形成了影像诊断学与介入放射学相结合的现代医学影像学。近年来，由于医学影像硬件技术、计算机技术和网络技术的进步，更进一步促进了医学影像学的发展。图1-1伦琴，X线的发现者伦琴（1845~1923），德国物理学家，因发现X线（伦琴射线）和对X线的研究，而获得1901年第1届诺贝尔物理奖图1-2伦琴拍摄的世界上第1张X线片照片中的手指为伦琴妻子安娜·贝莎的手指，第4根手指上的黑色影像为金戒指第一节X线检查自伦琴发现X线后不久，德国西门子公司在1896年研制出世界上第1只X线管。20世纪10~20年代，装有X线管的常规X线机开始面市。随后，X线管、高压发生器和相关设备，特别是体层摄影装置、影像增强器、连续摄影、快速换片装置、高压注射器、电视、电影和录像记录系统的应用及对比剂的开发，到20世纪60年代中、后期，已形成了较完整的学科体系，称影像设备学。20世纪80年代，由于计算机技术的进步，X线设备和X线摄影技术的发展，计算机X线摄影（computedradiography，CR）开始应用于临床。CR的出现在较大程度上改善了普通X线摄影质量，解决了X线摄影的数字化问题，但没有改变普通X线摄影的工作模式和流程；直到90年代中期，数字化X线摄影（digitalradiography，DR）进入临床应用，才终结了X线模拟成像阶段，使X线摄影步入数字化时代。DR不仅仅是提高了X线摄影质量，更重要的是改变了传统X线摄影的工作模式和流程。CR是一套系统，工作流程与普通X线摄影相同，不同点在于X线影像信息的载体不同，即CR用影像板（imagingplate，IP）代替了X线胶片。IP是CR的关键部分，记录通过人体衰减的X线信息，通过激光扫描装置将贮存于IP上的潜影转换成电信号，再经过计算机存储和处理，以显示器（软拷贝）或胶片（硬拷贝）显示。CR图像可经网络存储和传输，使X线摄影的数字化得以实现。DR是利用平板探测器（FDP）接受穿过人体的X线信息，然后直接将这些信息转化成数字信号，输送给图像处理系统，以显示器或胶片显示。DR的应用大大提高了图像质量，降低了曝光剂量。一些高级功能的开发和应用如能量减影、时间减影、组织均衡、计算机辅助诊断（computer-aideddiagnosis，CAD）、图像拼接、体层合成和骨密度测量等，为临床提供了更多的诊断信息（图1-3，图1-4，图1-5）。在CR、DR广泛应用的同时，为满足不同临床检查需求，更加多元化的X线设备如胃肠X线机、乳腺摄影X线机、床边X线机和牙科X线机等专用X线设备也跨入数字化，使得相应的X线成像质量得到进一步改善。图1-4胸部DR片（能量减影，去除骨骼）图1-3胸部常规X线片第二节CT检查一、CT设备的发展1917年，奥地利数学家Radon在所提出的图像重建理论中指出，对二维或三维的物体可以从各个不同的方向上进行投影，并用数学方法计算出了一张重建图像。1963年，美国物理学家Cormack将图像重建的数学方法用于X线投影数据模型。1967年，英国工程师Hounsfield在从事计算机模式识别技术时发现，X线从多个方向照射物体有可能获取此物体的内部信息。在英国卫生部门的支持下，他制作了一台专用的实验设备，用同位素作为放射源，对人的头部标本进行实验性扫描测量，而获得了颅脑的断层图像。1971年9月，Hounsfield与神经放射学家Ambrose合作，安装了第1台临床CT机从事头部临床试验研究。同年10月4日检查了第1例患者，试验结果由Hounsfield和Ambrose在1972年4月召开的英国放射学年会上首次发表，正式向全球宣告CT机的诞生。1979年，Hounsfield和从事CT图像重建研究的美国物理学家Cormack一起获得诺贝尔医学生理学奖。为纪念Hounsfield对CT所作的贡献，将Hu（Hounsfield缩写）即亨氏单位定为CT值的单位。1974年，美国GeorgeTown医学中心工程师Ledley又设计出全身CT机，使CT检查从颅脑扩大到全身各个部位。1989年，德国医学物理学博士WilliKalender提出螺旋CT扫描的临床应用理念，并在北美放射学会（RSNA）年会上发表了《螺图1-5胸部DR片（能量减影，去除软组织）旋CT扫描的临床应用》，开拓了容积扫描理论和实践，使CT设备又跨入了一个新的发展阶段（图1-6，图1-7）。CT是医学影像学发展史上的重大革命，是普通X线摄影和计算机技术相结合的产物。它的每一发展阶段与硬件技术、计算机技术和网络技术的进步密切相关。自CT诞生之日，其结构在不断更新，种类也越来越多，应用领域也日趋广泛。图1-7第1张临床CT图像（脑瘤）图1-6Hounsfield，CT的发明者Hounsfield（1919~2004），英国工程师，因发明CT和对医学诊断学所作的贡献而获得1972年的McRobert奖（与诺贝尔奖齐名）,1979年的诺贝尔医学生理学奖等总的来说，CT在硬件和软件上主要经历了三次重大变革。①第一次是1989年单层螺旋CT（singlespiralCT，SSCT）的诞生，即在CT传统单层旋转扫描的基础上采用了滑环技术和连续进床技术，从而实现了螺旋扫描；②第二次是1998年推出的多层CT（multi-sliceCT，MSCT），即多层螺旋CT的诞生，从而实现了一次扫描可同时获得多幅图像，大大提高了扫描速度；③第三次是2004年推出的64层螺旋CT又称容积CT（volumeCT），即容积CT的诞生，开创了容积数据成像时代，在很大程度上克服了扫描速度、覆盖范围和层厚三者相互制约的难题。另外，2005年11月，西门子公司推出的双源CT（DualSourceCT，DSCT），开启了CT由单源向多源发展的进程，并且改变了原有CT机的基本结构，即拥有2套互相垂直的探测器和与之对应的X线球管。DSCT的临床应用，大大提升了CT的时间分辨率、扫描速度和功率，有效降低了辐射剂量。2007年11月，东芝公司的320排CT亮相，一圈扫描可覆盖160mm的超宽范围，保证了各部位全器官的各向同性的扫描。2008年11月，GE公司推出的宝石能谱CT，除可呈现人体解剖形态学信息外，还可通过能谱成像技术，利用常规混合能量CT图像、单能量CT图像及物质分离图像，观察分析人体的组织病理学信息，以及对人体组织进行定性与定量分析，让CT渐入分子影像学时代。二、CT的临床应用（一）CT的临床应用优势与限度由于CT具有较高的密度分辨率和空间分辨率，特别是CT技术的进一步发展及各种后处理软件的深度开发，使得CT的应用几乎涵盖全身各个部位，不仅可清楚显示头颈部、胸部、腹部、盆部等解剖结构，敏感发现病变，还可借助细微的密度和形态学改变，推断病变的性质以及发现更早、更小的病变。同时，CT可与介入放射学联合，进行组织活检、导管检查等；CT血管成像（CTA）可显示血管结构，明确病变与血管的关系；CT灌注成像（CTPI）可用于了解病变或病变区域血流灌注的状态；CT还可配合临床进行随访、疗效观察和预后评估等。虽然CT在临床上有着广泛的适应证，但仍有一定限度。CT所产生的X线对人体具有辐射损伤，限制了在妇产科领域的应用；对胃肠道管壁小的病灶和黏膜改变显示不敏感，仍要靠造影检查；对病变性质的确定存在一定的难度等。（二）CT新技术的应用1．多平面重组与表面三维重组螺旋CT连续扫描所获得的原始数据是多平面重组（MPR）及三维重组技术的基础，利用螺旋CT扫描获得的容积数据，经计算机重组可形成冠状面、矢状面及任意方位的图像，以及脏器表面结构的多种三维图像如最大强度投影（MIP）、表面遮盖显示（SSD）和容积再现（VR）图像等，以显示靶结构的复杂解剖和空间关系。在临床上，多平面重组与表面三维重组多用于血管、骨骼、含气器官、腹腔脏器和肿瘤等结构及病变的显示（图1-8，图1-9，图1-10）。图1-8肾动脉CTA：MIP图2．CT血管成像由于MSCT在短时间内可完成大范围的薄层连续采集，并具备强大的计算机后处理功能，使得CT血管成像（CTA）的质量进一步提高，现已广泛用于全身各部位血管的显示。由于现代MSCT具有更宽的覆盖范围、更高的Z轴分辨率及更快的扫描速度，因此，CTA对细小血管的识别更加敏感，在一定程度上可与血管造影的图像质量媲美。CTA的图像后处理方法主要包括SSD、VR、MIP、曲面重组（CPR）、MPR等，多种方法常需联合应用，弥补单一方法的对结构、病变图1-10VR图VR可立体、直观地显示病变与周围结构关系，为临床治疗方案的制定提供依据。图示右耳及腮腺区大量血管迂曲和扩张图1-9结肠SSD图狭窄处为肿瘤所侵（箭）显示的局限性（图1-11，图1-12）。图1-11腹主动脉CTA：VR图示腹主动脉瘤VR可直观地显示瘤体（箭）全貌，准确了解瘤颈形态及与载瘤血管空间解剖关系，有利于病变的术前评估图1-12腹主动脉CTA：MIP图示腹主动脉瘤MIP可显示瘤体（白箭）与载瘤血管间的关系，对瘤体内部结构和壁结构显示清晰，对不同程度的钙化（黑箭）敏感3．CT虚拟内镜CT虚拟内镜（CTvirtualendoscopy，CTVE）是将螺旋CT容积采集的原始数据经图像后处理，以显示空腔器官内表面结构的技术，图像类似于纤维内镜所见。CTVE以原始容积数据重组出的三维图像为基础，通过调节CT值阈值及透明度，再设置人工伪彩，即可获得CTVE图像。CTVE可用于观察鼻腔、鼻窦、鼻咽、喉、气管支气管、胃肠道、膀胱、血管等器官的内表面（图1-13）。4．CT灌注成像CT灌注成像（CTperfusionimaging，CTPI）是获得活体组织微循环血流信息的一种检查方法，是CT由单一的形态学影像向功能性影像发展的标志。方法如下：在周围静脉内快速团注对比剂后，对感兴趣层面进行连续快速的同层动态扫描，将所获得数据通过专用CT灌注软件处理，得出感兴趣区每一像素的时间－密度曲线（time-densitycurve，TDC），并利用不同的数学模型计算出单位时间内组织的血流量（bloodflow，BF）、血容量（bloodvolume，BV）、对比剂平均通过时间（meantransittime，MTT）、对比剂峰值时间（timetopeak，TTP）和表面通渗性（permeabilitysurface，PS）等参数，还可进行伪彩处理，获得直图1-13腹主动脉CTA：CTVE图示主动脉夹层图像类似于纤维内镜所见。可逼真显示主动脉夹层的“双腔”改变即真腔（五星）和假腔（四星