医学成像技术综述

调研报告医学成像技术综述【概述】德国物理学家伦琴于1895年发现了X射线后仅仅几个月时间内，X射线便被用于医学影像。X射线的发现，开启了医学影像学研究的大门。近几十年来，医学影像学的发展取得了巨大的进步，使临床上对疾病的定位和定性诊断水平得到了非常大的提高。如今，常用的医学成像技术有X射线成像技术、计算机辅助体层摄影（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射计算机断层成像（PET）和超声成像等。本文不仅介绍了几种医学成像技术的基本原理和基本组成框架，还比较了这几种成像技术的不同之处。【X射线成像技术】1895年德国物理学家伦琴发现X射线后，X射线首先被应用到医学诊断上，第二年就提出了用于治疗的设想。在这一百多年当中，X射线成像技术在医学、安检、无损检测、工业探伤等领域中发挥了巨大作用。（一）基本原理X射线之所以能使人体在荧屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X射线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X射线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线量即有差异。这样，在荧屏或胶片上就形成黑白对比不同的影像。不同的人体组织和器官其密度都会有所不同。人体组织结构的密度可归纳为三类：属于高密度的有骨组织和钙化灶等；中等密度的有软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织以及体内液体等；低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。X射线穿透低密度组织时，被吸收少，剩余X射线多，从而使胶片感光多，经光化学反应还原的金属银也多，故胶片呈黑影；若X射线落在荧光屏上，则使荧光屏所生荧光多，故荧光屏也就明亮。高密度组织则恰相反。病理变化也可使人体组织密度发生改变。例如，肺结核病变可在原属低密度的肺组织内产生中等密度的纤维性改变和高密度的钙化灶。在胸片上，于肺影的背景上出现代表病变的白影。因此，不同组织密度的病理变化可产生相应的病理X线影像。人体组织结构和器官形态不同，厚度也不一致。其厚与薄的部分，或分界明确，或逐渐移行。厚的部分，吸收X射线多，透过的X射线少，薄的部分则相反。（二）基本组成框架（三）设备框图中各部分的主要功能1.X线机发射X射线2.荧光屏X线能激发荧光屏荧光物质（如硫化锌镉及钨酸钙等），使之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线转换成波长长的荧光。属于一种换能装置。3.X线胶片涂有溴化银的胶片经X线照射后可以感光，产生潜影，经显、定影处理，感光的溴化银中的银离子被还原成金属银，并沉淀于胶片的胶膜内。此金属银的微粒在胶片上呈黑色；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，因而显出胶片片基的透明本色。依金属银沉淀的多少，便产生了黑和白的影像。【计算机辅助体层摄影（CT）】计算机辅助体层摄影（CT）是1969年Hounsfield设计成功的，它是X线技术与高度发展的计算机技术相结合的产物。它用X线对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，所得到的是断面解剖图像。CT属无创性检查方法，空间分辨率和密度分辨率高，检查方便、迅速、安全、无痛苦。（一）基本原理CT使用高度准直的X线束来对人体某些部位一定厚度的层面进行扫描，X线在穿过人体时其强度是呈指数关系衰减的，用探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。人体扫描野被分成许多小单元称为体素，探测器探测并经计算机计算出每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，经数/模转换器还原成图像信息，显示人体断面的灰阶图像。CT建立图像的过程就是求出每个体素单元的衰减系数的过程。一个方程不能解出多个未知数，几个未知的衰减系数不能由一次X线穿射而获得，但从不同方向上进行多次穿射，就可以获得足够数量的方程式，然后电子计算机求解这些方程式，从而得出每个小单元的衰减系数。体素面积越小，检测数目越多，计算机所测出的衰减系数就越多并且越准确，从而可以建立清晰的图像。（二）基本组成框架（三）设备框图中各部分的主要功能1.扫描单元扫描单元包括X线发生装置和辅助装置（如扫描架、扫描床等），其主要功能是获得人体断面的测量值。2.测量值采集系统收集扫描单元获得的测量值，将其转换为数字信号，输入计算机处理。3.计算机系统处理与计算每个体素的衰减系数，并还原成图像信息。4.显示器将计算机系统还原出的图像信息显示出来。5.控制计算机协调各组成部分的工作并起到控制作用。【磁共振成像（MRI）】磁共振成像（MRI）是利用生物体内原子核在磁场内共振所产生的信号经计算机重建成像的一种影像学技术。1973年，Lauterbur发表了MR成像技术，使MR不仅用于物理学和化学，也应用与临床医学领域。近年来，磁共振成像技术发展十分迅速，已日臻成熟完善，检查范围基本上覆盖了全身各系统，并在世界范围内推广。MRI的出现是继CT之后医学影像学的又一次飞跃，它使医学界从三维空间上多层面多方位的观察人体的变异与病变，在波谱学、生化分析及血管造影等方面的发展，使医学影像学向立体、动态、功能方向不断前进。（一）基本原理1.特定原子核自旋产生磁场。2.机体置入磁场后原子核的纵向磁化和进动。3.射频脉冲（RF）激发引起磁共振原子核在静磁场作用的基础上，叠加一个与静磁场方向呈一定角度的短暂射频脉冲磁场B1作为激励，射频脉冲为一具有特定频率的交变磁场，当其频率与原子核的进动频率相一致时，发生“共振”，即磁共振。此时原子核吸收射频脉冲的能量，磁矩发生偏转。4.射频脉冲激发停止后自旋系统发生弛豫一旦射频脉冲磁场B1激发停止，有关原子核的相位变化和能级变化又恢复到激发前的状态，这一过程称弛豫，产生的信号可被周围接收器测得。从原子核产生共振信号开始，到原子核回复到未受射频脉冲激励前的平衡状态所经历的时间，为弛豫时间。弛豫时间有两种，即纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）。5.磁共振成像的基础及脉冲序列MRI不像CT只有一个成像参数，即对X线的衰减系数，而是有T1、T2、自旋核密度（ρ）、流空效应等几个参数，而且有多种扫描脉冲序列可选择。人体不同器官、组织之间，正常组织与病理组织之间的T1、T2是固定而且互不相同的，这种组织间弛豫时间上的差别是MRI的成像基础。因此，获得选定层面中各种组织的T1或T2值，就可获得该层面中包括各种组织影响的图像。自旋核密度指在某一定区域内自旋原子核的密度，它是衡量这个区域产生的磁共振信号强度的主要指标之一。在相同条件上，自旋核密度较大的区域产生较强的磁共振信号。目前常用3个扫描脉冲序列：自旋回波脉冲序列、反转回复脉冲序列和梯度回波脉冲序列。6.立体定位和图像重建（二）基本组成框架（三）设备框图中各部分的主要功能1.磁体和电磁系统磁体和电磁系统包括磁体、梯度线圈、射频发射器及MR信号接收器等，负责MR信号的产生、探测与编码。磁体用于产生成像所需的静磁场，有常导型、超导型和永磁型三种，直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性，并影响MRI的图像质量。梯度磁场是由通电的梯度线圈产生的空间线性变化磁场，其磁场强度只有主磁场的几百分之一，但它为人体MR信号提供了空间定位的三维编码的可能，梯度场由x,y,z三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器管理以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。射频系统包括两个部分，即射频发射器和MR接收器。射频发射的时间、能量和脉冲形状由计算机控制。2.脉冲参数与成像方法选择组件让使用者自由选择所需的扫描脉冲序列。3.计算机系统处理三位编码的信号，并还原成图像信息。4.显示器将计算机系统还原出的图像信息显示出来。5.控制计算机协调各组成部分的工作并起到控制作用。【正电子发射计算机断层成像（PET）】正电子发射计算机断层成像，是将放射性核素标记的示踪物引入体内，利用计算机断层成像技术获得示踪物参与的生化代谢信息的动态变化图像的技术。PET的分辨率和解剖定位不如CT和MRI，但在功能诊断方面有其独特的优点，属于功能性成像。不过由于价格昂贵，PET目前数量较少。（一）基本原理原子核内的质子带正电，核外电子带负电，一般情况下，原子的质子数与电子数相等，原子处于稳定状态；能发射正电子的放射性核素原子核内的质子数比核外电子数多一个，原子处于非稳定状态，此时原子核会以放射性衰变的形式释放出一个正电子重新达到稳定。正电子质量与电子相同，但带有一个单位的正电荷。将能发射正电子的放射性核素标记的化合物引入体内，化合物及放射性核素有选择的分布与特定区域，放射性核素在衰变过程中发射正电子，它在组织中可移动数毫米，当与周围组织中的电子相碰撞时发生湮灭，电荷抵消，产生一对能量各为511keV的γ光子，根据动量守恒定律，这两个光子成180的角度向两个相反的方向发射。PET用符合计数法测湮灭光子。典型的PET采用许多模件拼装成环形探测器，处在环平面内的γ光子不论朝任何方向飞行都能被探测器截获。在每两个方向相反的探测器模件之间都连接着符合电路，用来测量同一次湮灭事件。符合电路的输出脉冲命令计算机将同一次湮灭事件按照符合线记录到存储器中。当γ射线光子击中探测器时，产生微弱的光线，由光电倍增管接收并转化成电信号，这些电信号经模/数转换器转换成数字信号，输入计算机，计算机计算后，再经数/模转换器转换成模拟信号重建图像，得到器官组织的静态药物浓度分布图像，再用基于PET的计算机功能图像生成技术，根据不同时间段内的图像集，得到器官组织的时间动态图像。若综合器官组织的若干断层的动态图像，重复调用功能图像生成算法，最终可得到一幅三维的动态功能图像。（二）基本组成框架（三）设备框图中各部分的主要功能1.PET扫描器PET扫描器由环形探测器和光电倍增管组成。环形探测器用来截获处在环平面内的γ光子。每两个方向相反的探测器模件之间都连接着符合电路，用来测量同一次湮灭事件。符合电路的输出脉冲命令计算机将同一次湮灭事件按照符合线记录到存储器中。光电倍增管用于将微弱的光线接收并转化成电信号，这些电信号经模/数转换器转换成数字信号，输入计算机。2.计算机系统计算机系统计算输入的数字信号后，经数/模转换器转换成模拟信号重建图像，得到器官组织的静态药物浓度分布图像，再用基于PET的计算机功能图像生成技术，根据不同时间段内的图像集，得到器官组织的时间动态图像。若综合器官组织的若干断层的动态图像，重复调用功能图像生成算法，最终可得到一幅三维的动态功能图像。【超声成像】超声成像始于20世纪50年代后期，在80年代得到了迅速发展，是一种利用超声的物理特性和人体器官组织的声学性质差异来显示记录器官组织断面图像的新型非创伤性医学影像学技术。（一）基本原理声波是物体机械振动在弹性介质内的传播，属于机械波。超声是人耳听不到的声波，频率在20000Hz以上，用于医学上的超声频率一般为2.5~10MHz。超声的传播需要介质，其速度因介质不同而异——在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。在人体软组织中的传播速度约为150m/s。介质有一定的声阻抗，声阻抗等于该介质密度与超声速度的乘积。当超声传经两种声阻抗不同的相邻介质的界面时，若介质的声阻抗差大于0.1%，而界面又明显大于波长，一部分超声将发生反射；另一部分声能在界面后方的相邻介质中产生折射超声继续传播，遇到另一个界面再产生反射，直至声能耗竭。人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织（包括病理组织）有其特定的声阻和衰减特性，因而构成声阻抗上的差别和衰减上的差异。超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。将接收到的回声，根据回声强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像，称为声像图。人体器官表面有被膜包绕，被膜同其下方组织的声阻抗差大，形成良好界面反射，声像图上出现完整而清晰的周边回声，从而显出器官的轮廓。根据周边回声能判断器官的形状与大小。超声经过不同正常器官或病变的内部，