医学影像设备学教学课件

医学影像设备学教学课件韩丰谈主编第一章医学影像设备学概论第一节医学影像设备的发展简史第二节医学影像设备的分类第一节医学影像设备的发展简史1895年11月8日，德国物理学家伦琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高压放电实验时，发现了一种肉眼看不见、但具有很强的穿透本领、能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线，简称为X线。1896年，德国西门子公司研制出世界上第一只X线管。20世纪10~20年代，出现了常规X线机。其后，由于X线管、高压变压器和相关的仪器、设备以及人工对比剂的不断开发利用，尤其是体层装置、影像增强器、连续摄影、快速换片机、高压注射器、电视、电影和录像记录系统的应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的学科体系，称为影像设备学。1972年，英国工程师汉斯菲尔德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一台用于颅脑的X线计算机体层摄影（x-raycomputedtomography，X-CT）设备，简称为X-CT设备，或CT设备。CT设备是横断面体层，无前后影像重叠，不受层面上下组织的干扰；同时由于密度分辨力显著提高，能分辨出0.1%~0.5%X线衰减系数的差异，比传统的X线检查高10~20倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0.75s（512×512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛的普及，功能有了进一步的扩展。大孔径CT设备可兼顾日常应用与肿瘤病人定位，组合型CT设备可在完成CT检查后直接进行正电子发射型计算机体层（positiveemissioncomputedtomography，PET）检查，使CT的形态学信息与PET的功能性信息通过工作站准确融合，可以更准确地完成定性与定量的诊断。平板探测器CT设备目前尚在开发阶段，一旦技术成熟，从机器设计、信息模式、成像速度、射线剂量到运行成本都会有根本性的改变，将会引起CT设备的又一次革命。20世纪80年代初用于临床的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一种新的非电离辐射式医学成像设备。MRI设备的密度分辨力高，通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像，这是它优于CT设备的特点之一。迄今，MRI设备已广泛用于全身各系统，其中以中枢神经、心血管系统、肢体关节和盆腔等效果最好。中场超导（0.7T）开放型MRI设备进一步普及，它便于开展介入操作和检查中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检查的限制。双梯度场技术可在较小的范围内达到更高的梯度场强，有利于完成各种高级成像技术，如功能成像、弥散成像等。降噪措施和成像专用线圈也都有了较大的进步，如功能成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊断效果已接近和达到CT设备水平，脑影像的分辨力在常规扫描时间下提高了数千倍，而显微成像的分辨力达到50~10μm，现已成为医学影像诊断设备中最重要的组成部分。生物体磁共振波谱分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）具有研究机体物质代谢的功能和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合的临床应用，将会引起医学诊断学上一个新的突破。数字减影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、计算机X线摄影（computedradiography，CR）和数字摄影（digitalradiography，DR）是20世纪80年代、90年代开发的数字X线机。前者具有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，目前，正向快速旋转三维成像实时减影方向发展，从而扩大了血管造影的应用范围。后者具有减少曝光量和宽容度大等优点，更重要的是可作为数字化图像纳入图像存储与传输系统（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途的影像探测器之一。20世纪50年代和60年代，超声成像（ultrasonography，USG）设备和核医学设备相继出现，当时在医学上的应用往往各成系统。1972年X-CT设备的开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。70年代末80年代初，超声CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和数字X线机逐步兴起，并应用于临床。尽管这些设备的成像参数、诊断原理和检查方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进行诊断。介入放射学自20世纪60年代兴起，于70年代中期逐步应用于临床，近年来尤以介入治疗进展迅速。因其具有安全、简便、经济等特点，深受医生和病人的普遍重视与欢迎，现仍处于不断发展和完善的过程之中。90年代倍受人们青睐的立体定向放射外科学设备，由于它可以不作开颅手术而治疗一些脑疾患，很受欢迎，全世界都在积极开发和应用这种高新设备。介入放射学设备与立体定向放射外科学设备，都是通过医学影像设备来引导或定位的，所以也属于医学影像设备的范畴。综上所述，多种类型的医学影像诊断设备与医学影像治疗设备相结合，共同构成了现代医学影像设备体系。表1-1医学影像设备发展概况20世纪19世纪10~40年代50年代60年代70年代80年代90年代（1895年）发现X线（1917年）发射US成功（1951年）闪烁扫描（1960年）X-TV（1972年）X-CT（1980年）DF、DSACT：多层CT、组合CT、CT内镜（1896）发现铀的放射性（10~20年代）X线机（1954年）影像增强器（1963年）六脉冲高压发生器（1974年）UCT（1982年）CR（1896）X线管（1930年）增感屏（1954年）B超（1963年）热成像设备（1975年）电子扫描（1982年）多普勒图像数字成像：旋转DSA、DDR（1932年）电子显微镜（透射）（1957年）γ相机（1978年）小型回转加速器（1982年）PACS（1938年）旋转阳极X线管（1979年）SPECT、PET（1983年）螺旋CT（1942年）A超（70年代末）DR（1983年）UFCTMRI：开放型MRI、FMRI核医学：微型摄像机、全数字闪烁相机（1983年）电子内镜（80年代初）US内镜设备（1946年）发现MR现象（1958年）纤维胃镜（1964年）介入放射学设备（1979年）MRI（1985年）超导MRISRS：γ-刀、X-刀第二节医学影像设备的分类现代医学影像设备可分为两大类，即医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。一、诊断用设备按照影像信息的载体来区分，现代医学影像诊断设备主要有以下几种类型：①X线设备（含X-CT设备）；②MRI设备；③超声设备；④核医学设备；⑤热成像设备；⑥光学成像设备（医用内镜）。（一）X线设备X线设备通过测量穿透人体的X线来实现人体成像。X线成像反映的是人体组织的密度变化，显示的是脏器的形态，而对脏器功能和动态方面的检测较差。此类设备主要有常规X线机、数字X线机和X-CT设备等。以X线作为医学影像信息的载体，出于两方面的考虑，即分辨力和衰减系数。从分辨力来看，为了获得有价值的影像，辐射波长应小于5×10-11m。另一方面，当辐射波通过人体时，应呈现衰减特性。若衰减过大，则透射人体的辐射波微弱，当测量透射人体的辐射波时，由于噪声的存在，很可能导致测量结果无意义。反之，若辐射波透射人体时几乎无衰减，则因无法精确的测量衰减部分而失效。在X线设备中，屏-片组合分辨力较高，可达到5~10LP/mm，且使用方便、价格较低，是目前各级医院中使用最普遍的设备之一。但它得到的是人体不同深度组织信息叠加在一起的二维图像，所以病变的深度很难确定，且对软组织分辨不佳。数字X线机使用曝光量宽容度大，可获得数字化影像，便于进行图像的后处理，且扩大了诊断范围，利于胃肠和心脏等部位的检查。X-CT影像的空间分辨力可小于0.5mm，能分辨组织的密度差别可达到0.5％。X-CT影像的清晰度很高，可确定受检脏器的位置、大小和形态变化。（二）MRI设备MRI设备通过测量构成人体组织中某些元素的原子核的磁共振信号，实现人体成像。20世纪40年代发现了物质的磁共振现象，20世纪80年代MRI设备应用于临床。MRI影像的空间分辨力一般为0.5~1.7mm，不如X-CT；但它对组织的分辨远远好于X-CT，在MRI影像上可显示软组织、肌肉、肌腱、脂肪、韧带、神经、血管等。此外，它还有一些特殊的优点：①MRI剖面的定位完全是通过调节磁场，用电子方式确定的，因此能完全自由地按照要求选择层面；②MRI对软组织的对比度比X-CT优越，能非常清楚地显示脑灰质与白质；③MR信号含有较丰富的有关受检体生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度测量值；④MRI能在活体组织中探测体内的化学性质，提供关于内部器官或细胞新陈代谢方面的信息；⑤MRI无电离辐射。目前，尚未见到MR对人体危害的报道。MRI的缺点：①与X-CT相比，成像时间较长；②植入金属的病人，特别是植入心脏起搏器的病人，不能进行MRI检查；③设备购置与运行的费用较高。总之，MRI设备可作任意方向的体层检查，能反映人体分子水平的生理、生化等方面的功能特性，对某些疾病（如肿瘤）可作早期或超早期诊断，是一种很有发展前途和潜力的高技术设备。（三）诊断用超声设备诊断用超声设备分为利用超声（ultrasound，US）回波的USG设备和利用US透射的超声CT（ultrasonographyCT，UCT）两大类。USG设备，根据其显示方式不同，可以分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、C型（亮度显示）、M型（运动显示）、P型（平面目标显示）等。目前，医院中用的最多的是B型USG设备，俗称B超，其横向分辨力可达到2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。利用US多普勒系统，可实现各种血流参量的测量，是近年来广泛应用的又一种US技术。临床上，USG设备在甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有其独到之处。目前UCT所需扫描时间较长，且分辨力低，有待于进一步改进与提高。但由于它是一种无损伤和非侵入式的诊断设备，因此将来可能成为主要的影像诊断设备。X线成像与US成像是当前用得最为普遍的两种检查方法，但对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。就X线来说，尽管现在已经显著地降低了诊断用剂量，但其危害性仍不容忽视。实践表明，它将导致癌症、白血症和白内障等疾病的发病率增加。而从现有资料来看，目前诊断用US剂量还未有使受检者发生不良反应的报道。此外，X线在体内沿直线传播，不受组织差异的影响，是其有利的一面，但不利的一面是难以有选择地对所指定的平面成像。对US波来说，不同物质的折射率变化范围相当大，这将造成影像失真。但它在绝大部分组织中的传播速度是相近的，骨骼和含有空气的组织（如肺）除外。US波和X线这些不同的辐射特性，确定了各自最适宜的临床应用范围。例如，US脉冲回波法适用于腹内结构或心脏的显像，而利用X线对腹部检查只能显示极少的内部器官（若采用X线造影法，也可有选择地对特定器官显像）；对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用US检查，用X线则可获得较为满意的结果。（四）核医学设备核医学设备通过测量人体某一器官（或组织）对标记有放射性核素药物的选择性吸收、储聚和排泄等代谢功能，实现人体功能成像。主要有γ相机、单光子发射型CT（singlephotonemissionCT，SPECT）和正电子发射型CT（positiveemissionCT，PET）。γ相机既是显像仪器，又是功能仪器。临床上可用它对脏器进行静态或动态照相检查。动态照相主要用于心血管疾病的检查。因为SPECT具有γ相机的全部功能，又具有体层功能，所以明显提高了诊断病变的定位能力