医学成像技术讲义第一章-概述-第二章-X射线成像

医学成像技术计算机X线摄影(computedradiography,CR)数字X线摄影(digitalradiography,DR)直接数字X线摄影(directdigitalradiography,DDR)计算机体层摄影(computedtomoraphy,CT)磁共振成像(magneticresonanceimage;MRI)数字减影血管造影(digitalsubtractionangiography;DSA)超声成像(ulstransonography,USG)正电子发射体层成像(positronemissiontomography,PET)参考文献胡军武，医学数字成像技术，湖北科学出版社，2001.9高上凯，医学成像系统，清华大学出版社，2000.3高文，计算医学工程与医学信息系统，清华大学出版社，2000.3传统诊断：望、闻、问、切定性诊断第一章概述一、疾病诊断方式与手段的巨大变革从看不见到看见X射线成像CT核磁共振19世纪开始—看到病变超声DSAfMRIPETSPECT20世纪—看到功能与代谢多维成像多模式成像多参数成像二、医学成像技术的发展趋势二维医学图像已经成为临床诊断和医学研究中的重要依据，有效地提高了诊断的准确性。但对医学图像的理解是一个复杂的过程。由于人体脏器结构是三维空间分布，仅仅依靠一幅或几幅二维图像来理解三维结构有一定的局限性。多维成像为了给医生提供真正的三维结构显示图，自七十年代开始就有人着手研究医学三维成像的方法。早期的三维成像曾经采用过全息摄影等方法。随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，医学三维成像在近十年中有了很大的进步，并在临床应用中发挥着越来越重要的作用。有人将三维图像随时间变化的序列图像称为四维图像。所谓的“四维图像”就是动态的三维图像。当在屏幕上看到一颗立体的跳动的心脏或其他脏器时，就如同看到一个活生生的人。这样的动态图像无疑会对治疗带来益处。三维或四维成像被统称为“多维成像”。是今后医学成像技术中的热点。以三维成像为例，其过程涉及的主要问题有数据采集、三维重构及显示等。临床诊断及治疗计划的制定往往需要来自不同成像方式的图像信息。不同的断层成像技术，如X-CT、MRI和PET等各有特点，且携带不同的生理、病理、功能或解剖学方面的信息。这些信息通常还起到了互相补充的作用。多模式成像如发射型CT能提供脏器功能方面的信息，但从解剖学角度看，它表现出的空间分辨率是比较低的。反之，X-CT和MRI等图像能够清晰地描述脏器解剖结构，但对其功能缺乏敏感性。如果把不同来源的图像融合在一起，构成所谓的多模式图像（Multi-modalimages），就有可能根据多方面的信息来提高对疾病的诊断效果。例如，我们可以从MRI获得断面解剖图与血管像（包括血管解剖、血流灌注及扩散等）；可以从PET图像观察代谢功能；还可以从CT图像观察骨架、钙化的解剖结构等。把这些信息综合在一起，对神经内科病人的诊断是很有用的。在CT成像中，由于骨组织对X线有较大的吸收系数，因此对骨组织很敏感；而MRI成像中，骨组织含有较低的质子密度，所以MRI成像对骨组织和钙化点信号较弱，融合后的图像对病变的定性、定位有很大的帮助CT与MRI配准与融合医学图像大致可以分为以下几种类型：反映解剖结构的形态学图像；反映脏器功能的功能性图像；用于组织定征的组织物理参数图像。为了扩大医学图像在临床诊断中的应用范围并提高诊断的有效性，针对不同的需要不断研究新的成像方法与新的成像参数也是很必要的。对于同一个人体断面，形成不同物理或化学参数的图像，就是所谓的多参数成像。多参数成像如在超声成像系统中，对于同一个心脏的断面，可以构成只反映其解剖结构的B型断层图像，也可以通过检测成像断面中的血流信息，形成所谓的彩色多普勒血流图。对断面中的心肌来说，可以只看其静止的断面结构，也可以给出收缩或舒张时的运动速度或加速度图像。多种参数的综合应用提高了对心脏疾病诊断的准确性。又如近年来出现的功能性磁共振成像系统（functionalMagneticResonanceImaging，简称fMRI），采用了平面回波成像法（echo-planarimaging，简称EPI），实现了超高速的数据采集，从而解决了“实时”脑功能成像的问题。与传统的MRI相比，fMRI不仅保存了很高的图像空间分辨率，而且获得了很高的时间分辨率。因此，除了用它来获取断面的解剖形态结构图外，还可以获得一些新参数的图像，如扩散图像、灌注图像以及与事件相关的脑功能图像。这些新参数图像为临床诊断与脑功能成像开辟了一个新的天地。1、医疗影象设备用计算机•输入信息除了接收来自键盘输入的信息外，还可接收自身数据采集系统(dataacquisitionsystem;DAS)。•主控汁算机控制着多级的彼此相互独立的CPU系统。多CPU提高处理速度。•图象存储设备：硬盘、磁带、光盘、磁盘阵列。三、医学数字成像技术的基础图1.1数据采集系统的结构2、数据采集(1)数据采集系统的组成数据收集处理器发射源：不同的成像方法发射源的介质不同UCR、DR、DDR、DSA和CT其发射源为X射线；UMRI的发射源是射频脉冲；UUSG的发射源是超声波；UNM的发射源是某些具有放射性的同位素。被检体：当被捡体受接到来自发射源的信号后，体内组织使信号发生改变，离开被检体到探测器/接收器。探测器/接收器：探测器/接收器是收集经过人体后并带有体内信息的信号，再转递到下一个采集单元。采样器：采样器接收到上一级转递的信号，首先经滤过器对它进行滤过，再经模数转换器(analogue-to-digitalconverter，A/D)将模拟图象(analogueimage)转化成数字图像(digitalimage)。采集到的原始数据必须送到RDCP数据收集处理器：数据收集处理器(reconstructionanddatacollectionprocessor，RDCP)可以把原始数据根据诊断的需要进行各种后处理。记录：采集数据的最终目的是为了记录人体内的不同组织信息，供疾病的诊断，治疗和复查模拟采样：X线片的密度(density)是随空间位置分布的连续函数，照片上点和点之间是连续的，中间没有间隔，而感光密度随坐标点的变化也是连续的。它反映了入射线的X线强度的空间分布。数字影像的图像矩阵(matrix)则是一个整数数值的二维数组。整幅图像被分解成有限个小区域，每个这种小区域中图像密度的平均值用一个整数来表示，这个小区域被称为象素（pixel）。(2)数据采集的原理图1.2A为一幅手的X线照片。其中有一条横线。图1.2B给出了横线上的一维像的密度随距离变化的连续函数；图1.2C是用数字表示的—维数字图像。在进行数字化时，采取每2mm间隔采一个点。即每个象素的宽度为2mm。像素密度数值用O-255共256个整数表不。256=28，像素密度用8位二进制数表示。取横线宽度力1mm，把整幅图像划分为若干条横线，这样每个象素即为1mm×2mm。在扫描中，这个宽度叫层厚（slicethickness)。每条横线可获得一幅一维图像。这些一维数字图像就可以组合成一幅二维数字图像。将二维图像变成一系列一维图像的过程，在物理上可用时间扫描来完成。再通过A/D转换器变为离散的数字序列。这样，原始的数字图像就产生了。图1.2数据采集完成数据的采集要用A/D转换器，而数据的精确还取决A/D转换器的量化精度。数字图像要在屏幕上显示，也离下开D/A转换器。它主要有以下两项性能指标。(a)转换速度连续模拟信号首先在时间上进行采样，将连续的时间信号用按一定间隔采集的离散值来表示。采样定理告诉我们，当采样的频率高于连续时间信号最高频率两倍以上时，用采样得到的离散时间序列可以完全恢复原来的连续时间信号而不损失任何信息。采样频率就是A/D转换器的变换频率。(3)A/D与D/A转换器（b）变化精度和动态范围模拟信息的表示范围没有限制，但所接收到模拟量具有有限的动态范围。整数数字量的变化是离散的，数字位数愈多，能表示的数字量的范围就愈大。A/D转换器的精度应与所转换的模拟信号的信噪比(signal-to-noiseratio，SNR）动态范围相适应。D/A转换器的精度和动态范围要求较A/D转换器略低一些在1895年，德国物理学家威廉伦琴发现了X射线，被认为是19世纪的重大发现。这种“新光线”被应用于检查骨折和确定枪伤中子弹的位置。尽管X射线最初被医学目的使用，但该新技术的理论也被应用到无损检测领域。例如，早期锌板的X射线，暗示了焊接质量控制的可能性，20世纪初期，X射线被应用于锅炉检测。第二章X射线成像系统2.1X射线成像技术的发展历史红外线紫外线电磁光谱的波长范围紫外线红外线的红外线红外线红外线红外线红外线同X射线有关的诺贝尔奖1901伦琴(Roentgen)发现X射线(1895)1914劳厄（Laue）晶体的X射线衍射1915布拉格父子(Bragg)分析晶体结构1917巴克拉(Barkla)发现元素的标识X射线1924塞格巴恩(Siegbahn)X射线光谱学1927康普顿(Compton等六人)康普顿效应1936德拜(Debye)化学1946马勒(Muller)医学1962沃生(Wason等三人)医学1964霍奇金(Hodgkin)化学1979柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield）医学1981塞格巴恩(Siegbahn)物理X射线管阳极（对阴极）阴极104~105V+光电效应：光子能量逸出功+动能逆效应：电子损失动能产生光子(X射线)被加速的电荷会辐射出电磁能(光子)例：考察一下快电子靠近一个带正电的原子核，并从原子核旁边偏转时产生光子。快电子原子核慢电子EK1EK2h光子在碰到靶之前，每个电子获得的动能EK=eV。电子碰击在靶上而被减速，并在碰撞中基本上停下来。每个电子因与靶冲击而损失掉它的动能EK=eV。虽然绝大部分表现为靶中热能，但这动能的很小一部分却由于轫致辐射过程而产生电磁辐射。碰击靶的任意一个电子都能与靶中原子作多次轫致辐射碰撞，因而产生许多光子。偶然有一个电子一次碰撞就停下来，它的全部能量都转化为一个光子的电磁能，在这种情况下产生能量最高的光子。X射线的产生条件：(1)用某种方法得到一定数量的自由电子。如给阴极的灯丝加一个低电压，灯丝加热后会发射电子。(2)迫使这些电子在一定方向上高速运动。如在X射线管的两极间加上高压。(3)在电子运动的路径上设置一个急剧阻止其运动的障碍物如阳级端靶X射线穿过人体时，会出现衰减这种衰减主要是由相干散射光电吸收康普顿(Compton)散射引起的X射线成像的原理（P13-14)在1922—1923年间，康普顿在用X射线作光散射实验时，发现：X射线被散射后，除部分波长没有改变外，还有部分波长变长，这种现象称为康普顿效应（康普顿散射）。一些能量较大的X射线光子撞击原子外层那些松散的电子，使其脱位，此时X光子只将一部分能量传给被击脱的电子使其获得动能，光子自身的能量并没有消失，只是能量减少且方向发生改变。X射线成像系统的基本结构X射线发生装置X射线源组件、高压发生器X射线成像装置影像增强器、荧光屏、电视系统、电影摄影机、录像装置等。辅助设备主要包括机械设备，如检查床、各种支撑、保持装置等。在19世纪下半页，X射线技术---尽管长期不变--没有发生巨大的变化，由射线源发射的X射线穿过物体，然后通过胶片或荧光屏接受。胶片的对比度和空间分辨率，随胶片的速度和X射线源的控制，使用带胶片的荧光增感屏，在低能量下，得到了较好的图像效果。(1)胶片式在20世纪50年代，随着图象增强器的出现，发生了巨大的变化，第一次得到了实时的清晰的图像。通过图像放大器，从荧光屏上采集X射线，聚焦在另外一个屏上，可以直接观察或通过高质量的TV或CCD摄像机观察。对于实时成像，虽然图象增强器具有强大的性能，直到最近之前仍然选择胶片保存大的图像、高质量的空间分辨率及对比度。(2)计算机化的