医学影像成像原理简介

医学影像成像原理1X线成像原理2X-CT成像原理3MRI成像原理4超声波成像原理5核医学设备成像基本原理1X线成像原理X线的本质：电磁辐射常用X线诊断设备：X线机、数字X线摄影设备（DSA、CR、DR）和X线计算机断层扫描设备（X线CT）等。1.1X线的特征1.2X射线成像原理1.3计算机X线摄影（CR）1.4直接数字化X线摄影系统（DR）3.1.1X线的特征3.1.1X线的特征X射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短的射线X射线的频率约在3×1016～3×1020Hz之间，波长约在10～10-3nm之间X线诊断常用的X线波长范围为0.008～0.031nm3.1.1X线的特征1.X射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象性。X射线在传播时，它的波动性占主导地位，具有频率和波长，且有干涉、衍射、偏振、反射、折射等现象发生。X射线在与物质相互作用时，它的粒子特性占主导地位，具有质量、能量和动量。3.1.1X线的特征2.X射线与物质间的相互作用(6点)（1）X射线的穿透作用。其贯穿本领的强弱与物质的性质有关3.1.1X线的特征2.X射线与物质间的相互作用（2）X射线的荧光作用。X射线是肉眼看不见的，但当它照射某些物质时，如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙等，能够使这些物质的原子处于激发态，当它们回到基态时就能够发出荧光，这类物质称荧光物质。医学中透视用的荧光屏、X射线摄影用的增感屏、影像增强器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。（3）X射线的电离作用。X射线虽然不带电，但具有足够能量的X光子能够撞击原子中轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。电离作用也是X射线损伤和治疗的基础。3.1.1X线的特征2.X射线与物质间的相互作用（4）X射线的热作用。X射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热能，使物体温升。（5）X射线的化学效应(感光作用和着色作用)。X射线能使多种物质发生光化学反应。例如，X射线能使照相底片感光。（6）X射线的生物效应。生物组织经一定量的X射线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。3.1.2X射线成像原理当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-raytube，球管）。1．X射线的产生X射线的产生需要的基本条件是：（1）有高速运动的电子流；（2）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量。3.1.2X射线成像原理X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源，如图3.2所示。3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像使用X射线对人体进行照射，并对透过人体的X射线信息进行采集、转换，并使之成为可见的影像，即为X射线人体成像。（1）X射线影像的形成当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时，X射线一部分被吸收和散射，另一部分透过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异，对投照在其上的X射线的吸收量各不相同，从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息，最终形成X射线信息影像。X射线信息影像不能为人眼识别，须通过一定的采集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光的强度分布，形成人眼可见的X射线影像。3.1.2X射线成像原理②人体不同厚度组织与X线成像的关系密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示①医用X射线胶片与增感屏医用X射线胶片的主要特性是感光，即接受光照并产生化学反应，形成潜影（latentimage）。经过对有潜影的胶片处理（暗室处理：显影、定影等）。使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度（gray）分布像。胶片感光层中的卤化银还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高，则吸收X射线多，在X射线照片上呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上呈黑影。3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示①医用X射线胶片与增感屏医用X射线增感屏为荧光增感屏，其增感原理为增感屏上的荧光物质受到X射线激发后，发出易被胶片所接收的荧光，从而增强对X射线胶片的感光作用。主要目的是：在实际X射线摄影中，仅有不到10%的X射线光子能直接被胶片吸收形成潜影，绝大部分X射线光子穿透胶片，得不到有效的利用。因此需要利用一种增感方法来增加X射线对胶片的曝光，以缩短摄影时间，降低X射线的辐射剂量。常采用的增感措施是在暗盒中将胶片夹在两片增感屏（intensifyingscreen）之间，然后进行曝光。3.1.2X射线成像原理2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示②X射线电视系统X射线电视系统主要包括X射线影像增强器、光学图像分配系统、含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。X射线影像增强管是影像增强器的核心部件。3.1.3计算机X线摄影（CR）计算机X线摄影（ComputedRadiography，CR）是将X线透过人体后的信息记录在成像板（ImagePlate，IP）上，经读取装置读取后，由计算机以数字化图像信息的形式储存，再经过数字/模拟（D/A）转换器将数字化信息转换成图像的组织密度（灰度）信息，最后在荧光屏上显示。其中，成像板是CR成像技术的关键。3.1.3计算机X线摄影（CR）1.成像板（IP）成像板（IP）是使用一种含有微量素铕（Eu2+）的钡氟溴化合物结晶制作而成能够采集（记录）影像信息的载体，可以代替X线胶片并重复使用2-3万次。当透过人体的X线照射到IP板上时可以使IP板感光并形成潜影以记录X线影像信息。成像板的构造：（1）表面保护层。（2）辉尽性荧光体层。（3）基板（支持体）。（4）背面保护层。3.1.3计算机X线摄影（CR）2.CR系统成像的基本过程（1）影像信息的采集：（2）影像信息的读取：与普通X摄影相比较，CR的优点是：①宽容度大，摄影条件易选择。②可降低投照辐射量：CR可在IP获取信息的基础上自动调节放大增益，最大幅度地减少X线曝光量，降低病人的辐射损伤。③影像清晰度较普通片高。④对影像可进行后处理，对曝光不足或过度的胶片可进行后期补救。⑤可进行图像传输、存储。⑥由于激光扫描仪可以对IP上的残留信号进行消影处理，IP板可重复使用2-3万次。3.1.4直接数字化X线摄影系统（DR）直接数字化X射线摄影（DigitalRadiography，DR）是在具有图像处理功能的计算机控制下，采用一维或二维的X射线探测器直接把X射线信息影像转化为数字图像信息的技术。当前DR设备主要采用二维平板X射线探测器（flatpaneldetector，FPD)，包括：（1）非晶态硅平板探测器先经闪烁发光晶体转换成可见光，再转换为数字信号（2）非晶态硒平板探测器将X线直接转换成数字信号3.1.4直接数字化X线摄影系统（DR）（3）DR与CR成像技术的比较3.2X-CT成像原理•X-CT与X射线摄影相比较有很大区别，X射线摄影产生的是多器官重叠的平片图像•CT是用X射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，显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像，可以显著的扩大人体的检查范围，提高病变的检出率和诊断的准确率X射线平片与CT断层对比图2.1.X-CT成像技术•X-CT（X-raycomputedtomography,X-CT）是运用扫描并采集投影的物理技术，以测定X射线在人体内的衰减系数为基础，采用一定算法，经计算机运算处理，求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵，再将其转为图像上的灰度分布，从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术，X-CT成像的本质是衰减系数成像。3.2.1.X-CT成像技术1.X-CT成像装置与流程X-CT成像装置主要由X线管、准直器、检测器、扫描机构，测量电路、电子计算机、监视器等部分所组成的。X-CT成像流程是：X线----准直器（可以大幅度地减少散射线的干扰,并可决定扫描层的厚度）----检测器-----转变电信号------放大电信号----转变为数字信号----计算机系统----存入计算机的存贮器----编码----显示图像3.2.1.X-CT成像技术2.X-CT成像的数据采集与处理X-CT成像的数据采集是利用X线管和检测器等的同步扫描来完成的。检测器是一种X线光子转换为电流信号的换能器。X-CT成像的数据采集根据X-CT成像的物理原理进行的。X线管发出直线波束3.2.2X-CT的扫描方式CT的各种扫描方式中，单束平移-旋转方式、窄扇形束扫描平移-旋转方式、旋转-旋转方式、静止-旋转方式的共同点是都需要X射线管和检测器之间进行同步扫描机械运动。为满足人体动态器官的检查，需要进一步提高扫描的速度，在静止-旋转扫描模式基础上发展出来的电子束扫描方式，没有机械运动，大大地提高了扫描速度。2.2X-CT的扫描方式1.单束平移-旋转（T/R）方式单束扫描是由一个X射线管和一个检测器组成，X射线束被准直成笔直单射线束形式，X射线管和检测器围绕受检体作同步平移-旋转扫描运动。这种扫描首先进行同步平移直线扫描。当平移扫完一个指定断层后，同步扫描系统转过一个角度（一般为1°）后再对同一指定断层进行平移同步扫描，如此进行下去，直到扫描系统旋转到与初始值位置成180°角为止，这就是平移旋转扫描方式单束平移-旋转方式2.2X-CT的扫描方式1.单束平移-旋转（T/R）方式这种扫描方式的缺点:射线利用率极低，扫描速度很慢，对一个断层扫描约需5分钟时间，只适用于无体动器官的扫描。单束平移-旋转方式2.2X-CT的扫描方式2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式窄扇形束扫描称为第二代CT扫描。扫描装置由一个X射线管和6～30个的检测器组构成同步扫描系统。扫描时，X射线管发出角度为3°～20°的窄扇形射线束，6～30个检测器同时采样，并采用平移-旋转扫描方式。窄扇形束扫描平移-旋转方式2.2X-CT的扫描方式2.窄扇形束扫描平移-旋转（T/R）方式这种扫描的主要缺点是：由于检测器排列成直线，对于X射线管发出的扇形束来说，扇形束的中心射束和边缘射束的测量值不相等，需校正，否则扫描会因这种运动而出现运动伪影，影响CT图像的质量。窄扇形束扫描平移-旋转方式2.2X-CT的扫描方式3.旋转-旋转（R/R）方式这种扫描称为第三代CT扫描，扫描装置由一个X射线管和由250～700个检测器（或用检测器阵列）排列成一个可在扫描架内滑动的紧密圆弧形。X射线管发出张角为30°～45°，能覆盖整个受检体的宽扇形射线束。由于这种宽扇束扫描一次即能覆盖整个受检体，故只需X射线管和检测器作同步旋转运动。旋转-旋转扫描方式2.2X-CT的扫描方式3.旋转-旋转（R/R）方式这种扫描的缺点是：要对每个相邻检测器的接收灵敏度差异进行校正，否则由于同步旋转扫描运动会产生环形伪像。旋转-旋转扫描方式2.2X-CT的扫描方式4.静止-旋转（S/R）方式这种扫描称为第四代CT扫描方式，扫描装置由一个X射线管和600~2000个检测器所组成。在静止-旋转扫描方式中，每个检测器得到的投影值，相当于以该检测器为焦点，由X射线管旋转扫描一个扇形面而获得。静止-旋转扫描方式的优点是：每一个检测器上获得多个方向的投影数据，能很好地克服宽扇形束的旋转-旋转扫描方式中由于检测器之间差异所带来的环形伪影，扫描速度与静止-旋转方式相比也有所提高。检测器X线管轨迹X线管静止-旋转扫描方式3.2.2X-CT的扫描方式5.电子束扫描方式电子束扫描又称为第五代CT，扫描装置由一个特殊制造的大型X射线管和静止排列的检测器环组成。这种机构在50～100ms内能完成216°的局部扫描。电子束扫描方式3.2.3螺旋CT工作原理螺旋扫描是指在扫描期间，X线管连续旋转并产生X线束，同时扫描床在纵轴方向连