第一章成像技术与临床应用.ppt
绪论 第一章 成像技术与临床应用,1.1 X线成像1.2 CT成像1.3 MRI成像1.4 超声成像1.5 图像解读与形象诊断思维1.6 图像存档和传输系统与信息放射学,绪论,医学影像检查技术是应用临床医学影像成像设备，对病人进行检查并获得影像诊断医生所需资料的检查技术。医学影像检查技术主要包括内容：1.X线检查技术 2.CT检查技术 3.MR检查技术 4.超声检查技术 5.核医学成像检查技术 6.图像存档和传输系统（PACS）,1.1 X线成像,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。1.1.1 X线的特征1.1.2 X线的成像原理1.1.3 计算机X线摄影（CR）1.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）1.1.5 数字减影血管造影（DSA）1.1.6 X线检查技术,1.1.1 X线的特征,1.1.1 X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3101631020 Hz之间，波长约在1010-3nm之间 X线诊断常用的X线波长范围为0.0080.031nm,1.1.1 X线的特征,（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,1.1.1 X线的特征,（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。,1.1.1 X线的特征,（3）X射线的感光作用 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(Ag+)被还原成金属银(Ag)，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。所以，感光效应是X线成像的基础。,1.1.1 X线的特征,（4）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。（5）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。,1.1.2 X线的成像原理,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-ray tube，球管）。1X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。,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。,1.1.2 X线的成像原理,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。,1.1.2 X线的成像原理,人体不同密度组织与X线成像的关系,1.1.2 X线的成像原理,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,1.1.2 X线的成像原理,2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示 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（latent image）。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。,1.1.2 X线的成像原理,2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示 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（intensifying screen）之间，然后进行曝光。,1.1.2 X线的成像原理,2.X射线人体成像（2）X射线的采集与显示 X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。,1.1.2 X线的成像原理,计算机X线摄影（Computed Radiography，CR）是将X线透过人体后的信息记录在成像板（Image Plate，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。,1.1.3 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）光激发发光物质层。（3）基板（支持体）。（4）背面保护层。,1.1.3 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：宽容度大，摄影条件易选择。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。影像清晰度较普通片高。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。可进行图像传输、存储。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。,1.1.3 计算机X线摄影（CR）,直接数字化X射线摄影（Digital Radiography，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（flat panel detector，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,1.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）,（3）DR与CR成像技术的比较,1.1.4 直接数字化X线摄影系统（DR）,1.1.5 数字减影血管造影（DSA）,DSA是通过计算机处理数字影像信息，消除骨骼和软组织影像，使血管清晰显影的成像技术。DSA在使用时采用的方法有三种:时间减影、能量减影和混合减影。,1.1.6 X线检查技术,X线图像是由从黑到白不同灰度的影像所组成。这些不同灰度的影像反映了人体组织结构的解剖及病理状态。这就是赖以进行X线检查的自然对比。对于缺乏自然对比的组织或器官，可人为地引入一定量的在密度上高于或低于它的物质，便产生人工对比。因此，自然对比和人工对比是X线检查的基础。,1.1.6 X线检查技术,1.普通检查 荧光透视：简称透视。透视的主要优点是可转动患者体位，改变方向进行观察；了解器官的动态变化，如心、大血管搏动、膈运动及胃肠蠕动等；透视的设备简单，操作方便，费用较低，可立即得出结论等。主要缺点是荧屏亮度较低，影像对比度及清晰度较差，难于观察密度与厚度差别较少的器官以及密度与厚度较大的部位。例如头颅、腹部、脊柱、骨盆等部位均不适宜透视。另外，缺乏客观记录也是一个重要缺点。X线摄影：所得照片常称平片。这是应用最广泛的检查方法。优点是成像清晰，对比度及清晰度均较好；不难使密度、厚度较大或密度、厚度差异较小部位的病变显影；可作为客观记录，便于复查时对照和会诊。缺点是每一照片仅是一个方位和一瞬间的X线影像，为建立立体概念，常需作互相垂直的两个方位摄影，例如正位及侧位；对功能方面的观察，不及透视方便和直接；费用比透视稍高。,1.1.6 X线检查技术,2.特殊检查 软线摄影：采用能发射软X线的钼靶管球，用以检查软组织，特别是乳腺的检查。3.造影检查 人体组织结构中，有相当一部分，只依靠它们本身的密度与厚度差异不能在普通检查中显示。此时，可以将高于或低于该组织结构的物质引入器官内或周围间隙，使之产生对比以显影，此即造影检查。引入的物质称为造影剂。造影检查的应用，显著扩大了X线检查的范围。,1.1.6 X线检查技术,造影剂按密度高低分为高密度造影和低密度造影剂（1）高密度造影剂为原子序数高、比重大的物质。常用的有钡剂和碘剂（2）低密度造影剂为原子序数低、比重小的物质。目前应用于临床的有二氧化碳、氧气、空气等。,1.1.6 X线检查技术,造影方式（1）直接引入包括以下几种方式；口服法：食管及胃肠钡餐检查；灌注法：钡剂灌肠，支气管造影，逆行胆道造影，逆行泌尿道造影，瘘管、脓腔造影及子宫输卵管造影等；穿剌注入法：可直接或经导管注入器官或组织内，如心血管造影，关节造影和脊髓造影等。（2）间接引入造影剂先被引入某一特定组织或器官内，后经吸收并聚集于欲造影的某一器官内，从而使之显影。包括吸收性与排泄性两类。吸收性如淋巴管造影。排泄性如静脉胆道造影或静脉肾盂造影和口服法胆襄造影等。前二者是经静脉注入造影剂后，造影剂聚集于肝、肾，再排泄入胆管或泌尿道内。后者是口服造影剂后，造影剂经肠道吸收进入血循环，再到肝胆并排入胆襄内，即在蓄积过程中摄影，现已少用。,1.2 CT成像,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1.2.1 CT成像基本原理及设备1.2.2 CT图像特点1.2.3 CT检查技术1.1.4 CT诊断的临床应用,1.2 CT成像,NHousfield,科马克,1.2.1 CT成像基本原理与设备,1CT成像的基本原理 利用高度准直X线束环绕人体某一部位,并以一定层厚的层面进行断层扫描,部分X线光子被组织器官吸收,X线强度因而衰减,未被吸收的X线光子穿透人体后,由探测器接收,将其转变为可见光后,经放大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,输入计算机进行运算处理。,图象形成过程:CT每扫描一次，即可得到一个方程，经过若干次扫描，即得到一联立方程。经过计算机运算（傅立叶转换、反投影法等）可以解出这一联立方程，从而求出每个体素的X线吸收系数或衰减系数，将其排列成数字矩阵（digital matrix），数字矩阵经过数字/模拟转换器（D/A）把数字矩阵中的每个数字转变为由黑到白不同灰度的小方块，即像素（pixel），也按矩阵排列，即构成了CT图像。,1.2.1 CT成像基本原理与设备,1.2.1 CT成像基本原理与设备,CT影像设备的基本结构与工作原理流程,2CT影像设备的组成CT机主要分以下三部分：即 扫描系统（X线管、探测器和扫描架）;计算机系统（数据储存、运算等）;图像显示和存储、照相系统。,1.2.1 CT成像基本原理与设备,3.螺旋CT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续移动，这样，扫描区域X线束进行的轨迹相对被检查者而言呈螺旋运动，扫描轨迹为螺旋形曲线，这样可以一次收集到扫描范围内全部容积的数据，所以也称为螺旋容积扫描。螺旋CT扫描装置包括探测器、X线管滑环、机架与检查床、控制台与计算机。其中滑环技术是螺旋扫描的基础，螺旋扫描是通过滑环技术与扫描床的连续移动相结合而实现的。,1.2.1 CT成像基本原理与设备,多层螺旋CT，又称多层CT。它的结构特点是具备多排检测器和多个数据采集系统。,1.2.1 CT成像基本原理与设备,多层螺旋CT扫描特点：（1）降低X射线球管损耗。（2）扫描覆盖范围更长。（3）扫描时间更短。（4）扫描层厚更薄。,1.2.1 CT成像基本原理与设备,CT值：是CT图像中各种组织与X线吸收系数（值）相当的对应值，它是从人体组织器官的值换算出来的。CT值=(-w)/wa，其中和w分别为受检物和水的吸收系数（骨皮质吸收系数为2.0，空气吸收系数为0，水的吸收系数为1.0），a为分度因数。一般将人体组织CT值划分为2000个单位（HU），最上界为骨+1000HU，最下界为空气-1000Hu，水的理想CT值为0。CT值不是绝对不变的数值，与X线管电压、CT设备、扫描层厚等因素有关。CT值有助于大致判断组织类型，从而有助于提示疾病的诊断。,1.2.2 CT图像特点,普通CT扫描分平扫、对比增强扫描、造影扫描,1.2.3 CT检查技术,中枢神经系统疾病的螺旋CT诊断价值很高，其应用最早，也最普遍，如颅脑肿瘤、脑外伤、脑梗死及脑出血以及椎管内肿瘤和椎间盘突出等的诊断均有很高的价值。对头颈部疾病的CT诊断也很有价值，如眼眶肿瘤、鼻窦疾病、中耳及乳突疾病等。胸部由于具有优良的天然对比，螺旋CT诊断的价值日益显出优越性，尤其是HRCT的应用，对于早期肺肿瘤、肺小结节病变以及肺间质病变与肺功能的评价均有很大的诊断价值，有成为肺脏疾病常规影像检查的趋势。腹部及盆腔疾病的CT诊断也应用日益广泛，主要应用于肝脏、胆道、胰腺、脾脏、腹腔与腹膜后腔以及泌尿和生殖系统疾病的诊断；但螺旋CT技术在胃肠道等管腔脏器疾病的检查中，尤其是对早期病变的显示和诊断还有一定的限度。骨骼肌肉系统疾病多通过X线检查即可以明确诊断，CT应用相对较少，但对于肿瘤病变的观察和解剖结构复杂部位骨折的显示可以选择应用CT检查。CT检查是属于有一定X射线辐射的技术方法，在临床应用中应掌握防护的原则，如时间防护、距离防护及屏蔽防护等。,1.2.4 CT诊断的临床应用,磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）是一多种特征参数、多种靶位核素的成像技术。磁共振成像基本原理:利用特定频率的电磁波，向在磁场中的人体进行照射，人体内各种不同组织的氢核在电磁波的作用下会发生核磁共振，并吸收电磁波的能量，随后再发射出电磁波，MRI系统接收电磁波经过计算机处理和图像重建，即可得到人体的断层图像。,1.3 MRI成像,在磁场中旋转的原子核有一个特点，即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使原子核的能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这种现象称为磁共振现象(magnetic resonance，MR)。,1.3 MRI成像,MRI成像方法是将检查层面分成体素信息，用接收器收集信息，数字化后输入计算机处理，同时获得每个体素的T1（纵向弛豫时间，指高能态的核将其能量转移到周围分子而转变成热运动，从而恢复到低能态的过程所需要的时间）值与T2（横向弛豫时间，通过相邻的同种核之间的能量交换来实现，反映横向磁化衰减、丧失的过程所需要的时间）值，用转换器将每个T值转为模拟灰度，而重建图像。当MRI应用于人体成像时，由于人体各组织与器官的T值不同，从而形成不同的影像。,1.3 MRI成像,MRI成像的指导思想是用磁场值来标定受检体共振核的空间位置。（1）层面的选择 将待测物体置于一均匀磁场B0中，设磁场方向是Z轴方向，在均匀磁场的基础上，再叠加一相同方向的线性梯度场GZ使磁感应强度沿Z轴方向由小到大均匀改变。,1.3 MRI成像,层面的选择,（2）编码 编码是将研究的物体断层分为若干个体素，对每个体素标定一个记号，常用nz ny nx来标定层面每个体素的标号。经过选片后取出层面的若干个体素，由于整个层面处于相同的磁场中，故每个体素中的磁矩在磁场中旋进的频率和相位均相同。目前MRI使用的是频率与相位二种编码方法。,1.3 MRI成像,选片后层面的若干个体素,（3）图像重建 经过选片、相位编码和频率编码，可以对整个层面的体素进行标定。由于观测层面中的磁矩是在RF脉冲激励下旋进，因此停止RF脉冲照射时，各体素的磁矩在回到平衡态的过程中，磁矩的方向发生变化，在接收线圈中可以感应出这种由于磁矩取向变化所产生的信号。这种感应信号是各个体素带有相位和频率特征的MR信号的总和。为取得层面各体素MR信号的大小，需要根据信号所携带的相位编码和频率编码的特征，把各体素的信号分离出来，这一过程称为解码，由计算机完成。,1.3 MRI成像,2.人体的磁共振成像氢核是人体MRI的首选核种。(人体内水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构)除了氢核密度可以作为成像特征信息外，人体不同组织的T1、T2值也可以提供诊断依据。人体组织的MR信号强度取决于该组织中的氢核密度及其氢核周围的环境。T1、T2反映了氢核周围环境的信息。换句话说，人体不同组织之间、正常组织与该组织中的病变组织之间氢核密度、T1和T2三个参数的差异及变化，是MRI用于临床诊断最主要的物理学依据。,1.3 MRI成像,磁共振成像系统主要由磁场系统、射频系统、图像重建系统三大部分组成。1.磁场系统（1）静磁场。（2）梯度磁场。（3）场强与精度。2.射频系统（1）射频发生器。（2）射频接收器。,1.3 MRI成像,一、灰阶成像 MRI的影像虽然也以不同灰度显示，但反映的是MR信号强度的不同或弛豫时间T1与T2的长短，而不象CT图象，灰度反映的是组织密度。MRI的图像如主要反映组织间T1特征参数时，为T1加权象（T1weighted image，T1WI），它反映的是组织间T1的差别。如主要反映组织间T2特征参数时，则为T2加权像（T2weighted image，T2WI）。因此，一个层面可有T1WI和T2WI两种扫描成像方法。分别获得T1WI与T2WI有助于显示正常组织与病变组织。正常组织，如脑神经各种软组织间T1差别明显，所以T1WI有利于观察解剖结构，而T2WI则对显示病变组织较好。在T1WI上，脂肪T1短，MR信号强，影像白；脑与肌肉T1居中，影像灰；脑脊液T1长；骨与空气含氢量少，MR信号弱，影像黑。在T2WI上，则与T1WI不同，例如脑脊液T2长，MR信号强而呈白影。表1-5-2是例举几种组织在T1WI和T2WI上的灰度。,1.3 MRI成像,1.3 MRI成像,二、流空效应心血管的血液由于流动迅速，使发射MR信号的氢原子核离开接收范围之外，所以测不到MR信号，在T1WI或T2WI中均呈黑影，这就是流空效应（flowing Void）。这一效应使心腔和血管显影，是CT所不能比拟的。三、三维成像MRI可获得人体横面、冠状面、矢状面及任何方向断面的图像，有利于病变的三维定位。一般CT则难于作到直接三维显示，需采用重建的方法才能获得状面或矢状面图像以及三维重建立体像。四、运动器官成像采用呼吸和心电图门控（gating）成像技术，不仅能改善心脏大血管的MR成像，还可获得其动态图象。,1.3 MRI成像,MRI诊断广泛应用于临床，时间虽短，但已显出它的优越性。在神经系统应用较为成熟。三维成像和流空效应使病变定位诊断更为准确，并可观察病变与血管的关系。对脑干、幕下区、枕大孔区、脊髓与椎间盘的显示明显优于CT。对脑脱髓鞘疾病、多发性硬化、脑梗塞、脑与脊髓肿瘤、血肿、脊髓先天异常与脊髓空洞症的诊断有较高价值。纵隔在MRI上，脂肪与血管形成良好对比，易于观察纵隔肿瘤及其与血管间的解剖关系。对肺门淋巴结与中心型肺癌的诊断，帮助也较大。心脏大血管在MRI上因可显示其内腔，所以，心脏大血管的形态学与动力学的研究可在无创伤的检查中完成。对腹部与盆部器官，如肝、肾、膀胱，前列腺和子宫，颈部和乳腺，MRI检查也有相当价值。在恶性肿瘤的早期显示，对血管的侵犯以及肿瘤的分期方面优于CT。骨髓在MRI上表现为高信号区，侵及骨髓的病变，如肿瘤、感染及代谢疾病，MRI上可清楚显示。在显示关节内病变及软组织方面也有其优势。MRI在显示骨骼和胃肠方面受到限制。MRI还有望于对血流量、生物化学和代谢功能方面进行研究，对恶性肿瘤的早期诊断也带来希望。,1.3 MRI成像,在完成MR成像的磁场强度范围内，对人体健康不致带来不良影响，所以是一种非损伤性检查。但是，MRI设备昂贵，检查费用高，检查所需时间长，对某些器官和疾病的检查还有限度，因之，需要严格掌握适应证。,1.3 MRI成像,1.3 MRI成像,
