医学影像系统原理1.ppt
医学影像系统原理导论,2,一、什么是医学影像技术？二、医学影像技术分类三、医学影像技术在临床医学及医学研究中的应用四、医学影像技术发展与未来,目录,3,什么是医学影像技术？,医学影像技术是借助于某种介质(如X-射线、电磁场、超声波、放射性核素等)与人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以影像的方式表现出来，提供给诊断医生，使医生能够根据自己的知识和经验针对医学影像中所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的一门科学技术（李月卿，李萌，医学影像成像原理，人民卫生出版社，）。,What is medical imaging?,Medical imaging is the technique and process used to create images of the human body(or parts and function thereof)for clinical purposes(medical procedures seeking to reveal,diagnose or examine disease)or medical science(including the study of normal anatomy and physiology).Although imaging of removed organs and tissues can be performed for medical reasons,such procedures are not usually referred to as medical imaging,but rather are a part of pathology.,医学影像技术与医学影像学,6,SPECT,PET/CT,光声成像,11,MRI images acquired on 7T Varian/Magnex,超声图像,13,医学影像技术所涉及的专业领域,医学影像成像，medical imaging,又称为医学成像，是指对于人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等信息的获取，以及图像的形成、存储、处理、分析、传输、识别与应用的一门多学科交叉科学技术，它涉及到物理学、材料、计算机、图像处理、医学等，是医学物理学的重要分支。医学影像成像主要内容可归纳为三大部分：医学影像成像原理、医学影像处理技术和医学影像临床应用技术。,14,医学影像技术与系统,医学影像技术的目的就是要研究各种成像系统原理、技术与处理算法,积累有关成像系统软硬件基础知识.其目标是培养能够胜任使用、设计与研制成像系统的医学物理师（Medical physicist）,以便为医学成像设备的研制,生产,维护和使用提供所需要的工程技术人员。能够进行医学成像并提供处理、传输、管理等功能的硬件和软件系统的总和称之为医学影像系统。,15,医学影像成像技术分类,医学影像成像技术根据所研究的内容和层次，按其成像原理和技术的不同，可分为两大领域：一是以研究生物体微观结构为主要对象的生物医学显微成像（Bio-medical micro-imaging,BMMI）;二是以人体宏观解剖结构及功能为研究对象的现代医学成像(modern medical imaging,MMI)。,16,现代医学影像成像技术分类,X射线成像：测量穿过人体组织、器官后的X射线强度磁共振成像：测量人体组织中同类元素原子核的磁共振信号；超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波；核素成像：测量放射性药物在体内发射出的射线；光学成像：直接利用光学及电视技术观察人体器官的形态；红外、微波成像：测量人体表皮的红外和体内的微波辐射信号。,17,医学成像系统的评价,医学成像的模式或方法粗略地可以分为两类：在大多数情况下，医学影像的获得有赖于某种形式的能量与人体组织相互作用的物理过程（如X-射线、超声成像、核磁共振成像等）；也有一些医学成像是反映人体生命过程中自身所发出的某种信息（如红外成像等）。在透视方法成像时，并不是所有的电磁波都可以用来进行医学成像。需要考虑的主要因素是分辨率与衰减，从分辨率的角度考虑，用于成像的电磁波的波长至少应小于1厘米。此外，当射线照射人体组织时，人体组织会将其部分吸收或散射，或者说对射线起到某种衰减作用。如果衰减过快，那么只有少量的射线透过人体，很难检测到。反之，若射线几乎毫无衰减地透过人体，则不可能得到对比清晰的图像。,18,医学成像系统的评价,形态学成像与功能成像。X射线成像等所能够显示的是人体结构的解剖学形态，对于疾病的诊断主要是依据形态学上的密度变化，它较难在病理研究中发挥作用。尽管放射性同位素成像的分辨率是比较低的，但是它能直接显示脏器功能，特别是代谢方面的问题，功能成像在临床诊断与医学研究中已越来越显示出它的作用。对人体的安全性。电离辐射对人体造成的损伤可大致分为两种：一种属于对照射体的直接损伤，如局部发红、脱发、增加某种疾病，如白血病的发病率等；另一种损伤是属于遗传性的，可能影响到下一代。,伦琴发现X射线的故事,他先把一个涂有磷光物质的屏幕放在放电管附近，结果发现屏幕马上发出了亮光。接着，他尝试着拿一些平时不透光的较轻物质比如书本、橡皮板和木板放到放电管和屏幕之间去挡那束看不见的神秘射线，可是谁也不能把它挡住，在屏幕上几乎看不到任何阴影，它甚至能够轻而易举地穿透15毫米厚的铝板！直到他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上才出现了金属板的阴影看来这种射线还是没有能力穿透太厚的物质。接下来更为神奇的现象发生了，当这位学者小心翼翼地伸出手掌，试图挡在放电管与屏幕之间时，他居然发现自己的手骨和手的轮廓被清晰地映射到了屏幕的上面。原来这是这种射线一个更为奇特的性质：具有相当强度的X射线，可以使肌体内的骨骼在磷光屏幕或者照相底片上投下阴影！,19,20,X-射线成像系统的历史与发展,X-ray photograph taken by Wilhem Conrad Roentgen(1845-1923),of his wifes hand in December 1895(some sources give the date as 22 December 1895).,21,X-射线成像,X-射线的发明是医学影像发展史上的重要里程碑。于是，基于人体不同器官和组织对X-射线的不同吸收的基本原理，我们可以采用不同量化等级（即灰度）对于人体组织密度进行表征，从而区分不同器官和组织，达到对人体内部进行成像的目的。Wilhem Conrad Roentgen 因发明了X-射线成像技术于1901年12月10日荣获首次诺贝尔物理学奖。,22,X-射线成像发展经历,模拟X射线成像增感屏-胶片成像系统计算机X射线成像数字减影血管造影DSA(Digital subtraction angiography)CR（computed radiography):采用可纪录并由激光读出X射线的成像板(Imaging plate,IP)DR（digital radiography):采用平板探测器(Flat panel detector,FPD)的数字X射线成像,23,什么是X射线？,X射线是由于在真空条件下，高速运动的电子撞击到金属原子内部，使原子核外层轨道电子发生跃迁而放射的一种能。X射线的产生，必须具备以下条件：电子源；在真空条件下，高电压产生的强电场和高速运动的电子流；适当的障碍物（靶面）来接受高速运动电子所带的能量，使高速电子所带的动能部分转变为X射线能。硬X射线(8-80pm,15-150Kev)、软X射线(80pm-8nm,150ev-15Kev),电磁波频谱分布图,24,25,26,X 射线机基本构成,27,C臂X光机,28,29,CT成像发展经历,1972年英国工程师G.N.Hounsfield发明了X射线计算机断层成像（X-ray computed tomography,X-CT）扫描方式：单束平移-旋转方式窄扇形束平移-旋转方式宽扇形束旋转-旋转方式宽扇形束静止-旋转方式电子束扫描,30,31,左-Fenster教授，右-Peters教授,与Fenster和Peters教授在2005年世界医学成像大会上合影,32,与美国GE公司CT医学成像部首席科学家谢强教授合影,34,CT成像发展经历,三维CT(3-dimensional CT)螺旋CT（Spiral CT)多层CT(Multi-slice CT)：1998年11月北美放射学会年会(Radiology Society in Northern America,RSNA)上推出了多层CT系统。如今,28排、256排乃至320排多层CT系统已投入临床应用。锥体CT(Cone bean CT),35,三维CT图像,1930年代，物理学家伊西多拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。,36,核磁共振成像发展经历,37,核磁共振成像发展经历,1946年，美国哈佛大学的E.Purcell及斯坦福大学的F.Bloch领导的两个研究小组各自对立地发现了核磁共振现象。由于这一发现在物理和化学领域具有的重要意义，E.Purcell和F.Bloch两人共同获得了1952年的诺贝尔物理奖。1971年美国纽约州立大学的R.Damadian利用核磁共振仪对鼠的正常组织和癌变组织样品研究发现，癌变组织的T1,T2驰豫时间值比正常组织长。,38,核磁共振成像发展经历,1973年美国纽约州立大学的P.Lauterbur利用梯度磁场进行空间定位，用两个充水试管获得了第一幅共振图像。1978-1980年磁共振成像方法得到不断发展，先后研究出梯度选层方法、相位编码成像方法、自旋回波成像方法以及傅立叶变换成像方法等。1978年在英国取得了第一幅人体头部的磁共振图像。此后，又获得了人体的第一幅胸、腹部图像。2003年，保罗劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得曼斯菲尔因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。,40,核磁共振成像发展经历,1980年磁共振机以商品出售磁共振血管成像（Magnetic resonance angiography）:时间飞跃法（Time of flight）相位对比法(Phase contrast)对比增强法(Contrast enhanced MRA),41,人脑核磁共振图像,42,GE 3T MRI Scanner,开放式磁共振成像系统,国产开放式磁共振成像系统(0.3T),Animation from 3D MRI,45,46,47,超声成像技术发展经历,人耳能够感知的声音频率在，频率高于该范围的叫做超声波，简称超声。1950年，美国的D.H.Howry利用复合圆周扫描法得到了第一张人体组织横切面的超声影像图。1952年，Wild应用A型超声仪在临床进行超声诊断。1954年B型超声诊断应用于临床实践。,48,超声成像技术发展经历,1957年，美国的J.J.Wild首次应用机械旋转探头（P型）伸入直肠内探查，摄取下腹腔内的体层像。同年，日本的里村茂夫首先将多谱勒效应的声学原理应用于超声诊断，利用连续波多谱勒判断心脏瓣膜病，为多谱勒超声医学诊断的临床应用作出了重大贡献。1991年美国一家公司推出世界上第一台数字化超声系统。我国隶属于清华大学工业研究院的北京天惠华公司也在2003年推出了类似系统。,49,超声成像技术发展经历,三维超声是在传统二维超声基础上发展起来的一项应用技术，加拿大西安大略大学Robarts Research Institute 是世界上最早从事三维超声成像技术与应用的研究单位之一。以Fenster教授为首的研究小组从二十世纪九十年代就成功开发出该项技术，并先后申请了二十余项专利技术。,50,加拿大Robarts研究所,51,与世界著名超声专家Chehem和Fenster教授合影(2006年2月),52,3D Ultrasound image system based on rotational scanning,迪正雅合公司,53,AllSee-7 三维/四维彩超,四维胎儿图像,天惠华TH-5000三维彩超,在无锡海鹰调试4D系统,重建的胎儿图像,56,57,平行扫描三维成像装置,58,用于扇形扫描的直肠探头,59,随机扫描三维超声成像装置,60,华中科技大学附属协和医院,胆囊图像,肝癌图像,全身超声成像检查,胎儿体模三维图像,62,胎儿缺陷检查,胎儿脊椎，华中科技大学附属协和医院,介入手术导引,63,64,放射性核素成像发展经历,放射性药物中所含的放射性同位素是不稳定性核素，其原子核处于不稳定状态，需要经过核内结构和能级的变化才能趋于稳定的核素。它能自发地释放出核射线和能量而转换为另一种核素。放射性核素示踪技术放射性核素示踪技术就是以放射性核素或其标记物作为示踪剂（Tracer），借助核探测仪器追踪示踪剂在生物体内或体外的运动规律，并进行定量或定性分析，动态地研究物质的一些变化规律的方法，亦称为“示踪原子分析法”。,65,放射性核素成像发展经历,1958年美国的Hal-Anger成功研制出第一台照相机。发射型计算机断层成像（Emission computed tomography,ECT）是在体外从不同角度采集体内某脏器放射性分布的二维影像，后经过计算机数据处理重建，显示出三维图像。ECT根据所用的放射性核素放出射线类型的不同分为两大类：一类是利用能放射光子的核素成像的单光子发射型计算机断层成像（Single proton emission computed tomography，SPECT）；另一类是利用+衰变核素成像的正电子发射型计算机断层成像(Positron emission tomography，PET)。,66,放射性核素成像发展经历,SPECT只被动接受引入人体内的单光子放射性核素所发出的射线，在体外测定其分布浓度转化成电信号，在计算机辅助下经过重建影像得到断层图像。PET发射出的正电子在组织中很快与负电子相互碰撞而发生湮没辐射(annihilation radiation)，同时产生两个方向相反、能量相同（511kev）的光子。由于正电子在组织中只能瞬态存在，故不能直接测量，只有利用测量湮没辐射的光子探测正电子的存在。,67,PET实物图片：GE Discovery系列,68,PET系统结构及工作原理,图1,69,PET的临床应用癌症,70,PET的临床应用神经疾病,71,PET的临床应用心血管疾病,72,医学影像技术在临床医学及医学研究中的应用,医学影像技术的应用主要表现在三个方面:疾病诊断介入治疗术后评价,73,采用扇形扫描所得到的前列腺三维超声图像,74,Prostate Brachytherpy:分割出的三维前列腺,75,针检测结果,76,用于前列腺癌治疗的三维超声成像系统,77,旋转扫描三维成像装置,78,Carotid plaque segmentation:颈动脉三维超声图像,79,颈动脉斑块体积:964 mm3,三维超声图像中分割出的颈动脉斑块,80,Breast biopsy:三维超声图像导引的乳腺活检实验装置,81,医学影像技术发展与未来,多模态图像融合分子成像介入治疗术后评价,82,课程教材及主要参考教材,课程教材：余建明,医学影像技术学,科学出版社,2004年9月参考教材：李月卿，李萌，医学影像成像原理，人民卫生出版社，年。徐跃，黄泉荣，医学影像设备学，人民卫生出版社，年。包尚联编著，现代医学影像物理学，北京大学医学出版社，。朱翠玲等编，现代医学影像学，山东科学技术出版社，年。田捷，包尚联，周明全，编著，医学影像处理与分析原理与方法，电子工业出版社，年。黄力宇，医学成像的基本原理，电子工业出版社，2009,84,主要参考书目录,冯晓源，现代医学影像学进展，复旦大学出版社，2005赵强，医学影像设备，第二军医大学出版社，2000谢静霞,杜湘珂,医学影像学,北京医科大学出版社,2002,85,谢谢!Thank you!,
