【学习课件】第一章概论医学影像成像理论

引入的物质称对比剂
对比剂的分类
高密度对比剂：碘剂、钡剂 碘对比剂： 有机碘剂
离子型：泛影葡胺 非离子型： 无机碘剂：碘油 低密度对比剂：空气
造影方式
直接引入：口服、灌注、穿刺 间接引入
第二章、计算机体层成像
CT
由Hounsfield设计，1972年问世 用X线束对人体检查部位一定厚度的层面进行
上对某些疾病进行治疗
医学影像学包括：
X线诊断学 超声诊断学 CT MRI DSA ECT 核素扫描 介入性放射学
(解剖形态)
(功能代谢) (诊断+治疗)
第一章 X线成像
第一节 X线成像基本原理与设备
一、X线的产生
X线是真空管内高速行进的电子流轰击钨靶时 产生的
X线发生装置主要包括X线管、变压器和操作 台
1、氢原子核磁矩平时状态 杂乱无章
2、氢原子核置于磁场状态 磁矩按磁力线方向排列
3、施加射频脉冲 氢原子核获得能量
4、射频脉冲停止后 产生MR信号
弛豫与弛豫时间
弛豫：质子中止射频脉冲，由此引起的变化 回到平衡状态
纵向磁化恢复（纵向弛豫） 横向磁化消失（横向弛豫） 纵向磁化由0恢复到63％所需时间，为纵向
CT的分类
螺旋扫描CT： 扫描速度快 提高病灶检出率 CT值测量准确 多功能显示病灶 电子束CT：
CT检查技术
普通CT扫描 平扫 对比增强扫描 造影扫描 高分辨力CT扫描：短时间高空间分辨力，清
楚显示微小组织
CT检查技术
特殊扫描： 延迟扫描 动态扫描 三维图像重建 多平面重组 CT血管造影 CT仿真内窥镜 CT灌注成像
弛豫时间（T1） 横向磁化由最大减小到最大值37％的时间，
为横向弛豫时间（T2）

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DSA的基本工作原理是：将X射线机 对准人体的某一部位，并将X射线造影剂 注入人体血管中。如果在注入造影剂的 前后分别摄取这同一部位的X射线图像， 然后再将这两幅图像相减，那么就可以 消除图像中相同结构的部分，而突出注 人造影剂的血管部分。DSA在临床中已 成功地用于血管网络的功能检查。
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从信息量的角度看，一幅图像 所包含的信息远比一条曲线或几个 数据要多。它以直观的形式向医生 展示人体内部的结构或有关生理参 数的空间分布，为医生的诊断提供 重要依据，成为临床诊断与医学研 究中不可缺少的工具。
传输、存储、分析、识别等。在医学 图像研究领域中主要包含以下两个相 对独立的研究方向：医学成像系统 （Medical Imaging System）和医学图 像处理（Medical Image Processing）。
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• 先修课程： 大学物理 信号与线性系统 生物医学传感器原理及应用 • 成绩评定 总成绩=考试成绩（75%）+平时成绩 （15%）+实验成绩（10%）
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如何学习这门课??
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• 认真阅读课本,上课认真听讲 • 搞懂每种成像技术的机理,掌握基本的和常用 的成像算法 • 多阅读相关的参考书 • 网上相关资源(如:丁香园论坛,中国医学影象 技术论坛,中国PACS论坛, /pct/index.html /biomed/Index0.asp /htbooks/nmr/bnmr.htm 等)
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但由于常规的X射线成像技术是将
人体三维结构投影到一个二维平面上， 会产生图像重叠，造成读片困难。此外， 投影X射线成像对软组织的分辨能力较 差，使得它在临床中的应用也受到一定 的限制。
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透视（fluroscopy）
观察载体---荧光屏 适用部位：机体天然对比较好的部位或
能给予对比剂的部位，如胸部、颈椎等 作用：观察器官动态，例如心脏大血管、
消化道蠕动等。 优点：简便易行，经济，结果快 缺点：不能显示细微病变，密度较大的
部位显示不清楚，无永久记录，不能前 后比较，病人所受辐照量较大
放射防护的必要性
牛津大学和英国癌症研究中心的科学家 在对15个国家的统计数据进行分析后发 现：英国每年诊断出的癌症病例中有 0.6%是由X射线检查所致。
在X射线和CT检查更为普遍的日本，每 年新增癌症病例中有3.2%是由X光及CT 检查造成的。
特殊人群的防护
对性成熟及发育期的妇女作腹部照射：
透视的图像特点
与X胶片图像相反，透视的图像 组织密度越高，图像越黑 组织密度越低，图像越白
透视的图像
照相 --X线摄影
（Radiography）
X线摄影
胶片片盒
胶片及读片灯箱
X线摄影（Radiology）
观察载体：胶片 步骤：胶片曝光--显影--定影--水洗--晾干（或烤干） 原理：X线可使胶片溴化银感光，产生潜影，经显影、
从辐射诱癌和其他因素导致死亡概率来看： 吸烟 每万人死亡概率为12， 肾脏和肝脏CT检查 每万人死亡概率为12， 泌尿X射线摄影 每万人死亡概率为2， 腰椎X射线摄影 每万人死亡概率为0.2， 胸部X射线摄影 每万人死亡概率为0.02。
防护方法
1.X线机及机房的设计：须考虑到防护措施 2.安排检查：患者应避免短期内反复多次检查及不必 要的复查。尽量减少透视，提提倡高千伏HKV摄影。 3.检查中：患者与X线球管须保持一事实上的距离，一 般不少于35cm。（患者距X线球管愈近，接受放射量 愈大。） 4.球管窗口下须加一定厚度的铝片，减少穿刺力弱的 长波X线，因为这些X线被患者完全吸收，而对荧光屏 或胶片都无作用。

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。
第四页，编辑于星期日：二十二点 四分。
• 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 （ positive emission computed tomography ， 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。
80 年代
90 年代
（1895 年） （1917 年）
（1951 年） （1960 年） （1972 年）
（1980 年） CT ： 多 层
发现 X 线
发射 US
闪烁扫描
X-TV
X-CT
DF、DSA
CT 、 组 合
成功
CT、CT 内镜
（1896）
（10~20 年代） （1954 年） （1963 年） （1974 年）
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• 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。
第十三页，编辑于星期日：二十二点 四分。
表 1-1 医 学 影 像 设 备 发 展 概 况
19 世纪
20 世 纪
10~40 年代
50 年代

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。
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3பைடு நூலகம்.1高.速2带X电射粒子线撞成击物像质原受阻理而突然减速时，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）。 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。
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3X射.1线. 2的产X生射装线置主成要包像括原三部理分：X射线管、高压电源及
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3②.1.人2体不X同射厚线度组成织与像X原线成理像的关系
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
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32..1X.射2线人X射体成线像 成像原理
（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（latent image）。
3.1.1 X线的特征
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3➢.1X.射1线X在线电的磁特辐射征中的特点属于高频率、波长短
的射线 ➢X射线的频率约在3×1016～3×1020 Hz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0.008～0.031nm
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31..1X.射1线X的线波粒的二象特性 征
✓X射线同时具有波动性和微粒性，统称为波粒二象 性。

医学图象
超声成像
检测信号：从人体反射回的超声回波 检测依据：不同组织反射/折射的回波强度不同 信息表示形式：各个组织对超声波反射的衰减和反射信号 辐射危害程度：较低 成像性质：形态学成像 优点：辐射小，价格低，具有动态性，实时性，能够得到X线不能显示的软组织图像 缺点：存在衍射扩散现象，分辨率较低 适用范围：空腔类部位（腹腔）、对敏感性要求较高的部位（胎儿、眼部）等
PM Matthews, Neurology 41:1252 (1991)
Active Plaque
Normal-Appearing White Matter
Multispectral Tissue Classification 多谱段组织分类 T1T23D Histogram
Segmented Image
成像方式
成像依据
信息量
对人体影响
特 点
X线
直接透射成像
密度和厚度
大
有损伤
形态全貌 影像精细
X-CT
数据测量重建
吸收系数
中
有损伤
密度分辨率高 适应范围广
EM
透射或反射
密度、厚度或表面形貌
大
有创伤
分辨率极高 适于早期诊断
MRI
数据测量重建
氢核的物理状态
分子影像新探索
尽管近20年以来，医学影像诊断出现了X-CT、MRI、SPECT、DSA、PET等新型成像手段，它们可以从不同角度去分辨人体内的形态结构，但诊断的基础仍然是人体解剖学和病理学，依然难以对人体细胞的良性与恶性病变作出早期的准确判断，往往还要通过光学显微镜（LM） 或电子显微镜（EM）做离体细胞学或病理学上的诊断才可能最后确认。

同相位 脂肪肝 反相位
T1WI In phase=w+f out of phase =w-f
鉴别肝细胞内脂肪成份有价值
同反相位观察病灶内脂肪成分
In phase
Out of phase
㈡、对比增强检查
经静脉注入顺磁性或超顺磁性对比 剂后，再行T1WI或T2WI检查的方法
多期增强检查
㈢、MR血管成像（MRA）检查
正常
HIE
扣带回追踪
视放射
灌注成像（PWI）
是指血流经过器官或组织内微循环的一种生理状态
CBV CBF MTT TTP
CBV：脑血容量=CBF*MTT：CBV降低=低灌注 ，升高=高灌注。 CBF：脑血流量（绿色信号为正常信号） MTT：平均通过时间（黑、蓝色为低信号） TTP：达峰时间（红色为高信号，值增大时间增长）
磁共振成像中的靶子 —氢原子
1：氢原子是人体内数量最多的物质（一个 H2O分子里含有两个氢原子）。
2：氢原子核中只有一个质子而不含中子， 最不稳定，最易发生磁共振现象。
磁共振现象
磁共振现象：是指磁场中的原子核发生能 量的吸收和释放。 处于低能级的原子核吸收的能量恰好等于 能级差时即跃迁到高能级水平，释放的能 量恰好等于能级差时又可回到低能级水平。
软组织分辨率高，解剖结构逼真
软组织分辨立高
多参数、多序列成像
（更准确判断病理成分-脑梗死后软化灶）
多方位成像---增强
MRI成像性能-局限性
1、不能整体显示器官结构和病变 2、多序列、多幅图像不利于快速观察 3、受部分容积效应影响 4、检查时间相对较长 5、易发生不同类型伪影 6、识别钙化有限度 7、体内有铁磁性物质会限制检查
发展简介

❖ 1.X线扫描数据的收集和转换
X线射入人体，被人体吸收而衰减，受检部位密度影响最 大，密度越高，对x线衰减越大。探测器组合收集衰减后 的X线信号(X线光子)，将光子转变为可见光线，再将光 线集中，转变为电信号并放大借模拟／数字转换器输入 的电信号转变为相应的数字信号后，送入计算机。
❖ 2.扫描数据处理和重建图像
CT设备
❖ 多层螺旋CT（MSCT） ❖ 双源CT ❖ 能谱CT
CT的主要优势
❖ 密度分辨力高 ❖ 可进行密度量化分析 ❖ 组织结构影像无重叠 ❖ 可进行多种图像后处理
CT图像后处理
❖ 二维显示技术
1.薄层面重组 2.多平面重组（MPR） 3.曲面重组（CPR）
❖ 三维显示技术
1.最大强度投影（MIP） 2.最小强度投影（minIP） 3.表面遮盖技术（SSD） 4.容积再现技术（VR）
❖ 7.伪影
伪影是指在被扫描物体中并不存在而图像中却显示出来的 各种不同类型的影像。与病人及CT机性能有关。
❖ 8.部分容积效应
在同一扫描层面内含有两种以上不同密度的物质时．其 所测CT值是它们的平均值，不能如实反映其中任何—种 物质的CT值，这种现象为部分容积效应或部分容积现象 。
CT成像基本原理
基本概念
❖1.体素和象素 CT图像实际上是人体某一部位有一定
厚度的体层图像。组成图像的基本单元被称为象素。象 素实际上是体素在成像时的表现。象素是一个二维的概 念，体素是一个三维的概念
❖2.矩阵 一个横成行、纵成列的数字阵列，将受检层面
分割为无数小立方体．这些小立方体就是体素。 当图像面积为一固定值时，象素尺寸越小，组成CT图像
磁共振成像 MRI
❖磁共振成像是利用原子核在磁场内所产生的信号 经重建成像的一种影像技术。

Single Photon Emission Computed Tomography 磁共振成像 MRI Magnetic resonance imaging 数字减影血管造影 DSA Digital Subtraction Angiography 红外成像 Infrared Imaging
现代医学成像系统类型
珀赛尔 (Edward Purcell)
Related Nobel Prize
英国EMI公司的电子工程师洪斯菲尔得 (G.H.Hounsfield)在美国物理学家柯马克 (ack)1963年发表的数据重建图像数学方法 的基础上，发明了X－CT，使医学影像技术发生重大 变革。获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。
世界卫生组织（WHO）在1999年末公报上披 露的20世纪医学十大里程碑式的成就中，X 线的发现及应用名列第二位。可见医学影 像在延长人类生命、提高生命质量方面所 起的重要作用。
医学影像学研究领域
医学成像技术
主要指各类医学图像形成的过程，包括成像机 理、成像设备、成像系统的分析等。
医学图像处理
振技术测定溶液中生物大分子 三维结构的方法”获得2002年 诺贝尔化学奖。
Paul
Peter
2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗·劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield ) 在如何用核磁共振技术拍摄不同结构的图像上获得了关键性
发现。这些发现导致了在临床诊断和医学研究上获得突破的 核磁共振成像仪的出现。
X线成像：测量穿过人体的X线强度； 电子显微镜成像：是以电子束作为影像信息载体
来成像的。 磁共振成像：测量构成人体组织的元素的原子核
的磁共振信号； 核医学成像：有选择地测量摄入体内的放射性药

（2）被照厚度 被照厚度产生的散射线对照片影像效果的 影响，要比管电压产生的影响大的多。
（3）照射野大小 是产生散射线的最主要因素。当照射野增 大时，散射线含有率大幅度增加。
第一节 感光效应及其影响因素
散射线对照片对比度的影响
当散射线较多时，照片对比度明显下降。
100mＲ
100mＲ
骨
肌肉
10 5 10
(六)照片的后处理技术
《医学影像检查技术》第一章 X线摄影条件
X线影像的对比度
X线照片对比度的概念 对比度：是指x线照片相邻影像的密度
差，亦称为光学对比度。 对比度的三个其他要素： （1）x线对比度 （2）胶片对比度 （3）照片对比度
《医学影像检查技术》第一章 X线摄影条件
影响照片对比度的因素 （一）照片因素 胶片对比度、增感屏-胶片组合、照片后
因此根据X线量分布的特点，在 摄影使应注意将肢体厚度大的组织置 于阴极端，而将需重点观察的细致结 构组织及厚度小的部位尽可能置于阳 极端。
《医学影像检查技术》第一章 X线摄影条件
三、X线束
（一）、中心线：X线束中心的那一条射线， 代表射入被检者身体的投照方向。
（二）、 X线束照射野：X线束入射于肢体 曝光面积的大小。
《医学影像检查技术》第一章 X线摄影条件
《医学影像检查技术》第一章 X线摄影条件
X线照片影像的密度
X线照片的光学密度也称为黑化度,是指曝 光后的胶片经显影加工后照片的黑化程 度。
X线照片为有一定灰阶的黑白影像。照片 未被物体遮挡而被X线直接照射的部分 最黑；而被高密度物体遮挡，X线被大 量吸收的部分最白。
E = k·（Vn·I·t）/r2
第一节 感光效应及其影响因素