医学影像基础

现行医学影像设备所得到的医学影像在许多方面还存在不尽如人意之处。例如，某些影像的==空间分辨率不够高==，某些影像的==信噪比不够好==，某些影像==需要多模态融合==才能更好地进行诊断，等等。

医学影像学部分主要涵盖了 X 线、CT、MRI、超声、核素显像五类医学影像。

0 医学图像中的一些专业术语

  • X-ray：X 射线成像

  • Ultrasound：超声成像

  • Positron emissions tomography, PET：正电子发射断层扫描成像

  • Computed tomography, CT：计算机断层扫描成像

  • Magnetic Resonance Imaging, MRI：磁共振成像

    • 缺点：贵、慢、吵

  • Computer-aided Diagnosis, CAD：计算机辅助诊断

  • MRI T1, T2

    • MRI 可以实现多变的图像对比度，该过程的实现是通过使用不同的脉冲序列和改变成像参数对应纵向松弛时间（T1）和横向松弛时间（T2），T1 加权和 T2 加权成像的信号强度与特定组织的特征有关。MR 成像中，图像的对比度依赖于相位对比脉冲序列参数，最常见的脉冲序列是 T1 加权和 T2 加权自旋回波序列．身体的 MR 成像是为了观察大脑、肝脏、胸、腹部和骨盆的结构细节，这有利于诊断检测或治疗。

  • Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention, MICCAI：医学图像计算与计算机辅助干预

  • Emission Computed Tomography, ECT：发射型计算机断层成像技术

  • Positron Emission Tomography, PET：正电子发射型断层成像

    • 属于核素显像

  • Optical Coherence Tomography, OCT：相干光断层成像

    • 眼底血管图像

  • Cone-Beam Computed Tomography, CBCT：锥状射束计算机断层扫描

1. X 射线

X 线是由高速运行的电子群撞击物质突然受阻时产生的。撞击发生能量转换，其中仅约 1% 的能量形成 X 线，其余 99% 左右的能量则转换为热能，由散热设施散发。

X 线与临床医学成像有关的主要特性如下。

（1）穿透

  • 波长越短，X 线的穿透作用越强
  • X 线对人体各种组织结构穿透力的差别是X线成像的基础。

（2）荧光

  • X 线作用于荧光物质，使波长短的 X 线转换成波长较长的可见荧光。

（3）感光

（4）电离

（5）生物效应

  • 生物细胞在一定量的 X 线照射下，可产生抑制、损害甚至坏死，称为 X 线的生物效应，是放射治疗学的基础

X 线成像原理

1）X 线能使人体在荧光屏上或胶片上形成影像，必须具备三个基本条件：① X 线要具备一定的==穿透力==；② 被穿透的组织结构必须==存在密度和厚度的差异==，从而导致穿透物质后剩余 X 线量的差别；③ 有差别的剩余 X 线量，仍为不可见的，必须经过载体（如X线片、荧屏等）的过程才获得有黑白对比、层次差异的X线影像。

2）人体组织结构根据其密度的高低及其对X线吸收的不同可分三类：① ==骨骼==比重高、吸收 X 线量多，X 线片上骨骼部位显示白色，称为高密度影像；② ==软组织==包括皮肤、肌肉、结缔组织等，彼此之间密度差别不大，X 线片上显示灰白色，称为中等密度影像；脂肪及气体，脂肪组织较一般软组织密度低，在 X 线片上显示灰黑色；③ ==气体==吸收 X 线最少，在 X 线片上呈深黑色，称为低密度影像。

⛳吸收 X 射线越多（密度越高），CT 图像越亮！

X 线成像技术

  • 普通 X 线摄影
  • 数字化 X 线摄影技术：计算机 X 线摄影（computed radiography，CR）和数字 X 线摄影（digital radiography，DR）
  • 特殊 X 线摄影

X 线成像的临床应用

  • 胸部病变
  • 腹盆部病变
  • 骨关节病变

2. CT 诊断

CT 解决了普通 X 线摄影不能解决的很多问题。CT 图像是真正的断层图像。CT 图像相对空间分辨率高，解剖关系明确，病变显影更好。

基本概念

CT 图像是真正的断面图像，它显示的是人体某个断面的组织密度分布图。CT 以 X 线作为投射源，由探测器接收人体某断面上的各个不同方向上人体组织对 X 线衰减值，经模/数转换输入计算机，通过计算机处理后得到扫描断面的组织衰减系数的数字矩阵，然后将矩阵内的数值通过数/模转换，用黑白不同的灰度等级在荧光屏上显示出来。CT 图像具有图像清晰，密度分辨率高，无断面以外组织结构干扰等特点。

CT 图像是人体某一部位有一定厚度的体层图像。

CT 值：体素的相对 X 线衰减度（即该体素组织对 X 线的吸收系数），表现为相应像素的 CT 值，单位名称为Hu（Hounsfield Unit，Hu）。规定以水的CT值为0Hu，骨皮质最高，为1000Hu。人体组织的CT值界限可分为2000个分度，上界为骨的CT值（1000Hu），下界为空气的CT值（-1000Hu）

人体组织CT值范围有2000个分度（-1000～+1000），如在荧屏上用2000个不同灰阶来表示2000个分度，由于灰度差别小，人眼不能分辨（一般仅能分辨16个灰阶）。为了提高组织结构细节的显示，使CT值差别小的两种组织能够分辨，则要采用不同的==窗宽==来观察荧屏上的图像。

伪影：是指在被扫描物体中并不存在的而图像中却显示出来的各种不同类型的影像。病人不自主运动及病人躁动可产生伪影。另外，病人体内高密度的异物也可形成伪影。

成像原理

（1）X线扫描数据的收集和转换

X线射入人体后，因被人体吸收而衰减，其衰减的程度与受检层面的组织、器官和病变的密度（原子序数）有关，密度越高，对X线衰减越大。

（2）扫描数据处理和重建图像

（3）图像的显示及贮存

CT 临床应用

  • 中枢神经系统病变
  • 头颈部病变
  • 胸部病变
  • 腹盆部病变

3. MRI 诊断

MRI 技术原理和基本概念

通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的视频脉冲，使人体组织中的氢质子受到激励而发生磁共振现象，当终止射频脉冲后，质子在弛豫过程中感应出MR信号；经过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，即产生MR图像，这种成像技术就是MRI技术。

人体内氢核丰富，而且用它进行磁共振成像的效果最好，因此，目前MRI常规用氢核来成像。

MRI 图像特点

（1）多参数成像：成像参数主要包括 T1、T2 和质子密度等，

（2）多方位成像：MRI可获得人体轴位、冠状位、矢状位及任意倾斜层面的图像，有利于解剖结构和病变的三维显示和定位。

（3）流动效应

（4）质子弛豫增强效应与对比增强

MRI 的优点和限制

MRI的优点：（1）无X线电离辐射，对人体安全无创；（2）图像对==脑和软组织==分辨率极佳，解剖结构和病变形态显示清晰；（3）多方位成像，便于显示体内解剖结构和病变的空间位置和相互关系；（4）多参数成像；（5）除可显示形态变化外，还能进行功能成像和生化代谢分析。

MRI 的限制：（1 ）对带有心脏起搏器或体内有铁磁性物质的患者不能进行检查；（2）需要监护设备的危重患者不能进行检查；（3）对钙化的显示远不如CT，难以对以病理性钙化为特征的病变作诊断；（4）常规扫描时间较长，对胸腹检查受限；（5）对质子密度低的结构如肺和骨皮质显示不佳；（6）设备昂贵，尚未普及。

MRI成像中的伪影

MRI图像中的假影像为伪影，常见的伪影有装备伪影、运动伪影、金属异物伪影等。

MRI的临床应用

  • 中枢神经系统病变
  • 头颈部病变
  • 胸部病变
  • 腹盆部病变
  • 骨关节病变

4. 超声诊断

利用超声在人体器官组织传播过程中产生透射、折射、反射等的信息，加以接收、放大和处理形成曲线的方法，称为超声诊断。超声波在生物组织中的传播规律是超声诊断的基础，对超声诊断最重要的生物组织是软组织和血液。当超声经过不同性质的软组织和血液或当组织发生病理变化时，其在组织器官中的传播发生相应的改变，最终体现为超声曲线或图像上的差异。

超声临床应用

  • 乳腺病变
  • 甲状腺超声诊断
  • 腹部病变超声诊断

5. 核素显像诊断

核医学（nuclear medicine）显像是显示放射学核素标记的放射性药物在体内的分布图。放射性药物根据自己的代谢特点和生物学特性，能特异地分布于体内特定的器官或病变组织，并参与体内的代谢，标记在放射性药物分子上的放射性核素由于放出射线能在体外被检测。

显像类型与特点

（1）根据影像获取的状态分为静态显像（static imaging）和动态显像（dynamic imaging）

（2）局部显像（regional imaging）和全身显像（whole body imaging）

（3）早期显像（early imaging）和延迟显像（delay imaging）

（4）热区显像（hot spot imaging）和冷区显像（cold spot imaging）

（5）静息显像（rest imaging）和介入显像（interventional imaging）

临床应用

  • 骨骼系统
  • 内分泌系统
  • 泌尿系统

PET 成像

PET显像是利用人体正常结构组织含有的必需元素，葡萄糖、氨基酸、胆碱、胸腺嘧啶、受体的配体及血流显像剂等药物为显像剂，以解剖图像方式从分子水平显示机体及病灶组织细胞的代谢、功能、血流、细胞增殖和受体分布状况等，为临床提供更多的生理和病理方面的诊断信息

向人体内注射带有放射性核素的药剂（例如18F-氟代脱氧葡萄糖）后，在一段时间内肿瘤区域的放射性核素浓度便会明显高于正常组织。通过捕捉这些放射性核素发出的信号，我们便能准确地定位肿瘤的区域与大小，方便医生开展进一步的诊疗工作。

PET显像所用的放射性药物是一类采用正电子核素标记的显像剂（正电子核数多为机体组成的基本元素）。

PET/CT：由于CT提供的是人体解剖结构的信息，因此称为结构成像；PET提供的主要是目标区域的功能信息，称为功能成像。两者的融合能够得到更多的病理信息。