医学影像设备与成像理论

第一章 总论

 学习要求

 记忆：医学影像设备的分类。普通X射线成像基本原理、CT成像原理、MRI原理。

 理解：医学影像设备的发展历程、现状与发展趋势。MRI物理基础、超声波物理性质、核医学成像原理。

 运用：各种医学影像设备的成像理论。各种影像学方法的优势与局限性、超声检查的种类。

 医学影像设备是医用仪器设备的重要组成部分，也是医疗设备高端产业化的代表。随着科学的进步，医学影像设备的发展日趋迅速，功能也逐渐完善。在临床上，医学影像设备的应用越来越广泛，对疾病诊断和治疗的帮助越来越大。因此，医学影像设备的发展程度不仅影响到医学影像学的发展，更关系到整个临床医学的进展。

 医学影像学是通过某种能量（如X射线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织和器官的结构与功能等信息以影像的方式表现出来的一门科学技术。医学影像设备是获得医学影像图像的检查设备的统称，包括普通X射线成像设备、计算机体层成像（computed tomography，CT）设备、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）设备、超声成像（ultrasonic imaging，USI）设备和核医学成像设备等。不同的医学影像设备各自具有不同的成像原理和方式。

 本书的主要任务是研究各种医学影像设备的基本结构、成像原理、临床应用、质量保证和日常维护管理。既往传统教育模式以灌输式为主，理论学习枯燥乏味。本书在理论教学的基础上，增加了相关的临床案例。本书案例与临床工作密切相关，是临床操作中常见的实例。案例包含设备构造和成像理论等知识点，是知识点的具体化和形象化呈现方式。通过对临床案例进行分析，第一，可使师生共同参与、互相讨论，培养学生主动学习的习惯；第二，运用理论知识抽丝剥茧，分析临床案例中存在的问题，进而提出解决方案，可培养学生的探索精神；第三，有的案例需要运用多个知识点进行分析，有助于理论知识的前后呼应和融会贯通，提升学生的综合素质。本书采用启发式教学，通过对临床案例的分析，加深学生对理论知识的记忆、理解和运用，探索发现问题、分析问题和解决问题的临床思路。

 第一节 医学影像设备学概述

 一、医学影像设备的分类

 【案例1-1】

 男性，56岁，肝区疼痛1个月余， 实验室检查:血清甲胎蛋白(AFP) 532μ/L，有癌症家族史。临床医生要求进行影像学检查确诊疾病。被检者及家属认为所有影像学检查都是有辐射损伤的检查，担心被检者进行影像学检查时受到射线辐射，因此到影像科前台咨询工作人员。

 [问题1-1]

 (l) 被检者及家属的观点正确吗?

 (2) 如果您是影像科前台工作人员，您如何与被检者及家属解释沟通呢?

 【案例1-1 分析讨论】

 被检者和家属的观点不正确，是不了解医学影像设备的分类所致

 医学影像设备种类繁多，可分为辐射设备和非辐射设备。根据影像信息载体的不同，辐射设备可以分为X射线成像设备和核医学成像设备。非辐射设备分为超声成像设备和磁共振成像设备。在成像过程中，超声成像设备和磁共振成像设备无电离辐射，不会引起辐射损伤。目前，诊断用超声剂量还没有使被检者发生不良反应的报道。磁共振检查是通过测量构成人体组织元素的原子核发出的信号实现人体成像，没有电离辐射，不存在辐射危害。即使是有辐射的影像设备，也通过各种硬件和软件改进显著降低了辐射剂量，其辐射剂量均在国家或地区规定的安全应用范围内。

 现代医学影像设备的种类繁多，发展迅速，获得的“影像信息”不仅包括传统意义上的形态学含义，还包括人体代谢、生化、功能等信息，新时代的“医学影像”已成为综合信息的代名词。提供影像信息的医学影像设备可以按照不同的方法进行分类。

 按照信息载体的不同，医学影像设备可以分为X射线成像设备、磁共振成像设备、超声成像设备和核医学成像设备。其中X射线成像设备包括普通X射线成像设备和CT设备。

 按照是否产生辐射损伤，医学影像设备可以分为辐射设备和非辐射设备。其中辐射设备包括X射线成像设备和核医学成像设备，非辐射设备包括磁共振成像设备和超声成像设备。

 按照设备是否融合，医学影像设备可以分为非融合设备和融合设备。其中融合设备主要包括 SPECT-CT、PET-CT和PET-MR等。

 （一）X射线成像设备

 X射线成像设备的影像信息载体为X射线，利用X射线穿过被检体后衰减系数的差异成像。穿透人体的X射线经过不等量衰减，其强度分布不均匀，并携带有人体不同组织的信息，通过探测该类X射线可获得医学影像。常见设备主要包括普通X射线成像设备和CT设备。其中，普通X射线成像设备包括模拟X射线机和数字X射线机。后者包括计算机X射线摄影（computed radiography， CR）、数字X射线摄影（digital radiography， DR）、数字减影血管造影（digital subtraction angiography， DSA）等设备。由于X射线电离效应的存在，所有X射线成像设备都会造成辐射损伤，检查过程中必须做好相应的辐射防护。

 模拟X射线机产生的是模拟信息。随着计算机的发展和影像的数字化进程，数字X射线摄影设备获得的数字信息可以提高图像的分辨率和显示能力，进行图像后处理，实现医学影像存储与传输系统（picture archiving and communication system， PACS）的存储、传输以及远程会诊等，扩大了普通X射线成像设备的应用范围。DSA设备是数字X射线摄影设备的重要组成部分，通过减除骨骼和软组织结构，使对比剂充盈的血管在减影图像中突出，广泛应用于血管造影和介入治疗等方面。CT图像是重建的数字化断层图像，清晰度和分辨率高，可以克服普通X射线成像时组织重叠的缺点，可以清楚显示组织内部结构，确定病灶的位置、大小、形态及其与周围组织器官的空间位置关系，大大拓展了X射线成像设备的临床应用范围。

 （二）磁共振成像设备

 磁共振成像设备通过静磁场和射频磁场使人体组织内的氢核发生章动从而产生射频信号，经计算机处理成像。在成像过程中，没有电离辐射的发生，不会对人体造成辐射损伤，因此不需要进行辐射防护。磁共振图像也是数字化断层图像，并可进行任意方位的成像，同时具有良好的软组织分辨率，可以清晰显示神经系统，肌肉、肌腱、筋膜、脂肪、韧带、软骨等组织结构，无需对比剂即可清晰显示心脏和血管系统。磁共振采用多序列、多参数成像，可以反映人体内组织的解剖学结构和生理生化等功能学信息，临床应用非常广泛。

 （三）超声成像设备

 超声成像设备采用较高频率的超声波作为信息载体，从人体内部得到声学参数的信息，形成图像、曲线或其他数据进行成像。根据显示方式的不同，可分为A型（幅度显示）、B型（灰度显示）、D型（多普勒成像）和M型（运动显示）等。超声成像软组织分辨率高，可清晰显示组织器官的形态结构，并可进行实时成像，对动态器官的结构和功能进行连续观察与监测，超声多普勒可对各种血流参数进行测量，结合二维图像可以同时显示组织器官的形态结构和生理、病理功能水平，在甲状腺、乳房、肝脏、胆囊、泌尿系统、妇产科以及心血管系统等方面应用广泛。随着超声对比剂的应用和发展，超声造影检查在微小血管灌注和肿瘤生长因素研究等方面的应用日益广泛。此外，超声成像不存在电离辐射，没有辐射损伤，经济实用，目前诊断用超声剂量还没有出现不良反应的报道。

 （四）核医学成像设备

 核医学成像设备的影像信息载体是y射线，通过测量引入人体的放射性核素发出的Y射线来获得医学影像，主要包括丫照相机、单光子发射计算机体层显像仪（single photon emission computed tomography， SPECT）和正电子发射计算机体层显像仪（positron emission computed tomography， PET）等。由于Y射线电离效应的存在，核医学成像设备也会造成辐射损伤。

 Y照相机是核医学*基本的成像设备，可对组织器官中的放射性核素分布进行一次成像和连续动态观察。SPECT在Y照相机的基础上增加了探头旋转的功能，可以进行体层成像，获得横断位、冠状位、矢状位或任何方位的断层图像。SPECT的图像分辨率和对比度不及X射线成像，但其优势在于显示放射性核素在人体内的代谢等功能信息，目前可用于全身扫描或断层成像，以及生理性门控扫描等方面。PET采用的放射性示踪剂用发射正电子的核素标记，这些核素是组成人体元素的同位素，能更客观准确地反映人体内的生物代谢信息，同时PET的灵敏度和空间分辨力有了较大提高，适合于人体生理、代谢等功能方面的研究。

 近年来，图像融合技术的发展促进了影像设备的融合，主要是将核医学成像设备SPECT或PET与放射诊断设备CT或MRI相融合。融合设备主要包括SPECT-CT、PET-CT和PET-MRo SPECT或PET等核医学成像设备的优点是可以提供组织器官的代谢功能影像，CT或MRI等放射诊断设备的优点是可提供组织器官准确清晰的解剖结构影像，两者的结合实现了代谢功能影像与解剖结构影像的同机融合、优势互补和相互完善。PET-CT—次成像可以获得同一部位的代谢功能图像和解剖结构图像，实现图像融合。一方面克服了PET解剖结构显示不清晰、病变定位不准确的缺点，另一方面克服了CT无法进行功能成像的劣势，发挥出PET和CT各自*大的优势，拓展了影像设备的临床应用范畴，有助于更加早期、灵敏、准确、客观地诊断疾病和指导治疗方案，尤其在肿瘤、神经系统疾病和心血管系统疾病等的诊断中起着越来越重要的作用。PET-MR同时具有PET和MRI 两种影像设备的优点，图像的软组织分辨力和整体质量得到改善，实现了解剖结构影像和代谢功能影像的实时融合，有助于肿瘤、心血管系统疾病等的早期诊断，以及基因或干细胞治疗等新技术应用的准确实施，是未来影像设备的重要发展方向。

 二、医学影像设备的发展历程、现状与发展趋势

 （一）普通X射线成像设备

 1.发展历程1895年德国物理学家威廉？康拉德？伦琴（1845-1923）发现X射线，并为夫人照了一张手的X射线照片，清楚地显示手部骨骼和戒指，从此拉开传统X射线放射学的序幕。120多年来，X射线在医学上得到了广泛的应用，X射线成像设备也日新月异。特别是近几十年来，随着电子计算机技术的迅速发展，出现了许多新的X射线成像方法和技术，使X射线成像发生了翻天覆地的变化，图像质量得到了质的飞跃。

 *初X射线机的结构非常简单，产生X射线的是含气离子管，供电给感应线圈的是蓄电池，供电给离子管的是静电发电机，把高压输送给离子X射线管的是裸线，没有防电击和防散射线的措施。产生的图像质量很差，只能拍摄组织器官密度差异较大的部位，并且操作麻烦、安全性低。

 1913年，第一只高真空X射线管研制成功并应用于X射线发生器。1915年，高压变压器和高压整流管也开始使用。高真空技术的发展使X射线发生器产生的X射线的质（管电压，kV）和量（管电流，mA）都有了大幅改善与提高。随后，X射线机的构造开始进入电磁部件控制阶段，并出现了一系列机械结构和辅助设备。

 1927年，旋转阳极X射线管研制成功，优点是焦点小、输出功率高，提高了X射线图像质量，为运动器官的X射线检查提供了可能。高压发生器采用单相全波整流方式，同时提高了X射线管的效率和X射线输出的质量。高压电缆发展为防电击式。各种电路系统也有了较大改进和完善，包括主要电路、预示电路、稳压电路、保护电路等。机械和辅助设备的设计使设备更加坚固灵活、易于操作，设备的辐射防护也有了进一步加强。

 20世纪50年代初，随着影像增强器和X射线电视成像系统的出现，使得X射线电视透视、电影摄影等新技术得以实现。高压发生器采