醫(yī)學圖像成像模式

1、醫(yī)學圖像成像模式第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息1.常規(guī)光學透射(或反射)成像光密度光密度與數字圖像的灰度值成正比與數字圖像的灰度值成正比p 成分、結構、濃度成分、結構、濃度p 光密度OD，透光強度p 圖像灰度值v對比度增強機制：對比度增強機制： 提高圖像對比度提高圖像對比度 增強光密度差異增強光密度差異 細胞HE染色免疫組化染色一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息1.常規(guī)光學透射(或反射)成像2.熒光(或生物發(fā)光)成像 某些物質的受激電子從某些物質的受激電子從狀態(tài)經系統(tǒng)內交調遷移

2、到中間振動狀態(tài)，狀態(tài)經系統(tǒng)內交調遷移到中間振動狀態(tài)，再從再從遷移回到遷移回到的過程中發(fā)出磷光的過程中發(fā)出磷光 物質吸收光能，從物質吸收光能，從激發(fā)激發(fā)到到 分子很快從分子很快從到一個不到一個不穩(wěn)定的穩(wěn)定的分子從不穩(wěn)定的分子從不穩(wěn)定的返回返回時會伴隨光子產生，時會伴隨光子產生，即熒光產生即熒光產生400nm760nm熒光波長p 熒光強度p 特定物質量p 圖像灰度一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息1.常規(guī)光學透射(或反射)成像2.熒光(或生物發(fā)光)成像3.光學成像的一般技術性能光學成像的一般技術性能光學成像的一般技術性能 靈敏度 光學CCDnCCD的背景噪聲CCD讀取噪聲CCD暗電流熱噪

3、聲熒光背景光 光學成像的一般技術性能光學成像的一般技術性能 靈敏度 光學CCD 冷卻CCD 10-910-6 mM 光學成像的一般技術性能光學成像的一般技術性能 靈敏度 空間分辨率 取決于光源深度熒光穿透組織的厚度 1.5 2 mm 光學成像的一般技術性能光學成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率 時間分辨率 實時成像 僅取決于CCD數據的讀出光學成像的一般技術性能光學成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率 時間分辨率 穩(wěn)定性好、毒性小 第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息二二X X線及線及X-CTX-CT及其圖像信息及其圖像信息X光的發(fā)現(xiàn)

4、與發(fā)展v1895 倫琴倫琴 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)X光光v1896 愛迪生愛迪生 制造制造X光透射機光透射機v1901 倫琴倫琴 獲得第一屆諾貝爾物理獎獲得第一屆諾貝爾物理獎CT(Computed Tomography)v1963 美國物理學家美國物理學家Cormark 提出數學重建提出數學重建算法算法v1971 英國工程師英國工程師Hounsfield 設計成功第設計成功第一臺顱腦一臺顱腦CT機機v1974 美國美國 Georgetown醫(yī)學中心醫(yī)學中心 全身全身CT機機v1979 Hounsfield 和和 Cormark 分享了諾貝爾分享了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。生理學或醫(yī)學獎。線性吸收系數：線性吸收系

5、數： 不同的生物組織和不同的厚度，對于X射線的衰減程度各不相同 X線吸收系數，物質固有屬性圖像的明暗程度圖像的明暗程度( (灰度灰度) Vs. X) Vs. X線吸收系數線吸收系數 X-CTX-CT的數學基礎：由投影重建圖像的數學基礎：由投影重建圖像X-CT的掃描：投影的產生v CTCT值值( (相對線性吸收系數相對線性吸收系數) )線性吸收系數比例因子假設：空氣0，骨2，（已知，水1 ）若：k=1000，則，空氣CT=-1000，骨CT=1000 k=2000，則，？水的線性吸收系數CT值的信息p 特定物質（人體組織）p 線性吸收系數p CT值p 圖像灰度值CT值和圖像灰度相關，但可能超出圖

6、像灰度范圍。 對比度增強機制對比度增強機制 改變線性吸收系數及改變線性吸收系數及CT值值 圖像的灰度對比度反映了不同組織成分的吸收系數的差異組織密度和線性吸收系數接近、CT值相近時，可采用對比度增強劑（碘） 異常血管增生，局部血液豐富，血腦屏障破壞（碘含量增加）口服硫酸鋇溶液（腸道、食道） X-CTX-CT的一般技術性能的一般技術性能 靈敏度 密度相差不大（軟組織）的區(qū)分能力不強 1 mM X-CTX-CT的一般技術性能的一般技術性能 靈敏度 空間分辨率 臨床CT：1 mm 動物CT：10 m X-CTX-CT的一般技術性能的一般技術性能 靈敏度 空間分辨率 時間分辨率第二章第二章 醫(yī)學圖像的

7、成像模式醫(yī)學圖像的成像模式一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息二二X X線及線及X-CTX-CT及其圖像信息及其圖像信息三三磁共振成像及其圖像信息磁共振成像及其圖像信息MRIv1952，發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象的美國科學家 Bloch 和 Purcell獲諾貝爾物理學獎v1977，第一臺MRI問世v1991，發(fā)明核磁共振高解像技術的 Ernst獲諾貝爾化學獎v2002，發(fā)明核磁共振三唯空間解像的 Wuthrich獲諾貝爾化學獎v2003，MRI的發(fā)明人美國化學家Lauterbur和英國物理學家Mansfield 獲諾貝爾醫(yī)學獎磁共振成像磁共振成像原子核的常態(tài)原子核的常態(tài)( (穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) )和非

8、常態(tài)和非常態(tài) 弛豫過程弛豫過程(relaxation)(relaxation)和馳豫時間和馳豫時間馳豫時間馳豫時間 vs. vs. 原子核的種類與數量原子核的種類與數量 縱向弛豫縱向弛豫(T1)(T1)，橫向弛豫，橫向弛豫(T2) (T2) v磁共振成像的圖像表現(xiàn)弛豫時間是物質固有的物理屬性醫(yī)學MRI主要用氫核（1H）不同的測量時間T1/T2，表現(xiàn)了不同的物質對象 磁共振成像磁共振成像 醫(yī)學醫(yī)學MRIMRI成像均采用氫核（成像均采用氫核（1 1H H）人體內的氫核大多包含在水分子中人體內的氫核大多包含在水分子中 T1/T2T1/T2的生物學意義的生物學意義不同組織的不同組織的T1T1和和T2T

9、2值各異值各異同一組織在不同生理或病理狀態(tài)的同一組織在不同生理或病理狀態(tài)的T1T1和和T2T2值也不相同值也不相同 醫(yī)學醫(yī)學MRIMRI成像均采用氫核（成像均采用氫核（1 1H H）人體內的氫核大多包含在水分子中人體內的氫核大多包含在水分子中 T1/T2T1/T2的生物學意義的生物學意義 MRIMRI圖像中的像素灰度反映了圖像中的像素灰度反映了T1T1或或T2T2值值 對比度增強機制對比度增強機制對比度增強劑對比度增強劑MRIMRI： （1）軟組織本身可區(qū)分 （2）加入磁性物質，使得磁場表現(xiàn)不同CTCT：（1）軟組織密度相近，圖像中難以區(qū)分（2）重金屬吸收密度不同，明顯差異 磁共振成像磁共振成

10、像3. MRI3. MRI的一般技術性能的一般技術性能靈敏度靈敏度v高于高于X-CTX-CT，低于核素成像和光學成像，低于核素成像和光學成像10-3 1 mM3. MRI3. MRI的一般技術性能的一般技術性能靈敏度靈敏度空間分辨率空間分辨率v稍遜于稍遜于X-CTX-CT，高于其他醫(yī)學成像方式，高于其他醫(yī)學成像方式v臨床臨床MRIMRI：1 mm動物動物MRIMRI：100 m 3. MRI3. MRI的一般技術性能的一般技術性能靈敏度靈敏度空間分辨率空間分辨率時間分辨率時間分辨率第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息二二X X線及線及X

11、-CTX-CT及其圖像信息及其圖像信息三三磁共振成像及其圖像信息磁共振成像及其圖像信息四四超聲成像及其圖像信息超聲成像及其圖像信息超聲成像（US）v1912，出現(xiàn)了利用聲波攝取影，出現(xiàn)了利用聲波攝取影像的像的技術技術1.偵測冰山2.聲納二次大戰(zhàn)v1949，美國醫(yī)生，美國醫(yī)生Howry創(chuàng)建了創(chuàng)建了初步的超聲波初步的超聲波儀器儀器 超聲成像超聲成像四B型超聲成像原理超聲成像原理v超聲波在不同介質內傳播的速度不同。v不同的生物組織會產生不同的反射波強度。v當聲波從一個介質進入另一個介質的時候，聲波頻率不變，波長和聲波速度將隨著介質的不同而改變。超聲成像原理v超聲通過多個界面時的反射和透射形成回波v依

12、照接受回波的先后次序及時間長短，可標定出所發(fā)聲波行進路線上的各介質存在的位置超聲成像超聲成像1. B型超聲成像原理四超聲成像的圖像信息2.2. 超聲成像的圖像信息超聲成像的圖像信息不同組織具有不同的聲阻抗 v聲阻抗是生物組織的固有特性，是一種反射回波v聲阻抗=介質的密度*聲速v聲阻抗 反射波強度 圖像灰度值2.2. 超聲成像的圖像信息超聲成像的圖像信息不同組織具有不同的聲阻抗 回波強度可反映介質的聲阻抗n圖像灰度值反映了超聲波回波的強度n具有不同聲阻抗介質的界面2.2. 超聲成像的圖像信息超聲成像的圖像信息不同組織具有不同的聲阻抗 回波強度可反映介質的聲阻抗對比度增強v增強散射增強散射v理論上

13、可采用充氣的微泡理論上可采用充氣的微泡 超聲成像超聲成像1. B型超聲成像原理2. 超聲成像的圖像信息四超聲成像的一般技術性能3. 超聲成像的一般技術性能靈敏度 和探測深度有關和探測深度有關3. 超聲成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率v 角度分辨率 軸向分辨率 3. 超聲成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率 時間分辨率n超聲速度、角度分辨率超聲速度、角度分辨率 最大徑向檢測范圍最大徑向檢測范圍第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式一一光學成像及其圖像信息光學成像及其圖像信息二二X X線及線及X-CTX-CT及其圖像信息及其圖像信息三三磁共振成像及其圖像信息磁共振成像及其圖像信息四

14、四超聲成像及其圖像信息超聲成像及其圖像信息五五放射性核素放射性核素( (發(fā)射型計算機斷層發(fā)射型計算機斷層) )成像及其成像及其圖像信息圖像信息PET的出現(xiàn)v19431943，瑞典化學家赫維西，瑞典化學家赫維西(George Charles de Hevesy)(George Charles de Hevesy)，發(fā)現(xiàn)了用于人體檢測的安全發(fā)現(xiàn)了用于人體檢測的安全有效的放射性追蹤劑，有效的放射性追蹤劑，獲得諾貝爾化學獎。獲得諾貝爾化學獎。v19951995，F(xiàn)DAFDA核準核準PETPET的臨床使用。的臨床使用。第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式放射性核素成像放射性核素成像1. 放

15、射性核素成像原理ECT的物理基礎 v放射性核素發(fā)射放射性核素發(fā)射 射線射線v體外檢測體外檢測 射線可確定體內放射性核素活度射線可確定體內放射性核素活度v放射性核素是外源性的放射性核素是外源性的v 射線活度取決于組織的血流、代謝、排泄、細胞功射線活度取決于組織的血流、代謝、排泄、細胞功能、細胞數量、能、細胞數量、 內源性 結構成像 外源性 功能成像1. 放射性核素成像原理ECT的物理基礎 ECT的數學基礎1. 放射性核素成像原理ECT的物理基礎 ECT的數學基礎ECT的種類v單光子發(fā)射（SPECT）v正電子發(fā)射（PET） v體外的示蹤劑注入體內，聚集在體內靶標組織，核素在衰變過程中發(fā)射高能量光子

16、束或正電子，穿透人體組織后向外輻射 v核素能與血流、代謝、組織等相結合v檢測到不同方位上的“投影”信號后，可據此重建放射性核素在靶標組織內分布的映射圖像 功能成像 第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式放射性核素成像放射性核素成像2. 核素成像的圖像信息（1）圖像的灰度直接反映了體內放射性核素的活度的強弱（濃度高低）直接反映了放射性核素的空間濃度分布間接反映了靶標組織的空間分布間接反映了組織濃度分布或生物活動程度2. 核素成像的圖像信息（1）圖像的灰度直接反映了體內放射性核素的活度的強弱（濃度高低）（2）根據不同的實驗，可間接地反映特定功能的強弱或特定物質的多少（3）對比度增強劑vSPECT：1.同位素的半衰期較長；2.不是人體本身所具備的元素；3.生理/生化過程的顯示受到限制。vPET：1.同位素的半衰期較短；2.都是人體組織所富有的元素；3.排泄快，影響??；4.如果要進行生物過程的長期比較，不合適。 第二章第二章 醫(yī)學圖像的成像模式醫(yī)學圖像的成像模式放射性核素成像放射性核素成像3. 一般技術性能 靈敏度vSPECTSPECT：10-6 10-8 mM PETPET：10-8 10-9 mM3. 一般技術性能靈敏度 空間分辨率nSP