醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)第一章醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)概論課件

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)

教學(xué)課件韓豐談主編第一章醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)概論第一節(jié)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展簡史

第二節(jié)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的分類

第一節(jié)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展簡史

1895年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高壓放電實驗時，發(fā)現(xiàn)了一種肉眼看不見、但具有很強的穿透本領(lǐng)、能使某些物質(zhì)發(fā)出熒光和使膠片感光的新型射線，即X射線，簡稱為X線。1896年，德國西門子公司研制出世界上第一只X線管。20世紀10~20年代，出現(xiàn)了常規(guī)X線機。其后，由于X線管、高壓變壓器和相關(guān)的儀器、設(shè)備以及人工對比劑的不斷開發(fā)利用，尤其是體層裝置、影像增強器、連續(xù)攝影、快速換片機、高壓注射器、電視、電影和錄像記錄系統(tǒng)的應(yīng)用，到20世紀60年代中、末期，已形成了較完整的學(xué)科體系，稱為影像設(shè)備學(xué)。近30年來，CT設(shè)備的更新速度極快，掃描時間由最初的幾分鐘向亞秒級發(fā)展，圖像快速重建時間最快的已達0.75s（512×512矩陣），空間分辨力也提高到0.1mm。寬探測器多層螺旋CT設(shè)備得到了廣泛的普及，功能有了進一步的擴展。大孔徑CT設(shè)備可兼顧日常應(yīng)用與腫瘤病人定位，組合型CT設(shè)備可在完成CT檢查后直接進行正電子發(fā)射型計算機體層（positiveemissioncomputedtomography，PET）檢查，使CT的形態(tài)學(xué)信息與PET的功能性信息通過工作站準確融合，可以更準確地完成定性與定量的診斷。平板探測器CT設(shè)備目前尚在開發(fā)階段，一旦技術(shù)成熟，從機器設(shè)計、信息模式、成像速度、射線劑量到運行成本都會有根本性的改變，將會引起CT設(shè)備的又一次革命。20世紀80年代初用于臨床的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）設(shè)備，簡稱為MRI設(shè)備。它是一種新的非電離輻射式醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。MRI設(shè)備的密度分辨力高，通過調(diào)整梯度磁場的方向和方式，可直接攝取橫、冠、矢狀層面和斜位等不同體位的體層圖像，這是它優(yōu)于CT設(shè)備的特點之一。迄今，MRI設(shè)備已廣泛用于全身各系統(tǒng)，其中以中樞神經(jīng)、心血管系統(tǒng)、肢體關(guān)節(jié)和盆腔等效果最好。生物體磁共振波譜分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）具有研究機體物質(zhì)代謝的功能和潛力，今后如能實現(xiàn)MRI設(shè)備與MRS結(jié)合的臨床應(yīng)用，將會引起醫(yī)學(xué)診斷學(xué)上一個新的突破。數(shù)字減影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、計算機X線攝影（computedradiography，CR）和數(shù)字攝影（digitalradiography，DR）是20世紀80年代、90年代開發(fā)的數(shù)字X線機。前者具有少創(chuàng)、實時成像、對比分辨力高、安全、簡便等特點，目前，正向快速旋轉(zhuǎn)三維成像實時減影方向發(fā)展，從而擴大了血管造影的應(yīng)用范圍。后者具有減少曝光量和寬容度大等優(yōu)點，更重要的是可作為數(shù)字化圖像納入圖像存儲與傳輸系統(tǒng)（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X線實時高分辨力成像板將是最具革命性、最有發(fā)展前途的影像探測器之一。20世紀50年代和60年代，超聲成像（ultrasonography，USG）設(shè)備和核醫(yī)學(xué)設(shè)備相繼出現(xiàn)，當(dāng)時在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用往往各成系統(tǒng)。1972年X-CT設(shè)備的開發(fā)，使醫(yī)學(xué)影像設(shè)備進入了一個以計算機和體層成像相結(jié)合、以圖像重建為基礎(chǔ)的新階段。70年代末80年代初，超聲CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和數(shù)字X線機逐步興起，并應(yīng)用于臨床。盡管這些設(shè)備的成像參數(shù)、診斷原理和檢查方法各不相同，但其結(jié)果都是形成某種影像，并依此進行診斷。綜上所述，多種類型的醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備與醫(yī)學(xué)影像治療設(shè)備相結(jié)合，共同構(gòu)成了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像設(shè)備體系。第二節(jié)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的分類現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像設(shè)備可分為兩大類，即醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備和醫(yī)學(xué)影像治療設(shè)備。一、診斷用設(shè)備按照影像信息的載體來區(qū)分，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備主要有以下幾種類型：①X線設(shè)備（含X-CT設(shè)備）；②MRI設(shè)備；③超聲設(shè)備；④核醫(yī)學(xué)設(shè)備；⑤熱成像設(shè)備；⑥光學(xué)成像設(shè)備（醫(yī)用內(nèi)鏡）。在X線設(shè)備中，屏-片組合分辨力較高，可達到5~10LP/mm，且使用方便、價格較低，是目前各級醫(yī)院中使用最普遍的設(shè)備之一。但它得到的是人體不同深度組織信息疊加在一起的二維圖像，所以病變的深度很難確定，且對軟組織分辨不佳。數(shù)字X線機使用曝光量寬容度大，可獲得數(shù)字化影像，便于進行圖像的后處理，且擴大了診斷范圍，利于胃腸和心臟等部位的檢查。X-CT影像的空間分辨力可小于0.5mm，能分辨組織的密度差別可達到0.5％。X-CT影像的清晰度很高，可確定受檢臟器的位置、大小和形態(tài)變化。（二）MRI設(shè)備MRI設(shè)備通過測量構(gòu)成人體組織中某些元素的原子核的磁共振信號，實現(xiàn)人體成像。20世紀40年代發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的磁共振現(xiàn)象，20世紀80年代MRI設(shè)備應(yīng)用于臨床。MRI影像的空間分辨力一般為0.5~1.7mm，不如X-CT；但它對組織的分辨遠遠好于X-CT，在MRI影像上可顯示軟組織、肌肉、肌腱、脂肪、韌帶、神經(jīng)、血管等。此外，它還有一些特殊的優(yōu)點：①MRI剖面的定位完全是通過調(diào)節(jié)磁場，用電子方式確定的，因此能完全自由地按照要求選擇層面；②MRI對軟組織的對比度比X-CT優(yōu)越，能非常清楚地顯示腦灰質(zhì)與白質(zhì)；③MR信號含有較豐富的有關(guān)受檢體生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度測量值；④MRI能在活體組織中探測體內(nèi)的化學(xué)性質(zhì)，提供關(guān)于內(nèi)部器官或細胞新陳代謝方面的信息；⑤MRI無電離輻射。目前，尚未見到MR對人體危害的報道。MRI的缺點：①與X-CT相比，成像時間較長；②植入金屬的病人，特別是植入心臟起搏器的病人，不能進行MRI檢查；③設(shè)備購置與運行的費用較高?？傊?，MRI設(shè)備可作任意方向的體層檢查，能反映人體分子水平的生理、生化等方面的功能特性，對某些疾病（如腫瘤）可作早期或超早期診斷，是一種很有發(fā)展前途和潛力的高技術(shù)設(shè)備。X線成像與US成像是當(dāng)前用得最為普遍的兩種檢查方法，但對人體有無危害是它們之間的一個重要區(qū)別。就X線來說，盡管現(xiàn)在已經(jīng)顯著地降低了診斷用劑量，但其危害性仍不容忽視。實踐表明，它將導(dǎo)致癌癥、白血癥和白內(nèi)障等疾病的發(fā)病率增加。而從現(xiàn)有資料來看，目前診斷用US劑量還未有使受檢者發(fā)生不良反應(yīng)的報道。此外，X線在體內(nèi)沿直線傳播，不受組織差異的影響，是其有利的一面，但不利的一面是難以有選擇地對所指定的平面成像。對US波來說，不同物質(zhì)的折射率變化范圍相當(dāng)大，這將造成影像失真。但它在絕大部分組織中的傳播速度是相近的，骨骼和含有空氣的組織（如肺）除外。US波和X線這些不同的輻射特性，確定了各自最適宜的臨床應(yīng)用范圍。例如，US脈沖回波法適用于腹內(nèi)結(jié)構(gòu)或心臟的顯像，而利用X線對腹部檢查只能顯示極少的內(nèi)部器官（若采用X線造影法，也可有選擇地對特定器官顯像）；對于胸腔，因肺部含有空氣而不宜用US檢查，用X線則可獲得較為滿意的結(jié)果。（四）核醫(yī)學(xué)設(shè)備核醫(yī)學(xué)設(shè)備通過測量人體某一器官（或組織）對標記有放射性核素藥物的選擇性吸收、儲聚和排泄等代謝功能，實現(xiàn)人體功能成像。主要有γ相機、單光子發(fā)射型CT（singlephotonemissionCT，SPECT）和正電子發(fā)射型CT（positiveemissionCT，PET）。γ相機既是顯像儀器，又是功能儀器。臨床上可用它對臟器進行靜態(tài)或動態(tài)照相檢查。動態(tài)照相主要用于心血管疾病的檢查。因為SPECT具有γ相機的全部功能，又具有體層功能，所以明顯提高了診斷病變的定位能力；加上各種新開發(fā)出來的放射性藥物，從而在臨床上得到日益廣泛的應(yīng)用。SPECT能做動態(tài)功能檢查或早期疾病診斷。缺點是圖像清晰度不如X-CT，檢查時要使用放射性藥物。PET可以用人體組織的某些組成元素（如15O、11C、13N等）來制造放射性藥物，特別適合作人體生理和功能方面的研究，尤其是對腦神經(jīng)功能的研究。在其附近需要有生產(chǎn)半衰期較短的放射性核素的加速器和放射化學(xué)實驗室。核醫(yī)學(xué)成像只需極低濃度的放射性物質(zhì)，這與X線成像時口服硫酸鋇不同。一般情況下，核醫(yī)學(xué)成像的橫向分辨力很難達到1.0cm；且圖像比較模糊，這是因為有限的光子數(shù)目所致。相比之下，X線成像具有高分辨力和低量子噪聲。醫(yī)用熱成像設(shè)備一般包括紅外成像、紅外照相、紅外攝像和光機掃描成像等。光機掃描熱成像儀將人體的熱像轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)變化的圖像電信號，經(jīng)放大處理即可在顯示器上顯示熒光影像。其優(yōu)點是溫度分辨力可達0.1~0.01K，且具有靈敏度高、空間分辨力高。目前，光機掃描熱成像儀已應(yīng)用于乳腺癌的普查和診斷，血管瘤和血管閉塞情況的檢查和診斷，以及妊娠的早期診斷等。還有一種熱釋電攝像機，將輸入的熱輻射由紅外透鏡聚焦，在攝像管靶面上產(chǎn)生空間和強度變化與熱體溫度分布相同的電荷圖形，最后把反映溫度情況的電像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出。熱釋電攝像機在整個紅外光譜區(qū)響應(yīng)相當(dāng)平穩(wěn)，又無需制冷，具有電子掃描、能與電視兼容等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的熱成像系統(tǒng)。但目前它存在著靈敏度低、工作距離近、性能指標比光機掃描熱像儀差的缺陷，有待于進一步完善與提高。體內(nèi)以電磁波方式向外傳播的熱輻射，其中含有微波成分。微波成像系統(tǒng)借助于體外的微波天線接收體內(nèi)傳出的微波，并通過高靈敏度的熱輻射計以實現(xiàn)溫度測量。如測量某一特定頻率的信號，即可得到從體表到某一深度的平均溫度。若采用多波段輻射計，并對測量數(shù)據(jù)作適當(dāng)處理，就能推斷出不同深度組織的溫度。如以溫度為參變量，則可獲得不同深度的體層圖像。由于引起人體組織溫度的異常分布有各種各樣的原因，因此，熱成像設(shè)備所提供的信息僅供診斷參考，不能作為診斷依據(jù)。電子內(nèi)鏡的功能比光導(dǎo)纖維內(nèi)鏡多得多，是內(nèi)鏡的一大進步。它主要由內(nèi)鏡、光源、視頻處理中心、視頻顯示系統(tǒng)、圖像與病人數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)及附屬裝置組成。其最大的特點是采用電荷耦合器（chargescoupleddevice，CCD）將觀察到的物像由光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并傳輸?shù)揭曨l中心進行處理，達到最終顯示的目的。傳輸?shù)奖O(jiān)視器的圖像還可記錄下來，用視頻打印機打印，也可傳輸?shù)搅硪粓鏊M行同時觀察。20世紀80年代初，USG內(nèi)鏡問世。它是將US探頭和內(nèi)鏡連在一起，在內(nèi)鏡的引導(dǎo)下，將US探頭送入體內(nèi)進行掃描，所得到的信息要比在體表上獲得的掃描信息準確詳細。目前這類設(shè)備主要用線性和扇形兩種掃描方式，而采用凸式掃描做彩色多普勒和B型圖像顯示則較為少見。此外，激光內(nèi)鏡和三維內(nèi)鏡亦在發(fā)展之中。前者是將診斷與治療功能結(jié)合在一起的新一代內(nèi)鏡。后者可提供立體圖像，能使許多高難度的手術(shù)得以順利實施，且大大提高了手術(shù)的安全系數(shù)，是內(nèi)鏡發(fā)展史上又一新進展。二、治療用設(shè)備（一）介入放射學(xué)設(shè)備所謂介入放射學(xué)（interventionalradiology）系統(tǒng)，就是借助高精度計算機化的影像儀器的觀察，通過導(dǎo)管深入體內(nèi)，對疾病直接進行診斷與治療的一種新型設(shè)備與技術(shù)。它的問世，使臨床某些疾病由不可治變?yōu)榭芍?，使治療的難度由大變小，使有創(chuàng)傷變成少創(chuàng)傷甚至無創(chuàng)傷，使病人免受或減輕了手術(shù)之苦，操作比較安全，治療效果也較好。利用介入放射學(xué)系統(tǒng)開展診療工作，對提高某些心血管病、腦血管病、腫瘤等重大疾患的診療水平，提高治愈率與存活率，改善生活質(zhì)量，發(fā)揮了重要作用。醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的導(dǎo)向是完成介入治療的關(guān)鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學(xué)儀器等多種儀器組成的大型精密儀器設(shè)備系統(tǒng)。特別是20世紀80年代初發(fā)展起來的影像技術(shù)與計算機結(jié)合的DSA問世后，由于它能實時地向醫(yī)生提供導(dǎo)管導(dǎo)向的位置、局部循環(huán)結(jié)構(gòu)、栓塞或擴張的效果等有關(guān)介入診療的信息，因而具有極大的優(yōu)越性，目前可以說已基本取代了常規(guī)的血管造影設(shè)備。而計算機的應(yīng)用，使DSA向智能化、光纖網(wǎng)絡(luò)的綜合快速數(shù)據(jù)處理能力、無膠片處理方式、盡可能低的X線劑量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的圖像處理技術(shù)方向發(fā)展，從而為介入放射學(xué)提供了有力的保證。醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的導(dǎo)向是完成介入治療的關(guān)鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學(xué)儀器等多種儀器組成的大型精密儀器設(shè)備系統(tǒng)。特別是20世紀80年代初發(fā)展起來的影像技術(shù)與計算機結(jié)合的DSA問世后，由于它能實時地向醫(yī)生提供導(dǎo)管導(dǎo)向的位置、局部循環(huán)結(jié)構(gòu)、栓塞或擴張的效果等有關(guān)介入診療的信息，因而具有極大的優(yōu)越性，目前可以說已基本取代了常規(guī)的血管造影設(shè)備。而計算機的應(yīng)用，使DSA向智能化、光纖網(wǎng)絡(luò)的綜合快速數(shù)據(jù)處理能力、無膠片處理方式、盡可能低的X線劑量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的圖像處理技術(shù)方向發(fā)展，從而為介入放射學(xué)提供了有力的保證。介入性導(dǎo)管，根據(jù)用途可分為兩類，即診斷用導(dǎo)管和治療用導(dǎo)管及其附件。前者包括心血管、腦血管造影導(dǎo)管，肝、腎、胰、脾等內(nèi)臟器官用導(dǎo)管十余種。這種導(dǎo)管要有一定耐壓性和滿足大流量的要求（15~25ml/s）。后者如消化道治療導(dǎo)管、腫瘤化療用導(dǎo)管、射頻消融導(dǎo)管、溶栓導(dǎo)管、二尖辮球囊擴張導(dǎo)管等。其附件有血管內(nèi)支架（自膨脹型、球囊膨脹型、形狀記憶型）、導(dǎo)絲（引導(dǎo)導(dǎo)管用）等。專家預(yù)測，在21世紀，應(yīng)用微電子、分子生物學(xué)和基因工程的新成果，集多功能如內(nèi)鏡、USG設(shè)備、血流壓力測量等于一體的新一代治療導(dǎo)管及傳輸裝置將進一步發(fā)展。應(yīng)用生物適應(yīng)性良好的材料、內(nèi)支架、留置用導(dǎo)管的研制和臨床應(yīng)用將有助于進一步提高介入治療的水平。開放式MRI設(shè)備與其相應(yīng)配套裝置的開發(fā)以及與USG設(shè)備的配合使用，將使介入治療技術(shù)向低或無放射線方向發(fā)展。影像設(shè)備的研制、開發(fā)，使實時成像和立體成像引導(dǎo)下的介入性操作成為可能，加上新的抗癌藥物、栓塞劑和基因療法的應(yīng)用，將進一步提高介入治療的精度與療效。（二）立體定向放射外科學(xué)設(shè)備立體定向放射外科（stereotacticradiosugery，SRS）或稱立體定向放射治療（stereotacticradiotherapy，SRT），是一門新的醫(yī)療技術(shù)。它是利用現(xiàn)代X-CT設(shè)備、MRI設(shè)備或DSA設(shè)備，加上立體定向頭架裝置對顱內(nèi)病變區(qū)做高精度定位；經(jīng)過專用治療計劃系統(tǒng)（具有三維顯示和計算功能的計算機）做出最優(yōu)化治療計劃；運用邊緣尖銳的小截面光子束（MV級）以