医学影像

介绍：医学影像学Medical Imaging，是研究借助于某种介质（如X射线、电磁场、超声波等）与人体相互作用，把人体内部组织器官结构、密度以影像方式表现出来，供诊断医师根据影像提供的信息进行判断，从而对人体健康状况进行评价的一门科学，包括医学成像系统和医学图像处理两方面相对独立的研究方向。医学影像学中的许多技术已经在科学研究的工业中获得了广泛的应用。医学影像学的发展受益于现代计算机技术的突飞猛进，其与图像处理，计算机视觉，模式识别技术的结合产生了一个新的计算机技术分支--医学图像处理。

（1）X射线成像

X射线又称伦琴射线，它是肉眼看不见的一种射线，但可使某些化合物产生荧光或使照相底片感光；它在电场或磁场中不发生偏转，能发生反射、折射、干涉、衍射等；它具有穿透物质的本领，但对不同物质它的穿透本领不同；能使分子或原子电离；有破坏细胞作用，人体不同组织对于X射线的敏感度不同，受损害程度也不同。因此，X射线能使人体在荧屏上或胶片上形成影像，是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的X线的量有差异。在荧屏或X射线片上形成黑白对比不同的影像。因此，X射线一发现就在医疗上显示了巨大的应用价值，几个星期后，医学家就应用X射线准确地显示了人体断骨的位置。随着时间的推移，X射线已经成为现代医疗中不可缺少的设备。

（2）CT成像

图片来源：（RPI ）CT剂量报告软件

CT是用X线束对人体检查部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digital converter）转为数字信号，输入计算机处理。图像形成的处理有如将选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素（voxel）。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵（digital matrix）.数字矩阵可存储于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器（digital/anolog converter）把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素（pixel），并按矩阵排列，即构成CT图像。

（3）PET/CT成像

图片来源：西门子PET设备

PET/CT（positron emission tomography / computedtomography ） 全称为正电子发射断层显像 /X 线计算机体层成像仪，是一种将 PET（功能代谢显像）和CT（解剖结构显像） 两种先进的影像技术有机地结合在一起的新型的影像设备. 它是将微量的正电子核素示踪剂注射到人体内， 然后采用特殊的体外探测 仪（PET）探测这些正电子核素人体各脏器的分布情况，通过计算机断层显像的方法显示人体的主要器官的生理代谢功能，同时应用 CT 技术为这些核素分布情况进行精确定位，使这台机器同时具有 PET 和 CT 的优点，发挥出各自的最大优势。PET/CT是PET和CT的组合体，将PET和CT设计为一体，由一个工作站控制。单PET进行核医学显像时，有其它诊断设备无法比拟的早期发现灵敏性等优越特性，但因药物及其原理所限，其定位精度不够好，有厂商后来将PET和CT设计为一体，扫描时根据需求同时进行PET显像和CT显像 ，并由工作站将两种图像融合到一起，以达到更好的鉴别和定位。

（4）SPET（SPECT）/CT成像

图片来源：nanoScan SPECT/CT小动物SPECT/CT成像系统

单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和正电子发射断层成像术(Positron Emission Tomography，PET)是核医学的两种CT技术，由于它们都是对从病人体内发射的γ射线成像，故统称发射型计算机断层成像术(Emission Computed Tomography，ECT)。SPECT的基本本成像原理是：首先病人需要摄入含有半衰期适当的放射性同位素药物，在药物到达所需要成像的断层位置后，由于放射性衰变，将从断层处发出γ光子，位于外层的γ照相机探头的每个灵敏点探测沿一条投影线(Ray)进来的γ光子，通过闪烁体将探测到的高能γ射线转化为能量较低但数量很大的光信号，通过光电倍增管将光信号转化为电信号并进行放大，得到的测量值代表人体在该投影线上的放射性之和。在同一条直线上的灵敏点可探测人体一个断层上的放射性药物，它们的输出称作该断层的一维投影(Projection)。图中各条投影线都垂直于探测器并互相平行，故称之为平行束，探测器的法线与X轴的交角θ称为观测角(View)。γ照相机是二维探测器，安装了平行孔准直器后，可以同时获取多个断层的平行束投影，这就是平片。平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。可以证明，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。从投影求解断层图像的过程称作重建(Reconstruction)。这种断层成像术离不开计算机，所以称作计算机断层成像术(Computed Tomography，CT)。CT设备的主要功能是获取投影数据和重建断层图像。

（5）超声波成像

超声(Ultrasound，简称US)医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程，所以超声医学具有医、理、工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图象。常用的超声仪器有多种：A型（幅度调制型）是以波幅的高低表示反射信号的强弱，显示的是一种“回声图”。M型（光点扫描型）是以垂直方向代表从浅至深的空间位置，水平方向代表时间，显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示，应用范围有限。B型（辉度调制型）即超声切面成象仪，简称“B超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱，在探头沿水平位置移动时，显示屏上的光点也沿水平方向同步移动，将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图，为二维成象。至于D型是根据超声多普勒原理制成．C型则用近似电视的扫描方式，显示出垂直于声束的横切面声象图。近年来，超声成象技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图，鉴别胎儿的正常与异常，在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。

（6）核磁共振成像

核磁共振成像也称磁共振成像，是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像，经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P，在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。

将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即H+）发生章动产生射频信号，经计算机处理而成像的。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。