Undergraduate_shus on Bughht Blog

MRI_Basic

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Thu, 08 Dec 2022 15:09:46 +0800

Principle of Magnetic Resonance Imaging

Mathematical Fundamentals

TODO

Signal Generation & Detection

Nuclear Magnetic Moments

Based on quantum mechanics, nuclear magnetic dpole moment $\overrightarrow{\mu}=\gamma\hbar\sqrt{I(I+1)}$.

where $\gamma$ is gyromagnetic ratio, $\hbar=\cfrac{h}{2\pi}$ is the reduced Planck’s constant, $I=0,\cfrac{1}{2}, 1,\cfrac{3}{2}, 2\cdots$ is the nuclear spin quantum number.

For $^1H$, $^{13}C$, $^{19}F$ and $^{31}P$, $I=\frac{1}{2}$, such a spin system is called a spin-$\bold{\frac{1}{2}}$ system. A nucleus is NMR-active only if $I\ne0$

The z-component of $\overrightarrow{\mu}=\gamma m_I\hbar$

大学本科-汇总

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Tue, 06 Dec 2022 15:09:46 +0800

Course Review for University (Shanghai University)

Taichi-Q

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Sat, 03 Dec 2022 15:09:46 +0800

Taichi-Q

基于taichi的量子计算模拟器

团队信息

团队: Administrator
- 成员：Harryhht

项目简介

灵感来源

量子计算Quantum Computation单纯是我个人兴趣，我在三年前在物理系就读的时候参加过一些相关的竞赛/黑客松，也自己粗浅地琢磨过某些算法。但因为量子计算和我目前的专业（BME）关联度不太大所以我对于其中更为前沿的研究内容缺乏一定认知还请谅解。设计一款量子计算模拟器一直是我的TODO栏中的一项，但苦于课业压力一直没抽出时间动手（也许是确实缺少动力）。Taichi我几年前就有所耳闻，和量子计算一样的TODO，一直没机会上手但有所关注，本次hackathon很好地提供了一次让我一次性达成两个目标的机会hhh。

r-PPG Review

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Mon, 06 Dec 2021 15:09:46 +0800

Algorithm available for r-PPG (based on referenced articles)

Skin Reflection model 1

The reflection of each skin pixel in a recorded image sequence can be defined as a time-varying function in RGB channels $$\textbf{C}_k(t)=I(t)\cdot(\textbf{v}_s(t)+\textbf{v}_d(t))+\textbf{v}_n(t)$$ where

$\textbf{C}_k$: RGB channels of the $k$th skin pixel
$I(t)$: Luminance intensity level
$\textbf{v}_s(t)$: specular reflection
$\textbf{v}_d(t)$: diffusion reflection
$\textbf{v}_n(t)$: noise

Specular reflection: $$\textbf{v}_s(t)=\textbf{u}_s\cdot(s_0+s(t))$$ where

人体解剖与生理

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Mon, 06 Dec 2021 15:09:46 +0800

人体解剖与生理

人体解剖生理学：研究人体结构和功能的一门学科
解剖学：研究人体机体结构的科学
生理学：研究活的有机体各种功能的学课
机体的组构水平：
- 化学水平
- 细胞水平
- 组织水平和细胞水平
  - 肌肉组织
  - 神经组织
  - 上皮组织
  - 结缔组织
- 系统水平
- 整体水平
生命活动的基本特征
- 新陈代谢：集体主动与环境进行物质和能量交换的过程
- 生殖：生命体生长发育到一定阶段后，能够产生和自己相似的子代
- 生长和发育：生命个体的生长
稳态调节的方式
- 神经调节（最快）
- 体液调节
- 自身调节（最慢）
人体解剖学的轴和面
- 水平面（横切面）
- 矢状面（纵切面）
- 冠状面（额状面）
人体的四种基本组织：
- 上皮组织
- 结缔组织
- 肌肉组织
- 神经组织
细胞是人体结构和功能的基本单位
物质的转运作用
- 被动转运
  - 单纯扩散
    - 脂溶性小分子：氧气，二氧化碳，氮气，尿素、乙醇、水
    - 顺浓度梯度，不耗能，不需要膜蛋白
  - 易化扩散
    - 非脂溶性／低脂溶性物质：葡萄糖、氨基酸、Na+、K+、Ca2+
    - 顺浓度梯度，不耗能
    - 分类
      - 通道转运：需要膜通道蛋白：电压、化学、机械
      - 载体转运：依赖载体蛋白
- 主动转运
  - 主动运输
    - 逆浓度梯度转运，耗能
    - 原发性：直接利用代谢产生的能量
    - 继发性：利用Na+-Ka+泵产生的势能
  - 胞吞、胞吐
    - 细胞膜对大分子、团块物质的转运
    - 入胞：体内细菌、异物的清除，大分子营养物质的吸收
    - 出胞：激素、神经递质、酶的分泌
    - 细胞提供能量
四种基本组织：
- 上皮组织
- 结缔组织
- 肌肉组织
- 神经组织
上皮组织：
- 被覆上皮
- 腺上皮
结缔组织
- 分类：
  - 疏松结缔组织
  - 致密结缔组织
  - 脂肪组织
  - 网状组织
- 功能；连接、支持、营养、运输、保护
肌肉组织
- 横纹肌
  - 骨骼肌：随意肌
  - 心肌：不随意肌
- 平滑肌：不随意肌
神经组织
- 神经元
  - 胞体
  - 突起
    - 树突
    - 轴突
- 分类：
  - 单极
  - 假单极
  - 多极
- CNS中枢神经胶质
  - 星形胶质：分泌神经营养因子
  - 小胶质：可转变为巨噬细胞
  - 少突胶质：CNS髓鞘形成细胞
  - 室管膜
- PNS外周神经胶质
  - 施万细胞：PNS髓鞘生成细胞，分泌营养因子
  - 卫线细胞
- 神经纤维
  - 有髓神经纤维
    - 髓鞘由磷脂和蛋白质层层相间组合而成，呈圆筒状包在突起外面，绝缘。
    - 郎飞结：髓鞘不连续，呈有规则的节段、节段之间细窄部分
  - 无髓神经纤维
运动系统
- 组成
  - 骨
  - 骨连结
  - 骨骼肌肉
- 成人骨：206
  - 颅骨：29
    - 脑颅骨：额骨、枕骨、蝶骨、筛骨、顶骨、颞骨
    - 面颅骨：上颌骨、颧骨、颚骨、腭骨、鼻骨、泪骨、下鼻甲骨、下颌骨、犁骨、舌骨
    - 听小骨：锤骨、枕骨、镫骨
  - 躯干骨：51
    - 脊柱：颈椎、胸椎、腰椎、骶骨、尾骨、胸骨
    - 肋骨：24
  - 四肢骨：126
    - 上肢骨：
      - 上肢带骨：肩胛骨、锁骨
      - 上肢游离骨：肱骨、桡骨、尺骨、手骨
    - 下肢骨：
      - 下肢带骨：髋骨
      - 下肢游离骨：股骨、髌骨、胫骨、腓骨、足骨
- 颅骨和躯干骨：中枢骨
- 骨连结：
  - 直接连结：缝、椎间盘
  - 间接连结：关节
    - 关节面
    - 关节囊
    - 关节腔
    - 关节辅助结构：
      - 韧带
      - 关节盘
      - 半月板
- 骨质：
  - 骨密质
  - 骨松质
- 骨膜：结缔组织
- 骨髓：
  - 红骨髓：造血功能
  - 黄骨髓：脂肪
- 颅骨：
  - 顶面观：
    - 冠状缝：额骨、顶骨
    - 矢状缝：顶骨
    - 人字缝：枕骨、顶骨
- 躯干骨：
  - 椎骨
    - 颈椎
    - 胸椎
    - 腰椎
    - 骶骨
    - 尾骨
  - 肋骨
  - 胸骨
神经系统
- 组成：
  - 中枢神经系统：
    - 脑
    - 脊髓
  - 周围神经系统
- 自主神经
  - 交感神经：兴奋
  - 副交感神经：抑制
- 生物电：生物体在生命活动中所表现出的电现象
  - 兴奋与兴奋性
    - 刺激：凡是能引起机体活动的细胞、组织活动状态发生改变的任何环境因子
    - 反应：由刺激引起的机体活动状态的改变
    - 冲动：快速、可传导的生物电的变化
    - 兴奋：活组织因刺激而产生的冲动反应
    - 兴奋性：可兴奋组织具有产生兴奋（冲动）的能力
  - 引起兴奋的条件
    - 刺激强度
    - 刺激的作用时间
    - 强度变化率
  - 静息电位：细胞在没有受到外来刺激时，即处于静息状态下的细胞膜内外侧存在的电位差称为膜电位，也称静息电位
  - 动作电位：神经细胞兴奋时将产生去极化，细胞兴奋产生的电位变化
  - 超极化：静息时膜内外的电压差数值向膜内负值大的方向变化
  - 去极化：膜内外电压差向负值减小方向变化
  - 复极化：细胞先去极化，再向正常安静时膜内所处负值恢复
  - 动作电位的时相：静息电位——峰电位（阈电位、去极化、超射、复极化）——后电位（负后电位、正后电位）——静息电位
    - 不应期：当单个阈上刺激引起细胞产生一次动作电位后，直到膜电位恢复到正常静息膜电位水平，此期间细胞膜通常不再对下一次刺激产生反应
    - 绝对不应期：奋后0.3ms内，兴奋性由100％降到零，这时无论给予多大刺激强度，都不能引起它的再次兴奋
    - 相对不应期：绝对不应期后3ms内，需要用超过正常阈值强度的刺激才能引起组织的兴奋
    - 超常期：相对不应期过后，用低于阈值的刺激能引起第二次兴奋，相当于负后电位时期
    - 低常期：在超常期后，刺激阈值需高于正常阈值，相当于正后电位
- 神经冲动的传导
  - 神经纤维传导的基本特征
    - 生理完整性
    - 双向传导
    - 非递减性
    - 绝缘性
    - 相对不疲劳性
  - 局部兴奋；阈下刺激引起膜中Na+通道的少量开放，膜上产生较小去极化
  - 奋的跳跃式传导：动作电位的传导表现为跨过每一段髓鞘而在相邻的郎飞结处相继出现（节能）
- 突触结构
  - 突触前膜
  - 突触间隙
  - 突触后膜
- 【简答】突触的传递过程：电-化学-电
  - 神经冲动到达轴突末梢，引起突触前膜去极化；
  - 前膜对Ca2+通透性增大，于是Ca2+内流进入突触小体，促使其内的递质囊泡向前膜靠近，然后融合，破裂并释放递质
  - 递质经弥散到达突触后膜，并与后膜上的特殊受体相结合，改变突触后膜对离子的通透性，使突触后膜产生局部去极化电位或超极化电位
  - 兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位。
- 兴奋由神经向肌肉的传递
  - 神经肌肉接头：神经冲动从神经末梢向肌纤维的传输方式
    - 突触前终末
    - 突触囊泡：含大量乙酰胆碱
    - 终板膜/运动终板
  - 终板电位：神经末梢兴奋时，释放乙酰胆碱，扩散到肌膜上与受体结合而产生。是一种局部去极化电位，可总和。
- 骨骼肌的收缩：肌肉收缩的滑行学说（sliding theory）
  - 肌肉收缩时肌纤维的缩短，在肌细胞内并无肌丝或它们所含的蛋白质分子结构的缩短，而只是由于细肌丝向粗肌丝之间的滑行的结果。
- 【简答】兴奋-收缩偶联：电和机械事件
  - 神经纤维上的动作电位达到轴突终末，引起前膜去极化，Ca2+从细胞外进入突触前膜
  - 在Ca2+促发作用下，突触小泡向前膜移动并与前膜融合，乙酰胆碱释放到突触间隙终，完成电信号-化学信号转换
  - 乙酰胆碱与终板膜上的乙酰胆碱受体结合，开放肌膜上的Na+，Ka+离子通道，Na+，Ka+按各自的电化学梯度沿通道跨膜流动，产生终板电位，完成化学信号向电信号的转换
  - 终板电位到达肌膜的阈电位，在肌膜上产生动作电位，动作电位沿肌膜扩散到整个肌细胞
  - 肌动作电位传入肌内膜系统，引起肌内膜系统终池终的Ca2+进入肌丝处
  - Ca2+与肌钙蛋白复合体结合，使横桥与肌动单摆的作用点结合，粗、细肌丝相对滑动，肌节缩短，肌肉收缩。肌膜上的电信号最终转换为肌肉的机械收缩
- 神经递质：神经末梢实放的、可与突触后膜上的受体作用并能发挥快速而精确调节的物质
  - 胆碱类：乙酰胆碱
  - 单胺类：多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素和5-羟色胺
  - 氨基酸类：谷氨酸、甘氨酸、γ-氨基丁酸和天冬氨酸
- 受体：能与特定的生物活性物质可选择性结合的生物大分子，是镶嵌在细胞膜终的蛋白质复合体
- 伸进反射活动的特征
  - 反射（神经系统的基本活动方式）：机体在中枢神经系统的参与下，对内外环境刺激所发生的规律性应答
  - 反射弧（反射活动的基础）
    - 感受器
    - 传入神经
    - 神经中枢
    - 传出神经
    - 效应器
  - 中枢神经系统兴奋性传递过程的特征
    - 单向传递
    - 中枢延搁
      - 反应时：从刺激感受器至效应器开始出现反射活动时所需的全部时间
    - 总和
    - 后放：刺激的作用停止后，中枢兴奋并不立即消失，反射常会延续一段时间
- 脊髓：位于椎管内，呈前后略扁的圆柱形。全长粗细不等，呈两处膨大，一处为颈膨大，一处为腰膨大
  - 6条沟
    - 前正中裂（较深）
    - 后正中沟（较浅）
    - 前外侧沟（2个，发出脊神经前根根丝）
    - 后外侧沟（2个，接受脊神经后根根丝）
  - 31节段
    - 颈髓8节（ C8 ）
    - 胸髓12节（ T12 ）
    - 腰髓5节（ L5 ）
    - 骶髓5节（ S5 ）
    - 尾髓1节（ Co1 )
  - 灰质：神经细胞胞体的集合部位
  - 白质：神经纤维构成
- 脑：位于炉腔内，由脑干、间脑、小脑及端脑（左右半球大脑）组成
  - 脑干：
    - 延髓
    - 脑桥
    - 中脑
    - 内部结构：按功能分为躯体感觉核、内脏感觉核、躯体运动核、内脏运动核
      - 灰质（神经核）
        
        脑神经核
        
        非脑神经核
      - 网状物质
      - 白质
        
        长的上行纤维束
        
        长的下行纤维束
  - 间脑：间脑内腔为第三脑室
    - 丘脑（背侧丘脑）
      - 是皮质下的感觉中枢；
      - 能感知粗略的痛觉；
      - 腹中间核和腹前核为大脑皮质与小脑、纹状体、黑质间联系的枢纽、调节躯体运动。
    - 下丘脑
      - 视交叉上区：中线两侧视交叉上方
      - 结节区：漏斗深面
      - 乳头体区：在乳头体内
  - 小脑
    - 蚯：中部狭窄部分
    - 半球：两侧膨大部分
    - 功能：运动控制，维持人体平衡并协调骨骼肌的运动
  - 大脑
    - 外形：
      - 脑沟
        
        外侧沟
        
        中央沟
        
        顶枕沟
      - 脑回：沟与沟之间的隆起
    - 内部结构
      - 大脑皮质
      - 基底核
      - 髓质联系纤维
  - 脑神经：12对
  - 脑室
    - 结构：
      - 侧脑室
      - 第三脑室
      - 中脑水管
      - 第四脑室
    - 功能：充满脑脊液
- 神经系统的功能
  - 感受器：分布于体表或机体内部组织中的一些专门感受机体内、外环境变化的结构/装置
    - 外感受器：分布于皮肤、粘膜、视器和听器等处，感受外界环境的刺激，如触、压、切割、温度、光和声等物理刺激和化学刺激。
    - 内感受器：分布于内脏和心血管等处，感受机体内在的物理和化学刺激，如渗透压、压力、温度、离子和化合物浓度等。
    - 本体感受器：分布于肌、肌腱、关节和内耳的位觉器等处，感受机体运动和平衡变化时所产生的刺激。
    - 感受器的工作机制：换能
  - 【简答】躯体感觉的传入通路
    - 浅感觉：皮肤粘膜感受的外界感觉，如痛觉、温度觉、触觉；
      - 躯干、四肢浅感觉传导通路：三级神经元构成
        
        第一级神经元（感觉神经元）：脊神经内，其周围突构成脊神经的感觉纤维，分布到皮肤与粘膜内，末梢形成感受器。中枢神经脊神经后根进入脊髓，在脊髓灰质后角内更换神经元
        
        第二级神经元：轴突越至对侧，在脊髓白质的前外侧部上行，形成脊髓丘脑束，经历盐水、闹求、中脑至丘脑外侧核
        
        第三级神经元：发出纤维组成的丘脑皮质束，经内囊投射到大脑皮质中央后回的重伤部和旁中央小叶候补的躯干、四肢感受区
    - 深感觉（本体感觉）：是来自肌肉、肌腱、骨膜、关节、韧带等深部结构所处的状态。
      - 三级神经元：
        
        第一级神经元：胞体位于脊神经节内，其周围突组成脊神经的感觉纤维，分布至躯干、四肢的肌腱及关节内，末梢形成感受器。中枢突随脊神经进入脊髓，在同侧后索内上行形成薄束和楔束，终止于延髓的薄束核和楔束核
        
        第二级神经元：薄束和楔束核中的神经元发出纤维交叉至对策，组成内侧丘系，上行经脑桥、中脑至丘脑，止于丘脑外侧核
        
        第三级神经元：轴突组成丘脑皮质束，经内囊投射至中央后回中上部、旁中央小叶候补和中央前回
      - 复合感觉：又称皮质感觉，包括实体觉、图形觉、两点辨别觉、皮肤定位觉、重量觉等；
      - 精细触觉：包括实体觉、图形觉、两点辨别觉、皮肤定位觉等。
      - 意识性本体感觉：大脑皮质
      - 非意识性本体感觉：小脑皮质
  - 大脑皮质结构特点：
    - 皮质功能柱：是大脑皮质最基本的功能单位，分感觉柱和运动柱
  - 体表感觉区Sensory Cortex
    - 对称性
    - 倒置性
    - 不成比例性
  - 内脏感觉：内脏感受器的传入冲动所产生的感觉
    - 对化学刺激和牵拉刺激敏感
    - 对切割和灼烧不敏感
  - 脊髓对躯体运动的控制
    - 屈肌反射和对侧伸肌反射
      - 曲肌反射：脊髓动物为躲避伤害性刺激，肢体出现屈曲运动，屈肌收缩而伸肌松弛
      - 对侧伸肌反射：当刺激强度增大到一定程度时，同侧肢体出现屈肌反射时，对侧肢体伸展，以利支持体重，维持身体平衡
    - 牵张反射
      - 腱反射
        
        是指快速牵拉肌腱时发生的牵张反射
      - 肌紧张
        
        骨骼肌有不同数量的运动单位的肌纤维轮换交替兴奋收缩
  - 脑干对骨骼肌运动的控制
    - 去大脑僵直：在动物中脑上、下丘之间水平横切，动物立即出现四肢伸直、坚硬如柱，头尾昂起，脊柱挺硬等肌紧张亢进现象，这是由于切断了大脑皮质和纹状体等部位与脑干网状系统之间的联系，引起抑制活动减弱，易化活动占优势。
  - 小脑对躯体运动的调节
    - 前庭：控制躯体的平衡功能
    - 脊髓小脑：精确调节肌肉运动
    - 皮质小脑：运动相关的记忆，使运动协调、精确。
- 自主神经系统
  - 副交感神经
  - 交感神经
  - 功能特点：
    - 双重神经支配
    - 自主神经中枢的紧张性
    - 交感中枢和副交感中枢的交互抑制
      - 交感和副交感神经的作用是相互拮抗的
- 中枢神经系统对内脏活动的调节
  - 脊髓
    - 内脏反射活动的初级中枢，脊休克
  - 低位脑干
    - 维持机体生命活动的基本中枢
  - 下丘脑
    - 体温调节
    - 摄食行为调节
    - 水平衡调节
    - 对内分泌腺的调节
    - 对生物节律的控制
  - 大脑皮质
- 边缘系统及功能
  - 管理内脏活动、情绪反应（“假怒”反应）和性活动等
  - 内脏脑
- 中枢神经系统的高级功能
  - 反射：中枢神经系统的基本活动形式
    - 非条件反射：机体先天固有的反射
    - 条件反射：机体后天获得的，在非条件反射的基础上建立起来的反射，具有可塑性和灵活性。
- 大脑皮质的电活动
  - 脑电图波形
    - β波：14～30Hz，5～20μv，睁眼、思考问题或接受某种刺激时出现
    - α波：8～13Hz，20～100μv
    - θ波：4～7Hz，100～150μv，困倦时、睡眠或深度麻醉时出现
    - δ波：0.5～3Hz，20～200μv，睡眠期间、极度疲劳及深度麻醉状态下出现，婴儿时期常出现
- 睡眠时相
  - 慢波睡眠：非快速眼球运动睡眠
    - 入睡期：α波↓、有β波和θ波
    - 浅睡期：睡眠梭形波（σ波）、少量δ波
    - 中度睡眠期：高幅δ或δ与梭形复合波
    - 深度睡眠期：低频高幅δ波
  - 异相睡眠：快波睡眠或快速眼球运动睡眠
    - 不规则β波
    - 感觉功能进一步减退，肌紧张↓，有肢体抽动，眼球快速运动，BP、心率、呼吸均↑但不规则，多数人反映做梦，蛋白质合成↑。NS发育、记忆。
    - 易诱发疾病发作
- 学习与记忆
  - 学习类型
    - 非联合性学习：简单的学习，不需要刺激与反应之间形成某种明确的联系。
      - 习惯化
      - 敏感化
    - 联合性学习：两个事件在时间上很靠近地重复发生，最后在脑内逐渐形成联系
      - 人和动物的绝大多数学习都是联合性学习
  - 记忆的种类
    - 短时程记忆：感觉信息形成的冲动在皮质局部区域内或皮质与丘脑之间复杂的神经元环路中震荡。颞叶——海马回——海马——穹隆——下丘脑乳头体——丘脑前核——扣带回——海马
      - 感觉性记忆
      - 第一级记忆
    - 长时程记忆：突触发生了物理的或化学的变化，使突触易化程度增加，脑内蛋白质的合成
      - 第二级记忆
      - 第三级记忆
感觉器官
- 感受器：分布于体表或组织内部感受机体内外环境变化的特殊结构或装置。
- 感觉器官：指感受器和与之相连的非神经性附属结构所构成的感受装置，如眼、耳、前庭、嗅、味等器官，都分布在头部，称为特殊感官
- 眼：眼球及其附属结构组成
  - 构造
    - 眼球壁
      - 外膜：
        
        角膜
        
        巩膜
      - 中膜：
        
        虹膜
        
        瞳孔扩张肌
        
        睫状体
        
        脉络膜
      - 内膜
        
        视网膜
        
        视锥细胞：暗视觉
        
        视杆细胞：明视觉（颜色）
      - 盲点：视神经乳头处无感光细胞，对光线不能引起视觉冲动，这个区域称为视盘或盲点（blind pot）
      - 黄斑
      - 中央凹：视锥细胞密集分布，辨色力、分辨力敏锐部位
    - 折光系统
      - 房水：折光，营养角膜、晶状体和维持眼内压；房水回流障碍——青光眼
      - 晶状体：含血管神经，聚焦作用；疾病、老化——白内障
      - 玻璃体：屈光，支撑视网膜
  - 折光异常
    - 近视：由于眼球前后径过长或眼球折光功能过强导致平行光线成像于视网膜之前造成的视物模糊
    - 远视：由于眼球前后径过短或眼球折光功能太弱导致平行光线成像于视网膜之后造成的视物模糊
    - 散光：由于眼球折光面的曲率半径不均一，导致光线在眼内不能同时聚焦而造成的视物模糊
  - 感光功能
    - 视杆细胞：视紫红质的光化学反应及其代谢
      - 视紫红质=视蛋白+视黄醛（需要维生素A提供）
      - 缺少维生素A：夜盲症
    - 视锥细胞：分别含有视红质、视绿质和视蓝质为其感光色素
      - 视红
      - 视蓝
      - 视绿
  - 暗适应与明适应
    - 暗适应：人从亮处突然进入暗处，从看不清任何东西到一段时间后随着视觉敏感度恢复了在暗处的视力
      - 与在暗处视网膜中感光色素合成增强有关；暗处视紫红质的合成大于分解，视紫红质的量增多
    - 明适应：从暗处到亮处，开始时感觉耀眼，不能视物，约1分钟后视力逐步恢复
      - 暗处视紫红质大量蓄积，到明亮处大量而迅速分解，产生耀眼的光感；待视紫红质分解后，对光敏感度低的视锥细胞的感光色素开始发挥作用，视力恢复。
- 耳：听觉器官、机体位置和平衡感觉器官
  - 外耳
    - 耳廓：收集声波，定位声源
    - 外耳道：共鸣腔，变异汗腺分泌耳垢，保护
    - 鼓膜：弹性半透明膜，振动
  - 中耳
    - 鼓室
      - 听小骨：锤骨、砧骨、镫骨
      - 传导和调节声压
      - 外耳-鼓膜
      - 内耳-卵圆窗
      - 咽部-咽鼓管
  - 内耳
    - 骨迷路
      - 耳蜗
      - 前庭
      - 半规管
    - 膜迷路
      - 球囊
      - 椭圆囊
      - 蜗管
      - 膜性半规管
  - 听觉生理
    - 声波在耳内的传导
      - 气传导
      - 骨传导
    - 内耳对声音信号的初步分析
      - 共振学说
      - 行波学说
  - 前庭器官生理
    - 椭圆囊囊斑：水平方向直线变速运动
    - 球囊囊斑：竖直方向直线变速运动和头在空间的位置变化
    - 半规管壶腹嵴：正负角加速度
    - 动纤毛背向静纤毛方向弯曲，使毛细胞去极化，增加传入神经纤维的冲动发放率
    - 动纤毛向着静纤毛方向弯曲，使毛细胞超极化，降低传入纤维的冲动发放律
- 其它感受器
  - 嗅觉感受器：嗅球
  - 味觉感受器：味蕾

血液

体液与内环境
- 体液：动物细胞内、外的液体统称体液，重量占体重的60%~70%。2/3存于细胞内，组成细胞内液，其余1/3位于细胞外，组成细胞外液
- 细胞外液：细胞生存的直接环境
  - 血液：20%
  - 淋巴液
  - 组织液
  - 脑脊液
- 稳态：机体在神经体液调节下，使内环境理化性质作小幅度波动保持动态平衡的一种状态。
血液的组成
- 血浆
  - 蛋白质：
    - 白蛋白
    - 球蛋白
    - 纤维蛋白原
  - 水
  - 其他溶质
- 血细胞
  - 血小板
  - 白细胞
  - 红细胞
血浆蛋白功能
- 营养功能
- 运输功能（脂类、HB、胆红素、激素、维生素、金属离子、药物）
- 缓冲功能
- 形成胶体渗透压
- 参与机体免疫功能（免疫球蛋及补体）
- 参与凝血和抗凝血功能（纤维蛋白原及球蛋白—凝血因子）
血浆渗透压
- 血浆晶体渗透压：由血浆中的晶体物质（电解质）决定（电解质晶体不能通过细胞膜——维持细胞内外水平衡）
- 血浆胶体渗透压：由血浆蛋白产生（蛋白质不能通过血管壁——维持血液与组织液的水交换）
- 等渗溶液：与血浆渗透压相等的溶液
血浆的酸碱平衡
- 正常人血浆的pH值：7.35~7.45，略偏碱性。
- 酸中毒：pH<7.35
  - 休克
- 碱中毒：pH>7.45
  - 四肢发麻
  - 耳鸣
- 取决于血浆中的缓冲对：
  - NaHCO3/H2CO3；
  - 蛋白质钠盐/蛋白；
  - Na2HPO4/NaH2PO4；
  - K2HPO4/KH2PO4；
  - KHCO3/H2CO3。
血细胞
- 红细胞：
  - 功能物质：血红蛋白（含铁血红素）
  - 运送O2和CO2
  - 缓冲pH
- 白细胞
  - 趋化性：白细胞具有趋向某些化学物质游走的特性。
  - 分类
    - 粒细胞
      - 中性粒细胞：机体抵御微生物病原体
      - 嗜碱性粒细胞：含肝素和组织胺，与过敏反应的症状有关
      - 嗜酸性粒细胞：限制嗜碱性粒细胞在过敏反应中的作用；参与对蠕虫的免疫反应
    - 单核细胞：体积较大，巨噬细胞系统的功能
    - 淋巴细胞
      - T细胞：调控细胞免疫和体液免疫
        
        杀伤T细胞——效应细胞，直接攻击和杀伤特异抗原（病毒、细菌、寄生虫、癌细胞，异体细胞）
        
        辅助T细胞——调节细胞，直接刺激已经结合抗原的T细胞和B细胞的增殖
        
        抑制T细胞——调节细胞，抑制T细胞和B细胞的活性
      - B细胞：浆细胞分泌特异性免疫球蛋白；记忆B细胞
- 血小板：促进止血，加速凝血
免疫系统
- 非特异性免疫：
  - 固有免疫
    - 外部防御（皮肤、黏膜）
    - 内在防御（巨噬细胞，中性粒细胞、血清蛋白）
  - 特异性免疫：主要针对某一特定抗原起作用，具有特异性
    - 主动免疫：血液中的抗体浓度在初始反应几天后达到一个高峰，并在几个星期内逐渐下降。在此过程中被激活的淋巴细胞能够连续分裂增殖，产生一个特异性克隆。
    - 被动免疫：将机体免疫应答的产生的活性产物转输给非免疫的个体，以达到同一抗原的作用。

血型

凝集原：红细胞膜上特异糖蛋白抗原
凝集素：血浆中能与红细胞膜上相应凝集原反应的抗体

血型	凝集原	凝集素
A	A	抗B
B	B	抗A
AB	AB	无抗A无抗B
O	无A和B	抗A和抗B

血液循环系统
- 血液循环：
  - 体循环：左心室–主动脉–身体各处的毛细管网—上下腔静脉–右心房
  - 肺循环：右心室–肺动脉–肺中的毛细管网–肺静脉–左心房
- 心脏：
  - 心壁
    - 心内膜
    - 心肌层：心肌细胞构成心脏的传导系统
    - 心外膜：心包膜的脏层。心包腔中的液体使两层心包膜保持湿润光滑
  - 心肌
    - 兴奋性
    - 自动节律性
    - 传导性
    - 收缩性
  - 瓣膜
    - 房室瓣：房室口边缘瓣膜
    - 二尖瓣：左房室之间
    - 三尖瓣：右房室之间
    - 半月瓣*3：肺动脉和主动脉起始部的内面
  - 心动周期：心脏一次收缩和舒张构成一个机械活动的周期
  - 心音：
    - 第一心音：音调低，历时长，0.14~0.16s，标志心室收缩的开始，房室瓣关闭，称为心缩音，反应心肌收缩的强弱和房室瓣的机能状态
    - 第二心音：音调高，时间较短，0.08s，标志心室舒张的开始，半月瓣关闭，又称心舒音，反应半月瓣的功能状态
  - 心电图：将引导电极置于肢体或躯体一定部位记录到的心电变化的波形
    - P波：由心房的激动产生，前半主要由右心房产生，后一半主要由左心房产生
    - QRS复合波：反映左右心室的电激动过程，QRS的宽度为QRS时限，代表全部心室激动所需要的时间
    - T波：心室复极化过程的电位变化
    - U波：反应激动后的电位变化
- 动脉血压
  - 血压：血液在血管中流动时对单位面积血管壁的侧压力，即动脉血压
  - 收缩压：心脏收缩时所达到的最高压力
  - 舒张压：心脏扩张时所达到的最低压力
  - 脉搏压：收缩压和舒张压的差值，即脉压
  - 平均压：血压在一个心动周期中的平均值
  - 平均压 ≈（舒张压＋1/3脉压）
  - 影响因素：
    - 心搏出量
    - 心率
    - 外周阻力
    - 大动脉弹性
    - 循环血量
- 组织液生成与回流：取决于毛细血管的有效过滤压
  - 有效过滤压=组织液生成压（毛细血管血压+组织液胶体渗透压）-组织液回流压（组织液静水压+血浆胶体渗透压）
  - 动脉端：10mmHg
  - 静脉端：-8mmHg
  - 血浆胶体渗透压不够：组织液物质难以回流静脉，水肿
- 淋巴系统：
  - 淋巴管
  - 淋巴结
  - 脾
    - 造血
    - 贮血
    - 血液滤过
  - 淋巴循环的意义：
    - 回收蛋白质
    - 运输脂肪及其他营养物质
    - 调节血浆与组织液之间的液体平衡
    - 清除组织中的红细胞、细菌及其他微粒
    - 免疫防御功能
呼吸系统
- 3个环节
  - 外呼吸
    - 肺通气：外界空气与肺泡之间的气体交换
    - 肺换气：肺泡与肺毛细血管血液之间的气体交换
  - 气体在血液中的运输
  - 内呼吸（组织呼吸）：血液与组织细胞之间的气体交换
- 呼吸器官：鼻、咽、喉、气管、支气管、肺
- 呼吸道
  - 上呼吸道
    - 鼻
    - 咽
    - 喉
      - 甲状软骨：喉软骨中最大的一个
      - 会厌软骨：防止食物进入气管
  - 下呼吸道
    - 气管
    - 各级支气管
- 肺：
  - 导管部：肺内支气管、小支气管、细支气管、终末细支气管
  - 呼吸部：呼吸性细支气管、肺泡管、肺泡囊和肺泡
  - 肺间质：肺小叶和肺泡之间的各种结缔组织、血管、淋巴管、淋巴组织、神经等
  - 肺小叶：由一个细支气管及其各级分支和肺泡组成
  - 肺泡：气体交换的场所，呼吸系统的基本单位
- 肺活量：三者总和
  - 潮气量
  - 补吸气量
  - 补呼气量
消化系统
- 结构
  - 消化管
    - 上消化道：口腔、咽、食管、胃、十二指肠
    - 下消化道：空回肠、大肠（盲肠、阑尾、结肠、直肠、肛管）
  - 消化腺：口腔腺、胰、肝
- 消化系统的功能
  - 消化食物
  - 吸收营养
  - 把食物残渣排出体外
  - 内分泌
  - 免疫
- 消化：食物通过消化管的运动和消化液的作用被分解为可吸收成分的过程
  - 机械性消化：通过消化管的运动将食物磨碎使其与消化液充分混合
  - 化学性消化：通过消化液的化学作用将食物中的营养成分分解为小分子物质
- 消化管的平滑肌的生理特性
  - 兴奋性
  - 伸展性
  - 紧张性
  - 自动节律性
  - 对理化刺激的敏感性
    - 机械牵张
      - 温度变化
      - 化学刺激
- 消化器官的形态结构
  - 消化管
    - 口腔
      - 硬颚：前2/3
      - 软颚：后1/3
      - 牙：20乳牙，32恒牙
        
        第三磨牙
        
        第二磨牙
        
        第一磨牙
        
        第二前磨牙
        
        第一前磨牙
        
        尖牙
        
        侧切牙
        
        中切牙
      - 咽
      - 食管
        
        第一狭窄：位于起始处
        
        第二狭窄：位于越过左侧支气管处
        
        第三狭窄：位于膈肌处
        
        意义：
        
        防止空气进入
        
        防止异物
        
        防止食物倒流
      - 胃
        
        上下两口
        
        喷门
        
        幽门
        
        大小两弯
        
        胃大弯
        
        胃小弯
        
        前后两壁
        
        胃液成分性质：
        
        盐酸
        
        激活胃蛋白酶原，使其转变成有活性的胃蛋白酶，为其提供酸性环境
        
        使食物中的蛋白质变性，易于水解
        
        抑制和杀灭随食物进入胃内的细菌
        
        盐酸进入小肠引起胰泌素的实放，促进胰液、胆汁和小肠体的分泌
        
        盐酸形成酸性环境有利于铁和钙在小肠内的吸收
        
        胃蛋白酶原
        
        粘液和碳酸氢盐
        
        内因子：胃底腺壁细胞分泌的一种糖蛋白，可与维生素B12结合促进吸收。缺少会导致贫血
        
        胃排空：胃内食糜由胃排入十二指肠的过程。
      - 小肠：十二指肠、空肠、回肠
      - 大肠：盲肠、结肠、直肠、肛管
  - 吸收
    - 胃内：食物的吸收量很少，只吸收酒精和少量水分
    - 小肠：吸收的主要部位，
      - 十二指肠：糖类、蛋白质和脂肪的消化产物
      - 回肠：胆盐和维生素B12
      - 大肠：水分和盐类
  - 消化腺
    - 唾液腺
      - 腮腺
      - 下颌下腺
      - 舌下腺
    - 肝
      - 结构：左叶，右叶
      - 功能：分泌胆汁，代谢，防御和解毒，造血
      - 胆囊：存储胆汁
营养、代谢和体温调节
- 新陈代谢（生命的基本特征之一）：生物与周围环境之间的物质交换和能量交换，以及机体内部的物质转变和能量转换。
- 食物的营养成分：
  - 糖类（碳水化合物）
    - 淀粉->葡萄糖，多余葡萄糖在肌肉和肝中合成脂肪
  - 脂肪
    - 脂肪颗粒
    - 类脂
      - 磷脂
      - 胆固醇
  - 蛋白质
    - 高分子有机物：CHON
  - 无机盐
  - 维生素
    - 水溶性维生素
      - B1
      - B2
      - PP
      - B12
      - C
    - 脂溶性维生素
      - A
      - D
      - E
      - K
泌尿系统：维持机体水平衡和酸碱平衡以及内环境的稳定
- 肾
  - 肾单位：肾的基本功能单位
    - 肾小体：肾小球、肾小囊
    - 肾小管：近端小管，髓袢细段，远端小管
- 输尿管
- 膀胱
- 尿道
- 肾小球的过滤功能
  - 挂盐水后尿液会增加？：血液被稀释，血浆胶体渗透压降低
  - 为什么急性肾小球炎症会导致排尿困难？：炎症部位的肾小球毛细血管管径变窄或完全阻塞，有效滤过面积减少，肾小球滤过率随之降低，导致原尿量减少。
- 肾小管与集合管的重吸收和分泌
  - 重吸收：肾小球滤液流经远端小管，滤液中70%的Na+，Cl-，K+和水被重吸收，在远端小管和集合管中，12%的Na+，Cl-被进一步重吸收
- 尿的生成调节
  - 肾内自身调节
  - 神经与体液调节
    - 肾交感神经作用：兴奋
    - 抗利尿激素：促进水的重吸收，减少尿量
    - 肾素－血管紧张素－醛固酮系统:促进对NA+的重吸收
- 排尿调节
  - 输尿管功能：输尿管壁平滑肌的蠕动运动
  - 膀胱和尿道的神经支配
    - 盆神经兴奋膀胱逼尿肌促进排尿
    - 腹下神经兴奋尿道括约肌抑制排尿
  - 排尿反射：膀胱壁内牵张感受器，盆神经，初级排尿中枢正反馈
内分泌系统
- 内分泌腺：分泌细胞集中存在形成具有独立形态结构的腺体
  - 垂体：分泌激素
  - 甲状腺
  - 甲状旁腺
  - 肾上腺
- 激素的种类
  - 含蛋氮激素
    - 蛋白质激素：胰岛素，甲状旁腺激素，腺垂体激素
    - 肽类激素：下丘脑调节肽，神经垂体激素，降钙素，肠胃激素
    - 胺类激素：肾上腺素，去甲肾上腺素，甲状腺激素
  - 类固醇激素：肾上腺皮质，皮质醇，醛固酮，雌激素，雄激素
  - 第三类激素：前列腺激素
- 下丘脑：分泌9种调节肽
- 垂体：
  - 腺垂体
    - 促激素
    - 生长素
    - 催乳素
    - 促黑素细胞激素
  - 神经垂体
    - 抗利尿激素ADH
    - 催产素
- 甲状腺：人体内最大的内分泌腺
  - 分泌甲状腺激素
    - 对代谢的影响
    - 对生长发育的影响
    - 对中枢神经系统的影响
- 甲状旁腺
  - 分泌甲状旁腺激素，调节机体的血钙浓度
- 胰岛
  - A细胞：分泌胰高血糖素
  - B细胞：分泌胰岛素
  - 胰岛素调节题内糖、蛋白质和脂肪代谢，促进葡萄糖合成肝糖原和肌糖原，降低血糖水平
  - 胰高血糖素是一种多肽类激素，促进分解代谢的激素。促进糖原分解，使血糖升高
- 肾上腺
  - 肾上腺皮质：分泌肾上腺皮质激素（盐皮质激素、糖皮质激素和性激素）
    - 盐皮质：对水盐代谢作用强，促进肾远曲小管和集合管重吸收Na，水，排出K
    - 糖皮质：促进糖异生，抑制葡萄糖的氧化，使血糖升高，促进蛋白质分解，促进脂肪分解，降低脂肪合成
      - 在应激反应中糖皮质激素能增强机体的应激能力
  - 肾上腺髓质：分泌肾上腺素和去甲肾上腺素
    - 肾上腺髓质激素：与交感神经系统配合，起兴奋作用；应急性反应
生殖系统
- 受精过程
  - 配子运行
  - 精子获能：除去去能因子，精子细胞膜蛋白发生变化，发生顶体反应
  - 受精：雌雄配子结合形成合子的过程
- 内生殖器
  - 男性：睾丸，附睾，输精管，精囊腺，前列腺，尿道球腺
  - 女性：卵巢，输卵管，子宫，阴道

医学传感

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Mon, 06 Dec 2021 15:09:46 +0800

Biomedical Sensory

TODO: REVIEW FOR PREVIOUS LESSONS

Sensitivity: $S=\cfrac{\Delta A_o}{\Delta A_i}$
Nonlinearity: $\gamma=\cfrac{\Delta max}{\gamma_m}\cdot 100%$

Biosensor

Structure
- Input: Substances
- Biological component on polymer membranes
- Transducer
  - Covnert physical/chemical changes into measurable electrical signal
  - Types of transducer
    - Electrodes: Oxygen electrode, ammonia electrode, CO2 electrode, pH electrode
    - Photoelectric converter: Photomultiplier tube
    - Thermoelectric converter: Thermistor
    - Semiconducter ISFET: detect the concentration of ions
- Output: Electrical signal
Classifications:
- Based on sensitive material
  - Enzyme based sensor
  - Microbial based sensor
  - Tissue based sensor
  - Cell based sensor
  - Immunosensor
- Based on Transducer
  - electrode based
  - thermal based
  - glowing based
  - semiconducter based
  - field based
  - electrochemical based
  - photoelectric based
Advantages

医学信号处理

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Mon, 06 Dec 2021 15:09:46 +0800

Biomedical Signal Processing

Typical Biomedical Signal

EEG

Dr. Has Berger firstly recorded EEG signal in 1926
Clinical EEG

Type	Spectrum Range	Phenomenon
Beta	13-30Hz	Frontal and parentally
Aplha	8-13Hz	Occipitally
Theta	4-8Hz	Children, sleeping Adults
Delta	0.5-4Hz	Infants, sleeping Adults
Spikes	3Hz	Epilepsy-petit mal

EEG signal is generated by Electro Neurophysiologic Signal
- Spike
- LFP: Local Field Potential
  - sEEG: stero-electroencephalography
- ECog/iEEG
- EEG (Non Invasive)
- ERP
Scalp EEG
- history
  - 1926, Hans Berger-EEG
  - 1933, Adrain verified EEG in Cambridge
  - 1958, Dawson designed EP University of London
  - 1967, Sutton-P300-ERP
- Classification

医学成像

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Sat, 06 Mar 2021 15:09:46 +0800

医学成像

思考题汇总

基本的医学成像技术由哪些？各自成像机理有何特点？各成什么样的图像？
- X射线
  - 三维器官投影至二维平面
  - 优点：解剖结构成像
  - 缺点：不能显示软组织图像
- X-CT
  - 从多个角度的投影图像重建物体内部结构信息
  - 1917 Radon提出数学理论
  - 1963 Cormack建立投影重建准确数学方法
  - 1967 Hounsfield制成第一台XCT原型机
  - Housfield和Cormack被授予诺贝尔医学金
- 核医学
  - 基于原子物理学，放射性元素放置于体内，体外接收射线
  - 物理基础：射线于物质的相互作用
  - 成像模式：核素测量，示踪和放射性药物成像
  - 优点：可观察生物体新陈代谢过程
  - 缺点：分辨率低
  - PET成像
- 超声
  - 基于组织的声学特性（边界反射特性）
  - 物理原理：压电效应
  - 优点：实时、动态观测，仪器操作方便，安全，便宜
  - 缺点：分辨率低，不适用胸腔
- 磁共振成像
  - 优点：可结构与功能成像，分辨率高
  - 缺点：贵
- 光学分子成像
  - 外加梯度磁场检测发出的电磁波
  - 优点：结构与功能成像，成本低
  - 缺点：成像深度浅，随深度增加空间分辨率降低
医学成像技术的主要应用领域有哪些？
- 三维数字渲染
  - 电子解剖
  - 虚拟人
- 手术机器人
- 计算机辅助手术计划
  - 虚拟内窥镜
  - DDH手术计划
- PACS影像归档和通信系统 & HIS医院信息系统
常见的功能与结构成像系统各有哪些？其主要的联系与区别？
- 解剖结构成像：能量传递到人体再传递到接收器
  - 投影X射线成像
  - X-CT成像
  - 超声成像
  - MRI成像
- 功能成像
  - PET
  - SPECT
  - fMRI
  - Optical Imaging
医学成像技术于医学图像处理的联系与区别
- 医学成像技术：研究图像形成的过程
- 医学图像处理：对获取图像进行进一步处理
空间分辨率以及灰度分辨率的定义及影响因素
- 空间分辨率：对于图像细节部分的最小识别能力。
  - 采样像素量越少，空间分辨率越低
- 灰度分辨率：对于图像灰度水平的最小识别能力。
  - AD转换量化级数越多，灰度分辨率越高
描述图像的数字化过程
- 采样：在模拟图像上按一定规律采集一定数量的点数据
- 量化：将连续变化的灰度值转为离散整数灰度值（灰度级）
X射线是如何产生的
- 阴极：电子源
- 阳极：受电子轰击辐射X光
- 电位差：夹在阴极与阳极之间，用于产生强电场
- 真空：电子不受气体分子阻挡，同时防止阴极氧化
X射线有哪两种辐射，产生的原因
- 连续辐射（轫致辐射）：电子经过原子核附近，受原子核引力作用偏转减速，电子损失的能量以X射线光子形式释放
  - 因为电子具有能量不同，损失能量不同，释放的X光能量分布连续
  - 连续辐射释放的光子能量主要取决于X射线的管电压，管电压增大，X光能量增大，波长变短
- 特征辐射（标识辐射）：较大动能的电子撞击阳极，靶原子内层轨道电子可能获得能量而克服核的引力并脱离轨道溢出，而能量较高的电子补充空位，多余能量以电磁波形式释放
  - 谱线波长取决于靶物质的原子序数，与电子能量（管电压）无关，原子序数越高，标识辐射的波长越短
为什么说X光管发射的X光是波长分布很广的混合线？
- X射线辐射包括连续辐射和特征辐射，连续辐射波长范围宽，特征辐射波长范围窄
X射线强度是指管电压的高低，说法是否准确？为什么？
- 不准确，X射线强度指单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量，X射线强度管电流成正比。而管电压与X射线硬度正相关
简述X射线质与量的关系
- X射线的量：X射线强度
- X射线的质：X射线硬度
基本X线投照设备的组成及各自作用（X线管、高压发生器、控制台、遮光器、滤线器、增感屏和胶片等图解并说明）
- X线管：辐射X光
- 高压发生器：产生40-150kV范围的高压加在X射线两极
- 控制台；调整成像对象，调整成像参数
- 遮光器：调节视野范围
- 滤线器：消除续发射线的绿线栅，用于提高成像清晰度
- 胶片/增感屏：两片增感屏夹住胶片，用于采集图像
X射线的影像载体有哪些？并简述其各自作用
- 载体
  - 荧光屏
  - 胶片增屏
  - 影像增强器
  - 图像板
- 模拟成像
  - 荧光屏
    - 优点：可行
    - 缺点：发光效率低，需要暗室
  - 影像增强器
    - 结构：
      - 输入荧光屏
      - 光电阴极
      - 聚焦电极
      - 阳极
      - 输出荧光屏
    - 优点：
      - 提高亮度
      - 提高分辨率
      - 降低辐射量
    - 缺点：
      - 大，重
      - 失真
      - 干扰
  - X-ray电视系统
    - 增强器
    - 闭路电视系统
  - 胶片
    - 医用X射线胶片：感光乳胶
      - 功能
        
        记录
        
        显示
        
        储存
      - 特性：感光
    - 胶片增感屏
      - 分类
        
        钨酸钙
        
        稀土
      - 可增大20-40倍吸收
- 数字成像
  - 计算机X射线摄影(Computed Radiography, CR)
    - 图像板（敏感度为胶片增感屏数十倍）
    - 光激励发光（Photo-Stimulated Luminescence, PSL）
      - 光激励发光PSL物质第一次受到光照射，贮存激发光携带的信息
      - 再次受道照射光照射，能发出与第一次激发光所携带信息相关的荧光
    - 成像板使用过程：Imaging Plate (IP)经两次激发后抹消潜影再使用
      - 采集：X射线曝光（第一次激发），形成潜影（模拟影像）
      - 读取：激光扫描器扫描（第二次激发），读取图像
      - 处理：DIP
      - 消除：高强度光源
    - 优点：
      - 数字影像便于处理、储存、传输
      - 可重复使用
    - 缺点：
      - 时间分辨率交叉，不满足动态器官显示
      - CR空间分辨率略有不足
  - 直接数字X射线摄影(Direct Digital Radiography, DDR)
    - 平板探测器Flat Panel Detector (FPD)：X射线能量直接转换为电信号，产生X射线图像
    - 原理：
      - 闪烁体（荧光体）经X射线曝光，可将X射线光子转换为可见光
      - 起光电二极管作用的非晶硅层（TFT阵列）吸收可见光，转换为电信号
      - 电荷读出电路每个像素的数字化信号，传送至计算机
    - 平板探测器种类：
      - 非晶态硒型平板探测器
      - 非晶态硅型平板探测器
    - 性能特点：
      - 较高细节可见度，满足临床需求
      - 放射剂量小，曝光条件易掌握
      - 可动态成像
简述影像增强器的工作原理及产生亮度增益的原理
- 结构：
  - 输入荧光屏
  - 光电阴极
  - 聚焦电极
  - 阳极
  - 输出荧光屏
- 原理：
  - 头过人体X光投射至输入屏，形成光子影像
  - 贴着光子影像的光电阴极产生对应电子影像
  - 电子影像在阳极电场作用下，通过聚焦电极加速冲击输出荧光屏
  - 输出屏受电子冲击产生可见光图像，亮度增强1000-10000倍
图解并简述X线电视的组成和工作原理
- 结构：
  - 影像增强管
  - 光学分配系统（分光器）
  - 闭路电视系统
实现数字化的X线影像有哪几种方法，并结合结构和原理简述
- 计算机X射线摄影(Computed Radiography, CR)
  - 图像板（敏感度为胶片增感屏数十倍）
  - 光激励发光（Photo-Stimulated Luminescence, PSL）
    - 光激励发光PSL物质第一次受到光照射，贮存激发光携带的信息
    - 再次受道照射光照射，能发出与第一次激发光所携带信息相关的荧光
  - 成像板使用过程：Imaging Plate (IP)经两次激发后抹消潜影再使用
    - 采集：X射线曝光（第一次激发），形成潜影（模拟影像）
    - 读取：激光扫描器扫描（第二次激发），读取图像
    - 处理：DIP
    - 消除：高强度光源
  - 优点：
    - 数字影像便于处理、储存、传输
    - 可重复使用
  - 缺点：
    - 时间分辨率交叉，不满足动态器官显示
    - CR空间分辨率略有不足
- 直接数字X射线摄影(Direct Digital Radiography, DDR)
  - 平板探测器Flat Panel Detector (FPD)：X射线能量直接转换为电信号，产生X射线图像
  - 原理：
    - 闪烁体（荧光体）经X射线曝光，可将X射线光子转换为可见光
    - 起光电二极管作用的非晶硅层（TFT阵列）吸收可见光，转换为电信号
    - 电荷读出电路每个像素的数字化信号，传送至计算机
  - 平板探测器种类：
    - 非晶态硒型平板探测器
    - 非晶态硅型平板探测器
  - 性能特点：
    - 较高细节可见度，满足临床需求
    - 放射剂量小，曝光条件易掌握
    - 可动态成像
CR与DDR的区别
- CR：两次激发
- DDR：直接转换
简述X-CT的基本工作原理( 物理原理，数据采集，图像重建及CT值显示)
- XCT系统主要由扫描部分、控制台、计算机部分、显示设备与记录等部分组成
- 采集模式：X射线源和检测器的同步扫描
- 图像重建：Radon逆变换
- CT值显示：窗口技术
各种CT扫描方式的各自特点及区别。
- 第一代：单束平移-旋转T/R扫描
  - 先于检查断面作同步直线扫描，然后扫描装置整体转动一个角度
  - 缺点：
    - 效率低
    - 速度慢
    - 仅能用于头颅
- 第二代：窄扇形束平移-旋转T/R扫描
  - 从平行射线束改为5~10°窄扇形束
  - 优点：成像时间缩短至20s左右
  - 缺点：需要校正，否则会出现运动伪影
- 第三代：广角扇束旋转-旋转R/R扫描
  - 检测器增加至250~350
  - 张角30~45°扇形射束，包括整个物体截面
  - 不需要作直线扫描运动
  - 优点：取消平移扫描，速度快，时间10~5s
  - 缺点：需要校准相邻检测器灵敏度差异，否则有环形伪影
- 第四代：静止-旋转S/R扫描
  - 基于第三代，更多检测器420~1500
  - 检测器布满360°，形成环形阵列圈
  - 扫描：探测器静止不动
  - 优点：扫描速度更快，1~5s，不易产生环形伪影
  - 是目前流行的一种扫描方式
- 第五代：电子束静止-静止S/S扫描
  - X射线源：电子束取代X球管产生扇形束
  - 探测器：静止环形检测环
  - 优点：取消球管机械旋转速度限制，成像时间<1s
  - 高时间分辨率，可对心脏和肺进行动态功能成像
- 新型扫描技术
  - 多排扫描（多排CT）
  - 螺旋扫描（螺旋CT）
    - 螺距比率：$p=\frac{d}{W}$
      - d：扫描架旋转一周进床距离
      - W：X线源经准直后射线宽度（层厚）
    - 分类
      - 单排螺旋CT
        
        优点：
        
        单位时间扫描速度快，单次屏呼吸可完成全部位扫描，运动伪迹小
        
        可动态扫描
        
        数据连续，可在任意想要位置上重建图像
      - 多排螺旋CT
      - 双能螺旋CT
        
        两个X射线源和两套检测器采集数据
        
        优点：极大提高对组织特征的分辨力
CT机的主要组成结构有哪些？
- XCT装置结构
  - 扫描架-X射线管
  - 准直器
  - 受检体
  - 扫描床
  - 检测器
  - 数据采集器-数据
- XCT系统主要由扫描部分、控制台、计算机部分、显示设备与记录等部分组成
为什么要用CT值，CT值的定义。
- 由于使用吸收系数十分不方便。为了定量组织对于X线的吸收率，Hounsfield定义了一个新的标度“CT值”
- $CT_{value}=\cfrac{\mu-\mu_{water}}{\mu_{water}}\times k$
- $\mu$：组织衰减系数
- $\mu_{water}$：水的衰减系数
- k：分度因子 k=1000
- 上界：骨+1000HU
- 下界：空气-1000HU
X-CT中图像重建的主要问题是什么。
- 利用计算机技术，由所获取的成像物体的多个角度的X-线投影数据，重建出该物体内部结构的分布。（逆Radon变换）
X-CT中图像重建的算法有哪几种，并简述其各自特点。
- 联立方程求解：矩阵求逆
  - 缺点：时间复杂度高
- 代数迭代重建Algebraic Reconstruction Technique, ART：
  - 步骤：
    - 假设初始值，叠加获取计算值
    - 计算值比较实测值，求差，获取校正值
    - 校正值对投射路径像素纠正，替代初始值
    - 重复
  - 优点：避免矩阵求逆
  - 缺点：
    - 重建质量基于收敛准则与算法
    - 大图像重建迭代无法满足性能要求
- 傅里叶重建
  - 中心切片定理：密度函数$f(x,y)$在某一方向上的投影函数$g_\theta(R)$的一维傅里叶$G_\theta(p)$是密度函数$f(x,y)$的二维傅里叶变换$F(p,\theta)$在$p$,$\theta$屏幕上沿同一方向过原点直线的值
  - 要求：
    - 采角度频率高
    - 插值
  - 优点：理论最理想
  - 缺点：二维插值与傅里叶变换，计算量大，重建速度较慢
- 直接反投影重建
  - 把每次测得投影数据原路反投影至投影线像素上。
  - 步骤：反方向投影+累加
  - 优点：重建速度快
  - 缺点：边缘失锐
  - 星状伪影：在原点位置上的分布密度最高，愈往四周，密度愈低，出现逐渐变浅的云晕状阴影
    - 消除方法：卷模糊因子
- 滤波反投影重建
  - 对投影函数先傅里叶变换
  - 乘$|\rho|$滤波
  - 傅里叶逆变换
  - 直接反投影
  - 优点：仅需一维傅里叶，缩短重建时间
- 卷积反投影重建
  - 同上，本质一样，区别在于滤波投影函数的获取方式
什么是投影定理，根据投影定理，图解简述傅里叶变换法图像重建的主要原理和具体实现。 +
什么叫做反投影，单纯反投影的缺点以及克服方法。
- 直接反投影重建
  - 把每次测得投影数据原路反投影至投影线像素上。
  - 步骤：反方向投影+累加
  - 优点：重建速度快
  - 缺点：边缘失锐
  - 星状伪影：在原点位置上的分布密度最高，愈往四周，密度愈低，出现逐渐变浅的云晕状阴影
  - 消除方法：卷模糊因子
滤波反投影与卷积反投影重建的联系与区别？
- 本质原理一致，修正滤波投影函数的方式不同
中心切片定理的证明。
- $$\begin{aligned} F(\rho,\beta)&=\iint f(x,y)e^{-2\pi f\rho(x\cos\beta+y\sin\beta)}dxdy\&=\iiint f(x,y)\delta(x\cos\beta+y\sin\beta-R)e^{-2\pi j\rho R}dxdydR\&=\int e^{-2\pi j\rho R}dR\iint f(x,y)\delta(x\cos\beta+y\sin\beta-R)dxdy\&=\int e^{-2\pi j \rho R}g_\theta(R)dR\&=F_1{g_\theta(R)} \end{aligned}$$
图像空间中的单个致密点，其在sinogram空间中如何表示？
- 一条正弦曲线
简述有哪几种核医学仪器，并简述各自成像原理。
- $\gamma$相机
- 单光子发射型计算机断层SPECT (single photon emission computed tomography)
- 正电子发射型计算机断层PET (Positron emission computed tomography)
简述γ照相机成像的过程。
- 被检脏器内辐射的$\gamma$射线经准直器投射到闪烁晶体上，立即产生闪烁光点
- 闪烁光电荧光倍光导耦合至光电倍增管
- 闪烁光点位置由电阻矩阵输出脉冲的大小确定
- 通过脉冲分析一选择需要的能量信号（扣除散射射线及本底射线）
简述γ照相机根据什么原理看到放射源的分布（核衰变事件发生的位置），具体过程如何？ +
简述SPECT成像原理。
- 体外测量发自体内的$\gamma$射线
- 建立断层投影函数
- 重建二维的活度分布（确定体内放射性核素的活度）
图解并简述PET的工作原理
- 成像原理：部分放射性核素在衰变过程中释放正电子（11C, 13N, 15O, 18F）。正电子很快会与周围环境中的一个负电子相遇而发生结合，转化为两个能量为511KeV的一对$\gamma$光子，称为湮灭辐射。湮灭辐射时产生的$\gamma$光子反向射出，通常为180°。
什么是超声波，产生超声波的基本条件有哪些，超声波有哪些特性。
- 超声波ultrosound US：一种在弹性介质中传播的机械波
- 产生条件：
  - 声源
  - 弹性介质
- 临床超声：1MHz~100MHz，频率高，波长短，方向性强，能量大，危害小
什么是超声波的衰减，简述影响超声衰减的主要因素。
- 超声波在人体组织中传播时，由于介质对超声波的散射、吸收以及超声波自身扩散等因素，其能量（振幅、强度等）往往随着传播的距离的增大而减小
- 主要原因：
  - 扩散衰减
  - 反射/散射衰减
  - 吸收衰减
简述超声换能器的工作原理，以及对成像的影响因素。
- 原理：
  - 超声波的产生是利用晶体的逆压电效应的原理实现
  - 超声波的接收是利用晶体的正压电效应的原理实现
- 换能器直径越大或工作频率越高，近场区的长度越大；同时远场区的发散程度越小
- 反之，近场区的长度变小，并出现较大声束发散
简述声束聚焦的常用技术。
- 声透镜聚焦
- 电子聚焦
- 动态孔径
- 环形阵列
- 动态扫频
画出A超的主要组成框图，并简述A超的工作原理。
- 原理：当超声波在人体组织传播时，如遇到具有不同声阻抗的介质界面时，在该界面上将产生回波
画出M超的主要组成框图，并简述M超的工作原理。
- 原理：与A型超声一样，只是显示方式不同
画出B超的主要组成框图，并简述B超的工作原理
- B超会按照一定规律，发射和接收的回波信号，进而得到该扫描平面上一系列扫描线的回波信号
结合超声成像原理，比较A、B、M型显示方式的异同。
- AB差别：一维/二维
- BM差别：M显示动态情况，探头固定，B显示断面图像，探头运动
简述超声多普勒成像的基本原理以及成像特点
- 利用声学多普勒效应，通过探测回波频率的多普勒频移，进行运动脏器和血流参数成像的超声成像方式

概论

医学成像技术定义：
- 借助某种介质（X射线、电磁场、超声、放射性核素）与人体相互作用
- 把人体内部组织器官的结构、功能等消息传递给数据接收设备
- 以影像的方式表现出来，提供给诊断医生
意义：看不见->看见
技术分类：
- X射线
- 核医学成像
- 核磁共振成像
- 超声成像
医学成像技术的分类
- 结构/功能成像
  - 解剖结构成像：
    - 投影X射线成像
    - X-CT成像
    - 超声成像
    - MRI成像
  - 功能成像
    - PET
    - SPECT
    - fMRI
    - Optical Imaging
- 电离/非电离成像
  - 图像都是由能量和人体组织（物质）的相互作用形成的
  - 两个条件：
    - 能量必须穿透人体
    - 能量必须与体内结构相互作用
  - 辐射分类：
    - 电离辐射：波长效于100nm
      - $\gamma$
        
        $\gamma$相机
        
        核素断层PET/SPECT
      - X-ray
        
        X射线投影
        
        X-CT
    - 非电离辐射：能量较低
      - 声波
        
        超声波
        
        超声成像
        
        电磁波
        
        射频
        
        磁共振
        
        可见光
        
        内镜
        
        显微镜
        
        红外
        
        热成像
        
        微波
        
        微波断层
        
        电场
        
        阻抗成像
医学成像系统的评价
- X射线
  - 优点：解剖结构成像
  - 缺点：不能显示软组织图像
- 核医学
  - 优点：可观察生物体新陈代谢过程
  - 缺点：分辨率低
- 超声
  - 优点：实时、动态观测，仪器操作方便，安全，便宜
  - 缺点：分辨率低，不适用胸腔
- 磁共振成像
  - 优点：可结构与功能成像，分辨率高
  - 缺点：贵
- 光学分子成像
  - 优点：结构与功能成像，成本低
  - 缺点：成像深度浅，随深度增加空间分辨率降低
应用领域
- 三维数字渲染
  - 电子解剖
  - 虚拟人
- 手术机器人
- 计算机辅助手术计划
  - 虚拟内窥镜
  - DDH手术计划
- PACS影像归档和通信系统 & HIS医院信息系统

投影X射线成像系统

X-ray

基本条件
- 高速运动粒子流
- 阻止粒子流运动的障碍（靶材）
X-ray tube
- 结构
  - 阴极：电子源
    - 灯丝：钨丝，加热后在电场作用下释放电子
    - 聚焦装置：
  - 阳极：
    - 材料：能够承受电子冲击，使用原子序数较高的金属
      - 钨：74
      - 钼：42
      - 铑：45
    - 分类
      - 固体阳极：容易被干烂，焦点较大
      - 旋转阳极：分摊热量，
    - 焦点focal spot
      - 焦斑小：图像清晰
      - 焦斑大：图像模糊，散热性好
      - 旋转阳极边缘做成角度状5~20°
  - 高压发生器
    - 加在阳极与阴极之间，用于将阴极上的电子拉出来轰击阳极靶
    - 40kV~150kV
X-ray 分类
- 连续辐射（轫致辐射）
- 特征辐射（标识辐射）
X-ray 物理特性
- 穿透性
- 荧光作用
- 电离作用
X-ray 化学特性
- 光化作用（感光）
X-ray 生物特性
- 损害作用：与吸收射线量成正比

X-ray辐射单位

类别	惯用单位	SI单位	换算
照射量	R伦琴	c/kg库伦/千克	1c/kg=3876R
吸收剂量	rad拉德	Gy戈瑞	1Gy=100rad
剂量当量	rem雷姆	Sv西弗特	1Sv=100rem

X-ray强度
- 辐射能量（W/m^2)
- 与管电流成正比
X-ray硬度
- 用管电压来描述X射线硬度
- X射线硬度=X射线的质
X-ray在组织中的衰减
- 单能窄束：$I_o=I_i\cdot e^{-\mu\Delta x}$
- 连续宽束：$I_o=B\cdot I_i\cdot e^{-μΔx}$
  - $B$积累因子，宽束B>1
X射线通过非均匀介质
- $I_n=I_{n-1} e^{-\mu_n d}$
- $I_n=I_0\exp((\sum\mu_i)d)$
- $\sum\mu_i=\frac{1}{d}\ln\frac{I_0}{I_n}=p$
- $p$: 投影函数
与物质的相互作用
- 主要
  - 低能：光电效应
    - 高于特定频率的电磁波照射下物质内部电子被光子激发形成电流
  - 中能：康普顿效应
    - X光光子撞击原子外层电子
    - 光子部分能量传递给电子，电子弹出
    - 降低能量的光子散射
    - 副作用：
      - 降低图像分辨率
      - 患者身体散射辐射检察人员
  - 高能：电子对效应
    - 辐射光子能量足够高时，其经过原子核可转化为一个正电子和一个负电子
- 次要
  - 相干散射
  - 核心散射

X-ray成像系统
- 组成
  - X射线管
    - 电子源
    - 阳极靶
    - 高速电子流
  - 控制台
    - 成像对象
    - 成像参数
  - 准直器
    - 调节视野范围
  - 滤线片
    - 滤除续发射线
    - 结构：铅光栅
  - 成像系统
    - 载体
      - 荧光屏
      - 胶片增屏
      - 影像增强器
      - 图像板
    - 模拟成像
      - 荧光屏
        
        优点：可行
        
        缺点：发光效率低，需要暗室
      - 影像增强器
        
        结构：
        
        输入荧光屏
        
        光电阴极
        
        聚焦电极
        
        阳极
        
        输出荧光屏
        
        优点：
        
        提高亮度
        
        提高分辨率
        
        降低辐射量
        
        缺点：
        
        大，重
        
        失真
        
        干扰
      - X-ray电视系统
        
        增强器
        
        闭路电视系统
      - 胶片
        
        医用X射线胶片：感光乳胶
        
        功能
        
        记录
        
        显示
        
        储存
        
        特性：感光
        
        胶片增感屏
        
        分类
        
        钨酸钙
        
        稀土
        
        可增大20-40倍吸收
    - 数字成像
      - 计算机X射线摄影(Computed Radiography, CR)
        
        图像板（敏感度为胶片增感屏数十倍）
        
        光激励发光（Photo-Stimulated Luminescence, PSL）
        
        光激励发光PSL物质第一次受到光照射，贮存激发光携带的信息
        
        再次受道照射光照射，能发出与第一次激发光所携带信息相关的荧光
        
        成像板使用过程：Imaging Plate (IP)经两次激发后抹消潜影再使用
        
        采集：X射线曝光（第一次激发），形成潜影（模拟影像）
        
        读取：激光扫描器扫描（第二次激发），读取图像
        
        处理：DIP
        
        消除：高强度光源
        
        优点：
        
        数字影像便于处理、储存、传输
        
        可重复使用
        
        缺点：
        
        时间分辨率交叉，不满足动态器官显示
        
        CR空间分辨率略有不足
      - 直接数字X射线摄影(Direct Digital Radiography, DDR)
        
        平板探测器Flat Panel Detector (FPD)：X射线能量直接转换为电信号，产生X射线图像
        
        原理：
        
        闪烁体（荧光体）经X射线曝光，可将X射线光子转换为可见光
        
        起光电二极管作用的非晶硅层（TFT阵列）吸收可见光，转换为电信号
        
        电荷读出电路每个像素的数字化信号，传送至计算机
        
        平板探测器种类：
        
        非晶态硒型平板探测器
        
        非晶态硅型平板探测器
        
        性能特点：
        
        较高细节可见度，满足临床需求
        
        放射剂量小，曝光条件易掌握
        
        可动态成像
数字减影血管造影Digital Subtraction Angiography DSA
- 将造影前，后的数字图像进行字减影，在减影图像中消除骨骼和软组织结构，使低浓度对比剂充盈的血管图像显示，提高对比度。
- 成像基本方法：
  - 时间减影
    - 在不同的显影时期获取两帧图像
  - 能量减影
    - 两种曝光条件下的图像信号相减
  - 优点：
    - 图像对比度高，可用对比剂显示细小血管
  - 困难：
    - 噪声
    - 运动伪影
    - 对比剂浓度
影像X射线摄影图像质量的因素
- 信噪比SNR
  - $SNR=\cfrac{S}{N}$
  - 噪声对图像质量影响
    - 曝光时间，X射线管电流
    - X射线管峰值电压
    - X射线过滤器程度
    - 受试者尺寸
    - 胶片感光度、增感屏和影响增强管的吸收转换效率
- 对比度Contrast
  - 使病灶与周围组织存在较大反差
  - $C=\cfrac{|I_1-I_2|}{I_1}$
  - 对比噪声比（CNR）
    - $CNR=\cfrac{|I_1-I_2|}{\sigma}=|{SNR}_1-{SNR}_2|$
  - 图像对比度仅与被探查物体的厚度及被探查物体与周围组织的衰减系数之差有关，与成像物体总厚度无关
- 空间分辨率Spatial Resolution
  - 系统所能分辨两个相邻物理间的最小距离
  - 影响因素：
    - 荧光闪烁篇厚度
    - 胶片曝光速度
    - 几何不锐度
    - 移动不锐度
- 调制传递函数Modulation Transfer Function MTF

X-CT

X-CT: Computer Tomography
- 发展历程：
  - 1917：Radon提出重建理论
  - 1963：Cormack发展投影重建数学方法
  - 1971：Hounsfield设计第一台XCT
  - 1979：Hounsfield和Cormack获诺贝尔奖
- 采集模式：X射线源和检测器的同步扫描
  - 扫描方案：
    - 第一代：单束平移-旋转T/R扫描
      - 先于检查断面作同步直线扫描，然后扫描装置整体转动一个角度
      - 缺点：
        
        效率低
        
        速度慢
        
        仅能用于头颅
    - 第二代：窄扇形束平移-旋转T/R扫描
      - 从平行射线束改为5~10°窄扇形束
      - 优点：成像时间缩短至20s左右
      - 缺点：需要校正，否则会出现运动伪影
    - 第三代：广角扇束旋转-旋转R/R扫描
      - 检测器增加至250~350
      - 张角30~45°扇形射束，包括整个物体截面
      - 不需要作直线扫描运动
      - 优点：取消平移扫描，速度快，时间10~5s
      - 缺点：需要校准相邻检测器灵敏度差异，否则有环形伪影
    - 第四代：静止-旋转S/R扫描
      - 基于第三代，更多检测器420~1500
      - 检测器布满360°，形成环形阵列圈
      - 扫描：探测器静止不动
      - 优点：扫描速度更快，1~5s，不易产生环形伪影
      - 是目前流行的一种扫描方式
    - 第五代：电子束静止-静止S/S扫描
      - X射线源：电子束取代X球管产生扇形束
      - 探测器：静止环形检测环
      - 优点：取消球管机械旋转速度限制，成像时间<1s
      - 高时间分辨率，可对心脏和肺进行动态功能成像
    - 新型扫描技术
      - 多排扫描（多排CT）
      - 螺旋扫描（螺旋CT）
        
        螺距比率：$p=\frac{d}{W}$
        
        d：扫描架旋转一周进床距离
        
        W：X线源经准直后射线宽度（层厚）
        
        分类
        
        单排螺旋CT
        
        优点：
        
        单位时间扫描速度快，单次屏呼吸可完成全部位扫描，运动伪迹小
        
        可动态扫描
        
        数据连续，可在任意想要位置上重建图像
        
        多排螺旋CT
        
        双能螺旋CT
        
        两个X射线源和两套检测器采集数据
        
        优点：极大提高对组织特征的分辨力
- XCT装置结构
  - 扫描架-X射线管
  - 准直器
  - 受检体
  - 扫描床
  - 检测器
  - 数据采集器-数据
- XCT系统主要由扫描部分、控制台、计算机部分、显示设备与记录等部分组成
XCT重建技术
- 断层与解剖断面
  - 体素$\longrightarrow$空间位置编码$\longrightarrow$体素阵列
- 投影：检测器阵列获取的穿过人体后的X射线强度
- 投影函数：$p=\sum\mu_i=\frac{1}{d}\ln\frac{I_0}{I_n}$
- CT本质是$\mu$值成像：$I=I_0e^{-\mu x}\longrightarrow\mu=\frac{1}{x}\ln\frac{I_0}{I}$
- Radon变换：密度函数$f(x,y)$沿与x轴倾斜角度为$\theta$，距原点距离为$R$的直线的线积分。
- 正弦图：$2\pi$角度内所有投影数据集合，CT所采集的原始数据集合
  - 纵坐标：投影角度
  - 横坐标：投影距离
- 主流重建算法：
  - 联立方程求解：矩阵求逆
    - 缺点：时间复杂度高
  - 代数迭代重建Algebraic Reconstruction Technique, ART：
    - 步骤：
      - 假设初始值，叠加获取计算值
      - 计算值比较实测值，求差，获取校正值
      - 校正值对投射路径像素纠正，替代初始值
      - 重复
    - 优点：避免矩阵求逆
    - 缺点：
      - 重建质量基于收敛准则与算法
      - 大图像重建迭代无法满足性能要求
  - 傅里叶重建
    - 中心切片定理：密度函数$f(x,y)$在某一方向上的投影函数$g_\theta(R)$的一维傅里叶$G_\theta(p)$是密度函数$f(x,y)$的二维傅里叶变换$F(p,\theta)$在$p$,$\theta$屏幕上沿同一方向过原点直线的值
    - 要求：
      - 采角度频率高
      - 插值
    - 优点：理论最理想
    - 缺点：二维插值与傅里叶变换，计算量大，重建速度较慢
  - 直接反投影重建
    - 把每次测得投影数据原路反投影至投影线像素上。
    - 步骤：反方向投影+累加
    - 优点：重建速度快
    - 缺点：边缘失锐
    - 星状伪影：在原点位置上的分布密度最高，愈往四周，密度愈低，出现逐渐变浅的云晕状阴影
      - 消除方法：卷模糊因子
  - 滤波反投影重建
    - 对投影函数先傅里叶变换
    - 乘$|\rho|$滤波
    - 傅里叶逆变换
    - 直接反投影
    - 优点：仅需一维傅里叶，缩短重建时间
  - 卷积反投影重建
    - 同上，本质一样，区别在于滤波投影函数的获取方式
- 空间滤波函数：CT软件核心机密
  - R-L滤波函数
    - $H_{R-L}(\rho)=|\rho|\text{rect}(\frac{\rho}{2\rho_0})$
    - $h_{R-L}(nT)=\begin{cases}\frac{1}{4T^2}&n=0\\0&\text{n is even}\\\frac{1}{\pi^2n^2T^2}&\text{n is odd}\end{cases}$
    - 优点：重建图像轮廓清晰，空间分辨率高
    - 缺点：振铃效应明显，尤其是物体边缘及吸收系数剧烈变化的地方
  - S-L滤波函数
    - $H_{S-L}(\rho)=|\rho|\sin c(\frac{\rho}{2\rho_0}\text{rect}(\frac{\rho}{2\rho_0})$
    - $h_{S-L}(nT)=\frac{-2}{\pi^2T^2(4n^2-1)}$
    - 优点：图像密度分辨率高，图像平滑，适用脑部扫描
XCT应用中的重要概念
- CT值
  - $CT_{value}=\cfrac{\mu-\mu_{water}}{\mu_{water}}\times k$
  - $\mu$：组织衰减系数
  - $\mu_{water}$：水的衰减系数
  - k：分度因子 k=1000
  - 上界：骨+1000HU
  - 下界：空气-1000HU
- 窗口显示技术
  - 调节窗宽window width与窗位window center
  - 目的：放大或增强某段范围内灰度的技术，把图像中小范围强度映射到显示设备中
  - 窗宽$=CT_{max}-CT_{min}$ 上下限之差
  - 窗位$=\cfrac{CT_{max}+CT_{min}}{2}$ 窗口中心灰度值
  - 双窗技术：用两种窗宽窗位，以便观察不同CT值范围的组织
- XCT伪像false image：重建图像与真实图像任何不一致
  - 原因：
    - 成像系统测量误差
      - 渐晕伪像
      - 部分容积伪像
      - 周围间隙伪像
    - X射线干扰
    - 受检体原因
      - 金属异物
      - 运动伪像
    - 成像装置原因
      - 检测器性能不一
      - 系统状态不稳定
      - 重建算法不完善
    - 其它
- 图像再处理：噪声
  - 滤波：均值，中值

核医学

核医学成像
- 核医学：放射性同位素和粒子加速器的医学应用，用放射性物质对某些疾病作诊断和治疗医学领域的一个学科。
- 核医学设备：能够从体外定量和动态低观察体内脏器组织的形态和功能活动等，是现代诊断和治疗肿瘤必不可少的设备
- 核医学与X射线成像异同
  - 同：都利用电磁辐射的诊断成像技术，但是它们基于两种截然不同的成像原理
  - X射线成像：勇敢X射线穿透衰减产生病人解剖结构图象
  - $\gamma$射线成像：向人体注射放射性示踪剂，测量放射性核素在人体内的分布，反映器官或其它生理系统的功能（代谢）状况
放射性核素成像物理基础
- 原子核质量数=质子数+中子数
- 核素：具有确定的质子数和质量数并处在一定能级的原子核
- 按稳定程度分类
  - 稳定性核素：没有外来作用候不发生核内结构或能级变化
  - 放射性核素：能自发放射某种射线并转换为另一种核素
    - 天然：铀，钋，镭
    - 人工：钴，铯，铱
- 按质量数核电荷数
  - 同位素：具有相同的质子数，但具有不同的中子数
  - 同量异位素：质量数相同，质子数不同
  - 同质异能素：质子数中子数都相同，处于不同能量状态
- 原子核的稳定性
  - 平均结合能越大，原子核分解为单个核子所需要的能量就越大，原子核越稳定。
  - 中等质量原子核平均结合能比轻核和重核大，中等质量的核比较稳定。
  - 在自然界中，某些原子序数较大的重核（铀、镭）（质量数~209）的原子核是极不稳定的。这类核素称为放射性核素（放射性同位素），元素周期表末端附近的核素多具有放射性。
  - 用人工方法获得的放射性同位素则称为人工放射性同位素。
- 原子核衰变的类型
  - 核衰变：放射性核素处于不稳定状态，自发放出一种射线，而变为另一种核素
  - 母体：衰败前的核
  - 子体：衰变后的新核
  - 核衰变遵守质量、能量、动量、电荷和原子数守恒
  - 衰变分类：
    - $\alpha$衰变
      - 放出$\alpha$粒子（氦原子核$^4_2\text{He}$）
      - 只有少数几种核素能够放射出单能的α粒子，大多数核素将放射出不同能量的α粒子
    - $\beta$衰变
      - 原子核内释放出电子（正电子）
      - 三种形式
        
        $\beta^-$衰变：方出负电子
        
        $\beta^+$衰变：方出正电子
        
        正电子不稳定，可与物质中电子结合，转化成一对沿相反方向飞行的γ光子，0.511MeV
        
        PET影像基于此原理设计
        
        电子俘获：发生$\beta$衰变的原子核俘获一核外电子，同时释放一个中微子的衰变过程
        
        因为K壳层最靠近核，K俘获的发生概率最大
    - $\gamma$衰变
      - 原子核从**激发态(excited state)回复到基态(ground state)**释放的射线
      - $\gamma$射线：波长最短的电磁波辐射
      - X射线从核外发射，$\gamma$射线从核内发射
- 核衰变共同宏观规律：放射性核素的量随时间的增加而减少
  - 放射性核素衰变按照指数衰减规律减少
  - $$dN=-\lambda Ndt\xrightarrow{t=0,N=N_0}N=N_0e^{-\lambda t}$$
  - $N_0$：t=0时的放射性强度
  - $N$：时间t后的放射性强度
  - $\lambda$：放射性核素衰变常数
    - 不同的放射性核素，原子核的衰变速率不同，有的衰变快，有的衰变慢，这是放射性核素的一个特征
    - $\lambda=\cfrac{-dN/N}{dt}$ 单位$s^{-1}$
    - 用于描述放射性核素衰变快慢物理量，由原子核本身性质决定
  - 生物衰变常数$\lambda_b$：进入生物体内的放射性核素，由于人体的排泄作用使核素数量的减少也按指数规律变化
  - 人体内放射性核素总减少量：
    - $dN=-(\lambda_p+\lambda_b)Ndt=-\lambda_eNdt$
    - $\lambda_p$：物理衰变常数
    - $\lambda_e=\lambda_p+\lambda_b$：有效衰变常数
  - 物理半衰期half life $T_{1/2}$
    - 放射性核素的原子核数目衰减到原来一半所需要的时间
    - 半衰期与物理衰变常量成反比
  - 有效半衰期：物理半衰期和生物半衰期共同作用
  - 放射性强度：居里Ci/贝尔克勒bq
    - Ci：衰变率为3.71010衰变/秒的放射性物质的放射性强度
    - Bq：1次衰变/秒的放射性物质的放射性强度
- 放射性药物
  - 体外诊断：将放射性核素放在试管中，进行放射性免疫测量或活化分析
  - 体内诊断：将放射性核素引入人体内，进行脏器功能测量或显像。
- 核素产生方式：
  - 反应堆
  - 回旋加速器
- 放射性辐射的生物效应
  - 电离辐射的生物效应：能量传递过程
    - 辐射的部分能量为被照物体所吸收，从而引起被照体内部发生各种物理、化学和生物学的变化。这种变化就产生了生物效应，并以临床症状表现出来
    - 其性质和严重程度取决于人体吸收的辐射总量和所接受的剂量率
  - 对人的作用：
    - 内照射：放射性核素经由食道、呼吸系统、皮肤粘膜或伤口进入体内时，可引起内照射
    - 外照射：指体外的电离辐射对人体的照射
  - 防护：
    - 内照射防护：切断放射性物质进入人体的各种途径
    - 外照射防护：
      - 缩短接触放射源时间
      - 增大离开放射源距离
      - 屏蔽措施
- 核医学成像技术：
  - $\gamma$相机
  - 单光子发射型计算机断层SPECT (single photon emission computed tomography)
  - 正电子发射型计算机断层PET (Positron emission computed tomography)
- 技术特点
  - 放射性核素引入人体
  - 参与人体代谢代谢
  - 特定脏器组织中聚集
  - 放射性活度分布外部策略
  - 功能像显像
$\gamma$照相机：显示体内放射性核素分布图像，可连续显示人体的动态功能
- 原理：
  - 放射性示踪剂稳定发射$\gamma$射线
  - 示踪剂半衰期几天以上
  - 单光子计数成像：
    - 平面投影：$\gamma$相机
    - 断层影像：单光成像设备SPECT
- 系统组成：
  - $\gamma$射线源，探头，{位置信号XY，能量信号Z}，照相示波器
  - $\gamma$照相机由探头（准直器、闪烁晶体、光电倍增管阵列）、位置计算电路（位置通道）、脉冲高度分析仪（能量通道）以及显示记录系统等组成。
  - 探头：
    - 准直器：排除干扰成像的$\gamma$射线
    - 闪烁晶体：激发荧光Nal(TI)晶体
    - 光电倍增管：荧光$\longrightarrow$电脉冲$\longrightarrow$增强
    - 电阻矩阵
    - 成像过程：
      - 被检脏器内辐射的$\gamma$射线经准直器投射到闪烁晶体上，立即产生闪烁光点
      - 闪烁光电荧光倍光导耦合至光电倍增管
      - 闪烁光点位置由电阻矩阵输出脉冲的大小确定
      - 通过脉冲分析一选择需要的能量信号（扣除散射射线及本底射线）
  - 准直器：能吸收射线的高密度物质制成，铅或钨合金
    - 限探探测器视野，起到放大和缩小图像
  - 闪烁晶体：与$\gamma$射线发生作用时会发出荧光，采用碘化钠
    - 将闪烁晶体发出的可见光传递到光电倍增管阵列
    - 光导/直接耦合
  - 光电倍增管阵列
    - 作用：放大信号。电子数目可增加100万倍
    - 根据各个光电倍增管的输出大小可计算出发生闪烁的位置
  - 电阻矩阵电路：计算位置
  - 脉冲高度分仪器
    - 设定阈值对输入脉冲整形，滤除不符合幅值范围的输入光子信号
  - 数据处理显示系统
    - PMT送来闪烁事件的坐标，记录闪烁点位置
    - 由于给病人使用的放射性药物剂量不能太大。如果采用较大的点阵，每个像素的光子计数很少，图像的信噪比较差
    - 一幅质量好的图像，每个像素的平均计数40~50以上
- $\gamma$相机性能指标
  - 系统灵敏度（系统对$\gamma$射线的探测效率）
    - 准直器影响：小孔尺寸越大，灵敏度越好，图像越模糊
    - 闪烁晶体影响
    - 脉冲高度分析仪影响
SPECT成像
- 发射型计算机断层
  - 单光子发射激计算机断层SPECT
    - 利用测量不同方向的投影像，通过反向投影重建可以得到某个断层的图像
    - 成像原理
      - 体外测量发自体内的$\gamma$射线
      - 建立断层投影函数
      - 重建二维的活度分布（确定体内放射性核素的活度）
    - 重建算法
      - 解析法：滤波反投影，卷积反投影
      - 迭代法：代数迭代法，SIRT，共轭梯度法，最大近似然法，Ordered Subset Expectation Maximization OSEM（研究最多的SPECT迭代算法）
    - 性能因素
      - 核素选择：要求衰变过程中释放高能量$\gamma$射线
      - 要求$\gamma$射线在体内未经衰减，导致伪影，需要衰减补偿
  - 正电子发射型计算机断层PET
    - 工作原理：基于核物理学中的湮灭辐射的物理特性和符合探测的检测原理
      - 体内的湮灭辐射产生的成对光子，可投射到相应的伽玛探测器中
      - 基于四周探测器获得（符合探测）这些投影信息，即可重建断层影像
    - 成像原理：部分放射性核素在衰变过程中释放正电子（11C, 13N, 15O, 18F）。正电子很快会与周围环境中的一个负电子相遇而发生结合，转化为两个能量为511KeV的一对$\gamma$光子，称为湮灭辐射。湮灭辐射时产生的$\gamma$光子反向射出，通常为180°。
    - 符合检测电路：电子准直作用
      - 湮灭辐射产生的双光子沿同一直线上反方向飞行
      - 衰变区域两侧放置两个光子探测器，两探测器同时接收$\gamma$光子
      - 符合电路给出一个计数
    - 成像流程：
      - 在人体周围放置环形或多边形探测器阵列
      - 探测器上每一块独立的晶体与对面的一组探测器构成符合关系，从而形成符合线
      - 基于每一组符合线，可获取相应角度下的投影数据
      - 当采集了所有角度的投影数据后，即可通过重建算法，定量估计出事件发生的空间位置，进而获取成像对象某一断面上的放射性核素的分布图
    - 成像装置
      - 主机：成像
        
        机架
        
        探测器
        
        前置电子线路
        
        操作台
        
        检查床
      - 加速器/发射器（示踪剂产生）
      - 药物自动合成装置
    - 技术优势
      - PET所用核素是构成人体生物分子主要元素，可以显示机体生理生化过程
        
        生命断层
        
        生化断层
        
        活体分子断层
      - PET采用具有自准直的符合电路计数方法，省去准直器，灵敏度提高，图像质量高
      - 空间分辨距离高（可检出5~10mm的病灶）
    - 图像质量影响因素
      - 受探测器灵敏度的影响，可能致使部分真实符合事件未能被检测
      - 在符合检测过程中，实际上2个光子并不是发生湮灭事件的2个光子
        
        散射符合：光子散射导致传播偏离
        
        随机符合：检测到来自不同湮灭事件的一对光子
      - 两个湮灭光子的传播方向不是严格成180度
      - 正电子在湮灭之前已传播一定距离，湮灭事件发生的位置并不能完全代表放射性核素所处的位置
    - 临床应用：
      - 诊断癫痫、痴呆、帕金森病、抑郁症、脑血管疾病及神经退行性疾病
      - 肿瘤诊断与治疗
        
        良恶性鉴别
        
        评定恶性程度
        
        寻找原发灶和转移灶
        
        评价疗效

超声成像技术

超声成像：基于脉冲回波技术，利用超声波在组织界面处的反射特性成像
- 成像模式：解剖学范畴（结构成像）。新型超声成像技术（多普勒）可反映功能信息
- 优点：
  - 超声成像能得到软组织图像（X射线成像不能显示）；
  - 具有实时性、动态观测的优点；
  - 对人体无害，价格便宜。
- 缺点：
  - 图像分辨率相对较低；
  - 临床适用范围有限制：适合观察腹部脏器结构，不适用胸腔检查
超声波ultrosound US：一种在弹性介质中传播的机械波
- 临床超声：1MHz~100MHz，频率高，波长短，方向性强，能量大，危害小
- 振动形式分类：
  - 纵波：气体、液体、固体
  - 横波：固体
- 按频率分类（临床）：
  - 低频超声：1~2.75MHz
  - 中频（常规）超声：3~10MHz
  - 高频超声：12~20MHz
  - 超高频超声：>20MHz
- 按发射方式分类：
  - 脉冲波
  - 连续波
- 脉冲波特征量：
  - $\tau$脉冲宽度：振动持续时间1.5~5$\mu s$
  - $T$脉冲重复周期：两个相邻脉冲前沿相隔时间
  - $T_r$间歇期（静止期）：$T_r+\tau=T$
- 产生机制
  - 声源
  - 弹性介质
- 超声波特性
  - 频率高，方向性强
  - 可产生机械效应
- 超声在人体组织的传播速度
  - 固体：
    - 纵波：$c=\sqrt{\frac{Y}{\rho}}$
    - 横波：$c=\sqrt{\frac{G}{\rho}}$
    - 杨氏模量Y
    - 切变模量G
    - 介质密度$\rho$
  - 流体和气体：仅能传播纵波
    - $c=\sqrt{\frac{B}{\rho}}$
    - 体积弹性模量B
    - 介质密度$\rho$
  - 声速与介质性质有关，与频率基本无关
  - 超声在人体中以纵波传播
  - 声速：固体>液体>气体，骨骼比软组织快三倍
  - 超声在软组织中速度一样，近似1500m/s
- 超声在人体组织的传播方式：遵循几何光学
  - 反射：遇到界面
  - 折射：遇到界面
  - 透射
  - 衍射
  - 散射
- 介质：声阻抗划分
- 反射/折射定律
  - 声压连续：界面两侧声压相等$p_i+p_r=p_t$
  - 法向速度连续：质点振动速度在垂直界面分量相等$v_i\cos\theta_i-v_r\cos\theta_r=v_t\cos\theta_t$
  - 反射定律：反射角=入射角$\theta_i=\theta_r$
  - 折射定律：$\cfrac{\sin\theta_i}{\sin\theta_t}=\cfrac{v_t}{v_i}$
  - 全反射：入射角增加到一定角度，折射角90°（对诊断无意义，应避免）
  - 实际探头探测角度<24°
    - 减少信号强度损失
    - 避免产生全反射
- 衍射/散射
  - 衍射：探查物体尺寸与波长$\lambda$接近，产生衍射，超声绕过障碍
    - 超声绕过与波长接近的病灶，无法探测
  - 散射：探查物体尺寸远小于超声波长$\lambda$，超声传播方向连续改变
    - 多普勒血流探测中检测的回波信号即是血球的后向散射信号
- 超声在人体组织中衰减
  - 超声能量随传播距离的增大而减小
  - 主要原因：
    - 扩散衰减：总量未减小
    - 反射/散射衰减：总量未减小
    - 吸收衰减：声能转化为其它能
  - 水：衰减小
  - 肺/骨骼：衰减系数高
- 多普勒效应：
  - 如果声源-接收器相对于声波传播方向运动时，接收器所接受的频率与声源发出的频率将不同。此频率差被称之为称为多普勒频移。
- 超声多普勒成像
  - 利用多普勒效应探测运动物体，如心脏瓣膜运动，横隔和胎心搏动
- 医学超声成像技术
  - 基于回波扫描：检测组织形态学信息
  - 基于多普勒效应：检测功能信息（运动）
超声成像技术分类
- A超：Amplitude Modulation Mode 幅度调制型超声
  - 工作原理：当超声波在人体组织传播时，如遇到具有不同声阻抗的介质界面时，在该界面上将产生回波。根据发射脉冲和回波脉冲的时间间隔t，可计算探头与反射界面之间的距离$l=\frac{c\times t}{2}$
  - 可测量组织界面的距离或病灶在人体组织中的深度信息
  - 缺点：显示回波图像（一维图像），无法获取解剖图像二维
- M超：Motion Mode 超声心动图仪，显示某些器官的运动情况，用于心血管疾病的诊断
  - 原理于A超一致，显示方式不同
  - 横坐标：时间
  - 纵坐标：回波信号深度信息
  - 灰度值：回波信号大小
  - M显示中，纵向的每一条线都是一次A型探查信号
  - 探头固定，心脏规律运动，心脏的各层组织和探头之间的距离也随之改变
  - 产生超声心动图
  - 优点：
    - 可对运动脏器进行功能性检查
    - 可测量多种心功能参数
  - 缺点：
    - 不能获得二维解剖图像
- B超：Brightness Mode 辉度调制型超声（二维超声）
  - 可点/线扫描人体组织解剖切面
  - 成像原理于A超基本相同
  - B超会按照一定规律，发射和接收的回波信号，进而得到该扫描平面上一系列扫描线的回波信号
  - 采用辉度调制式显示，光点强弱代表回波信号幅度大小
  - 快速移动探头，发射声束，并逐次获得不同位置界面反射回波
  - B超能获得人体内部脏器（病变）的二维断层图
  - B超已成为应用最普遍、最有效的医学诊断技术之一
  - 声束扫描方式
    - 初期：手持探头平移运动
    - 现阶段：探头固定，机械/电子移动探头
    - 线形扫描
    - 扇形扫描
    - 相控阵扇形扫描：
      - 利用线阵换能器阵元发射时的相位延迟，使合成声束轴线与线阵平面中心线有一夹角。进而，通过夹角变化实现扇形扫描
- C超：
  - 二维超声成像
  - 图像与超神波传播方向垂直
  - 超声探头必须不断扫描并重复采集
- D超：Doppler Mode多普勒超声
  - 利用多普勒效应，探测回波频率的多普勒频移，测量运动脏器和血流参数成像
  - 临床：
    - 测定血液流速（DEMO 多普勒血流成像）
    - 观察心脏运动
    - 判定血管栓塞
  - DEMO原理：
    - 由探头对着血管发射一频率的超声波，血管内运动的红血球产生的后向散射信号发生多普勒频偏，对其检测
    - 正向流：血流朝向超声探头，多普勒频移正
    - 负向流：血流背向超声探头，多普勒频移负
    - 多普勒频移$f_D=\cfrac{2v\cos\phi}{c}f_0$
      - v：血流速度
      - c：超声传播速度
      - $f_o$：探头频率
      - $\phi$：声速与流速夹角
      - 根据$f_D$判定血流方向
    - 最大频移信号：超声束与血流方向平行（增大衰减损耗）
    - 实际应用：45°
    - 测量高速血流：$f_d$一定，$f_o$越小，v越大，测量高速血流尽可能选用低频探头
- 频谱显示
  - 图像：速度（频移）-时间谱
    - 横坐标：频移时间（血流持续时间）
    - 纵坐标：频移幅度（血流大小）
  - 音频：
    - 音调高低反映频率高低
    - 声音响度反映振幅大小
B超关键技术
- 超声换能器
  - 作用：
    - 高频电震荡转换为声震荡，向人体发射超声
    - 接收从人体反射回来超声，再将其转换成电信号
  - 发射：逆压电效应
  - 接收：正压电效应
  - 原理：压电式换能法发射和接收超声波
  - 压电材料：
    - 压电晶体
    - 极化陶瓷
      - 钛酸钡
      - 钛酸铅
    - 高分子聚合物
    - 复合材料
- 超声波声场
  - 换能器频带有限，实际信号拖尾
  - 采样体积长度决定轴向分辨率
  - 采样体积宽度决定侧向分辨率
  - 近场区：近似平行
  - 远场区：射束扩散
  - 换能器直径越大/频率越高，近场区长度越大，远场区发散程度越小
- 声束聚焦方法
  - 声透镜聚焦：换能器表面贴声透镜
    - 优点：声束变细，系统的侧向分辨率提高
    - 缺点：距不可变，且聚焦范围较小
  - 电子聚焦：声束偏转与声束聚焦结合使用（基于递变延迟电路）
  - 动态孔径
    - 小孔径换能器：近场的声束较细，但在远场声束发散严重（探查较浅部位）
    - 大孔径换能器：近场的声束较粗，但在远场声束发散较小（探查较深部位）
  - 动态扫频
    - 超声衰减与频率有关，提高频率，可改善轴向分辨率，但影响了可探查深度
    - 较浅部位：提高发射频率，提高轴向分辨率
    - 较深部位：降低发射频率，保证探查深度
    - 难点：多频率/宽频带探头
  - 环阵技术：二维聚焦
    - 环阵探头：由若干个环形阵元构成，每个阵元都配有延迟线
    - 在发射时：可设置不同的延迟时间来获得指定深度的信息。
    - 在接受时：可采用动态聚焦与动态孔径技术实现全程聚焦。
  - 数字扫描变换器DSC
    - 扫描格式的变换
    - 扫描速度的变换
    - B超扇形扫描，回波信号为极坐标，显示使用直角坐标
彩色多普勒血流成像 Color Doppler Flow Imaging CDFI 彩超
- 它把所得的血流信息经相位检测、自相关处理、彩色灰阶编码，把平均血流速度资料以彩色显示，并将叠加显示在B型灰阶图像上
- 信号输出显示方式 频率-色彩编码
  - 速度方式：显示血流速度大小和方向
    - 红色：正向流动
    - 蓝色：反向流动
  - 方差方式：显示血流紊乱程度
    - 绿色：湍流/紊乱
    - 亮度：流速大小/紊乱程度
- 主要特点：彩色血流图象显示在B超图像上
  - 信号分两路：B型图像和多普勒血流显像
超声成像新方法
- 谐波成像 harmonic imaging HI
  - 使用超声波在传播过程中产生的谐波成分进行成像的技术
  - 成像基础：波形畸变
  - 频率越高，振幅越大，非线性畸变（谐波分量）越大
  - 组织谐波成像：谐波回波显示组织结构信息
    - 谐波的阶次越高，能量越小
    - 二次谐波因其具有低的衰减性，好的指向性，现已被作为组织谐波成像的首选信号
    - 优点：有效提高成像对比度和分辨率，对于室壁血栓、心腔肿物、腹部肿物等疾病的辅助判定具有作用
- 造影剂谐波成像：用超声造影剂的谐波成像
  - 原理：利用气泡（直径小于10μm ）空化效应，可明显增强散射信号中二次谐波
  - 作用及应用
    - 明显增强散射信号
    - 提高成像质量
    - 产生较强回波信号
    - 清晰显示极低血流速度
    - 谐波频移分析估计血流速度
  - 成像对造影剂要求
    - 微泡稳定
    - 微泡大小可控，容易排出
    - 对人体无害，不影响人体血流动力学
  - 分类
    - 自由气泡
    - 包膜气泡
    - 悬浮颗粒
- 组织多普勒成像 Doppler tissue imaging DTI
  - 在传统的多普勒血流成像基础上，提供组织运动图像
  - 血流速度较大，组织运动速度较低
  - 测量血流信号：高通滤波
  - 测量室壁运动：低通滤波
  - 在彩超基础上提供组织运动图像
- 超声弹性成像 E超
  - 原理：硬块（肿物）的弹性或硬度有明显不同。通过超声对组织进行激励，提取与组织弹性有关的参数进行成像。
  - 传统方法：触诊、叩诊
  - 优点：
    - 精度高
    - 空间/时间分辨率高
    - 良好重复性
  - 应用：
    - 心肌梗死
    - 心肌缺血定位
- 超声宽景成像
  - 获得体内的全景图像
  - 实现：过对常规超声成像中移动探头时所生成的一系列图像进行实时配准，找出相邻两帧图像间像素点的坐标及灰度变换，经过配准后进行显示
  - 优点：提高了对于较大的器官和肿块的显示与测量，对于复杂病变整体的研究更具意义
- 三维超声
  - 步骤
    - 图像数据采集
    - 图像数据处理
    - 三维图像显示

磁共振成像

MRI扫描仪基本构成
- 主磁体
  - 按磁场产生方式分类：
    - 永磁
    - 电磁
      - 常导
      - 超导
  - 按外形分类：
    - 开放式磁体
    - 封闭式磁体
    - 特殊外形磁体
  - 单位换算：1T特斯拉=10000G高斯
  - 主磁场均匀度
    - 空间定位需要
    - 频谱分析：各种代谢物之间的共振频率相差极小
    - 脂肪抑制：脂肪和水分子中的氢质子共振频率很接近
- 梯度线圈
  - 作用：
    - 空间定位
    - 产生信号
    - 其它
  - 梯度线圈性能提高可使得磁共振成像速度加快
  - 性能指标：
    - 梯度场强 (mT/M)：梯度场两端磁场强度之差/梯度场强度
    - 切换率=提赌场预定强度/爬升时间
- 脉冲线圈
  - 按作用分类：
    - 体线圈：激发人体共振
    - 绝大多数表面线圈：采集MRI信号
  - 接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强
  - 线圈内体积越小，所接收到的噪声越低
- 计算机系统
  - 数据运算
  - 控制扫描
  - 显示图像
- 其它辅助设备
  - 空调
  - 检查台
  - 激光照相机
  - 液氦/水冷系统
  - 自动洗片机
MRI物理学原理
- 核磁：原子核自旋产生的磁场
- 产生核磁条件
  - 不产生核磁：质子数偶，中子数偶
  - 产生核磁：
    - 质子数奇，中子数奇
    - 质子数奇，中子数偶
    - 质子数偶，中子数奇
- 用于人体MRI为$^1H$氢质子
  - 氢质子的磁化率很高
  - 氢质子占人体很大一部分
- 进入主磁场后磁化矢量影响因素
  - 温度：温度升高，磁化率降低
  - 主磁场场强：场强越高，磁化率越高，场强基本与磁化率成正比
  - 质子含量：质子含量越高，与主磁场同向的质子总数增加（磁化率不变）
- 处于低能状态的氢质子仅略多于处于高能状态的质子
- 进动：核磁（小磁场）与主磁场相互作用的结果
  - $\omega=\gamma B$
  - $\omega$：进动频率，拉莫尔频率
  - $\gamma$：磁旋比 42.5MHz/T
  - B：主磁场场强
- 引入主磁场后
  - 处于低能状态的质子略多于处于高能状态的质子，因而产生纵向宏观磁化矢量
  - 由于相位不同，因而只有宏观纵向磁化矢量产生，并无宏观横向磁化矢量产生
- 磁共振现象：靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内的氢质子来引发
  - 射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转
  - 射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应
- 90度脉冲：
  - 宏观效应：使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量
  - 微观效应：低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零
  - 90度脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种旋转的横向磁化矢量切割接收线圈，MR仪可以检测到
  - 无线电波激发后，人体内宏观磁场偏转了90度，MRI可以检测到人体发出的信号
  - 氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，90度脉冲后磁化矢量偏转，产生的旋转的宏观横向矢量越大，MR信号强度越高
  - 此时的MR图像可区分质子密度不同的两种组织
  - 检测到的仅仅是不同组织氢质子含量的差别，对于临床诊断来说是远远不够的
  - 我们总是在90度脉冲关闭后过一定时间才进行MR信号采集
- 核磁弛豫：射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态
  - 横向弛豫：T2弛豫（横向磁化矢量减少的过程）
    - 原因：每个质子感受的磁场不均匀
    - 根据Lamor定律
      - 磁场高－质子进动快
  - 纵向弛豫：T1弛豫（90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程）
    - 机理：
      - 90°激发：低能的质子获能进入高能状态
      - 纵向弛豫：高能的质子释放能量
    - T1弛豫是由于高能质子的能量释放回到低能状态
    - 用T1值来描述组织T1弛豫的快慢
  - T2«T1
- 加权成像
  - T1加权（T1WI）：突出组织T1弛豫
    - T1值越小 → 纵向磁化矢量恢复越快 → 已经恢复的纵向磁化矢量大 → MR信号强度越高（白）
    - T1值越大 → 纵向磁化矢量恢复越慢 → 已经恢复的纵向磁化矢量小 → MR信号强度越低（黑）
  - T2加权（T2WI）：突出组织T2弛豫
    - T2值小 → 横向磁化矢量减少快 → 残留的横向磁化矢量小 → MR信号低（黑）
    - T2值大 → 横向磁化矢量减少慢 → 残留的横向磁化矢量大 → MR信号高（白）
  - 质子密度加权成像（PD）：突出组织氢质子含量差别
- MR只能采集旋转的横向磁化矢量
- 人体大多数病变的T1值、T2值均较相应的正常组织大，因而在T1WI上比正常组织“黑”，在T2WI上比正常组织“白”
- MRI空间定位
  - 层面层厚选择
    - 决定因素
      - 梯度场强
      - 射频带宽
    - 梯度场强不变，射频带宽越宽层厚越厚
    - 射频带宽不变，梯度场强越高层厚越薄
  - 空间定位编码
    - 频率编码
      - 频率编码依靠梯度磁场
    - 相位编码
      - 相位编码还是依靠梯度磁场
  - K空间及其特性
    - MR图像原始数据的填充储存空间格式
    - 特性：
      - 对称性
      - 中央区域的相位编码线决定图像的对比
      - 周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节
    - 填充方式：
      - 螺旋式填充
      - 放射状填充
  - 流程：
    - 激发编码
    - 信号采集
    - K空间填充
    - 傅里叶
    - 显示图像
- 自旋回波序列
  - 自由感应衰减：90度激发脉冲关闭后，所产生的横向磁化矢量很快衰减
  - 180度脉冲可使因主磁场恒定不均匀造成失相质子的相位重聚，产生自旋回波
  - TE：回波时间
    - 决定图像T2成分
  - TR：重复时间
    - 决定图像T1成分
- T1WI：短TR短TE
- T2WI：长TR长TE
- PD：长TR短TE

光学基本知识

光的干涉
- 两列频率相同,振动方向相同,有恒定的相位差的光波在空中相遇时发生叠加,在某些区域总加强,在另外一些区域总减弱,出现明暗相间的条纹
光层相干断层扫描 OCT
- 利用红外弱光相干照射待测组织，依照光的相干性产生干涉，利用组织成像
- 非接触式
- 非侵入性
- 类似B超，分辨率极高
原子力显微镜

Complex Function

hhong6@mgh.harvard.edu (Haotian Hong) — Thu, 01 Oct 2020 15:09:46 +0800

Review

$Lnz=ln|z|+iargz+3k\pi i (k\in Z)=ln|z|+iArgz$
$lnz=ln|z|+iargz\quad -\pi<argz\leq\pi$
- $arg z=\arctan\cfrac{y}{x}$
$e^z=e^{z+2k\pi i}\quad (k\in Z)$
- $e^{Lnz}=e^{lnz}=z$
- Example: $(1+i)^n=(1-i)^n$
$z^\alpha=e^{\alpha(ln|z|+iargz+2k\pi i)}$
$\sin z=\cfrac{e^{iz}-e^{-iz}}{2i}\qquad \cos z=\cfrac{e^{iz}+e^{-iz}}{2}$
- 复数计算展开到$a+bi$
$f(z)=zImz$在复平面处处连续
可导的充分条件：
- $u_x,u_y,v_x,v_y$在$(x,y)$连续，且在$(x,y)$满足C-R方程，则$f(z)$在$z=x+iy$可导，且$f’(z)=u_x+iv_x=v_y+iv_x=u_x-iu_y=v_y-iu_y$
解析函数
- 所有解析点的合集必为开集，不可能仅在一个点或一条曲线上解析
- 平面上处处解析的函数
  - $f(z)=e^z,z^n,\sin z,\cos z$
- 处处不解析的函数
  - $f(z)=Rez,Imz,|z|,\overline{z},z|z|$
- $\oint_{|z|=1}Rezdz$:参数方程求解
调和函数
- $u_{xx}+u_{yy}=0$
- Example $u=x^2-y^2+xy$
  - $u_x=2x+y,\quad u_y=-2y+x$
  - $u_{xx}=2,\qquad u_{xy}=1,\qquad u_{yx}=1,\qquad u_{yy}=-2$
  - $u_xx+u_yy=0$, 调和
复积分
- 非闭区间
  - 参数方程法
    - $\int_Cf(z)dz=\int_a^bf(z(t))z’(t)dt$
    - Example $\int_CRezdz$, $C=1-i$ to $3+2i$直线段
      - $C:(2t+1)+i(3t-1)$
      - $I=\int_0^1(2t+1)(2+3i)dt$
    - Example $\int_C|z|dz$, C:上半单位圆周线，起点-1
      - $C:z=e^{i\theta}, \theta:\pi\to 0$
      - $|z|=1$
      - $I=\int_\pi^0 1(ie^{i\theta})d\theta=e^{i\theta}\big|_\pi^0=2$
  - 牛顿-莱布尼兹公式
- 周线积分
  - 参数方程
    - Example $\oint_{|z|=2}(Rez+e^z)dz$
      - $I=\oint_{|z|=2}Rezdz+\oint_{|z|=2}e^zdz=\oint_{|z|=2}Rezdz$
      - $\int_0^{2\pi}2\cos\theta ie^{i\theta}d\theta=\cdots$
  - 推广的柯西积分定理
  - 柯西积分公式
    - $\oint_C\cfrac{f(z)}{(z-z_0)^{n+1}}dz=\cfrac{2\pi i}{n!}f^{(n)}(z_0)$
      - Example $I=\oint_C\cfrac{e^z}{z(z-1)^2}dz, C:x^2+y^2=4x+5$
        
        $C:(x-2)^2+y^2=3^2$
        
        $I=\oint_{C_1}\cfrac{\frac{e^z}{(z-1)^2}}{z}dz+\oint_{C_2}\cfrac{\frac{e^z}{z}}{(z-1)^2}$
  - 留数定理
    - $\oint_Cf(z)dz=2\pi i\sum\limits_{k=1}^n Res[f(z),z_k]$
    - $Res[f(z),z_k]:$ f(z)在$z_k$去心邻域的洛朗展开中$\cfrac{1}{z-z_k}$系数$C_{-1}$
    - 本性奇点
      - $I=\oint_{|z|=1}ze^{-\cfrac{1}{z^2}}dz=2\pi i Res[ze^{-\cfrac{1}{z^2}},0]$
    - 可去奇点
    - 极点
      - 洛朗展开求留数
      - $Res[f(z),z_0]=\cfrac{1}{(m-1)!}\lim\limits_{z\to z_0}\cfrac{d^{m-1}}{dz^{m-1}}[(z-z_0)^mf(z)]$
    - 留数定理应用
  - 泰勒展开
    - $e^z=\sum\limits_{n=0}^\infty\cfrac{z^n}{n!},\quad |z|<\infty$
    - $\sin(z)=\sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n\cfrac{z^{2n+1}}{(2n+1)!}$
    - $\cos(z)=\sum\limits_{n=0}^\infty(-1)^n\cfrac{z^2n}{(2n)!}$
    - $\cfrac{1}{1-z}=\sum\limits_{n=0}^\infty z^n,\quad |z|<1$
    - $\cfrac{1}{1+z}=\sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^nz^n,\quad |z|<1$
    - $\cfrac{1}{1-z^2}=\sum\limits_{n=0}^\infty z^{2n},\quad |z|<1$
    - $\cfrac{1}{1+z^2}=\sum\limits_{n=0}^\infty (-1)^n z^{2n},\quad |z|<1$
  - 洛朗展开
    - $e^{\frac{1}{z}}=1+\cfrac{1}{z}+\cfrac{1}{2!}(\cfrac{1}{z})^2+\cdots+\cfrac{1}{n!}(\cfrac{1}{z})^n+\cdots,\qquad 0<|z|<+\infty$
    - $\sin\cfrac{1}{z}=\cfrac{1}{z}-\cfrac{1}{3!}\cfrac{1}{z^3}+\cdots+(-1)^n\cfrac{1}{(2n+1)!}(\cfrac{1}{z})^{2n+1}+\cdots,\qquad 0<|z|<+\infty$
    - $\cos\cfrac{1}{z}1-\cfrac{1}{2!}\cfrac{1}{z^2}+\cdots+(-1)^n\cfrac{1}{(2n)!}(\cfrac{1}{z})^{2n}+\cdots,\qquad 0<|z|<+\infty$
  - 傅里叶变换
    - $F(\omega)=\mathscr{F}[f(t)]=\int_{-\infty}^\infty f(t)e^{-i\omega t}dt,\qquad T\to \infty$
    - $f(t)=\mathscr{F}^{-1}[F(\omega)]=\cfrac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^\infty F(\omega)e^{i\omega t}d\omega$
    - $\mathscr{F}[\delta(t)]=1$
    - $\mathscr{F}[e^{i\omega_0 t}]=2\pi\delta(\omega-\omega_0)$
    - $\mathscr{F}[e^{i\omega_0 t}f(t)]=F(\omega-\omega_0)$
    - $\mathscr{F}[f^{(n)}(t)]=(i\omega)^n\mathscr{F}[f]$
    - $\cfrac{d^nF(\omega)}{d\omega^n}=(-i)^n\mathscr{F}[t^nf(t)]$
  - 拉普拉斯变换
    - $F(s)=\mathscr{L}[f(t)]=\int_0^{+\infty}f(t)e^{-st}dt$
    - $\mathscr{L}[1]=\cfrac{1}{s}$
    - $\mathscr{L}[e^{at}]=\cfrac{1}{s-a}$
    - $\mathscr{L}[\sin bt]=\cfrac{b}{s^2+b^2}$
    - $\mathscr{L}[\cos bt]=\cfrac{s}{s^2+b^2}$
    - $\mathscr{L}[t]=\cfrac{1}{s^2}$
    - $\mathscr{L}[t^2]=\cfrac{2!}{s^3}$
    - $\mathscr{L}[t^n]=\cfrac{n!}{s^{n+1}}$
    - $\mathscr{L}[\alpha f+\beta g]=\alpha F(s)+\beta G(s)$
    - $\mathscr{L}[e^{at}f(t)]=F(s-a)$
    - $\mathscr{L}[t^nf(t)]=(-1)^n F^{(n)}(s)$
    - $\mathscr{L}[\int_0^tf(t)dt]=\cfrac{F(s)}{s}$
    - $\mathscr{L}[f^{(n)}(t)]=s^nF(s)-s^{n-1}f(0)-s^{n-2}f’(0)-\cdots-f^{(n-1)}(0)$

Class

$f’(z_0)=\lim_{\Delta z\to 0}\cfrac{\Delta w}{\Delta z}$