医学成像
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
- X射线
- 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
- 三维数字渲染
- 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
- 解剖结构成像：能量传递到人体再传递到接收器
- 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
- 空间分辨率：对于图像细节部分的最小识别能力。
- 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
- 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
- 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
- 结构：
- 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
- 功能
- 胶片增感屏
- 分类
- 钨酸钙
- 稀土
- 可增大20-40倍吸收
- 分类
- 医用X射线胶片：感光乳胶
- 荧光屏
- 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
- 计算机X射线摄影(Computed Radiography, CR)
- 载体
- 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
- 结构：
- 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
- 结构：
- 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
- 计算机X射线摄影(Computed Radiography, CR)
- 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
- 优点：
- 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
- 单排螺旋CT
- 螺距比率：$p=\frac{d}{W}$
- 第一代：单束平移-旋转T/R扫描
- 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
- XCT装置结构
- 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
- 步骤：
- 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
- 联立方程求解：矩阵求逆
- 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
- 直接反投影重建
- 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
- 原理：
- 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
- 解剖结构成像：
- 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
- $\gamma$
- 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
- 射频
- 电场
- 阻抗成像
- 超声波
- 声波
- 电离辐射：波长效于100nm
- 结构/功能成像
- 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
- X射线
- 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
- 三维数字渲染
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°
- 材料：能够承受电子冲击，使用原子序数较高的金属
- 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
- 阴极：电子源
- 结构
- 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
- 低能：光电效应
- 次要
- 相干散射
- 核心散射
- 主要
- 基本条件
- 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
- 结构：
- 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
- 功能
- 胶片增感屏
- 分类
- 钨酸钙
- 稀土
- 可增大20-40倍吸收
- 分类
- 医用X射线胶片：感光乳胶
- 荧光屏
- 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
- 计算机X射线摄影(Computed Radiography, CR)
- 载体
- X射线管
- 组成
- 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
- 时间减影
- 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
- 信噪比SNR
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
- 优点：
- 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
- 单排螺旋CT
- 螺距比率：$p=\frac{d}{W}$
- 第一代：单束平移-旋转T/R扫描
- 扫描方案：
- 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
- 发展历程：
- 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
- 步骤：
- 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
- 联立方程求解：矩阵求逆
- 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
- R-L滤波函数
- 断层与解剖断面
- 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
- 成像系统测量误差
- 原因：
- 图像再处理：噪声
- 滤波：均值，中值
- CT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
- $\alpha$衰变
- 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3.71010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
- 电离辐射的生物效应：能量传递过程
- 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
- 系统灵敏度（系统对$\gamma$射线的探测效率）
- 原理：
- 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
- 机架
- 加速器/发射器（示踪剂产生）
- 药物自动合成装置
- 主机：成像
- 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）
- 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
- 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
- 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
- 单光子发射激计算机断层SPECT
- 发射型计算机断层
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
- 固体：
- 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
- 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
- 图像：速度（频移）-时间谱
- A超：Amplitude Modulation Mode 幅度调制型超声
- 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
- 作用：
- 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
- 声透镜聚焦：换能器表面贴声透镜
- 超声换能器
- 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
- 速度方式：显示血流速度大小和方向
- 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
- 步骤
- 谐波成像 harmonic imaging HI
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
- 按磁场产生方式分类：
- 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
- 作用：
- 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
- 按作用分类：
- 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
- 主磁体
- 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
- 机理：
- T2«T1
- 横向弛豫：T2弛豫（横向磁化矢量减少的过程）
- 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
- T1加权（T1WI）：突出组织T1弛豫
- 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
- 决定因素
- 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
- 频率编码
- 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
- 层面层厚选择
- 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