医学影像学（Medical Imaging)

医学影像学

定义：是应用医学成像技术对人体疾病进行诊断和在医学成像技术引导下应用介入器材对人体疾病进行微创性诊断及治疗的医学学科，是临床医学的重要组成部分

包括：影像诊断学(Diagnostic Imaging)和 介入放射学 (Interventional Radiology)

影像诊断学

X线成像（X-ray  imaging)：数字减影血管造影（digital substraction angiography，DSA），计算机X线成像（computed radiography, CR），数字X线成像（digital radiography, DR）

计算机体层成像(computed tomography，CT)

磁共振成像(magnetic  resonance  imaging，MRI)

超声成像（ultrasonography，USG)

核医学：γ闪烁成像（γ-schinitigraphy)，发射体层成像（emission computed tomography，ECT)，单光子发射体层成像（single photon emission computed tomography，SPECT)，正电子发射体层成像（positron emission tomography，PET)

历史回顾与发展过程

影像诊断学的发展历程

   1895年11月8日，德国物理学家伦琴（Wilhelm Conard Röntgen）发现X线，形成X线诊断学（X-ray diagnosis）

影像诊断学的发展历程

    1969~1972年，英国物理学家Hounsfield发明CT。CT的问世被认为是自X线发现以来放射学领域的一次革命性飞跃，是放射诊断学向医学影像学转变的重要标志

影像诊断学的发展历程

     80年代初期，MRI投入临床应用。MRI检查和诊断具备一些突出优点，不同于现有各种影像学检查，与CT相辅相成，将影像诊断推向一个新的高度

第一章 放射影像学

X-ray imaging

X-ray & digital X-ray examination

Computed tomography

Magnetic resonance imaging

Contrast media

Molecular imaging

第一节   X线成像

（X-ray  imaging）

一、X线的产生 

（一） X线的产生必须具备三个条件  

   1、自由活动的电子群   

   2、电子群在高压电场和真空条件下高速运行

   3、电子群在高速运行时突然受阻（靶面）

一、X线的产生

（二）X线发生装置  

１、X线管：高真空二极管，钨丝（—），钨 靶（＋）；散热装置  

２、变压器：降压变压器，升压变压器  

３、控制器：调节电压、电流和曝光时间

一、X线的产生

（三）X线的发生过程

        接通电源→降压变压器→球管钨丝加热→自由电子云产生→升压变压器→球管两极高电压→自由电子云成束状→高速行进→撞击钨靶→能量转换：

         ① 1%的能量形成X线→球管窗口发射

         ② 99%以上的能量转换成热能→散热装置散发

二、X线的特性

波长很短的电磁波，波长范围0.0006~50nm，用于X线成像的波长范围0.031~0.008nm（相当于40~150kV时）

（1）穿透性：波长短，穿透力强，能穿透可见光不能穿透的物质

（2）荧光效应：激发荧光物质产生荧光，透视基础

（3）感光效应：使胶片“感光”， 摄片基础

（4）生物效应：损害作用、积累性，放射治疗基础

三、X线成像的基本原理

（一）X线成像必须具备三个条件

   1、X线具备一定的穿透力

   2、被穿透的组织结构存在密度和厚度的差异

   3、有成像物质（X线片、荧光屏）

三、X线成像的基本原理

（二）密度与对比

（1）自然对比：自身存在的密度和厚度不同引起的灰度对比

        高密度：骨骼、钙化

        中等密度：软骨、肌肉、神经、实质器官、结缔组织、液体

        低密度：脂肪、气体

（2）人工对比：人为引入密度高于或低于该组织或器官的物质，使之产生灰度对比。造影检查，对比剂

三、X线成像的基本原理

四、X线检查中的防护

（一）严格掌握X线检查的适应症，避免不必要的照射

（二）遵循辐射防护的三项基本原则：屏蔽防护，距离防护，时间防护

（三）防护对象：患者及其家属，放射工作人员，其他人员

第二节  传统及数字X线检查技术

（ X-ray & digital X-ray examination ）

一、传统X线检查技术

（一）常规检查   

  1、透视（fluoroscopy）   

  2、普通X线摄影(plain film radiography)：平片

（二）特殊检查   

  1、软线摄影：钼靶摄影（molybdenum  target radiography ）   

  2、体层摄影（tomography)   

    3、高千伏摄影

（三）造影检查（contrast examination）   

  1、概念：对于缺乏自然对比的结构或器官，人为引入密度高于或低于该组织或器官的物质，使之产生灰度对比

    2、对比剂

二、数字X线成像技术

（一）计算机X线摄影（computed radiography，CR）

  1、工作原理：X线→影像板（image plate，IP）→IP潜影→激光束扫描读取→荧光信号→光电转换器→电信号→A/D转换器→数字化影像信息→计算机处理→数字化图像。    

  2、IP板—含有微量元素铕（Eu2+）的钡氟溴（氯、碘）化合物结晶

二、数字X线成像技术

（二）数字X线摄影（digital radiography，DR)

   1、工作原理：X线→平板探测器 （flat panel detectors, FPD）→光闪烁器→光信号→光电转换器→电信号→A/D转换器→数字化影像信息 →计算机处理→数字化像。 

   2、平板探测器—无定型硅/碘化铯（Amorphous Si-CsI)；非晶硒（Se）

CR/DR的影像特点

高灵敏度：采集极弱的信号

高分辨力：观察影像细节

高线性度：所得影像逼真（与真实影像吻合性好）

曝光宽容度大：纠正技术误差；适应曝光条件难掌握部位

曝光剂量显著降低：减少曝光时间和摄片数量

数字化输出、存贮、传输、检索与管理

强大的后处理功能：窗技术调节、密度/面积/距离的测量、放大漫游、对比度转换、影像增强和减影、图像拼接等

X线图像特点

1、灰度成像：X线图像是由从黑到白不同灰度的影像组成。这些不同灰度的影像是以密度来反映人体组织结构的解剖及病理状态

2、叠加影像：X线图像是X线束穿透某一部位的不同密度和厚度组织结构后的投影总和，是该部位各个结构影像相互叠加在一起的影像

二、数字X线成像技术

（三）数字减影血管造影（DSA）

是计算机技术与传统血管造影设备相结合的产物

以FPD为载体

DSA检查是诊断心血管疾病的金标准，也是血管内介入治疗不可缺少的成像手段

第三节 计算机体层成像

   (Computed tomography，CT)

一、基本原理

CT成像的三个步骤

    ① 扫描数据的收集和转换

    ② 扫描数据的处理和重建图像

    ③ 图像的显示和贮存

原理：X线束人体探测器闪烁晶体衰减后的X线转变为可见光光电转换电信号A/D转换器电子计算机数字矩阵D/A转换器数字化的重建的断层图像

二、基本概念

（一）体素（voxel）和像素（pixel）

体素：人体某一部位有一定厚度的层面分成按矩阵排列的若干小的立方体，即基本单元，这些小单元即称为体素

像素：与体素对应，组成CT图像的基本单元即称为像素，像素实际上是体素在成像时的表现

（二）矩阵（matrix）：多个像素组成的CT图像阵列，横成行、纵成列，如：512x512

二、基本概念

（三）空间分辨率（spatial resolution）：在保证一定的密度差前提下，显示待分辨组织几何形态的能力。CT图像空间分辨率不如X线平片

（四）密度分辨率（density resolution）：是指分辨两种组织之间最小密度差异的能力。CT密度分辨率明显高于平片

二、基本概念

（五）CT值（CT value）：体素的相对X线衰减值（即该体素组织对X线的吸收系数），单位为亨氏单位（Hounsfield unit, Hu），规定水为0，骨皮质为1000，空气为-1000

（六）窗宽与窗位（window width/level）

窗宽：CT图像上16个灰阶所包括的CT值范围

窗位（窗中心）：为窗的中心位置，一般应选择欲观察组织的CT值为中心

二、基本概念

（七）伪影（artifact）：在扫描或信息处理过程中，由于某一种或几种原因而出现的人体本身并不存在而图像中缺显示出来的各种不同类型的影像

（八）部分容积效应（partial volume effect）：在同一扫描层面内含有两种以上不同密度的物质时，所测CT值是它们的平均值，不能如实反映其中任何一种物质的CT值，这种现象称为部分容积效应

三、CT检查技术

螺旋CT（spiral CT，SCT），是通过快速连续容积扫描来采集人体某一段螺旋数据的技术。扫描期间，球管连续旋转和床连续移动同时进行，使X线扫描的轨迹呈螺旋状，因而得名螺旋扫描

多层螺旋CT（multislice spiral CT，MSCT）成像时间短，扫描容积大，连续获取数据，计算机后处理功能强（MPR、MIP、SSD、VR等） 

三、CT检查技术

（一）平扫（plain scan） 

       指不用对比剂增强或造影的扫描

（二）增强扫描 (contrast scan)        

指静脉注射水溶性有机碘对比剂后的扫描。使正常组织与病变组织之间碘的浓度产生差别，形成密度差，有利于发现平扫未显示或显示不清楚的病变，同时 根据病变的强化特点，有助于病变的定性

分为：常规增强扫描、动态增强扫描、延迟增强扫描、双期和多期增强扫描等

   CT平扫                                     CT常规增强

三、CT检查技术

（三）CT造影

         指对某一器官或结构进行造影后再行CT扫描的方法 

   1、CT血管造影：是将血管造影和CT扫描两种技术相结合的一种检查方法，经计算机重建获取血管成像的一种方法 

 2、CT非血管造影：指先对某一器官或结构进行非血管性造影，然后再作CT 扫描的方法。如CT椎管造影（CT myelography，CTM）和CT关节造影等

CT血管成像（CTA）

四、CT图像特点

数字化重建图像：CT图像是利用X线束对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得的重建图像

灰度成像：CT图像是由一定数目从黑到白不同灰度的像素按矩阵排列而成。这些像素反映的是相应体素X线吸收系数

四、CT图像特点

密度分辩力高：相当于普通X线图像的10-20倍，突出优点，检出微小的X线吸收差异

定量分析：CT图像还可用组织对X线的吸收系数说明其密度高低的程度，用CT值表示，具有一个量的概念

轴位断层图像：无重叠；多帧连续断层图像显示整个器官

胸部CT轴位图像（肺窗）

脑CT轴位像

第四节  磁共振成像

       （Magnetic resonance imaging，MRI）

一、基本原理

原理

MRI是通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频（radiofrequency，RF）脉冲，使人体组织中氢质子受到激励而发生磁共振现象

当中止RF脉冲后，氢质子在弛豫过程中感应出MR信号（射频信号），经过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，即产生MR图像

一、基本原理

操作步骤

    ①将患者摆放入强的外磁场中

    ②发射无线电波

    ③瞬间及关掉无线电波

    ④接收由患者体内发出的MR信号

    ⑤用MR信号重建图像

二、基本概念

（一）质子的纵向磁化：沿外磁场纵轴（Z轴）方向发生的磁化

（二）进动（procession）：质子快速的锥形旋转。进动频率=进动次数/每秒

（三）磁共振现象与横向磁化：沿外磁场横轴（Y轴）方向发生的磁化，即横向磁化。RF脉冲使纵向磁化减小，横向磁化出现

二、基本概念

    （四）弛豫与弛豫时间：RF脉冲终止后，宏观磁化矢量并不立即停止运动，而是逐渐向平衡态恢复，此过程称为弛豫（relaxation），所用时间称为弛豫时间

     1、纵向弛豫与横向弛豫：纵向磁化逐渐增大直至缓慢恢复到原来状态的过程，称为纵向弛豫；横向磁化很快减少到零的过程，称为横向弛豫

     2、纵向弛豫时间（T1）与横向弛豫时间（T2）：纵向磁化由零恢复到原来数字63%所需时间，称为T1；横向磁化由最大衰减到原来值的37%所需时间，称为T2

     3、T1和T2反映物质特征：人体正常与病变组织的T1和T2是相对恒定的，且有一定差别，这种差别是MRI成像的基础

二、基本概念

（五）脉冲序列与信号加权

   1、脉冲序列：连续施加的脉冲。决定着将从组织获得何种信号

   2、重复时间（TR）：脉冲序列中，两次RF激励脉冲之间的间隔时间。短TR可获得T1信号对比

   3、回波时间（TE）：从RF激励脉冲开始至获得回波的时间。长TE可获得T2信号对比

 4、T1加权像 （T1WI）、T2加权像（T2WI）、质子密度加权像（PdWI）：SE序列，短TR、短TE，T1信号为主（T1WI） ；长TR、长TE，T2信号为主（T2WI） ；长TR、短TE，质子密度信号为主（ PdWI）

三、MRI图像特点

（一）多参数成像：同一层面可有T1WI、T2WI和PdWI三种图像，分别获得这三种图像有助于显示正常组织与病变组织

（二）多方位成像：MRI可直接获得轴位、冠状位、矢状位及任何方位的倾斜断层图像，利于病变的三维（立体）定位

（三）流动效应：

体内流动的液体中的质子与周围处于静止状态的质子相比，在MRI图像上表现出不同的信号特征，称为流动效应

MR发射脉冲使快速流动血液质子受到激发，中止脉冲后接收该层面的信号时，被激发的血液质子已流出成像层面，接收不到信号，这一现象称为流空现像（flowing void phenomenon）。血液的流空现象使血管腔不使用对比剂即可显影，这是MRI的一个特点

脑MR平扫

心脏MR平扫

三、MRI图像特点

（四）质子弛豫增强效应与对比增强

一些顺磁性或超顺磁性物质使局部产生磁场，缩短周围质子驰豫时间，此效应称为质子弛豫增强效应（proton relaxation enhancement effect）

是MRI行对比剂增强检查的基础

MR对比增强

四、MRI检查技术

（一）脉冲序列

 1、自旋回波序列（spin echo，SE）：常用脉冲序列

90°脉冲----间隔数至数十毫秒----180°脉冲----间隔10~100ms----测量回波信号强度

通过调节TR与TE的长短可分别获得反映T1、T2、及Pd特性的MR图像，即T1WI、T2WI、PdWI

四、MRI检查技术

（一）脉冲序列

  2、梯度回波序列（gradient echo，GRE）

     3、反转恢复序列（inversion recovery，IR）

  （1）短T1反转恢复序列（STIR序列）

  （2）液体衰减反转恢复序列（fluid affenuated inversion    

      recovery，FLAIR），即水抑制序列

     4、平面回波成像（echo planar imaging，EPI）

四、MRI检查技术

（二）脂肪抑制

 采用STIR等特殊脉冲序列将图像上由脂肪成分形成的高信号强度降低，即脂肪抑制，而非脂肪成分形成的高信号强度保持不变

从而鉴别脂肪组织或其它组织（血肿、富含蛋白质的液体及其它顺磁性物质）

脂肪抑制技术

脂肪抑制技术

四、MRI检查技术

（三）MR血管成像（MR angiography，MRA）

 显示血管和血流特征的一种技术。可显示血管腔解剖，反映血流方式，测定血流量和血流速度

MRA检查方法

    ①时间飞越法（time of flight，TOF）

    ②相位对比法（phase contrast，PC）

    ③对比增强MRA（ce-MRA）

磁共振血管成像（MRA）

CE-MRA

四、MRI检查技术

（四）MR水成像（MR hydrography)

利用静态液体具有长T2的特点，采用长TE技术，获得重T2WI，突出水的信号，合用脂肪抑制技术，使含水器官清晰显影

常用：MR胆胰管造影（MRCP）； MR尿路造影（MRU）；MR脊髓造影（MRM）

MRCP

MRU

四、MRI检查技术

（五）MRI功能成像（functional MRI，fMRI）

在病变尚未出现形态变化之前，利用功能变化来形成图像，以达到早期诊断为目的的成像技术

弥散成像：用于诊断早期缺血性脑卒中

灌注成像：用于肿瘤和心、脑缺血性病变的诊断

皮质激发功能定位成像（脑活动功能成像）：测量脑在思维、视听觉或肢体活动时，相应功能区脑组织的血流量、血流速度、血氧含量的变化，以确定脑组织的功能部位

MR扩散加权成像（DWI）

灌注成像（PWI）

脑功能成像（fMRI）

五、MRI的优点和限度

（一）优点

 无X线电离辐射，对人体安全无创 

对脑和软组织分辨率极佳，解剖结构和病变形态显示清楚

多方位成像，显示解剖结构和病变的空间位置和相互关系

多参数成像，获取信息量大

进行功能成像和生化代谢分析

五、MRI的优点和限度

（二）限度

带有心脏起博器或体内有铁磁性物质的患者不能进行检查

需监护设备的危重病人不能进行检查

对钙化的显示远不如CT，难以对以病理性钙化为特征的病变作出诊断

扫描时间及成像时间较长

质子密度低的结构（肺、皮质骨等）显示不佳

第五节 影像诊断用对比剂

      （Contrast media）

一、X线对比剂

（一）X线对比剂增强的机制和引入方式

造影检查，对比剂

直接引入法：口服、插管、穿刺

间接引入法（生理排泄法）：肝、肾系统

一、X线对比剂

（二） X线对比剂的种类及特点

     1、阳性（高密度）对比剂

 （1）医用硫酸钡（barium sulfate）

 （2）碘化合物（iodide）

      ① 碘化油（lipiodol）

      ② 水容性有机碘化合物（water soluble organic  iodide）

     2、阴性（低密度）对比剂：二氧化碳、氧气、空气

一、X线对比剂

（三）碘对比剂的不良反应及处理

主要问题是副反应和肾毒性

副反应分类：①特异质反应，难以预测和防止 ②理化反应

非离子型较离子型对比剂毒性较小，副反应少见且程度较轻

副反应的程度与相应处理：一般、轻度、中度、重度

不良反应的预防：①选用非离子型对比剂②了解过敏史及病史，筛选高危人群③告知与解释及心理护理④预防性用药与镇静⑤备配急救药品器械⑥密切观察，一旦发生立即停止注药，采取相应处理措施

二、MR对比剂

（一）MR对比剂的增强机制

             MR对比剂与质子相互作用影响T1、T2，使T1、T2缩短，但程度不同，以其中一种为主，致MR信号强度改变

（二） MR对比剂的种类及特点

      1、生物分布性：①细胞外对比剂②细胞内对比剂

      2、磁特性：①顺磁性对比剂②超顺磁性对比剂③铁磁性对比剂

（三） MR对比剂的临床应用

      1、钆螯合物：Gd-DTPA

      2、超顺磁性氧化铁（SPIO）：肝脏靶向对比剂

第六节 分子影像学 （Molecular imaging）

医学影像学与分子生物学、化学、物理学、材料学、生物工程学等多学科相互结合而形成的一门新兴学科

定义：活体状态下，在细胞和分子水平上应用影像学方法对生物过程进行定性和定量研究的一门学科

原理：利用体内某些特定的分子作为成像对比度源或成像的靶点，用医学影像技术对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无创的、实时的成像

第六节 分子影像学 （Molecular imaging）

内容：放射性示踪剂成像/核医学（PET-CT）、MRI及MRS、光学成像（荧光/生物发光）、超声成像（US）及多模式融合成像

独特优势：

可将复杂的生物学过程（如基因表达、生物信号传递等）变成直观的图像

能够发现疾病（如肿瘤）早期的分子变异及病理改变过程

可在活体上早期、连续地观察药物治疗及基因治疗的机制和效果

实时监视多个分子事件

评估疾病分子病理水平上的进程

靶向血栓MRI分子影像学

第三章 医学影像学进展

New development of medical imaging & radiology information

The radiology thought procedure

第一节 新进展

一、医学影像技术新进展

（一）X线摄影

       CR、DR

 （二）CT

       多层螺旋CT；宝石材料、纳米材料

 （三）MRI

       MR弥散成像（DWI）

       MR灌注成像（PWI）

       脑功能性MRI

       MR波谱成像（MRS）

       磁敏感加权成像（SWI）

二、图像存档与传输系统

（一）PACS 定义

       计算机为中心，图像信息的获取、传输、存档、处理

（二）PACS 的组成

     1、数字化图像的采集

     2、网络的分布

     3、数字化图像的管理及海量存储

     4、图像的浏览、查询及硬拷贝输出

     5、与医院信息系统、放射信息系统的无缝集成

二、图像存档与传输系统

（三）PACS的意义

      1、医用影像的数字化

      2、快速、高效地调用影像和信息资料

      3、永久保存图像

      4、提供强大的后处理功能

      5、实现资料共享，便于会诊及远程医疗

第二节 影像诊断思维

一、影像诊断原则

（一）全面观察

（二）具体分析

（三）结合临床

（四）综合作出诊断

第二节 影像诊断思维

二、影像诊断步骤

（一）全面了解病史及检查资料

（二）了解检查方法及技术条件

（三）观察分析图像

（四）综合诊断：肯定；否定；可能性。定位；定性；定量；定期