医学成像技术未来发展总结
河北工业大学
指导者：于洪丽老师
XX年1月9日
双能CT的基本原理、应用和未来展望
摘要：计算机断层成像技术(ComputedTomography，简称为CT)自问世以来，以其精确、无损、可视化等优点广泛应用于医疗、工业、农林业、安检、航天等各个领域。通过X射线在不同视角下扫描被检测物质，可以呈现出被检测物质的内部的结构图像。双能CT技术于1976年被提出[1]，迅速成为检测领域特别是医学领域和安检领域的又一热门话题。相比于传统CT只能重建出断层的有效线性衰减系数，双能CT可以重建物质的原子序数与电子密度，达到物质辨别的效果，因此无论在安检领域还是在医疗领域，双能CT技术都得到了广泛的应用。本文首先概述了双能CT的基本原理，其次，双能CT的应用已非常广泛，双能CT在安全检查[2]、医疗诊断[3]等领域得到了广泛的研究和应用。本文从其在临床应用角度进行了详细介绍。最后，对双能的前景和发展趋势做了介绍。
1.双能CT技术及其原理
双能CT的基本原理是采集相同解剖部位不同kVp下的两组数据[4，5]。早期的CT，双能技术室通过不同kVp连续单层采集，但是受呼吸和部分容积效应影响较大。现在DECT全身扫(转载于:写论文网:医学成像技术未来发展总结)描可以再数秒内完成，呼吸运动伪影可以消除。
当前三个CT设备系统可以再单次屏气下几乎同时完成双能量CT和GEDiscovery750HD64排螺旋CT，西门子的两款机器两个球管采用不同的kVp[6]，而GE的64-MDCT，通过单球管kVp在秒内从80到140间迅速切换实现双能模式。在这两种双源CT中，主要关注的是两个球管采集双能量数据的时间差异导致对心脏运动的敏感性不同，但是双源CT和64-MDCT间尚未比较该问题。
双源CT两组数据传送至工作站，可以获得虚拟平扫图像、碘分布图像和混合图像。64-MDCT应用kVp快速切换获得的GSI数据传至工作站，可以得到水基图像、碘基图像、单能量图像等。
伪减少噪声双源CT多采用1mm而不是，同时kVp应用140\100组合而不是140\80.二代双源CT的FOV要更宽，并且应用锡过滤板滤过高能的光谱从而增加图像的对比。
2.临床应用潜力
神经放射学的应用
神经学的应用包括可以在对比增强CTA获得虚拟平扫图像，从而发现脑出血患者。另外，其可以再颈部和颅脑CTA中移除骨质和钙化。
在虚拟平扫图像上可以发现脑出血。有报道使用双源CT对18位增强CT检查的患者的对比发现其敏感性、特异性和准确值都大于90%。对25位患者应用同样的技术的报道有相同的发现，但是其对比噪声比要低于常规平扫图像。另外，有关于肝细胞Ca碘油栓塞术后通过虚拟平扫发现颅内碘油栓塞的报道。
许多文献比较了双能骨质分离与自动去骨和减影CTA技术，发现双能技术要优于后两者，特别是在颅底部。
胸部应用
DECT在胸部的主要优势是消除错位伪影和使血流灌注与通气可视化。通过80和140kVp同时采集可以避免图像错位。肺动脉栓塞患者，DECT可以通过灌注缺损发现微小的血栓。另外，肺灌注评价能直观显示以前未知的病理生理，特别是间质性肺病、肺气肿、哮喘、慢性血栓栓塞性疾病和肿瘤患者。采用140\80kVp能量组合在没有锡过滤板时，准直需要从降到以保证剂量适中。然而在140\100kVp联合锡过滤板时并不需要。
心脏应用
心脏DECT的临床应用包括腺苷负荷或静息双能量灌注、心肌活性成像和心脏铁沉积检测。为减少心脏应用中的图像噪声，优先采用100和140kVp采集。另外迭代重建算法可能保证心脏应用中较好的图像质量。最近，DECT联合腺苷负荷实验也被报道。但是双源CT双能量心脏灌注采集联合冠状动脉CTA中，在患者心率增快所致时间分辨率从83ms变为165ms时，检查难度将增加。因此，双能量技术当前仅在低心率患者中应用。
DECT检测急性心肌梗死的研究已经在模型中进行，敏感性和特异性分别为92%和80%，结论是通过比较碘分布图和病理组织结果而得出的。
血管应用
动脉支架植入术治疗动脉瘤日益增多，其成像包括平扫、动脉期和静脉期。该检查使患者接受高辐射剂量负荷，因为其需要美6个月进行复查。双能量动脉支架成像检查可以免除平扫图像，碘分布图能很容易的分辨支架内漏。
动脉钙化斑块的准确移除使粥样硬化动脉评价更容易，双能量数据采集能使大动脉钙化斑块和头颅骨质结构快速移除[7]。然而其对微小血管仍很困难。双能量基础上的骨质和钙化去除技术已经在下肢CTA中应用，但是至今没有研究显示双能量CTA在外周动脉应用中的优势。辐射剂量的增加，噪声的亚厘米直径的远端外周动脉限制双能量外周动脉CTA的应用，这可能通过高分辨双能采集以及迭代重建的能谱过滤装置实现。
泌尿系统的应用
泌尿系统应用包括区分尿酸结石和草酸盐结石，通过对比增强CT检查发现尿路结石和区分肾肿瘤和囊肿。
双能量数据可以用来区分尿路结石。然而，该几乎是主要的缺点是常规扫描程序增强放射剂量，我们认为该技术在区分尿路结石时可以适量应用。当然，结石检查应该采用标准扫描程序，必要时进行局部位置双能量扫描区分结石，可减少患者的放射辐射。但是双源CT能量过滤并不能细分含钙结石的种类。
3.未来展望
尽管PET-CT已成为常规检查技术，特别是对于肿瘤分期，但是很多问题限制该技术的应用。匹配不良是一个非常明显的问题。其中PET检查部分时间较长，而CT检查小于1min。同时，PET图像是在自由呼吸下采集，而CT图像采集通过以此屏气就可完成。匹配不良限制了PET-CT小结节的发现，特别是肺部。相比之下，DECT可保证优良的匹配。然而，术后、放疗后、肉芽肿性反应、急性炎症和感染都可使糖代谢增强，从而造成PET-CT图像的假阳性。血管增生是肿瘤细胞的另一重要特征，其可由MR或CT灌注显示。DECT图像可提供碘分布图，能客观评价对比增强或碘摄取，而不依赖解剖背景。
4.结论
容积DECT扫描在许多新检查中有潜在的价值。DECT的主要优点是使物质分离，碘分离和免除平扫，特别是在胸腹部检查中。然而在高BMI患者中，噪声限制会导致图像质量欠佳。迭代重建算法可减少噪声和放射剂量，会扩大DECT的适用范围。该技术最终会提高体部病变的发现和鉴别诊断以及客观评价各器官的碘分布情况。计算机辅助检测算法的进一步发展可以实现这个目的。
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医学影像发展与医学影像技术学的形成
?医学影像是临床医学中发展最快的学科之一，它发展速度快，更新周期短，每1~2年就出现一项新技术。显著的特点是从疾病的形态学诊断发展到疾病的功能诊断，从大体形态诊断发展到分子水平诊断，以及定性和定量的诊断，从诊断的临床辅助科室发展到临床治疗的介入科室。以致在医学影像学的基础上形成了医学影像诊断学、医学影像治疗学和医学影像技术学等亚学科。
?1895年德国物理学家伦琴发现X线，并把X线用于人体检查，开创了放射医学的先河。在此后的100多年内X线检查占着主导地位，幷广泛地用于临床，使得放射医学逐渐形成一个独立的学科，对临床疾病的诊断起着举足轻重的作用。当时的放射科医生来源有二，在大的教学医院的主要是医疗系毕业的学生，中小医院主要是放射中专班毕业的学生。此时放射科技术人员，在大的教学医院有解放前教会医院培养的技术人员和自己培养的学徒，中小医院的放射科诊断和技术没分家。在20世纪60～80年代，放射科医生基本上是正规学校毕业的学生，而技术人员则是招工顶职、复员军人、护士改行，或者是初高毕业生。
?随着科学技术的发展，医学影像发展很快，新的医学影像设备不断涌现，新的影像技术不断产生，医学影像检查和治疗在临床的作用越来越大，应用范围不断扩展。对人员的要求越来越高。20世纪60年代出现影像增强技术，使得放射科以上在黑暗房间的检查彻底解放出来；20世纪70年代出现CT成像技术，该设备以高的密度分辨率使得放射科结束只能观察人体的骨骼和骷髅的历史，还能够观察人体的软组织病变，解决了传统X线难以解决的诊断难题，尤其是三维成像技术，为临床疾病的诊断和治疗开辟广阔的前景；20世纪80年代出现MR成像技术，它以更高的软组织分辨率和多方位多参数的检查技术，能够观察人体更加细微的病变，解决普通X现、CT和心血管造影难以解决的问题，同时具有无辐射损伤和无创伤的特点，在人体的功能成像和分子水平有其独特的优势；20世纪80年代出现介入放射学，它通过微小的创伤解决了临床上某些疾病难以处理或创伤大的问题，使得放射科成为继内科和外科后的第三大治疗学科；20世纪80～90年代出现CR和DR成像技术，使得放射科进入全面的数字化X线检查，在成像质量、工作效率、图像保存和劳动强度等方面显示极大的优越性；20世纪90年代出现激光打印技术，使放射科技术人员彻底告别暗室手工冲洗胶片的历史，提高了工作效率，降低了劳动强度，保证了图像质量，幷实现了数字化图像的传输和打印；超声技术近来发展越来越快，临床应用范围越来越广，它以无创伤、效率高、诊断准确而受到广大的临床科室亲眯；核素扫描技术近年来发展很快，临床应用范围也不断扩
大，它是真正意义上的功能水平和分子水平的成像。20世纪90年代后出现了PACS，实现了医学影像的大融合，将各种数字化的图像串联起来，可进行数字化图像的远程传输和远程会诊，并与医院的HIS、CIS、RIS等进行联网，实现了数字化医院。
?由于医学影像设备的不断发展，医学影像技术的日新月异，医学影像学的CT、MR、介入、
普放，超声和核医学等亚学科逐渐建立，医学影像技术学科也逐渐形成。
?医学影像学的发展经历了三个阶段；X线的临床应用，放射学的形成，医学影像学的形成。
总体走向是建立现代医学影像学：从大体形态学向分子、生理、功能代谢/基因成像过渡；从胶片采集、显示向数字采集/电子传输发展；对比剂从一般性组织增强向组织/疾病特异性增强发展。；介入治疗，以及与内镜、微创治疗/外科的融合、发展。具体走向是：影像信息更加具有敏感性、直观性、特异性、早期性；图像分析由定性向定量发展：由显示诊断信息向提供手术路径方案发展；图像采集与显示：由二维模拟向三维全数字化发展；图像存储由胶片硬拷贝向软拷贝无胶片化，乃至图像传输网络化发展；从单一图像技术向综合图像技术发展
?从医学影像技术学的角度讲，其未来发展将集中一下四个特点：医学影像技术的数字化；医
学影像技术的网络化；医学影像技术的融合化；医学影像技术的标准化。在此基础上，将引发出一系列新的概念：①影像方法学的建立：由于信息技术的发展，使得每2-3年就出现一项新的成像技术，再加上影像处理软件及工作站的开发、计算机辅助诊断系统的应用，使得影像信息更具有直观性、早期性、特异性、敏感性。这必然迫使人们将研究的重点转向影像方法学的建立。②诊断、技术、工程三融合观点的建立：为了适应医学影像学数字化、网络化、融合化必须建立诊断、技术、工程三个专业融合的观点，单一专业已不能完成现代医学影像学科的功能。这一局面将会对专业人员培养的对象、层次、内容以及在职人员的终身教育产生深远影响。③适应未来影像学发展的三个转变：从灯箱上的照片硬拷贝，向软拷贝的影像质量评价转移；从单一的图像技术，向具有综合图像诊断技术的能力转移；从单纯的技术操作，向发挥设备、软件功能最优化的能力转移。
?与此同时，我们还要指出影像技术人员在这一融合技术中要把研究重点放在：影像形成的前
期条件——影像方法的建立；影像形成的后期处理——图像重建技术的选择；PACS的构建。、
?医学影像学就业范围：各类医院放射科，医疗设备经营各公司，各医疗设备工程技术人员等。
医学成像技术
摘要：本文主要介绍了医学成像的方法。着重介绍了几种方法的特点及其在医学诊断中应用。
关键词：成像技术，X射线计算机断层成像(X-CT)，磁共振成像(MRI)MedicalImagingTechnology
Abstract:Thispapermostlyintroducesmethodsofmedicalimaging.Itemphasizesthecharacterristicsofsomemethodsandappliacationsofthesemethodindiagnoses.
KeyWords:imagingtechnology,X-raycomputertomography,magneticrexonanceimaging,
1引言
医学图像在医学中占有重要地位。显微镜的发明对医学的发展是一次重大推动。因为它使人们以图像的形式观察到了直接由眼睛所不能看到的微观世界。德国物理学家伦琴(WilhelmCoadRontgen)于1895年11月8日发现X射线，促使医学图像第二次得到重大发展。由于X线在医学上的应用使得人们能观察到过去看不到的人体内部的形态结构。1972年X线计算机断层成像设备〔X-CT)的问世，使医学成像技术出现了崭新的面貌，它可以给出无重叠的、清晰度相对比度有很大提高的断层图像，这是发现x线以来医学图像的又一次重大发展。100多年来放医学影像设备迅速发展．条件日臻完善，医学成像技术日新月异。特别近些年来，医学影像设备又有一些新的发展动向。第一动向是，技术的发展充实与完善了设备的硬件与软件功能；第二个动向是高档设备的技术指标主要用于临床研究与功能的开发，代表了生产厂家的技术实力，低档设备则在努力充实与不断提高硬件的性能，并且迅速把高、中档设备较成熟的功能与软件移植过来，从而显著改善了低档设备的性能指标，拓宽了低档设备的适用范围。
2医学成像的方法
用于观察人体信息为目的的各种成像技术不断取得进展，各种成像方法都有各自的观察特征。现在常用的医学成像方法有X射线成像，核素成像(RI)，超声成像(USI)，X射线计算机断层成像(CT)，发射型计算机断层成像(ECT)，磁共振成像。
X射线成像
它是借助X射线通过人体时，各部组织对X线的吸收不同产生不同的
阴影所形成的图像。这种图像是三维的人体的X线吸收分布投射在二维的成像媒质(如胶片)上形成的。所以它是把三维(立体的)实体信息压缩或堆积重棱在一个二维平面上的图像,是具有重叠特点的二维图像。
20世纪80年代初，CR在把传统的X线摄影数字化，DR是计算机数字化能力与常规X线摄影相结合的产物。所不同的是数字化方式不一样，但究其原理和成像过程仍属间接数字影像技术，不是最终发展方向。DDR是20世纪90年代开始开发的直接数字成像技术，它是采用平板探测器将X线信息直接数字化，不存在任何的中间过程。数字图像不仅可以方便的将图像“冻结”在荧光屏上，而且可以进行各种各样的图像后处理。
核素成像(R1)
把放射性核素注入体内，由于它们的化学性质的不同，在人体内各部有不同的分布。利用在体内不同分布的核素发射出的γ射线所形成的图像称为核素成像。核素成像和X射线成像不同的是：X线图像显示的是X线吸收的分布，而核素成像显示的放射性活性分布。尽管放射性核素成像所表现的图像性质和用X线获得的图像有明显的不同，但它仍是三维的放射性核素分布投射到二维的显示器上，和X线一样也是有重叠特点的二维图像。
利用γ照相机就可以得到放射性核素的图像。γ照相机是含有检测γ射线的探头系统，确定γ射线闪烁点坐标的位置电路，反映γ射线强度的辉度调制电路和显示记录系统等的大型现代化设备。
γ照相机在20世纪的60—70年代得以迅速发展，但其不足之处在于它只能进行平面显像而缺乏深度方面的信息。1963年Oavidkuhl提出了纵断层和栈断层的设想，但一直没能实现。1972年CT研制成功,是医学影像学的重大突破，亦向核医学提出挑战。
超声成像(USI)
它是一种较早建立的成像方法，是把兆赫级超声脉冲辐照于人体，在体内传播过程中遇到声阻抗变化的界面时发生反射，利用反射回来的回波形成的图像。超声成像需要有十分精确的电子电路来变换超声信号，控制超声的方向，才能获得反射界面的二维图像信息。这些图像信息被存贮到计算机的矩阵存贮器中、随后被读出到监视器上。呈现一幅超声图像．如常用的B超图像。图像显示的是组织声阻抗的不同。超声图像是在三维的人体中经超声扫描某二维断面而产生的真正二维断层影像，不是三维投射于二维的图像。
在一维A超和二维B超的基础上二维超声已逐步进入临床实用阶段。M型超声成份以其回声随时间变化的特点，被广泛应用于心脏和大血管的检查；多普勒超声能对血流信号进行无创性评价；彩色多普勒血流速度成像应用自相关技术，把获得的血流信息经彩色编码后，显示为彩色的二维图像，在心血管疾病诊断中起着重要作用；彩色多普勒能量图成像是依据运动散射体多普勒信号的强度或能量，作为参数进行成像，能提供一些血管方面的信息，对血管疾病的诊断有一定地帮助。
X射线计算机断层成像(X-CT)
它依赖于计算机，采用十分精密的扫描系统、探测系统、电子学电路和计算机图像处理系统等，获得人体真正二维截面的图像。这种图像代表了人体某一体层面的X线吸收分布情况，它不受被成像断层面以外的其他体层的影响。这种图像是将存贮在计算机矩阵存贮器中的数据读出并显示在监视器上获得的，所以CT图像的空间分辨力比X线胶片图像差些，但它对X线吸收差异的对比鉴别能力却非常高。
宽探测器多层采集螺旋CT已于1998年度推出．它与普通的螺旋CT相比较，主要区别在于探测器在Z铀方向的宽度和列数不同，进而决定了扫描的最薄层厚、最短采集时间并且较普通螺旋CT更薄、更短。它较好的解决了层厚与扫描剂量的关系、X线管热容量对连续扫描时间的限制、以及对重建图像质量、微细结构显示功能等问题。在扫描参数方面，多层螺旋CT比普通的螺旋CT采用了更大的螺距(:1～8:1)，更薄的层厚()，更快的进床速度(100mm／s)和更长的扫描距离(达180cm)。另外．多层螺旋CT还提高了时间分辨力(可小于100ms)、低对比分辨力(降低了30％以上的Ma值)、空间分辨力(24Lp／cm)，降低了层面间的重叠效应(螺距为3:1仅有4％的重叠)、对比剂的使用剂量(大约
可减少60％)。还有，自动设定螺距的多层螺旋CT也已定型。在应用上，各种专业的软件应用包已发挥其独特的作用。如脑CT灌注成像能早期诊断急性脑卒中；心脏CT成像辅以心电门控用低剂量的X线可以显示心脏的形态并能精确定量分析心脏容量、射血分数、室壁运动等参数，利用多维功能可显示各支冠状动脉的形态，对狭窄、粥样斑块与溃疡及钙化斑块的鉴别诊断有很大地帮助；创伤专塌软件包通过长距离快速扫描能观察多发性、多器官的复合性损伤；脑功能改变的早期检测软件包能预测早、中期脑卒中及脑肿瘤的早期检测。
发射型计算机断层成像(ECT)
把X-CT成像方法用到放射性核素成像中，也可以在二维断面上获得放射性核素的真正分布图像。这种成像方法叫做发射型计算机断层成像。利用发射单一γ光子的放射性核素通过CT成像方法所得到的图像叫单光子发射型计算机断层成像(SPECT)；利用发射正电子的核素所得到的计算机断层团像叫做正电子ECT(PECT或PET)。每一正电子湮没时产生能量相等、方向相反的两光子，所以也有的称它为双光子ECT，前述的单光子ECT就是相对于此面言。ECT和X-CT相比，它除能显示器官的外形外，还能显示器官的代谢功能，颇受医学界的重视。
70年代后期单光子发射型计算机断层仪(SPECT)和正电子发射型计算机断层仪(PET)相继研制成功，但直到80年代才广泛投人临床应用，随着SPECT、PET仪器的不断更新和完善，不断拓展了其临床应用的领域。
磁共振成像(MRI)
磁共振成像是利用生物组织中氢、磷原子序数为单数的原子核的磁共振现象所成的像。氢以水等许多化学形式大量存在于人体中。质子(氢核)的状态决定于它的周围环境，质子状态的差异可以被用来表示不同组织间的不同状况，用精密检测设备就可以探测到在共振条件下从质子发射出的信号，用此信号便可产生这些质子某些参数(密度分布、T1、T2)的二维分布图像。这些成像信号在计算机矩阵存贮器内以数值来表示。MRI的成像信号可以在很大的范围加以控制，所产生的最后图像的外貌对不同的控制条件有不同样式。
近年来，MR技术在宏观上实现了实时成像技术并产生了MR透视，在微观上，突破以往的像学仅用于显示大体解剖与大体病理学改变的技术范畴．向显微细胞学、分子水平以至基因水平的成像技术方面发展。
MR设备的梯度场强度是人家共同关心的重要参数。它决定了MR的最大切换率，最短TR、TE、最小矩阵，以及成像速度。实践证明，梯度场强度的增加也带来了一些弊端，如何既能增加梯度场强度，又能降低噪声是MR设备方面的又一改进动向。在这些原则的指导下，中场超导开放式MR的梯度场强度分别可达到15MT／M／ms和20MT／M／ms，同时，它还具有较高的切换率、较好的场均匀性、较小的体积与较轻的重量，并兼备有高、低场MR的一些特点，如成像速度快、扫描层面薄、空间分辨力高，以及很好的脂肪抑制，较小的视野和较高弥散“B”值。在临床上，MR专用机也倍受青睬，目前，头颅专用机、心脏专用机以及骨关节专用机已用于临床。在应用上，MRA的主要改进有实时或近乎实时的血管成像，有注射对比剂的分期动态成像，有多层块重叠伴伪影抑制技术，长距离分段采集的拼接技术以及4DMRA等。MRI主要有灌注成像，弥散成像与脑皮质功能定位，心脏的灌注与弥散也开始应用于临床。另外，MRS也有较大的发展，最
主要的标志是显示技术的改进和显示信息范畴的拓宽，进一步开发的还有小部位的3DMRS,这种技术的府用，可以鉴别肿瘤与炎症以及肿瘤复发识别。
此外，医学成像还有热像图，微波CT和阻抗CT等成像方法。基于光声效应的热声断层成像是近几年出现的一种新的医学成像技术。
3结束语
各种医学成像技术和方法各有优势与不足，并非一种成像技术可以适用人体所有器官的检查和疾病诊断，也不是一种成像技术能取代另一种成像技术，而是相辅相成，相互补充和印证，从而保证了诊断的准确性。
近年来，医学成像技术的迅速发展，越发显现出它在诊断与治疗方面的重要性。已有技术不断完善，新的成像技术不断涌现，促进了现代医学的发展。
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