医学影像设备学 教学课件 韩丰谈 主编

第一章 医学影像设备学概论 第一节 医学影像设备的发展简史 第二节 医学影像设备的分类

第一节 医学影像设备的发展简史 1895年11月8日，德国物理学家伦琴（Withelm Conrad Roentgen，1845~1923）在做真空管高压放电实验时，发现了一种肉眼看不见、但具有很强的穿透本领、能使某些物质发出荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线，简称为X线。 1896年，德国西门子公司研制出世界上第一只X线管。20世纪10~20年代，出现了常规X线机。其后，由于X线管、高压变压器和相关的仪器、设备以及人工对比剂的不断开发利用，尤其是体层装置、影像增强器、连续摄影、快速换片机、高压注射器、电视、电影和录像记录系统的应用，到20世纪60年代中、末期，已形成了较完整的学科体系，称为影像设备学。

1972年，英国工程师汉斯菲尔德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一台用于颅脑的X线计算机体层摄影（x-ray computed tomography，X-CT）设备，简称为X-CT设备，或CT设备。 CT设备是横断面体层，无前后影像重叠，不受层面上下组织的干扰；同时由于密度分辨力显著提高，能分辨出0.1%~0.5% X 线衰减系数的差异，比传统的X线检查高10~20倍；还能以数字形式（CT值）作定量分析。

近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0 近30年来，CT设备的更新速度极快，扫描时间由最初的几分钟向亚秒级发展，图像快速重建时间最快的已达0.75s（512×512矩阵），空间分辨力也提高到0.1mm。宽探测器多层螺旋CT设备得到了广泛的普及，功能有了进一步的扩展。大孔径CT设备可兼顾日常应用与肿瘤病人定位，组合型CT设备可在完成CT检查后直接进行正电子发射型计算机体层（positive emission computed tomography，PET）检查，使CT的形态学信息与PET的功能性信息通过工作站准确融合，可以更准确地完成定性与定量的诊断。

平板探测器CT设备目前尚在开发阶段，一旦技术成熟，从机器设计、信息模式、成像速度、射线剂量到运行成本都会有根本性的改变，将会引起CT设备的又一次革命。

20世纪80年代初用于临床的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）设备，简称为MRI设备。它是一种新的非电离辐射式医学成像设备。MRI设备的密度分辨力高，通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接摄取横、冠、矢状层面和斜位等不同体位的体层图像，这是它优于CT设备的特点之一。迄今，MRI设备已广泛用于全身各系统，其中以中枢神经、心血管系统、肢体关节和盆腔等效果最好。

中场超导（0.7T）开放型MRI设备进一步普及，它便于开展介入操作和检查中监护病人，克服了幽闭恐惧病人和不合作病人应用MRI检查的限制。双梯度场技术可在较小的范围内达到更高的梯度场强，有利于完成各种高级成像技术，如功能成像、弥散成像等。降噪措施和成像专用线圈也都有了较大的进步，如功能成像线圈和肢体血管成像线圈等。腹部诊断效果已接近和达到CT设备水平，脑影像的分辨力在常规扫描时间下提高了数千倍，而显微成像的分辨力达到50~10μm，现已成为医学影像诊断设备中最重要的组成部分。

生物体磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）具有研究机体物质代谢的功能和潜力，今后如能实现MRI设备与MRS结合的临床应用，将会引起医学诊断学上一个新的突破。

数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、计算机X线摄影（computed radiography，CR）和数字摄影（digital radiography，DR）是20世纪80年代、90年代开发的数字X线机。前者具有少创、实时成像、对比分辨力高、安全、简便等特点，目前，正向快速旋转三维成像实时减影方向发展，从而扩大了血管造影的应用范围。后者具有减少曝光量和宽容度大等优点，更重要的是可作为数字化图像纳入图像存储与传输系统（picture archiving and communication systems，PACS）。而X线实时高分辨力成像板将是最具革命性、最有发展前途的影像探测器之一。

20世纪50年代和60年代，超声成像（ultrasonography，USG）设备和核医学设备相继出现，当时在医学上的应用往往各成系统。1972年X-CT设备的开发，使医学影像设备进入了一个以计算机和体层成像相结合、以图像重建为基础的新阶段。70年代末80年代初，超声CT（ultrasonic CT，UCT）、放射性核素CT和数字X线机逐步兴起，并应用于临床。尽管这些设备的成像参数、诊断原理和检查方法各不相同，但其结果都是形成某种影像，并依此进行诊断。

介入放射学自20世纪60年代兴起，于70年代中期逐步应用于临床，近年来尤以介入治疗进展迅速。因其具有安全、简便、经济等特点，深受医生和病人的普遍重视与欢迎，现仍处于不断发展和完善的过程之中。90年代倍受人们青睐的立体定向放射外科学设备，由于它可以不作开颅手术而治疗一些脑疾患，很受欢迎，全世界都在积极开发和应用这种高新设备。介入放射学设备与立体定向放射外科学设备，都是通过医学影像设备来引导或定位的，所以也属于医学影像设备的范畴。

综上所述，多种类型的医学影像诊断设备与医学影像治疗设备相结合，共同构成了现代医学影像设备体系。

第二节 医学影像设备的分类 现代医学影像设备可分为两大类，即医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。 一、诊断用设备 第二节 医学影像设备的分类 现代医学影像设备可分为两大类，即医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。 一、诊断用设备 按照影像信息的载体来区分，现代医学影像诊断设备主要有以下几种类型：①X线设备（含X-CT设备）；②MRI设备；③超声设备；④核医学设备；⑤热成像设备；⑥光学成像设备（医用内镜）。

（一）X线设备 X线设备通过测量穿透人体的X线来实现人体成像。X线成像反映的是人体组织的密度变化，显示的是脏器的形态，而对脏器功能和动态方面的检测较差。此类设备主要有常规X线机、数字X线机和X-CT设备等。 以X线作为医学影像信息的载体，出于两方面的考虑，即分辨力和衰减系数。从分辨力来看，为了获得有价值的影像，辐射波长应小于5×10-11m。另一方面，当辐射波通过人体时，应呈现衰减特性。若衰减过大，则透射人体的辐射波微弱，当测量透射人体的辐射波时，由于噪声的存在，很可能导致测量结果无意义。反之，若辐射波透射人体时几乎无衰减，则因无法精确的测量衰减部分而失效。

在X线设备中，屏-片组合分辨力较高，可达到5~10LP/mm，且使用方便、价格较低，是目前各级医院中使用最普遍的设备之一。但它得到的是人体不同深度组织信息叠加在一起的二维图像，所以病变的深度很难确定，且对软组织分辨不佳。数字X线机使用曝光量宽容度大，可获得数字化影像，便于进行图像的后处理，且扩大了诊断范围，利于胃肠和心脏等部位的检查。X-CT影像的空间分辨力可小于0.5mm，能分辨组织的密度差别可达到0.5％。X-CT影像的清晰度很高，可确定受检脏器的位置、大小和形态变化。

（二）MRI设备 MRI设备通过测量构成人体组织中某些元素的原子核的磁共振信号，实现人体成像。20世纪40年代发现了物质的磁共振现象，20世纪80年代MRI设备应用于临床。 MRI影像的空间分辨力一般为0.5~1.7mm，不如X-CT；但它对组织的分辨远远好于X-CT，在MRI影像上可显示软组织、肌肉、肌腱、脂肪、韧带、神经、血管等。此外，它还有一些特殊的优点：①MRI剖面的定位完全是通过调节磁场，用电子方式确定的，因此能完全自由地按照要求选择层面；②MRI对软组织的对比度比X-CT优越，能非常清楚地显示脑灰质与白质；③MR信号含有较丰富的有关受检体生理、生化特性的信息，而X-CT只能提供密度测量值；④MRI能在活体组织中探测体内的化学性质，提供关于内部器官或细胞新陈代谢方面的信息；⑤MRI无电离辐射。目前，尚未见到MR对人体危害的报道。

MRI的缺点：①与X-CT相比，成像时间较长；②植入金属的病人，特别是植入心脏起搏器的病人，不能进行MRI检查；③设备购置与运行的费用较高。

（三）诊断用超声设备 诊断用超声设备分为利用超声（ultrasound，US）回波的USG设备和利用US透射的超声CT（ultrasonography CT，UCT）两大类。USG设备，根据其显示方式不同，可以分为A型（幅度显示）、B型（切面显示）、C型（亮度显示）、M型（运动显示）、P型（平面目标显示）等。目前，医院中用的最多的是B型USG设备，俗称B超，其横向分辨力可达到2mm以内，所得到的软组织图像清晰而富有层次。利用US多普勒系统，可实现各种血流参量的测量，是近年来广泛应用的又一种US技术。临床上，USG设备在甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、泌尿科和妇产科等方面有其独到之处。目前UCT所需扫描时间较长，且分辨力低，有待于进一步改进与提高。但由于它是一种无损伤和非侵入式的诊断设备，因此将来可能成为主要的影像诊断设备。

X线成像与US成像是当前用得最为普遍的两种检查方法，但对人体有无危害是它们之间的一个重要区别。就X线来说，尽管现在已经显著地降低了诊断用剂量，但其危害性仍不容忽视。实践表明，它将导致癌症、白血症和白内障等疾病的发病率增加。而从现有资料来看，目前诊断用US剂量还未有使受检者发生不良反应的报道。 此外，X线在体内沿直线传播，不受组织差异的影响，是其有利的一面，但不利的一面是难以有选择地对所指定的平面成像。对US波来说，不同物质的折射率变化范围相当大，这将造成影像失真。但它在绝大部分组织中的传播速度是相近的，骨骼和含有空气的组织（如肺）除外。US波和X线这些不同的辐射特性，确定了各自最适宜的临床应用范围。例如，US脉冲回波法适用于腹内结构或心脏的显像，而利用X线对腹部检查只能显示极少的内部器官（若采用X线造影法，也可有选择地对特定器官显像）；对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用US检查，用X线则可获得较为满意的结果。

（四）核医学设备 核医学设备通过测量人体某一器官（或组织）对标记有放射性核素药物的选择性吸收、储聚和排泄等代谢功能，实现人体功能成像。主要有γ相机、单光子发射型CT（single photon emission CT，SPECT）和正电子发射型CT（positive emission CT，PET）。 γ相机既是显像仪器，又是功能仪器。临床上可用它对脏器进行静态或动态照相检查。动态照相主要用于心血管疾病的检查。因为SPECT具有γ相机的全部功能，又具有体层功能，所以明显提高了诊断病变的定位能力；加上各种新开发出来的放射性药物，从而在临床上得到日益广泛的应用。SPECT能做动态功能检查或早期疾病诊断。缺点是图像清晰度不如X-CT，检查时要使用放射性药物。PET可以用人体组织的某些组成元素（如15O、11C、13N等）来制造放射性药物，特别适合作人体生理和功能方面的研究，尤其是对脑神经功能的研究。在其附近需要有生产半衰期较短的放射性核素的加速器和放射化学实验室。

核医学成像只需极低浓度的放射性物质，这与X线成像时口服硫酸钡不同。一般情况下，核医学成像的横向分辨力很难达到1 核医学成像只需极低浓度的放射性物质，这与X线成像时口服硫酸钡不同。一般情况下，核医学成像的横向分辨力很难达到1.0cm；且图像比较模糊，这是因为有限的光子数目所致。相比之下，X线成像具有高分辨力和低量子噪声。

（五）热成像设备 热成像设备通过测量体表的红外信号和体内的微波信号实现人体成像。红外辐射能量与温度有关，因此又可以说，热成像就是利用温度信息成像。 研究人体的温度分布，对于了解人体生理状况、诊断疾病具有重要意义。影响体表温度的因素很多，最主要的是皮下毛细血管网的血流情况。血流受控于棘状血管舒缩中心，其四肢的交感神经系统主要控制着血管舒缩的节律。因此，利用热成像，首先可以评价血流分布是否正常；其次，可以评价交感神经系统的活动；还可以研究皮下组织所增加的代谢热或动脉血流通过热传导使体温升高的情况。此外，前后皮肤温度还受其他因素的影响，如伤痛感受器、化学受体、丘脑下部等。由于出汗而形成的局部热蒸发损失，也需予以考虑。

医用热成像设备一般包括红外成像、红外照相、红外摄像和光机扫描成像等。光机扫描热成像仪将人体的热像转变为连续变化的图像电信号，经放大处理即可在显示器上显示荧光影像。其优点是温度分辨力可达0.1~0.01K，且具有灵敏度高、空间分辨力高。目前，光机扫描热成像仪已应用于乳腺癌的普查和诊断，血管瘤和血管闭塞情况的检查和诊断，以及妊娠的早期诊断等。还有一种热释电摄像机，将输入的热辐射由红外透镜聚焦，在摄像管靶面上产生空间和强度变化与热体温度分布相同的电荷图形，最后把反映温度情况的电像转变为视频信号输出。热释电摄像机在整个红外光谱区响应相当平稳，又无需制冷，具有电子扫描、能与电视兼容等优点，是一种很有发展前途的热成像系统。但目前它存在着灵敏度低、工作距离近、性能指标比光机扫描热像仪差的缺陷，有待于进一步完善与提高。

体内以电磁波方式向外传播的热辐射，其中含有微波成分。微波成像系统借助于体外的微波天线接收体内传出的微波，并通过高灵敏度的热辐射计以实现温度测量。如测量某一特定频率的信号，即可得到从体表到某一深度的平均温度。若采用多波段辐射计，并对测量数据作适当处理，就能推断出不同深度组织的温度。如以温度为参变量，则可获得不同深度的体层图像。 由于引起人体组织温度的异常分布有各种各样的原因，因此，热成像设备所提供的信息仅供诊断参考，不能作为诊断依据。

（六）医用内镜 前述各种医学影像设备虽然在某种程度上能显示出人体的内部组织形态，但这种显示是间接的、非直观的。真正能做到直观的仪器，目前唯有内镜。利用光学内镜，能使人眼直接看到人体内脏器官的组织形态，从而提高了诊断的准确性。内镜的诊疗优势，已成为医学界的共识。 医用内镜的种类很多，目前临床上用得最多的是光导纤维内镜（纤镜），而最有发展潜力的是电子内镜。

光导纤维内镜（简称为纤镜）以胃肠内镜为例，它是由头端部、直径为7. 9~12 光导纤维内镜（简称为纤镜）以胃肠内镜为例，它是由头端部、直径为7.9~12.8mm的可弯插入管以及将光源和头端部连接起来的连接管组成。头端部由目镜，远端弯角，抽吸和送水的各种控制件及工作钳孔等组成，可以手持。纤镜可弯曲的套管中密封有传像束和导光束，它们将头端和末端连接在一起。导光束将来自光源的光传输到内镜的末端以照明视物。传像束将图像作为反射光传回到目镜。导光束和传像束由30000~50000根光学纤维构成，它们即使在弯曲时也能进行双向光传输。传像束要连贯地排列，使每根纤维在内镜头、尾两端的相对位置保持一致，以便在目镜中重建一幅十分逼真的图像。

电子内镜的功能比光导纤维内镜多得多，是内镜的一大进步。它主要由内镜、光源、视频处理中心、视频显示系统、图像与病人数据记录系统及附属装置组成。其最大的特点是采用电荷耦合器（charges coupled device，CCD）将观察到的物像由光信号转换成电信号，并传输到视频中心进行处理，达到最终显示的目的。传输到监视器的图像还可记录下来，用视频打印机打印，也可传输到另一场所进行同时观察。

20世纪80年代初，USG内镜问世。它是将US探头和内镜连在一起，在内镜的引导下，将US探头送入体内进行扫描，所得到的信息要比在体表上获得的扫描信息准确详细。目前这类设备主要用线性和扇形两种扫描方式，而采用凸式扫描做彩色多普勒和B型图像显示则较为少见。 此外，激光内镜和三维内镜亦在发展之中。前者是将诊断与治疗功能结合在一起的新一代内镜。后者可提供立体图像，能使许多高难度的手术得以顺利实施，且大大提高了手术的安全系数，是内镜发展史上又一新进展。

二、治疗用设备 （一）介入放射学设备 所谓介入放射学（interventional radiology）系统，就是借助高精度计算机化的影像仪器的观察，通过导管深入体内，对疾病直接进行诊断与治疗的一种新型设备与技术。它的问世，使临床某些疾病由不可治变为可治，使治疗的难度由大变小，使有创伤变成少创伤甚至无创伤，使病人免受或减轻了手术之苦，操作比较安全，治疗效果也较好。利用介入放射学系统开展诊疗工作，对提高某些心血管病、脑血管病、肿瘤等重大疾患的诊疗水平，提高治愈率与存活率，改善生活质量，发挥了重要作用。

医学影像设备的导向是完成介入治疗的关键。这需要一套由机械、仪器仪表、计算机、光学仪器等多种仪器组成的大型精密仪器设备系统。特别是20世纪80年代初发展起来的影像技术与计算机结合的DSA问世后，由于它能实时地向医生提供导管导向的位置、局部循环结构、栓塞或扩张的效果等有关介入诊疗的信息，因而具有极大的优越性，目前可以说已基本取代了常规的血管造影设备。而计算机的应用，使DSA向智能化、光纤网络的综合快速数据处理能力、无胶片处理方式、尽可能低的X线剂量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的图像处理技术方向发展，从而为介入放射学提供了有力的保证。

医学影像设备的导向是完成介入治疗的关键。这需要一套由机械、仪器仪表、计算机、光学仪器等多种仪器组成的大型精密仪器设备系统。特别是20世纪80年代初发展起来的影像技术与计算机结合的DSA问世后，由于它能实时地向医生提供导管导向的位置、局部循环结构、栓塞或扩张的效果等有关介入诊疗的信息，因而具有极大的优越性，目前可以说已基本取代了常规的血管造影设备。而计算机的应用，使DSA向智能化、光纤网络的综合快速数据处理能力、无胶片处理方式、尽可能低的X线剂量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的图像处理技术方向发展，从而为介入放射学提供了有力的保证。

介入性导管，根据用途可分为两类，即诊断用导管和治疗用导管及其附件。前者包括心血管、脑血管造影导管，肝、肾、胰、脾等内脏器官用导管十余种。这种导管要有一定耐压性和满足大流量的要求（15~25ml/s）。后者如消化道治疗导管、肿瘤化疗用导管、射频消融导管、溶栓导管、二尖辫球囊扩张导管等。其附件有血管内支架（自膨胀型、球囊膨胀型、形状记忆型）、导丝（引导导管用）等。

专家预测，在21世纪，应用微电子、分子生物学和基因工程的新成果，集多功能如内镜、USG设备、血流压力测量等于一体的新一代治疗导管及传输装置将进一步发展。应用生物适应性良好的材料、内支架、留置用导管的研制和临床应用将有助于进一步提高介入治疗的水平。开放式MRI设备与其相应配套装置的开发以及与USG设备的配合使用，将使介入治疗技术向低或无放射线方向发展。影像设备的研制、开发，使实时成像和立体成像引导下的介入性操作成为可能，加上新的抗癌药物、栓塞剂和基因疗法的应用，将进一步提高介入治疗的精度与疗效。

（二）立体定向放射外科学设备 立体定向放射外科（stereotactic radiosugery，SRS）或称立体定向放射治疗（stereotactic radiotherapy，SRT），是一门新的医疗技术。它是利用现代X-CT设备、MRI设备或DSA设备，加上立体定向头架装置对颅内病变区做高精度定位；经过专用治疗计划系统（具有三维显示和计算功能的计算机）做出最优化治疗计划；运用边缘尖锐的小截面光子束（MV级）以等中心照射方式聚焦于病变区（位于等中心处），按治疗计划作单平面或多个非共面的单次或多次剂量照射。由于照射野边缘剂量下降很陡，就像用刀切一样，所以，用γ射线时称为γ-刀，用X线时称为X-刀。无论是γ-刀，还是X-刀，都不是将病变切除，而是用放射线将肿瘤细胞杀死。

γ-刀的主体结构是一个半球形金属屏蔽系统，其中排列着201个60Co源，每个60Co源均有双重不锈钢屏蔽，它所发出的γ射线经准直校正后，形成一个狭光束，聚焦于半球的中心。准直分为内外两层，外准直与60Co源一起固定于主机内，内准直为半球形头盔，根据孔洞直径分为4mm、8mm、14mm、18mm四种，以适应不同大小的病变。也可以通过堵塞部分准直孔来适应不同形状的肿瘤。病人须戴上立体定向头架通过X-CT设备、MRI设备或DSA设备进行定位。治疗时，病人平卧在治疗床上，剂量计算由专用计算机完成。

γ-刀与X-刀相比，各有其优缺点。前者机械精度高，易操作。但非常昂贵，需现场装源且5~10年更换一次，照射体积及形状改变范围小，只能治疗颅内病变。后者相对便宜，既可作X-刀又可做放疗，按病变需要治疗时其体积和形状变化范围大，剂量准确。但机械精度差一些，须用计算机控制照射，操作较复杂。 总之，立体定向放射外科（手术）有以下优点：①以立体影像定位；②形成立体剂量分布；③易选择合适的剂量进行照射；④肿瘤受到最大剂量照射但周围正常组织的照射量较少；⑤适于治疗小的、边界清楚的肿瘤。它完全符合现代放射治疗发展的高剂量、高精度、高疗效及低损伤的主流方向。 （韩丰谈 徐跃）