医学影像学概述

医学影像学在临床的应用上非常广泛,不仅给疾病的诊断提供了很大的科学和直观的依据,还可以很好地配合临床的症状、化验等,为最终准确诊断病情起到不可替代的作用。同时在疾病的治疗方面也有很好的应用。医学影像学经过漫长的发展,已经形成比较完善的诊疗系统,其范畴仍在不断发展和扩大。

一、X线的发现和发展

1895年11月8日,德国的物理学家伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen,1845—1923)在做真空管、高压、放电实验时,发现了一种肉眼看不见,但具有很强的贯穿本领,能使某些物体发出荧光或使胶片感光的新型射线,即X线,不久X线即被用于人体的疾病检查,奠定了医学影像学(medical imaging)的基础。到20世纪60年代中、末期形成了较完整的学科体系,并由此形成了放射诊断学(diagnostic radiology)。

20世纪70年代后又相继出现了X线计算机体层成像(X-ray computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、单光子发射体层成像(single photon emission computed tomography,SPECT)和电子发射体层成像(positron　emission tomography,PET)等新的成像技术。

二、CT机的诞生

1971年,世界上第一台CT机由柯马克(A.M.Cormack)和英国EMI公司的豪恩斯费尔德(G.N.Hounsfield)研制成功,并发明出计算机人体断层摄影术,用于颅脑的CT扫描并在伦敦一家医院正式安装使用。1979年因此项发明,柯马克(A.M.Cormack)、豪恩斯费尔德获得了生理与医学诺贝尔奖。随着CT在临床上的广泛应用,日趋完善,CT设备的改进和发展很快,迄今为止CT已经历了5代发展。在扫描速度、检查效率、影像质量和操作简便等方面不断提高,检查范围已扩展到全身,并实现了对胸、腹乃至心脏等运动器官的成像。

三、超声技术的出现

1942年奥地利科学家达西科(Dussik)首先将超声技术应用于临床诊断,改进并采用了脉冲反射式A型超声诊断。20世纪50年代开始应用超声和核素扫描进行人体检查,出现了超声成像(ultrasonography,USG)和γ闪烁成像(γ-scintigraphy)。1954年瑞典人应用M型超声显示运动的心脏状态和心功能,称为超声心动图。人类从20世纪50年代开始研究二维B型超声,至20世纪70年代中期,实时二维超声开始应用,在体外检查即可实时显示体内相关部位结构的切面图,使超声诊断扩大了应用范围,可以诊断大部分结构异常疾病。二维超声至今仍是超声诊断中最基本的技术。

四、磁共振成像技术的发展

20世纪70年代末80年代初,超声、放射性核素、MRI、CT和数字影像设备与技术逐步兴起。其中MRI是目前最为先进的影像检查方法之一。近年来,随着高性能MRI设备的硬件发展迅速。MRI技术在以下5个方面有了很大的进展:①EPI(快速成像技术)使MRI具有瞬时成像的优势,高时间分辨力可去除运动伪影,便于观察、研究动态器官,如胆囊、呼吸器官等的断层影像。②磁共振血管造影(magnetic resonance angiographer,MRA)不需要使用对比剂即可得到血管造影成像。近年发展的动态增强MRA(dynamic contrast enhanced MRA,DCEMRA),则应用静脉注射顺磁性对比剂,明显缩短了成像时间,避免了扭曲血管、湍流及慢血流所致的信号丧失。③对人体功能进行研究和检测的MRI技术——FMRI技术,可检查到形态未变但功能已改变的病变,从而达到早期诊断的目的。FMRI技术包括血氧水平依赖(blood oxygen level dependent,BOLD)对比增强成像技术、弥散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)、灌注加权成像(priming weighted imaging,PWI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)以及MRS等。④磁共振成像介入,有良好的组织对比度,可以精确地区分病灶的界面;亚毫米级空间分辨力便于病灶定位和介入引导;多层和三维空间成像允许全方位地观察重要的解剖结构;快速和超快速的成像序列能够对生理运动、介入器具和介入引起的变化进行近似实时的观察。⑤消除伪影的技术(如空间预饱和技术、梯度磁矩衡消技术和快速成像技术等)可有效消除人体的生理运动,如呼吸、血流、脑脊液脉动、心脏跳动和胃肠蠕动等引起的磁共振图像的伪影。

五、DSA、CR和DR的出现

20世纪80年,计算机数字化处理图像的技术得到广泛的运用后,普通X线图像的数字化也得到很大的发展,如直接数字化X线成像(director radiography,DR)、计算机X线成像(computed radiography,CR)、数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)等,这些技术可以对图像进行后处理,还有利于图像的储存和传输。应用图像存档与传输系统(picture achiving and　communication system,PACS)不但极大地方便了病人的就诊,而且遥控放射学(teleradiology)得以发展,实现了快速远程会诊,数字化成像还为计算机辅助检测和计算机辅助诊断(computer aided diagnosis,CAD)提供了可能,这些发展大大扩展了医学影像学的应用范围,使之成为医疗工作中的重要支柱。

数字减影血管造影术是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型成像技术,对注入血管造影剂前后的图像进行相减,得到无骨骼、内脏和软组织背景的清晰的血管影像,而血管的形态、结构反映了多种疾病的基本信息。计算机X线摄影是将X线摄照的影像信息记录在可重复使用的影像板(image plate,IP)上,这种影像板,替代了胶片,不需要冲印,因此,也称为干板。干板经激光读取装置读取,由计算机精确计算处理后,即可得到高清数字图像,最后经数字/模拟转换器转换,在荧屏上显示出灰阶图像,有利于观察不同的组织结构。使用CR,避免了胶片影像冲印带来的环境污染,干板的重复使用降低了成本,大大提高了影像的清晰度。直接数字化X线摄影系统(digital ray,DR)是利用电子技术将X线信息的其他载体转变为电子载体,X线照射人体后不直接作用于胶片,被探测器(detector)接收并转化为数字信号,经计算机处理后重建成图像。

六、核医学影像技术的形成

20世纪90年代医学影像学领域出现了更新、更强的核医学影像设备ECT,包括PET、SPECT等设备。PET也称正光电子成像设备,主要的优势是超强的医学影像识别与诊断的能力,尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂,在体内循环可以动态地、靶向目标清晰地显示被检部位形态和功能的异常情况,甚至可以检查出细胞级别的病变,如癌细胞治疗后或癌细胞扩散、转移的情况等。

七、红外影像的应用

20世纪80年代以来内镜技术、红外线乳腺造影技术的应用和基因图谱的建立使临床对人体脏器的检查和手术手段往前跨了一大步,对人体的研究更加透明、更深入,具有实质性。红外热成像装置是利用红外线探测器检测人体表面辐射的红外线,并将其转变为电信号,由红外线摄像头(IRCCD)获取视频信号,再经过放大、滤波处理,送入计算机进行成像。因此,用它可以诊断与温度有关的疾病,特别是对浅表部位的肿瘤的诊断、乳房癌的早期诊断、末梢血管疾病的诊断、断肢再植成活情况的鉴别及皮肤伤痛的评价等。

八、医用内镜、虚拟内镜

医用内镜是一种直接插入人体器官内腔进行实时观察内腔表面形态的诊断器械,它所得到的图像是逼真和直观的。激光内镜、三维内镜、电视内镜、视频内镜、电子内镜、超声内镜的出现及高清晰内镜系统的诞生,又开辟了现代医学内镜的新纪元,内镜从检查、诊断时代进入了治疗、手术的时代。

虚拟内镜技术是将视点置于三维数据场内部并采用透视投影方式实现重采样和图像合成的三维可视化模式。内镜技术在临床疾病诊断中具有广泛的应用,但在检查过程中必须向病人体内插入内探头,这样不仅给病人带来不适,而且医生操作起来也十分不便。对于经验不足的医生来说,很可能无从推断病变部位确切或相对的解剖位置。

人体有很多部位真实内镜无法到达,如心脏、脊髓、内耳、胆、胰、血管等。虚拟内镜采用虚拟现实技术,利用CT、MR等设备对产生的图像,进行三维重建。

九、介入放射学和立体定向放射治疗

20世纪70年代以来介入放射学(interventional radiology)迅速兴起,实现了在影像技术的监视下采集活体标本检查或进行各种疾病的治疗,这更大地扩展了医学影像学的范围,成为有别于内科治疗、外科治疗的第三种治疗领域,有着广泛的发展前景。

介入治疗(interventional treatment)是在借助各种高清晰度的医学影像仪器的实时观察的情况下,安全微创地通过导管深入体内,对病灶直接进行观察或治疗的新方法。如实时、三维立体成像引导下的介入治疗,能够实时地、高清晰地向术者提供导管、导向的位置、局部循环结构、栓塞或扩张的效果等介入治疗过程的重要信息。确保了对某些心血管病、脑血管病和肿瘤等重大疾病的介入治疗,为提高介入治疗的准确率和存活率,改善患者预后的生活质量发挥了重要作用。

立体定向放射治疗(stereoscopic radio therapy,SRT)也称为立体定向放射外科学,是一门新的治疗技术。它是利用CT、MRI或DSA等设备和技术,加上立体定向头架装置对颅内病变区做高精度的定位,经过专用计划治疗系统,既具有实时三维立体显示和计算机处理功能的手术计划系统,做出最优化的治疗计划,运用精准锐利的小截面光子束(m V级),中心照射方式快速聚焦病变部位,产生瞬间的高能量,杀死肿瘤细胞或截断血管来完成手术。照射时,由于照射光束边缘剂量下降很陡峭,就像刀锋一样锐利,因此,如用射线照射时就称为“γ刀”,如用X线照射时就称为“X刀”。目前不仅可以进行颅内放射治疗,还可以进行全身立体定位放射治疗,使得临床治疗手段有了更多的选择。

十、数字虚拟人

数字虚拟人简称“数字人”或“虚拟人”,是为更加准确地描述和研究人体自身形态结构和生理、生化功能指标而采用高科技手段和计算机图像处理技术,通过对“标准人体”真人尸体的从头到脚做高精细水平断层(小于1mm层厚)解剖处理,并实时采集全部数字高清晰图像。通过大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体。

数字人技术因其所有数据均采至标准真实的人体,建立男女标准人体数据集,就可提供日后模拟真实人体进行实验研究的技术平台,它的研究目标,是通过人体从微观到宏观结构与功能的数字化、可视化,进而完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以及器官的形态与功能,最终达到人体信息的整体精确模拟。数字化虚拟人包括三个研究阶段:虚拟可视人、虚拟物理人和虚拟生物人。虚拟可视人是从几何角度定量描绘人体结构,属于“解剖人”;如果其中加入人体组织的力学特性和形变等物理特性,就是第二代的虚拟物理人;而研究人体微观结构及生物化学特性的则属于更高级的虚拟生物人,它是真正能从宏观到微观,从表象到本质全方位反映人体的交互式数字化虚拟人体。虚拟人的数据量极大。为了使获得的虚拟人体数据具有普遍意义,在数据采集阶段,一般要有男有女,并且有不同类型、不同民族的人,因此,虚拟人体的数据量极大,超出了目前各国已经采集到的虚拟人原始数据的规模。

近30年来,CT、MRI、超声和核素显像设备在不断地改进和完善,检查技术和方法也在不断地创新,影像诊断已从单一依靠形态变化进行诊断发展成为集形态、功能、代谢改变为一体的综合诊断体系。与此同时,一些新的技术如心脏和脑的磁源成像(magnetic source imaging,MSI)和新的学科分支如分子影像学(molecular imaging)在不断涌现,人们已不能满足用医学影像学的手段来反映人体组织学的变化,还希望用医学影像学的手段来了解人体细胞内及分子水平的改变,影像诊断学的范畴仍在不断发展和扩大之中。

医学影像学中的许多技术已经在科学研究的工业中获得了广泛的应用。医学影像学的发展受益于现代计算机技术的突飞猛进,其与图像处理、计算机视觉、模式识别技术的结合产生了一个新的计算机技术分支——医学图像处理。

另外,除了医疗的用途之外,影像学结合其他学术领域,比如认知心理学(cognitive psychology)、语言学(linguistics)、教育学(education)、社会学(sociology)等,可以让研究人员探索人类在进行认知行为时的大脑活动,这样的研究已经逐渐成形,学术界称之为认知神经科学(cognitive neuroscience)。

伴随多年来医学、医学影像、生物、物理、电子工程、计算机和网络通信技术的飞速发展,尤其是数字医学影像新技术、新设备的不断推出,医学影像诊断和数字影像治疗已经发生了根本性的变化。医院里具有的医学影像设备和数字影像介入治疗开展情况,成为代表医院的现代化检查手段与诊治水平的重要标志。新的医学影像技术和设备的研制也已经成为未来现代医学技术和生命科学发展的研究热点。