医学图像设备和仪器

9.2　医学图像设备和仪器

从显微镜到1895年的X线的发明，近100多年的历史证明，医学图像成像技术的每一重大进展都给医学诊断和治疗技术带来极大的改变和发展，医学图像的成像方式也不断增加，而计算机技术和数字图像处理技术的迅速发展和普及，则进一步扩大了医学图像的应用范围。

经由计算机的医学图像成像有多种方法，但它们之间的相似之处是先用某种能量（例如射线或能量波）通过人体，与人体相互作用后对该能量进行测量，然后用数学的方法估计出该能量与人体组织相互作用（吸收、衰减、核磁扰动等）的二维、三维分布，把能量的强弱转换为显示的明暗或色彩的不同，就产生了图像（如图9－1）。

图9－1　医学图像设备结构示意图

下面介绍几种主要的医学图像。

（1）X线图像。利用人体器官和组织对X线的衰减不同，透射的X线的强度也不同这一性质，检测出相应的二维能量分布，并进行可视化转换，从而可获取人体内部结构的图像。

与常规X片图像的形成过程相比，X线数字成像系统形成数字图像所需的X线剂量较少，能用较低的X线剂量得到清晰图像。可利用计算机图像处理技术对图像进行一系列处理，从而改善图像的清晰度和对比度等性能，得到更多的可视化诊断信息。

计算机X线摄影（computed radiography，CR）是X线平片数字化的比较成熟的技术。CR系统是使用可记录并可由激光读出X线成像信息的成像板（imaging plate，IP）作为载体，经X线曝光并读出处理信息，形成数字式平片图像。

数字X线摄影（digital radiography，DR）是在X线影像增强器——电视系统的基础上，采用模/数转换器将模拟视频信号转换成数字信号后送入计算机系统中进行存储、分析、显示的技术。数字X线摄影包括硒鼓方式、直接数字X线摄影（direct digital radiography，DDR）和电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）摄像机阵列方式等。

数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）是利用数字图像处理技术中的图像几何运算功能，将造影剂注入前后的数字化X线图像进行相减操作，获得两帧图像的差异部分——被造影剂充盈的血管图像。目前DAS有时间减影（temporal subtraction）、能量减影（energy subtraction）、混合减影（hybrid subtraction）和数字体层摄影减影（digital tomography subtraction）等类型。

（2）X线CT图像。X线CT（computerized tomography，CT）是以测定X射线在人体内的衰减系数为物理基础，采用投影图像重建的数学原理，经过计算机高速运算，求解出衰减系数数值在人体某断面上的二维分布矩阵，然后应用图像处理与显示技术将该二维分布矩阵转变为真实图像的灰度分布，从而实现建立断层图像的现代医学成像技术。概括地说，X线CT图像的本质是衰减系数成像。

与传统的X线检查手段相比，CT具有以下优点:能获得真正的断面图像，具有非常高的密度分辨率，可准确测量各组织的X线吸收衰减值，并通过各种计算进行定量分析。

（3）磁共振图像。磁共振图像（magnetic resonance imaging，MRI）系统通过对处在静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体组织中的氢原子受到激励而发生磁共振现象，当中止脉冲后，氢原子在弛豫过程中发射出射频信号而成像。目前MRI成像技术的进一步研究仍主要集中在如何提高成像速度方面。另外，功能性MRI的出现进一步扩大了磁共振影像的临床应用范围。磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）可以发现血管的疾病，与三维显示技术相结合能够为诊断提供更多的可视化立体信息。磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）亦是研究的热门课题，有可能在获得病人解剖结构信息的同时又得到功能信息，将MRS与MRI进行图像融合，能够获得更多的有价值的诊断信息。

（4）超声图像。频率高于20 000赫兹的声波称为超声波。超声成像（ultrasound system，US）就是利用超声波在人体内部传播时组织密度不连续性形成的回波进行成像的技术。依据波束扫描方式和显示技术的不同，超声图像可分为:A型、M型、断层图像的B型和多普勒D型显示等。可能会给医学影像领域带来巨大影响的新的超声成像技术研究，是三维超声成像。三维超声影像具有图像立体感强、可以进行B超图像中无法完成的三维定量测量、能够缩短医生诊断所需的时间等特点，是一种极具发展前景的超声成像技术。

（5）放射性核素图像。放射性核素成像（NM）技术是通过将放射性示踪药物引入人体内，使带有放射性核素的示踪原子进入要成像的组织，然后测量放射性核素在人体内的分布来成像的一种技术。放射性核素成像技术能够反映人体内的生理生化过程，能够反映器官和组织的功能状态，可显示动态图像，是一种基本无损伤的诊断方法。

（6）医用红外图像。人体是天然热辐射源，利用红外线探测器检测人体热源深度及热辐射值，并将其转变为电信号，送入计算机进行成像。红外图像用来诊断与温度有关的疾病。系统根据正常与异常组织区域的热辐射差，得出细胞新陈代谢相对强度分布图，即功能影像图，用于对浅表部位肿瘤、乳腺癌及皮肤伤痛等疾病的诊断。

（7）内窥镜图像。内窥镜是一种直接插入人体的腔管内进行实时观察表面形态的光学诊断装置。光纤内窥镜使用的纤维束有两种，一种是传递光源以照明视场的导光束；另一种是回传图像的传像束。电子内窥镜的发明为内窥镜影像的临床应用提供了一种新的技术，具有轮廓清晰、可以定量测量等特点，三维立体内窥镜系统还可产生逼真的立体图像。

（8）显微图像。显微图像一般是指利用显微镜光学系统获得的关于细胞、组织切片的二维影像。目前处理和分析显微图像的主要工具是图像分析仪，它应用数字图像处理技术、计算机技术和形态计量学方法，实现对细胞、组织的定量分析，并可进行三维重组和动态显示。

不同成像方法获得的数字图像像素不同，不同图像成像系统也影响图像像素显示亮度和色彩变化的层次。如某个X线图像成像系统的X线强度变化的转换数位是8bit，有0—255个变化层次级差，另一个X线图像采集系统的X线强度变化的转换数位是10bit，有0—1 023个变化层次级差。对于同样幅度的X线，后一个X线图像采集系统记录了更多X线强度变化的细节，当X线强度变化转换成显示的明暗后，我们从显示图像上能看到更多明暗变化的细微差别，意味着能区分人体组织更多细节的差异。

不同成像方法在一次检查中所获取的图像数量差别很大，MRI一组检查甚至可能获得上千幅图像。不同成像方法获取的人体信息也不一样，如核医学图像（NM），尽管只有1.6万像素，但因其能获取生理学信息，常用于肾功能检查。

表9－2为常见医学图像的主要参数特征比较。

表9－2　常见医学图像的参数特征比较