(整理)CT,MRI,USC,PET各種方法的優(yōu)缺點總結(jié).

1、綜述一、CT簡介計算機體層攝影(computed tomography, CT )掃描儀利用X線 對人體某一范圍進行逐層的橫斷掃描,取得信息,經(jīng)計算機處理后 獲得重建的圖像.獲得的圖像為人體的橫斷解剖圖,并可通過計算 機處理得到三維的重建圖像.1 .根本結(jié)構(gòu)CT的主要結(jié)構(gòu)包括兩大局部：X線體層掃描裝置和計算機系統(tǒng).前者主要由產(chǎn)生X線束的發(fā)生器和球管,以及接收和檢測 X線的探 測器組成；后者主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)、磁帶機、 操作臺等.止匕外,CT機還應(yīng)包括圖像顯示器、多幅照相機等輔助設(shè) 備.X線球管和探測器分別安裝在被掃描組織的兩側(cè),方向相對.當球管產(chǎn)生的X線穿過被掃描組織,透過組織

2、的剩余射線為探測器 所接收.探測器對X線高度敏感,它將接收到的 X線先變成模擬信 號,再變換為數(shù)字信號,輸入計算機的中央處理系統(tǒng).處理后的結(jié) 果送入磁帶機儲存,或經(jīng)數(shù)/模處理后經(jīng)顯示器顯示出來,變成 CT 圖像,再由多幅照相機攝片以供診斷.2 .工作原理人體各種組織(包括正常和異常組織)對 X線的吸收不等. CT即利用這一特性,將人體某一選定層面分成許多立方體小塊,這 些立方體小塊稱為體素.X線通過人體測得每一體素的密度或灰度, 即為CT圖像上的根本單位,稱為像素.它們排列成行列方陣,形成 圖像矩陣.當X線球管從一方向發(fā)出X線束穿過選定層面時,沿該 方向排列的各體素均在一定程度上吸收一局部X線

3、,使X線衰減.當該X線束穿透組織層面包括許多體素為對面探測器接收時,X線量已衰減很多,為該方向所有體素 X線衰減值的總和.然后 X線 球管轉(zhuǎn)動一定角度,再沿另一方向發(fā)出X線束,那么在其對面的探測器可測得沿第2次照射方向所有體素X線衰減值的總和；以同樣方 法反復(fù)屢次在不同方向?qū)M織的選定層面進行X線掃描,即可得到假設(shè)干個X線衰減值總和.在上述過程中,每掃描一次,即可得一方 程.該方程中X線衰減總量為值,而形成該總量的各體素 X線 衰減值是未知值.經(jīng)過假設(shè)干次掃描,即可得一聯(lián)立方程,經(jīng)過計算 機運算可解出這一聯(lián)立方程,而求出每一體素的X線衰減值,再經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換,使各體素不同的衰減值形成相應(yīng)各像素的

4、不同灰度,各 像素所形成的矩陣圖像即為該層面不同密度組織的黑白圖像.3 .CT的密度分析CT圖像,一方面是觀察解剖結(jié)構(gòu),另一方面是了解密度改 變.后者可通過測定 CT值而知,亦可與周圍組織的密度比照觀察. 人體內(nèi)腫瘤組織因部位、代謝、生長及伴隨情況不同,其密度變化 各異.CT對組織的密度分辨率較高,且為橫斷面掃描,提升了腫瘤 診斷的準確率.4 .造影劑的應(yīng)用雖然CT較普通X線攝影有更高的密度分辨率,但有些病變 與正常組織間的密度差異很小,需要利用造影劑使上述密度差異加 大,以幫助診斷.CT掃描用造影劑可分兩大類：一類為用于空腔臟 器的造影劑,另一類為靜脈注射用造影劑偶爾也通過動脈注射造 影劑.

5、5 .影響像素的物理因素通過電子計算機運算列出人體組織受檢層面的吸收系數(shù),并將 之分布在合成圖象的柵狀陣列即矩陣的方格(陣元)內(nèi).矩陣上每 個陣元相當于重建圖象上的一個圖象點,稱為像素( pixel ).CT 的成像過程就是求出每個像素的衰減系數(shù)的過程.如果像素越小、 探測器數(shù)目越多,計算機所測出的衰減系數(shù)就越多、越精確,重建 出的圖象也就越清楚.所以與人體自身的質(zhì)子分布以及人體內(nèi)組織 的密度,探測器的靈敏度和人體組織對 X射線的衰減值和物理密度, 處理圖像、據(jù)的算法等有關(guān)系.6 .CT檢查的優(yōu)缺點1) . CT檢查的優(yōu)點：(1) CT為無創(chuàng)性檢查,檢查方便、迅速,易為患者接受.(2) 有很高

6、的密度分辨力,密度相差 5-6H的不同組織能被區(qū) 分.能測出各種組織的CT值.(3) CT圖象清楚,解剖關(guān)系明確.(4) CT能提供沒有組織重疊的橫斷面圖象,并可進行冠狀和 矢狀面圖象的重建.(5) 用造影劑進行增強掃描,不僅提升了病變的發(fā)現(xiàn)率,而且 有的能做定性診斷.2) . CT掃描的限度CT掃描雖有廣泛的適應(yīng)范圍,但仍有限度.雖然發(fā)現(xiàn)病變 的敏感 性極高,但在定性診斷上仍有很大的限制.由于CT機測定 的是物理參數(shù),即人體組織對 X線的衰減值或物理密度,醫(yī)生就是 根據(jù)正常組織和異常組織呈現(xiàn)的衰減值差異作為診斷的依據(jù),如果 衰減值無差異,再大的腫瘤也無法鑒別.可見 CT掃描盡管有許多優(yōu)越性,

7、但也有其局限性,只有與其他設(shè)備,其他診斷手段相配合,才能充分發(fā)揮其作用.目前CT圖像的質(zhì)量有了明顯改善,特別是高分辨力掃描(HRCT 圖像已能顯示肺小葉間隔改變.但這多是提升 kV和mAs為代價取得 的.而我們的目的是既要獲得高質(zhì)量的圖像,又要使患者盡量地減 少X線輻射,這應(yīng)該使下一步 CT改革的重點之一.要想同時獲得這兩種效益,看來一要提升探測器的靈敏度,一 能夠在不增加甚至減少輻射劑量的前提下,提升圖像質(zhì)量；二要進 一步改良圖像重建的處理方式,在軟件方面下工夫.二、磁共振成像人腦縱切面的核磁共振成像核磁共振成像(Nuclear MagneticResonance Imaging ,簡稱 N

8、MRI),又稱自旋成像(spin imaging ),也稱磁 共振成 像、磁振 造影(Magnetic Resonance Imaging ,簡 稱 MRI),是利用核磁共振(nuclear magnetic resonnance ,簡稱NMR原理,依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同 結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減,通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波, 即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類,據(jù)此可以繪制成物體 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像.原子核在進動中,吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈沖,即 外加交變磁場的頻率等于拉莫頻率,原子核就發(fā)生共振吸收,去掉 射頻脈沖之后,原子核磁矩又把所吸收的能量中的一局部以電磁波 的形

9、式發(fā)射出來,稱為共振發(fā)射.共振吸收和共振發(fā)射的過程叫做“核磁共振. 核磁共振成像的“核指的是氫原子核,由于人體 的約70娓由水組成的,MRI即依賴水中氫原子.當把物體放置在磁 場中,用適當?shù)碾姶挪ㄕ丈渌?使之共振,然后分析它釋放的電磁波,就可以得知構(gòu)成這一物體的原子核的位置和種類,據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像.所以其像素與人體氫原子核的分布,氫原子核對電磁波的共振吸收和去掉射頻脈沖之后發(fā)射的電磁波有關(guān).1 . NM喋驗裝置采用調(diào)節(jié)頻率的方法來到達核磁共振.由線圈向樣品發(fā)射電磁 波,調(diào)制振蕩器的作用是使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近 連續(xù)變化.當頻率正好與核磁共振頻率吻合時,射頻振蕩

10、器的輸出 就會出現(xiàn)一個吸收峰,這可以在示波器上顯示出來,同時由頻率計 即刻讀出這時的共振頻率值.核磁共振譜儀是專門用于觀測核磁共 振的儀器,主要由磁鐵、探頭和譜儀三大局部組成.磁鐵的功用是 產(chǎn)生一個恒定的磁場；探頭置于磁極之間,用于探測核磁共振信號； 譜儀是將共振信號放大處理并顯示和記錄下來.2 .MRI系統(tǒng)的組成1磁鐵系統(tǒng)靜磁場：當前臨床所用超導(dǎo)磁鐵,磁場強度有 0.5到4.0T,常 見的為1.5T和3.0T,另有勻磁線圈shim coil 協(xié)助到達高均勻 度.梯度場：用來產(chǎn)生并限制磁場中的梯度,以實現(xiàn)NMR信號的空間編碼.這個系統(tǒng)有三組線圈,產(chǎn)生 x、y、z三個方向的梯度場, 線圈組的磁場

11、疊加起來,可得到任意方向的梯度場.2射頻系統(tǒng)射頻RF發(fā)生器：產(chǎn)生短而強的射頻場,以脈沖方式加到樣 品上,使樣品中的氫核產(chǎn)生 NMRK象.射頻RF接收器：接收 NMR信號,放大后進入圖像處理系統(tǒng).3)計算機圖像重建系統(tǒng)由射頻接收器送來的信號經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器,把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù) 學(xué)信號,根據(jù)與觀察層面各體素的對應(yīng)關(guān)系,經(jīng)計算機處理,得出 層面圖像數(shù)據(jù),再經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換器,加到圖像顯示器上,按 NMR勺大 小,用不同的灰度等級顯示出欲觀察層面的圖像.3 .磁共振成像的優(yōu)點與1901年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的普通 X射線或1979年獲得諾 貝爾醫(yī)學(xué)獎的計算機層析成像(computerized tomogr

12、aphy, CT )相 比,磁共振成像的最大優(yōu)點是它是目前少有的對人體沒有任何傷害 的平安、快速、準確的臨床診斷方法.如今全球每年至少有6000萬病例利用核磁共振成像技術(shù)進行檢查.具體說來有以下幾點：1) .對人體沒有游離輻射損傷；各種參數(shù)都可以用來成像,多個成像參數(shù)能提供豐富的診斷信 息,這使得醫(yī)療診斷和對人體內(nèi)代謝和功能的研究方便、有效.例 如肝炎和肝硬化的T1值變大,而肝癌的T1值更大,作T1加權(quán)圖像, 可區(qū)別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤；2) .通過調(diào)節(jié)磁場可自由選擇所需剖面,能得到其它成像技術(shù)所 不能接近或難以接近部位的圖像.對于椎間盤和脊髓,可作矢狀面、 冠狀面、橫斷面成像,可以看到神經(jīng)

13、根、脊髓和神經(jīng)節(jié)等.能獲得 腦和脊髓的立體圖像,不像 CT (只能獲取與人體長軸垂直的剖面圖) 那樣一層一層地掃描而有可能漏掉病變部位；3) .能診斷心臟病變,CT因掃描速度慢而難以勝任；4) .對軟組織有極好的分辨力.對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、 關(guān)節(jié)、肌肉等部位的檢查優(yōu)于 CT;5),原那么上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像,例如氫(1H)、碳(13.、氮(14N和 15N)、磷(31P)等.4 .MRI的缺點及可能存在的危害雖然MRI對患者沒有致命性的損傷,但還是給患者帶來了一些 不適感.在 MRI診斷前應(yīng)當采取必要的舉措,把這種負面影響降到 最低限度.其缺點主要有：1) .和CT

14、 一樣,MRI也是解剖性影像診斷,很多病變單憑核磁 共振檢查仍難以確診,不像內(nèi)窺鏡可同時獲得影像和病理兩方面的 診斷；2),對肺部的檢查不優(yōu)于 X射線或CT檢查,對肝臟、胰腺、腎 上腺、前列腺的檢查不比CT優(yōu)越,但費用要高昂得多；3),對胃腸道的病變不如內(nèi)窺鏡檢查；4),掃描時間長,空間分辨力不夠理想；由于強磁場的原因,MRI對諸如體內(nèi)有磁金屬或起搏器的特殊 病人卻不能適用.5 .MRI系統(tǒng)可能對人體造成傷害的因素主要包括以下方面：1),強靜磁場：在有鐵磁性物質(zhì)存在的情況下,不管是埋植在 患者體內(nèi)還是在磁場范圍內(nèi),都可能是危險因素；2),隨時間變化的梯度場：可在受試者體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生電場而興奮 神

15、經(jīng)或肌肉.外周神經(jīng)興奮是梯度場平安的上限指標.在足夠強度 下,可以產(chǎn)生外周神經(jīng)興奮(如刺痛或叩擊感),甚至引起心臟興 奮或心室振顫；3),射頻場(RF)的致熱效應(yīng)：在 MRI聚焦或測量過程中所用到 的大角度射頻場發(fā)射,其電磁能量在患者組織內(nèi)轉(zhuǎn)化成熱能,使組 織溫度升高.RF的致熱效應(yīng)需要進一步探討,臨床掃瞄儀對于射頻能量有所謂“特定吸收率 (specific absorption rate, SAR )的 限制；4),噪聲：MRI運行過程中產(chǎn)生的各種噪聲,可能使某些患者的 聽力受到損傷；三、正電子發(fā)射斷層成像放射性核素成像技術(shù)是一種用放射性核素示蹤的方法顯示人體 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)是核醫(yī)學(xué)研究和臨

16、床診斷的主要手段X-CT屬于透射型計算機斷層攝影(TCT)自X-CT問世后放射性核素成像技術(shù)也 采用了圖像重建的模式研制出發(fā)射型計算機斷層攝影裝置(EmissionComputer Tomography ECT)根據(jù)所用的核物理探測方法ECT可以分為兩類：正電子發(fā)射型計算機斷層技術(shù)(PET)與單光子發(fā)射型計算 機斷層技術(shù)(SPECT或稱SPET>1 .PET技術(shù)原理PET技術(shù)是用于作正電子衰變核素顯像的先將一種標記過的具 有生物活性的化合物作為示蹤物質(zhì)引入我們要研究的人體部位或器 官這種示蹤物質(zhì)的空間分布狀況能反映人體或器官的機能和代謝狀 況的空間信息它的標記是正電子放射性核素由于這種放

17、射性核素發(fā) 生b+衰變產(chǎn)生正電子正電子運動很短的一段距離后(幾個毫米)就會與組織中的電子結(jié)合而發(fā)生湮滅其質(zhì)量轉(zhuǎn)化成一對向相反方向射出 的兩個能量為0.511MeV的丫光子再由探測器測量正負電子湮滅過 程中產(chǎn)生的湮滅光子獲取數(shù)據(jù)時需要兩個位置相對的探測器進行時 間匹配計數(shù).2 . PET的優(yōu)缺點常用核素及其標記物1） .正電子CT與單光子CT相比有很多優(yōu)點：首先它不需要鉛準直器而是電子準直由于兩個丫光子在方向上成1800角只有兩個相對的檢測器同時檢測到湮滅光子才計數(shù)如果 湮滅事件發(fā)生在兩個檢測器連線之外那么不能記錄這種電子準直的視 野非常均勻分辨率不受深度的影響而且探測效率高而平行孔準直器 即使

18、是高靈敏度的也只能探測到射入視野的0.3的光子其它大量的光子在準直器內(nèi)被吸收其次射線的衰減補償容易不受深度影響由于 不管放射源的位置在哪里兩個光子穿過的吸收體的總厚度相同而且 湮滅光子的能量高穿透水平強此外它所用的發(fā)射正電子的核素的半 衰期都非常短可以給予較大的劑量而使人體接受的輻射劑量卻較小 這樣大大提升了圖像的比照和空間分辨率總之PET得到的斷層影像比SPECTM真實清楚不管器官大小都 能代表放射性物質(zhì)的分布可以定量分析可以研究人體各器官的生 理生化病理狀況及各種藥物在人體內(nèi)的分布代謝途徑2） .PET的缺點由于這些正電子發(fā)射核素的半衰期太短又是由盤旋加速器產(chǎn)生 所以一定要在生產(chǎn)這些核素的

19、加速器附近就地應(yīng)用在這些放射性核 素尚未商品化時使用 PET的單位必須要有小型的盤旋加速器及快速 制備這些核素的標記物的設(shè)備這樣投資就非常昂貴使PET的推廣受到限制.四、超聲成像超聲是指高于人耳聽覺范圍的聲波,通常是指頻率高于20KHz的高頻振動機械波,應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲頻率一般在1MHz至幾十MHz之間.自1958年商用超聲成像產(chǎn)品問世以來,超聲醫(yī)學(xué)設(shè)備以 其實時性、對人體無損傷、無痛苦、顯示方法多樣,尤其對人體軟 組織的探測和心血管臟器的血流動力學(xué)觀察有其獨到之處而成為在 醫(yī)學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的成像設(shè)備之一.同時在醫(yī)學(xué)的其他方面也受 到越來越大的重視.超聲在醫(yī)學(xué)中的重要作用在于它不但可以穿

20、透人體,而且可以 與身體組織相互作用.超聲波穿過人體時那么還要經(jīng)過折射和反射, 這可發(fā)生在超聲波經(jīng)過的任何交界面上,其作用就如同光束經(jīng)過一 個非均勻物質(zhì)一樣.超聲波的波長很短,從而易于窄脈沖波束的實 現(xiàn).因此,超聲換能器可以做得小而緊湊.超聲在臨床應(yīng)用中主要分為診斷和治療兩個方面：超聲診斷采 用的是較高頻率的與較低聲強的超聲波,高頻可提升對組織的分辨 率,可以獲得清楚、細致的聲像圖,而低聲強那么可降低對組織損傷 的副作用.超聲治療采用的是較低頻率于較高聲強的超聲波,低頻 超聲增大對組織的穿透率,而高聲強(特別是聚焦后)超聲可對組 織產(chǎn)生生物效應(yīng),用以選擇性破壞局灶性病變.1.物理根底超聲波是頻

21、率超過人耳聽覺范圍的聲波.人耳聽覺頻率范圍是2020000Hz ,因此,超聲波的頻率大于 20000Hz ,用于醫(yī)學(xué)檢查的 超聲波頻率為120MHz超聲波的發(fā)射和接收是根據(jù)壓電效應(yīng)原理 (piezo - electric ef2fect) .自然界的石英或人工壓電陶瓷受到 外力作用時,在對應(yīng)的兩個面上產(chǎn)生相反的電荷,此為正壓電效應(yīng).反之,在對應(yīng)面上給予一定的電壓那么晶體出現(xiàn)厚度改變 ,產(chǎn)生伸縮現(xiàn) 象形成振動,從而產(chǎn)生聲波,稱為逆壓電效應(yīng).因此,超聲探頭中的換 能器是利用晶體的逆壓電效應(yīng),產(chǎn)生和發(fā)射超聲波,并利用正壓電效 應(yīng)接收回聲聲壓并轉(zhuǎn)變成電訊號.從原理上講,醫(yī)學(xué)超聲成像可以反射法成像,也可

22、以透射法成像 但目前廣泛應(yīng)用的超聲成像儀是利用脈沖回波技術(shù)的反射法成像.利用脈沖反射回波的超聲成像技術(shù)是與介質(zhì)的特性聲阻抗(Z)密切相關(guān)的.特性聲阻抗為聲波傳遞介質(zhì)中某點的聲壓和該點速度的比 值,它等于密度(p )與聲速(c)的乘積,即Z = P . c .正常組織與 病變組織特性聲阻抗不同,形成異常的界面聲反射,通過檢測這種異 常反射就有可能識別病灶區(qū)域范圍.凡能傳播超聲的介質(zhì)內(nèi)部有特 性聲阻抗變化的地方便可能成像,具檢測參數(shù)是聲壓(聲振幅).2,超聲診斷設(shè)備醫(yī)用超聲通過換能器一一探頭與人體被檢查部位接觸,發(fā)射和 接收不同頻率的超聲信號,經(jīng)過模數(shù)信號轉(zhuǎn)換或數(shù)字化聲束形成技 術(shù)處理,形成屏幕上

23、顯示的圖像,超聲醫(yī)生通過對圖像的生理或病 理解剖形態(tài)學(xué)、血流動力學(xué)和動態(tài)變化、生理物理特征等改變,綜 合分析得出定位、定性和定量診斷.診斷正確性取決于儀器的性能 和操作者的經(jīng)驗和水平.目前使用的全數(shù)字型彩色多譜勒超聲診斷 系統(tǒng)的圖像分辨力可以分辨小到毫米至微米級大小的病變,而且對 孕婦和性腺的檢查超聲劑量絕對限制在平安閾值范圍以內(nèi).超聲在 所有影像學(xué)檢查中操作最簡便,無輻射性損傷,價格低廉,可以動 態(tài)觀察臟器病變和心血管功能、無創(chuàng)性測定心腔內(nèi)壓力等,對臨床 診斷起到很重要的輔助作用.超聲檢查應(yīng)用范圍十分廣泛.在過去的半個世紀中,超聲診斷進展非常迅速.隨著聲學(xué)理論 的深入、計算機技術(shù)的開展,使超

24、聲診斷取得了前所未有的進步.從早期的 A型(Amplitude mode )、M型(Motion mode) 一維超聲 成像、B型(Brightness mode)二維成像,演進到動態(tài)實時三維成像； 由黑白灰階超聲成像開展到彩色血流顯像.諧波成像、組織多普勒 成像等新型成像技術(shù)和各項新的超聲檢查技術(shù)(如腔內(nèi)超聲檢查、 器官聲學(xué)造影檢查、介入超聲)逐漸應(yīng)用于臨床.目前超聲診斷已 成為一門成熟的學(xué)科,不僅能觀察形態(tài),而且能檢測人體臟器功能 和血流狀態(tài),在臨床診斷與治療決策上發(fā)揮著重要作用,成為醫(yī)學(xué) 影像學(xué)中的重要組成局部.超聲檢查的種類眾多,分類復(fù)雜,目前臨床最常用的是按顯示 回聲的方式進行分類.1).A型診斷法 即幅度調(diào)制型,此法以波幅的上下代表界面反 射信號的強弱,探測界面距離、臟器徑值以及鑒別病變的物理特性, 可用于對組織結(jié)構(gòu)的定位和定性.目前除用于顱內(nèi)病變的診斷外, 此法已根本為B型診斷法所取代.2),B型診斷法 即輝度調(diào)制型,本法以不同輝度的光點表示界 面反射信號的強弱,反射強那么亮,反射弱那么暗,稱為灰階成像(gray scale display ).由于采用連續(xù)方式進行掃描,故可顯示 臟器的二維切面圖像.當成像速度到達每秒24-30幅時,那么能顯示臟器的活動狀態(tài),稱為實時(real time )顯像.3