1、山東大學控制學院生物醫學工程系 劉忠國生物醫學圖像生物醫學工程概論之2022/10/11生物醫學工程中心2. 超聲成像系統 超聲成像設備是目前醫院中僅次于投影X射線機使用得最頻繁的成像設備。目前臨床上使用的超聲成像系統基本上都是采用脈沖回波亮度調制方式成像(即B型超聲顯像儀)。超聲成像的突出優點是對人體無損、無創、無電離輻射，同時又能提供人體斷面實時的動態圖像。因此廣泛地用于心臟或腹部的檢查。 2022/10/12生物醫學工程中心（1）B超2022/10/13生物醫學工程中心2022/10/14生物醫學工程中心超聲成像圖2022/10/15生物醫學工程中心超聲圖象Photo courtesy

2、Philips Research 3D ultrasound images 2022/10/17生物醫學工程中心2022/10/18生物醫學工程中心20世紀 80年代初問世的超聲彩色血流圖（color flow mapping，簡稱CFM）是目前臨床上使用的高檔超聲診斷儀。它的特點是把血流信息疊加到二維B型圖像上。凡是指向換能器的血流在B超圖中用紅顏色表示，而背離換能器的血流則用藍顏色表示。由于在一張圖像上既能看到臟器的解剖形態，又能看到動態血流，它在心血管疾病的診斷中發揮了很大的作用。超聲彩色血流圖2022/10/110生物醫學工程中心Color Flow Mapping, CFM2022/

3、10/111生物醫學工程中心超聲診斷2022/10/112生物醫學工程中心腎臟多普勒2022/10/114生物醫學工程中心（3）高能量聚焦超聲波治療儀（ high-intensity focused ultrasound, HIFU） 是利用超聲波良好的組織內聚焦性、方向性和能量的可滲透性，通過一定的聚焦方式，將超聲源發出的超聲能量聚焦于人體組織，在組織內形成一個聲強較高的區域焦域，使焦域組織溫度瞬間內達到70以上，致使焦域內的組織細胞凝固性壞死，失去增殖、浸潤和轉移能力，而對焦域以外的組織影響甚少。2022/10/115生物醫學工程中心聚焦超聲在其所穿過的非治療部位的能量不足以對組織造成損傷

4、。而在其聚焦點，由于聲強很高，通過超聲的熱效應使該處組織的溫度瞬間上升至56100，從而導致蛋白變性及組織細胞凝固性壞死；同時還通過超聲的空化效應使組織間液、細胞間液和細胞內氣體分子在超聲波正、負壓相作用下形成氣泡，并隨之收縮和膨脹以致最終爆破，所產生的能量導致細胞損傷、壞死。聚焦超聲聲焦域的形態、大小以及組織對超聲的效應和反作用等因素對超聲治療的深淺度、組織損傷范圍和損傷程度起著決定性的作用。因此，通過對超聲換能器參數的設置可以達到靶向破壞病變的目的，而對治療靶點周圍組織卻沒有損傷，從而實現無創治療的目標。高強度聚焦超聲與超聲熱療區別：高強度聚焦超聲聚焦區域瞬間溫度可升高到60以上，直接凝固

5、細胞蛋白。 超聲熱療則完全不同，超聲作用區的溫度一般為4045，不能直接造成細胞組織凝固性壞死，只能令其變性，故療效不可靠。2022/10/117生物醫學工程中心HIFU刀重慶醫科大學研制的HIFU刀是我國第一個完全擁有自主知識產權的 大型醫療設備2022/10/118生物醫學工程中心HIFU 刀無錫海鷹醫療電子有限公司生產的HY2900聚焦超聲腫瘤治療系統2022/10/119生物醫學工程中心 HIFU的優點：手術精確 治療中電腦實時計劃，實時監控，術中不出血 體外治療，不開刀，不出血，無疼痛，創傷反應明顯小于開放手術病人耐受性好。并發癥少 住院時間短 治療過程大約在半小時內完成，病人術后當

6、天可下地活動，康復快，身體狀況好者則無需住院風險小 尤其適用于因其他疾病或原因不能手術的患者,如高血壓，糖尿病，心血管疾病，高齡患者等。2022/10/120生物醫學工程中心3. 磁共振成像系統 1945年美國學者Bloch和Purcell首先發現了核磁共振現象，從此產生了核磁共振譜學這門科學。它在廣泛的學科領域中迅速發展成為對物質的最有效的非破壞性分析方法之一。核磁共振作為一種成像方法的應用是一個較新的發展。2022/10/121生物醫學工程中心Bloch和Purcell于1945年因發現宏觀物質核磁共振NMR現象獲得1952年諾貝爾物理學獎。 2022/10/122生物醫學工程中心1973

7、年P.C.Lauterbur把物體放置在一個穩定的磁場中，然后再加上梯度磁場，再用適當的電磁波照射這一物體，這樣根據物體釋放出的電磁波就可以繪制成物體某個截面的內部圖像；之后，Mansfield 改進了其方法，并發現不均勻磁場的快速變化可使上述方法能更快地繪制成物體內部結構圖像；他還證明可以用數學方法分析獲得的數據，為利用計算機快速繪制圖像奠定了基礎。直至上世紀 80 年代初第一臺醫用核磁共振成像儀才問世。核磁共振成像系統也稱為磁共振成像（magnetic resonance imaging，簡稱MRI）系統。核磁共振成像儀的研制2022/10/124生物醫學工程中心74歲的美國科學家保羅La

8、uterbur和即將70歲的英國的彼得-曼斯菲爾德Mansfield因發明核磁共振成像技術MRI方法獲得2003年諾貝爾醫學和生理學獎。 2022/10/125生物醫學工程中心MRI的三要素靜態磁場梯度磁場射頻電磁場2022/10/127生物醫學工程中心 磁共振圖像也是通過計算機處理后產生的圖像。與CT不同的是，CT圖中每個像素的數值代表的是人體組織中某一個體素對X線的衰減；而在磁共振圖像中，每個像素的值代表的是從某個體素來的磁共振信號的強度，它與共振核子的密度有關。 磁共振成像與CT圖像比較2022/10/128生物醫學工程中心MRI的突出優點基于核磁共振，無高能（XRay）輻射，故安全、對

9、人體無創可以對人體組織作出形態和功能的診斷；fMRI：磁共振功能成像提供精細的解剖結構信息MRI分辨率可達0.5mm；獲取人體的三維圖像數據較容易直接產生三維數據，無需重建另外，它還可以在不注射造影劑的情況下顯示血管影像。2022/10/129生物醫學工程中心MRI2022/10/130生物醫學工程中心開放式MRI2022/10/131生物醫學工程中心 MRI2022/10/132生物醫學工程中心 MRI2022/10/133生物醫學工程中心MR Angiography血管造影術HeadS/I ProjectionMRI Center, University of Rochester Medi

10、cal School2022/10/134生物醫學工程中心Hydrocephalus 腦水腫MRI Center, University of Rochester Medical School2022/10/135生物醫學工程中心Multispectral Tissue ClassificationT1T23D HistogramSegmentedImageFletcher, Barsotti, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:623 (1993)2022/10/136生物醫學工程中心Morphological Image ProcessingChen, Doughe

11、rty, Totterman, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:358 (1993)NormalCysticScleroticOsteoporosis2022/10/137生物醫學工程中心Motor Activation - Right Index Finger Movement1 Hz2 Hz3 Hz% 100755025Schlaug, et al, 1995, Harvard Medical School and Beth Israel Hospital2022/10/138生物醫學工程中心Asymmetry of Auditory Regions in Mus

12、icians with Perfect PitchSchlaug, et al, Science 267:699 (1995)2022/10/139生物醫學工程中心自旋磁矩核磁共振成像（MRI）原理2022/10/140生物醫學工程中心原子核（質子）進動氫核（質子）自旋產生一個小小的磁場，產生磁矩矢量2022/10/141生物醫學工程中心進動（Spin）與極化（Polarization）無外界作用時，質子自旋，磁矢量朝向隨機有外界磁場 B0作用時，質子會繞著磁場方向進動（極化）。進動的相位存在兩種情況：平行（與B0同向）: 低能量, 原子數目多反平行（與B0同向） : 高能量, 原子數目少對齊

13、后產生凈磁矩M2022/10/142生物醫學工程中心Larmor頻率在外磁場作用下，自旋的質子產生進動進動頻率稱為Larmor 頻率 =*B0為旋磁比,是質子的固有特性B0=1T, =42.58 MHzLarmor頻率在 射頻（RF）范圍2022/10/143生物醫學工程中心凈磁矩（Net Magnetization）不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同將M 分解為Mz 和 Mxy不同原子磁矩的平均值稱為凈磁矩若Mxy相互抵消，凈磁矩由Mz給出若Mz=0, 凈磁矩為Mxy2022/10/144生物醫學工程中心凈磁矩2022/10/145生物醫學工程中心核磁共振（NMR）在外加

14、磁場B0作用的同時，施加脈沖射頻場的作用當RF的頻率合適（取決于B0）時，進動的相位趨向一致，當完全一致時就發生核磁共振，原子由低能態激發到高能態共振時，質子大量吸收交變場的能量，同時向外輻射能量，此即為成像信號兩種可能的激發 90脈沖: 自旋從平行方向至垂直方向 (lower RF) 180脈沖: 自旋從平行方向至反平行方向 (higher RF)2022/10/146生物醫學工程中心Signal2022/10/147生物醫學工程中心馳豫時間（Relaxations Times）脈沖B1作用之后, 被激發的自旋漸漸恢復到低能態，同時向外輻射RF信號，此過程成為馳豫。 MRI通過測量兩個馳豫時

15、間信號成像T1: 90RF作用之后，Mz恢復到平衡態的63% 所需要的時間T2: 90RF作用之后，Mxy衰減到原始靜磁矩的37% 所需要的時間T1和T2對不同的組織是不同的，因此可以反映解剖結構的信息2022/10/148生物醫學工程中心2022/10/149生物醫學工程中心2022/10/150生物醫學工程中心MRI與CT比較，其主要優點1. 對腦組織無放射性損害，也無生物學損害。 2.可以直接做出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像。 3.不受骨像干擾，對后顱凹底和腦干等處的小病變能滿意顯示，對廣泛轉移的腫瘤有很高的診斷價值。 4.顯示疾病的病理過程較CT更廣泛，結構更清楚。能發現

16、CT顯示完全正常的等密度病灶。5.對神經、血管、肌肉等軟組織成分顯示明顯優于CT。2022/10/151生物醫學工程中心MRI與CT比較，其主要缺點1和CT一樣，MRI也是影像診斷，很多病變單憑MRI仍難以確診，不像內窺鏡可同時獲得影像和病理兩方面的診斷； 2對肺部的檢查不優于X線或CT檢查，對肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優越，但費用要高昂得多； 3對胃腸道的病變不如內窺鏡檢查； 4體內留有金屬物品者不宜接受MRI。 5. 危重病人、妊娠3個月之內的、帶有心臟起搏器的患者不能做MRI。 2022/10/152生物醫學工程中心XCT與MRI成像比較的特點：分辨率高，對骨、鈣化、早期腦

17、出血的顯示優于MRI；成像速度快，器官的運動偽影較小。CT價格較為低廉。軟組織之間的分辨能力差對人體有一定的輻射只給出解剖結構信息，幾乎無功能信息2022/10/153生物醫學工程中心4. 放射性核素成像 把放射性同位素標記在藥物上引入病人體內，當被吸收后，人體自身便成了放射源。放射性同位素在衰變過程中，將向體外輻射射線。用核子探測器在體外定量地觀察這些放射性同位素在體內的分布情況，以此成象。2022/10/154生物醫學工程中心 從所得的放射性同位素圖像中，不僅可以看到器官的形態，更重要的是可以從中了解到人體臟器新陳代謝的情況。這是其他成像系統所不容易做到的。因此，盡管放射性同位素圖像的分辨

18、率比較低(約為1cm左右)，但它仍是臨床診斷中的重要工具。放射性核素成像 特點2022/10/155生物醫學工程中心 早期的同位素成像裝置是同位素掃描儀，成像速度非常低。目前臨床上用得比較多的是照相機，可快速地拍攝體內臟器的圖片，并從一系列連續的圖像中了解器官新陳代謝的功能。放射性核素成像 特點2022/10/156生物醫學工程中心放射性核素成象設備射線照相機發射型CT（ECT: Emission Computed Tomography）單光子發射型CT（Single Photon ECT，簡稱SPECT）正電子發射型CT（ Positron Emission Computed Tomogra

19、phy ，簡稱PET ）2022/10/157生物醫學工程中心SPECT成像示意圖目前，SPECT在臨床上已得到較廣泛的應用。它是將照相機的探測器圍繞探查部位旋轉并采集相應的投影數據，然后采用與XCT類似的重建算法計算出放射性同位素分布的斷層圖像。（放射性核，如TC-99m 、TI-201）2022/10/158生物醫學工程中心SPECT2022/10/159生物醫學工程中心PET是根據這一類放射性同位素在衰變過程中釋放正電子的物理現象來設計的。正電子與電子相互作用發生湮滅現象后，會產生兩個能量為511Kev且傳播方向完全相反的光子，用一個符合檢測器就可以檢測出這種成對出現的射線光子。根據這樣

20、采集到的數據同樣能重建出斷層圖像。PET系統價格昂貴，主要是在實驗室或研究中心使用, 但目前已有少數醫院將該設備用于臨床。PET貧中子核素 半衰期以分鐘計。2022/10/160生物醫學工程中心Positron emission and annihilation 2022/10/161生物醫學工程中心PET成像示意圖2022/10/162生物醫學工程中心PET成像機理2022/10/163生物醫學工程中心PETPhilips_Precedence_SPECT-CTSiemens Dual Head-E.CAM SPECT CameraGE Discovey PETCT Camera2022/1

21、0/164生物醫學工程中心PET2022/10/165生物醫學工程中心PET -CT圖示2022/10/166生物醫學工程中心PET2022/10/167生物醫學工程中心PET的臨床應用神經疾病2022/10/168生物醫學工程中心放射性同位素成像的特點不僅能看到器官的形態，可以得到臟器的功能和代謝情況；分辨率較低：1cm；PET設備價格昂貴、不易于維護。2022/10/169生物醫學工程中心PET相較于CT和MRI來說主要特點為 1.靈敏度高。PET是一種反映分子代謝的顯像，當疾病早期處于分子水平變化階段，病變區的形態結構尚未呈現異常，MRI、CT檢查還不能明確診斷時，PET檢查即可發現病灶

22、所在，并可獲得三維影像，還能進行定量分析，達到早期診斷，這是目前其它影像檢查所無法比擬的。 2.特異性高。MRI、CT檢查發現臟器有腫瘤時，是良性還是惡性很難做出判斷，但PET檢查可以根據惡性腫瘤高代謝的特點而做出診斷。 2022/10/170生物醫學工程中心PET相較于CT和MRI來說主要特點為 3.全身顯像。PET一次性全身顯像檢查便可獲得全身各個區域的圖像。 4.安全性好。PET檢查需要的核素有一定的放射性，但所用核素量很少，而且半衰期很短（短的在12分鐘左右，長的在120分鐘左右），經過物理衰減和生物代謝兩方面作用，在受檢者體內存留時間很短。一次PET全身檢查的放射線照射劑量遠遠小于一

23、個部位的常規CT檢查，因而安全可靠。 2022/10/171生物醫學工程中心CompareCT / MRI show that you have a brain PET / SPECT show that you use it!組合 MRI / CT PET / CT2022/10/172生物醫學工程中心5：醫學成像新技術 由于人體臟器結構是一個三維空間分布，因此僅僅依靠一幅或幾幅二維圖像來理解三維結構是有一定的局限性的，它不能完全滿足臨床上在疾病診斷、治療決策及外科手術研究中的需要。（1）三維成像2022/10/173生物醫學工程中心為了給醫生提供真正的三維結構顯示圖，自70年代開始就有人著

24、手研究醫學三維成像的方法。早期的三維成像曾經采用過全息攝影等方法。隨著計算機技術的發展及計算機圖形學的成熟應用，醫學三維成像在近十年中有了很大的發展。2022/10/174生物醫學工程中心三維圖像一般是由一系列二維圖像疊合構成。將二維數據的集合變成三維數據結構后，人們就可以根據需要取出任意角度下的剖面來觀察。這樣可以使醫生更準確、更全面地了解臟器的內部結構。2022/10/175生物醫學工程中心 此外，醫生還可以“剝出”任意局部區域作進一步分析，或模擬外科手術過程，從而制定最佳的手術方案。目前，三維圖像已應用于放射學診斷、腫瘤學、心臟學與外科手術的研究中，并已成為計算機輔助制定治療方案的得力工

25、具。腹部X刀立體三維重建圖像2022/10/176生物醫學工程中心（2）微型內窺鏡最新型的M2A微型內窺鏡，可以像藥丸一樣服下2022/10/177生物醫學工程中心微型內窺鏡2022/10/178生物醫學工程中心M2A微型內窺鏡的內部結構：1、光學圓蓋 2、透鏡固定環 3、透鏡 4、照明發光二極管 5、互補金屬氧化物半導體成像器 6、電池 7、專用集成電路 8、天線微型內窺鏡2022/10/179生物醫學工程中心內窺鏡影像-潰瘍性腺癌2022/10/180生物醫學工程中心內窺鏡影像-皮革狀胃2022/10/181生物醫學工程中心（3）紅外成像2022/10/182生物醫學工程中心紅外圖象2022/10/183生物醫學工程中心（4）醫學圖象顯微圖象2022/10/184生物醫學工程中心醫學圖象顯微圖象2022/10/185生物醫學工程中心其他成像設備2022/10/186生物醫學工程中心其他成像設備2022/10/187生物醫學工程中心 隨著計算機技術的發展，各類醫學圖像的數據庫與醫學圖像的管理系統也日趨成熟。醫學圖像的管理是建立在實現大容量數字圖像存儲的基礎