1.課程名稱:醫學影像設備學

教材：醫學影像設備學(第三版)主編：徐躍梁碧玲2.教學學時:20學時理論16學時，實驗4學時

3.授課對象:醫學影像專業本科

考核方式：考查醫學影像設備學是一門重要的醫學影像專業課，是學生掌握臨床影像操作技能的橋梁課程。它的特點是綜合性強，涉及面廣，既有X線、超聲波、磁共振、γ射線等的原理和特性，又有機械制造、電子線路、計算機、攝影及醫學影像設備的參數、性能、功能、指標等內容。它是一門既有理論，又有實踐，既有抽象的概念，又有大量形象的圖像的課程。通過本課程了解各種影像設備的發展歷程和發展趨勢；熟悉影像設備的組成、分類和用途；介紹診斷用X線機、數字成像設備、計算機體層（CT）、磁共振成像（MRI）、超聲成像設備、核醫學成像設備的組成、分類、基本結構、原理、用途。

掌握影像設備的基本結構、原理，以及應用范圍。教學安排第一章：概論2學時第二章：X射線發生裝置2學時第三章：診斷用X射線機2學時第四章：數字X射線設備2學時第五章：X射線計算機體層成像設備2學時第六章：磁共震成像設備2學時第七章：超聲成像設備2學時第八章：核醫學成像設備2學時實習：4學時總計：20學時第一章醫學影像設備學概論第一節醫學影像設備的發展簡史

第二節醫學影像設備的分類

第一節醫學影像設備的發展簡史一、常規射線設備問世，為放射學的建立奠定了基礎

1895年11月8日，德國物理學家倫琴（WithelmConradRoentgen，1845~1923）在做真空管高壓放電實驗時，發現了一種肉眼看不見、但具有很強的穿透本領、能使某些物質發出熒光和使膠片感光的新型射線，即X射線，簡稱為X線。

下面是倫琴當時發現X線和實驗室用的設備：1896年，德國西門子公司研制出世界上第一只X線管。20世紀10~20年代，出現了常規X線機。其后，由于X線管、高壓變壓器和相關的儀器、設備以及人工對比劑的不斷開發利用，尤其是體層裝置、影像增強器、連續攝影、快速換片機、高壓注射器、電視、電影和錄像記錄系統的應用，到20世紀60年代中、末期，已形成了較完整的學科體系，稱為影像設備學。X-Ray二、CT掃描設備的誕生，是醫學影像設備的里程碑1972年，英國工程師漢斯菲爾德（G.N.Hounsfield）首次研制成功世界上第一臺用于顱腦的X線計算機體層攝影（x-raycomputedtomography，X-CT）設備，簡稱為X-CT設備，或CT設備。CT設備是橫斷面體層，無前后影像重疊，不受層面上下組織的干擾；同時由于密度分辨力顯著提高，能分辨出0.1%~0.5%X線衰減系數的差異，比傳統的X線檢查高10~20倍；還能以數字形式（CT值）作定量分析。Third&FourthGenerations近30年來，CT設備的更新速度極快，掃描時間由最初的幾分鐘向亞秒級發展，圖像快速重建時間最快的已達0.75s（512×512矩陣），空間分辨力也提高到0.1mm。寬探測器多層螺旋CT設備得到了廣泛的普及，功能有了進一步的擴展。大孔徑CT設備可兼顧日常應用與腫瘤病人定位，組合型CT設備可在完成CT檢查后直接進行正電子發射型計算機體層（positiveemissioncomputedtomography，PET）檢查，使CT的形態學信息與PET的功能性信息通過工作站準確融合，可以更準確地完成定性與定量的診斷。平板探測器CT設備目前尚在開發階段，一旦技術成熟，從機器設計、信息模式、成像速度、射線劑量到運行成本都會有根本性的改變，將會引起CT設備的又一次革命。20世紀80年代初用于臨床的磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）設備，簡稱為MRI設備。它是一種新的非電離輻射式醫學成像設備。MRI設備的密度分辨力高，通過調整梯度磁場的方向和方式，可直接攝取橫、冠、矢狀層面和斜位等不同體位的體層圖像，這是它優于CT設備的特點之一。迄今，MRI設備已廣泛用于全身各系統，其中以中樞神經、心血管系統、肢體關節和盆腔等效果最好。中場超導（0.7T）開放型MRI設備進一步普及，它便于開展介入操作和檢查中監護病人，克服了幽閉恐懼病人和不合作病人應用MRI檢查的限制。雙梯度場技術可在較小的范圍內達到更高的梯度場強，有利于完成各種高級成像技術，如功能成像、彌散成像等。降噪措施和成像專用線圈也都有了較大的進步，如功能成像線圈和肢體血管成像線圈等。腹部診斷效果已接近和達到CT設備水平，腦影像的分辨力在常規掃描時間下提高了數千倍，而顯微成像的分辨力達到50~10μm，現已成為醫學影像診斷設備中最重要的組成部分。生物體磁共振波譜分析（magneticresonancespectroscopy，MRS）具有研究機體物質代謝的功能和潛力，今后如能實現MRI設備與MRS結合的臨床應用，將會引起醫學診斷學上一個新的突破。MRIAnMRIwasrequestedofthis36-year-oldpatienttoconfirmthesuspicionofdiaphragmalherniaforplanningsurgery.Thefetus—inits26thweek—hasahistoryofknownsitusinversusandsonographicsuspicionofatrialseptumdefectanddiaphragmalhernia.Thepatient'spositionwasobliquetotheleftsidetoreducecompressionoftheinferiorvenacavabythefetus,leadingtoreducedvenousflowtotherightatrium.Toreducemovementartifacts,sedationwasaccomplishedbyoraladministrationof5mgdiazepampriortotheexam.Whatwerethefindingsanddiagnosis?UlrichKramer,MD,andHeinz-PeterSchlemmer,MD,attheUniversityHospitalTuebingen(Tuebingen,Germany)?ImagecapturedviatheMagnetomAvanto1.5TMRIwithTimfromSiemensMedicalSolutions(Malvern,Pa)Fetal1.5TMRIFindings*andDiagnosisThefetuspresentedwithpelvicorientation;theplacentawassituatedventrally.Situsinversuspresentingwithaleft-sidedliverwasdetected.Mesenterialstructuresweredetectedinthedorsalmediastinum,predominantlyontheleftside.Thevolumeoftheleftlungwasconsiderablyreducedsecondarytocompressionbyintestinalstructures.Theurogenitalstructuresandurinarybladderappearednormal.Inacaseofsitusinversus,MRIdemonstratedalargediaphragmaldefectwithleft-sideddystopiaofabdominalstructuresinthemediastinumandconsecutivelungcompression.Thiscrucialinformationwasneededforpropertherapyplanning,becausesurgeryisindispensableinthiscasetokeepthebabyaliveafterdelivery.

MoreInformationontheScanSiemensMedical'sMagnetomAvantowithTim(totalimagingmatrix)allowstwoBodyMatrixcoilstobeusedincombinationwithSpineMatrixcoilsforextendedcoverage.First,localizerimageswereacquiredtofindthecorrectangulationforcoronalandsagittalslicesinthefetus.Subsequently,TrueFISPsequenceswereusedtogetanatomicalcoverageofthoracicandabdominalstructuresofthefetus.RepresentativeangulationswererepeatedwithT2WTSEsequencestodemonstratefindingswithhigherresolution.Thisparticularimageisanultrafast,T2WTrueFISP(fetalsagittal)imagewiththefollowingparameters:TR4.3ms/TE2ms/FlipAngle:69°/BW:490Hz/Px/SliceThickness:4mm/Matrix:156x256mm/FoV:325x400mm.Thisscantookonlyafewseconds.*Thesefindingsarebasedontheentireexam,notjusttheimageshownhere.HumanNeckPlane: SagittalSequence: SpinEchoWristImageCoil: AsymSTSSequence: SpinEchoSlice: CoronalTR/TE: 2000/27msFOV: 8cmThk: 1.5mmMatrix: 256x256Nex: 1Hydrocephalus（腦積水）MRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchoolImageContrast(T2)SIGNALTEWhiteTumorMRAngiographyHeadS/IProjectionMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchoolProtonNMRSpectroscopyinMultipleSclerosisPMMatthews,Neurology41:1252(1991)CHO CholineCr CreatineNAA N-acetylaspartateLA LactateActivePlaqueNormal-AppearingWhiteMatter硬化癥MultispectralTissueClassificationT1T23DHistogramSegmentedImageFletcher,Barsotti,Hornak,Magn.Reson.Med.29:623(1993)Morphological(形態學的)ImageProcessingChen,Dougherty,Totterman,Hornak,Magn.Reson.Med.29:358(1993)NormalCysticScleroticOsteoporosisMotorActivation-RightIndexFingerMovement1Hz 2Hz 3Hz%100755025Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital數字減影血管造影（digitalsubtractionangiography，DSA）、計算機X線攝影（computedradiography，CR）和數字攝影（digitalradiography，DR）是20世紀80年代、90年代開發的數字X線機。前者具有少創、實時成像、對比分辨力高、安全、簡便等特點，目前，正向快速旋轉三維成像實時減影方向發展，從而擴大了血管造影的應用范圍。后者具有減少曝光量和寬容度大等優點，更重要的是可作為數字化圖像納入圖像存儲與傳輸系統（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）。而X線實時高分辨力成像板將是最具革命性、最有發展前途的影像探測器之一。DSA20世紀50年代和60年代，超聲成像（ultrasonography，USG）設備和核醫學設備相繼出現，當時在醫學上的應用往往各成系統。1972年X-CT設備的開發，使醫學影像設備進入了一個以計算機和體層成像相結合、以圖像重建為基礎的新階段。70年代末80年代初，超聲CT（ultrasonicCT，UCT）、放射性核素CT和數字X線機逐步興起，并應用于臨床。盡管這些設備的成像參數、診斷原理和檢查方法各不相同，但其結果都是形成某種影像，并依此進行診斷。PhotocourtesyPhilipsResearch

Ultrasoundexaminationduringpregnancy

PhotocourtesyPhilipsResearch

3Dultrasoundimages

（六）醫用內鏡前述各種醫學影像設備雖然在某種程度上能顯示出人體的內部組織形態，但這種顯示是間接的、非直觀的。真正能做到直觀的儀器，目前唯有內鏡。利用光學內鏡，能使人眼直接看到人體內臟器官的組織形態，從而提高了診斷的準確性。內鏡的診療優勢，已成為醫學界的共識。醫用內鏡的種類很多，目前臨床上用得最多的是光導纖維內鏡（纖鏡），而最有發展潛力的是電子內鏡。光導纖維內鏡（簡稱為纖鏡）以胃腸內鏡為例，它是由頭端部、直徑為7.9~12.8mm的可彎插入管以及將光源和頭端部連接起來的連接管組成。頭端部由目鏡，遠端彎角，抽吸和送水的各種控制件及工作鉗孔等組成，可以手持。纖鏡可彎曲的套管中密封有傳像束和導光束，它們將頭端和末端連接在一起。導光束將來自光源的光傳輸到內鏡的末端以照明視物。傳像束將圖像作為反射光傳回到目鏡。導光束和傳像束由30000~50000根光學纖維構成，它們即使在彎曲時也能進行雙向光傳輸。傳像束要連貫地排列，使每根纖維在內鏡頭、尾兩端的相對位置保持一致，以便在目鏡中重建一幅十分逼真的圖像。電子內鏡的功能比光導纖維內鏡多得多，是內鏡的一大進步。它主要由內鏡、光源、視頻處理中心、視頻顯示系統、圖像與病人數據記錄系統及附屬裝置組成。其最大的特點是采用電荷耦合器（chargescoupleddevice，CCD）將觀察到的物像由光信號轉換成電信號，并傳輸到視頻中心進行處理，達到最終顯示的目的。傳輸到監視器的圖像還可記錄下來，用視頻打印機打印，也可傳輸到另一場所進行同時觀察。20世紀80年代初，USG內鏡問世。它是將US探頭和內鏡連在一起，在內鏡的引導下，將US探頭送入體內進行掃描，所得到的信息要比在體表上獲得的掃描信息準確詳細。目前這類設備主要用線性和扇形兩種掃描方式，而采用凸式掃描做彩色多普勒和B型圖像顯示則較為少見。此外，激光內鏡和三維內鏡亦在發展之中。前者是將診斷與治療功能結合在一起的新一代內鏡。后者可提供立體圖像，能使許多高難度的手術得以順利實施，且大大提高了手術的安全系數，是內鏡發展史上又一新進展。二、治療用設備（一）介入放射學設備所謂介入放射學（interventionalradiology）系統，就是借助高精度計算機化的影像儀器的觀察，通過導管深入體內，對疾病直接進行診斷與治療的一種新型設備與技術。它的問世，使臨床某些疾病由不可治變為可治，使治療的難度由大變小，使有創傷變成少創傷甚至無創傷，使病人免受或減輕了手術之苦，操作比較安全，治療效果也較好。利用介入放射學系統開展診療工作，對提高某些心血管病、腦血管病、腫瘤等重大疾患的診療水平，提高治愈率與存活率，改善生活質量，發揮了重要作用。醫學影像設備的導向是完成介入治療的關鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學儀器等多種儀器組成的大型精密儀器設備系統。特別是20世紀80年代初發展起來的影像技術與計算機結合的DSA問世后，由于它能實時地向醫生提供導管導向的位置、局部循環結構、栓塞或擴張的效果等有關介入診療的信息，因而具有極大的優越性，目前可以說已基本取代了常規的血管造影設備。而計算機的應用，使DSA向智能化、光纖網絡的綜合快速數據處理能力、無膠片處理方式、盡可能低的X線劑量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的圖像處理技術方向發展，從而為介入放射學提供了有力的保證。醫學影像設備的導向是完成介入治療的關鍵。這需要一套由機械、儀器儀表、計算機、光學儀器等多種儀器組成的大型精密儀器設備系統。特別是20世紀80年代初發展起來的影像技術與計算機結合的DSA問世后，由于它能實時地向醫生提供導管導向的位置、局部循環結構、栓塞或擴張的效果等有關介入診療的信息，因而具有極大的優越性，目前可以說已基本取代了常規的血管造影設備。而計算機的應用，使DSA向智能化、光纖網絡的綜合快速數據處理能力、無膠片處理方式、盡可能低的X線劑量、不分散注意力和操作方便的界面、最快最好的圖像處理技術方向發展，從而為介入放射學提供了有力的保證。介入性導管，根據用途可分為兩類，即診斷用導管和治療用導管及其附件。前者包括心血管、腦血管造影導管，肝、腎、胰、脾等內臟器官用導管十余種。這種導管要有一定耐壓性和滿足大流量的要求（15~25ml/s）。后者如消化道治療導管、腫瘤化療用導管、射頻消融導管、溶栓導管、二尖辮球囊擴張導管等。其附件有血管內支架（自膨脹型、球囊膨脹型、形狀記憶型）、導絲（引導導管用）等。專家預測，在21世紀，應用微電子、分子生物學和基因工程的新成果，集多功能如內鏡、USG設備、血流壓力測量等于一體的新一代治療導管及傳輸裝置將進一步發展。應用生物適應性良好的材料、內支架、留置用導管的研制和臨床應用將有助于進一步提高介入治療的水平。開放式MRI設備與其相應配套裝置的開發以及與USG設備的配合使用，將使介入治療技術向低或無放射線方向發展。影像設備的研制、開發，使實時成像和立體成像引導下的介入性操作成為可能，加上新的抗癌藥物、栓塞劑和基因療法的應用，將進一步提高介入治療的精度與療效。（二）立體定向放射外科學設備立體定向放射外科（stereotacticradiosugery，SRS）或稱立體定向放射治療（stereotacticradiotherapy，SRT），是一門新的醫療技術。它是利用現代X-CT設備、MRI設備或DSA設備，加上立體定向頭架裝置對顱內病變區做高精度定位；經過專用治療計劃系統（具有三維顯示和計算功能的計算機）做出最優化治療計劃；運用邊緣尖銳的小截面光子束（MeV級）以等中心照射方式聚焦于病變區（位于等中心處），按治療計劃作單平面或多個非共面的單次或多次劑量照射。由于照射野邊緣劑量下降很陡，就像用刀切一樣，所以，用γ射線時稱為γ-刀，用X線時稱為X-刀。無論是γ-刀，還是X-刀，都不是將病變切除，而是用放射線將腫瘤細胞殺死。γ-刀的主體結構是一個半球形金屬屏蔽系統，其中排列著201個60Co源，每個60Co源均有雙重不銹鋼屏蔽，它所發出的γ射線經準直校正后，形成一個狹光束，聚焦于半球的中心。準直分為內外兩層，外準直與60Co源一起固定于主機內，內準直為半球形頭盔，根據孔洞直徑分為4mm、8mm、14mm、18mm四種，以適應不同大小的