生物医学工程概论之生物医学图像-1-part2.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,生物医学工程中心,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物医学工程中心,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物医学工程中心,*,2.,超声成像系统,超声成像设备是目前医院中仅次于投影,X,射线机使用得最频繁的成像设备。目前临床上使用的超声成像系统基本上都是采用脉冲回波亮度调制方式成像(即,B,型超声显像仪)。,超声成像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时又能提供人体断面实时的动态图像。,因此广泛地用于心脏或腹部的检查。,2025/11/1 周六,1,生物医学工程中心,（,1,）,B,超,2025/11/1 周六,2,生物医学工程中心,2025/11/1 周六,3,生物医学工程中心,超声图象,Photo courtesy Philips Research,3D ultrasound images,2025/11/1 周六,6,生物医学工程中心,2025/11/1 周六,7,生物医学工程中心,除断面成像外，血流测量也是超声成像设备中的重要组成部分。,超声血流测量是借助多普勒,频移,原理完成的。,射入人体的一定频率的超声波在遇到运动的红血球时，血球产生的后向散射信号会出现多普勒频移。通过对多普勒回波信号的分析就能得到血流的方向与速度信息，这些信息是心血管疾病与脑血管疾病诊断中的重要依据。,（,2,）多普勒超声诊断,2025/11/1 周六,8,生物医学工程中心,20世纪 80年代初问世的超声彩色血流图（,color flow mapping,，,简称,CFM,）,是目前临床上使用的高档超声诊断仪。,它的特点是把血流信息叠加到二维,B,型图像上。,凡是指向换能器的血流在,B,超图中用红颜色表示，而背离换能器的血流则用蓝颜色表示。,由于在一张图像上既能看到脏器的解剖形态，又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。,超声彩色血流图,2025/11/1 周六,9,生物医学工程中心,Color,Flow Mapping,CFM,2025/11/1 周六,10,生物医学工程中心,超声诊断,2025/11/1 周六,11,生物医学工程中心,超声诊断,2025/11/1 周六,12,生物医学工程中心,肾脏多普勒,2025/11/1 周六,13,生物医学工程中心,（,3,）,高能量聚焦超声波治疗仪,（high-intensity focused ultrasound,HIFU）,是利用超声波良好的组织内聚焦性、方向,性和能量的可渗透性，通过一定的聚焦方式，,将超声源发出的超声能量聚焦于人体组织，在,组织内形成一个声强较高的区域,焦域,，使,焦域组织温度瞬间内达到,70以上,，致使焦域,内的,组织细胞凝固性坏死,，失去增殖、浸润和,转移能力，而对焦域以外的组织影响甚少。,2025/11/1 周六,14,生物医学工程中心,HIFU,原理示意图,2025/11/1 周六,15,生物医学工程中心,聚焦超声在其所穿过的非治疗部位的能量不足以对组织造成损伤。而在其聚焦点，由于声强很高，通过超声的热效应使该处组织的温度瞬间上升至,56,100,，从而导致蛋白变性及组织细胞凝固性坏死；同时还通过超声的空化效应使组织间液、细胞间液和细胞内气体分子在超声波正、负压相作用下形成气泡，并随之收缩和膨胀以致最终爆破，所产生的能量导致细胞损伤、坏死。聚焦超声声焦域的形态、大小以及组织对超声的效应和反作用等因素对超声治疗的深浅度、组织损伤范围和损伤程度起着决定性的作用。因此，通过对超声换能器参数的设置可以达到靶向破坏病变的目的，而对治疗靶点周围组织却没有损伤，从而实现无创治疗的目标。,高强度聚焦超声与超声热疗区别：,高强度聚焦超声聚焦区域瞬间温度可升高到,60,以上，直接凝固细胞蛋白。,超声热疗则完全不同，超声作用区的温度一般为,40,45,，不能直接造成细胞组织凝固性坏死，只能令其变性，故疗效不可靠。,2025/11/1 周六,16,生物医学工程中心,HIFU刀,重庆医科大学研制的,HIFU,刀是我国第一个,完全拥有自主知识产权,的 大型医疗设备,2025/11/1 周六,17,生物医学工程中心,HIFU 刀,无锡海鹰医疗电子有限公司生产的,HY2900,聚焦超声肿瘤治疗系统,2025/11/1 周六,18,生物医学工程中心,HIFU,的优点：,手术精确,治疗中电脑实时计划，实时监控，,术中不出血,体外治疗，不开刀，不出血，无疼痛，创伤反应明显小于开放手术病人耐受性好。,并发症少,住院时间短,治疗过程大约在半小时内完成，病人术后当天可下地活动，康复快，身体状况好者则无需住院,风险小,尤其适用于因其他疾病或原因不能手术的患者,如高血压，糖尿病，心血管疾病，高龄患者等。,2025/11/1 周六,19,生物医学工程中心,3.,磁共振成像系统,1945年美国学者,Bloch,和,Purcell,首先发现了,核磁共振现象,，从此产生了,核磁共振谱学,这门科学。,它在广泛的学科领域中迅速发展成为对物质的最有效的非破坏性分析方法之一。,核磁共振作为一种成像方法的应用是一个较新的发展。,2025/11/1 周六,20,生物医学工程中心,Bloch,和,Purcell,于,1945,年因发现宏观物质核磁共振,NMR,现象获得,1952,年诺贝尔物理学奖。,2025/11/1 周六,21,生物医学工程中心,Richard R.Ernst,于,66,年和,70,年代的研究因发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术而获得,1991,年诺贝尔化学奖。,2025/11/1 周六,22,生物医学工程中心,1973年,P.C.Lauterbur,把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上梯度磁场，再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像；之后，,Mansfield,改进了其方法，并发现不均匀磁场的快速变化可使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像；他还证明可以用数学方法分析获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础,。,直至,上世纪,80,年代初第一台医用核磁共振成像仪才问世,。,核磁共振成像系统也称为磁共振成像（,magnetic resonance imaging，,简称,MRI）,系统。,核磁共振成像仪的研制,2025/11/1 周六,23,生物医学工程中心,74,岁的美国科学家保罗,Lauterbur,和即将,70,岁的英国的彼得,-,曼斯菲尔德,Mansfield,因发明核磁共振成像技术,MRI,方法获得,2003,年诺贝尔医学和生理学奖。,2025/11/1 周六,24,生物医学工程中心,核磁共振成像（MRI）基本原理,将人体置入一个强磁场中；,对人体施加一个一定频率的交变射频场，使被探测的质子共振并向外辐射能量；,在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生；,接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图像；,图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间,T1,和,T2,典型的,MRI,对氢核（或质子）成像,氢核在人体组织中普遍存在,氢核产生强的磁共振信号,2025/11/1 周六,25,生物医学工程中心,MRI的三要素,静态磁场,梯度磁场,射频电磁场,2025/11/1 周六,26,生物医学工程中心,磁共振图像也是通过计算机处理后产生的图像。与,CT,不同的是，,CT,图中每个像素的数值代表的是人体组织中某一个体素对,X,线的衰减；,而在磁共振图像中，每个像素的值代表的是从某个体素来的磁共振信号的强度，它与共振核子的密度有关。,磁共振成像与,CT,图像比较,2025/11/1 周六,27,生物医学工程中心,MRI的突出优点,基于核磁共振，无高能（,X,Ray,）辐射，故安全、对人体无创,可以对人体组织作出形态和功能的诊断；,fMRI,：磁共振功能成像,提供精细的解剖结构信息,MRI,分辨率可达,0.5mm,；,获取人体的三维图像数据较容易,直接产生三维数据，无需重建,另外，它还可以在不注射造影剂的情况下显示血管影像。,2025/11/1 周六,28,生物医学工程中心,MRI,2025/11/1 周六,29,生物医学工程中心,开放式,MRI,2025/11/1 周六,30,生物医学工程中心,MRI,2025/11/1 周六,31,生物医学工程中心,MRI,2025/11/1 周六,32,生物医学工程中心,MR Angiography,血管造影术,Head,S/I Projection,MRI Center,University of Rochester Medical School,2025/11/1 周六,33,生物医学工程中心,Hydrocephalus,脑水肿,MRI Center,University of Rochester Medical School,2025/11/1 周六,34,生物医学工程中心,Multispectral Tissue Classification,T,1,T,2,3D Histogram,Segmented,Image,Fletcher,Barsotti,Hornak,Magn.Reson.Med,.,29,:623(1993),2025/11/1 周六,35,生物医学工程中心,Morphological Image Processing,Chen,Dougherty,Totterman,Hornak,Magn.Reson.Med.,29,:358(1993),Normal,Cystic,Sclerotic,Osteoporosis,2025/11/1 周六,36,生物医学工程中心,Motor Activation-Right Index Finger Movement,1 Hz2 Hz3 Hz,%,100,75,50,25,Schlaug,et al,1995,Harvard Medical School and Beth Israel Hospital,2025/11/1 周六,37,生物医学工程中心,Asymmetry of Auditory Regions in,Musicians with Perfect Pitch,Schlaug,et al,Science,267,:699(1995),2025/11/1 周六,38,生物医学工程中心,自旋磁矩,核磁共振成像（MRI）原理,2025/11/1 周六,39,生物医学工程中心,原子核（,质子）进动,氢核（质子）自旋产生一个小小的磁场，产生磁矩矢量,2025/11/1 周六,40,生物医学工程中心,进动（,Spin,）与极化（,Polarization,）,无外界作用时，质子自旋，磁矢量朝向随机,有外界磁场,B0,作用时,，,质子会绕着磁场方向进动（极化）。进动的相位存在两种情况：,平行（与,B0,同向）,:,低能量,原子数目多,反平行（与,B0,同向）,:,高能量,原子数目少,对齐后产生净磁矩,M,2025/11/1 周六,41,生物医学工程中心,Larmor,频率,在外磁场作用下，自旋的质子产生进动,进动频率称为,Larmor,频率,=*B0,为旋磁比,是质子的固有特性,B0=1T,=42.58 MHz,Larmor,频率在 射频（,RF,）范围,2025/11/1 周六,42,生物医学工程中心,净磁矩（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,将,M,分解为,Mz,和,Mxy,不同原子磁矩的平均值称为净磁矩,若,Mxy,相互抵消，净磁矩由,Mz,给出,若,Mz=0,净磁矩为,Mxy,2025/11/1 周六,43,生物医学工程中心,净磁矩,2025/11/1 周六,44,生物医学工程中心,核磁共振（,NMR,）,在外加磁场,B0,作用的同时，施加脉冲射频场的作用,当,RF,的频率合适（取决于,B0,）时，进动的相位趋向一致，当完全一致时就发生核磁共振，原子由低能态激发到高能态,共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量，此即为成像信号,两种可能的激发,90,脉冲,:,自旋从平行方向至垂直方向,(lower RF),180,脉冲,:,自旋从平行方向至反平行方向,(higher RF),2025/11/1 周六,45,生物医学工程中心,Signal,2025/11/1 周六,46,生物医学工程中心,驰豫时间（,Relaxations Times,）,脉冲,B1,作用之后,被激发的自旋渐渐恢复到低能态，同时向外辐射,RF,信号，此过程成为驰豫。,MRI,通过测量两个驰豫时间信号成像,T1:90RF,作用之后，,Mz,恢复到平衡态的,63%,所需要的时间,T2:90RF,作用之后，,Mxy,衰减到原始静磁矩的,37%,所需要的时间,T1,和,T2,对不同的组织是不同的，因此可以反映解剖结构的信息,2025/11/1 周六,47,生物医学工程中心,2025/11/1 周六,48,生物医学工程中心,2025/11/1 周六,49,生物医学工程中心,MRI,与,CT,比较，其主要优点,1.,对脑组织无放射性损害，也无生物学损害。,2.,可以直接做出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像。,3.,不受骨像干扰，对后颅凹底和脑干等处的小病变能满意显示，对广泛转移的肿瘤有很高的诊断价值。,4.,显示疾病的病理过程较,CT,更广泛，结构更清楚。能发现,CT,显示完全正常的等密度病灶。,5.,对神经、血管、肌肉等软组织成分显示明显优于,CT,。,2025/11/1 周六,50,生物医学工程中心,MRI,与,CT,比较，其主要缺点,1,和,CT,一样，,MRI,也是影像诊断，很多病变单凭,MRI,仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；,2,对肺部的检查不优于,X,线或,CT,检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比,CT,优越，但费用要高昂得多；,3,对胃肠道的病变不如内窥镜检查；,4,体内留有金属物品者不宜接受,MRI,。,5.,危重病人、妊娠,3,个月之内的、带有心脏起搏器的患者不能做,MRI,。,2025/11/1 周六,51,生物医学工程中心,XCT与MRI成像比较的特点：,分辨率高，对骨、钙化、早期脑出血的显示优于,MRI,；,成像速度快，器官的运动伪影较小。,CT,价格较为低廉。,软组织之间的分辨能力差,对人体有一定的辐射,只给出解剖结构信息，几乎无功能信息,2025/11/1 周六,52,生物医学工程中心,4.,放射性核素成像,把放射性同位素标记在药物上引入病人体内，当被吸收后，人体自身便成了放射源。,放射性同位素在衰变过程中，将向体外辐射,射线。,用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况，以此成象。,2025/11/1 周六,53,生物医学工程中心,从所得的放射性同位素图像中，,不仅可以看到器官的形态，更重要的是可以从中了解到人体脏器新陈代谢的情况。,这是其他成像系统所不容易做到的,。因此，尽管放射性同位素图像的分辨率比较低,(,约为1,cm,左右,),，但它仍是临床诊断中的重要工具。,放射性核素成像 特点,2025/11/1 周六,54,生物医学工程中心,早期的同位素成像装置是同位素扫描仪，成像速度非常低。目前临床上用得比较多的是,照相机，可快速地拍摄体内脏器的图片，并从一系列连续的图像中了解器官新陈代谢的功能。,放射性核素成像 特点,2025/11/1 周六,55,生物医学工程中心,放射性核素成象设备,射线照相机,发射型,CT,（,ECT:Emission Computed Tomography,）,单光子发射型,CT,（,Single Photon ECT,，,简称,SPECT,）,正电子发射型,CT,（,P,ositron,E,mission Computed,T,omography,，,简称,PET,）,2025/11/1 周六,56,生物医学工程中心,SPECT成像示意图,目前，,SPECT,在临床上已得到较广泛的应用。它是将,照相机的探测器围绕探查部位旋转并采集相应的投影数据，然后采用与,XCT,类似的重建算法计算出放射性同位素分布的断层图像。,（放射性核，如,TC-99m,、,TI-201,）,2025/11/1 周六,57,生物医学工程中心,SPECT,2025/11/1 周六,58,生物医学工程中心,PET,是根据这一类放射性同位素在衰变过程中释放正电子的物理现象来设计的。,正电子与电子相互作用发生湮灭现象后，会产生两个能量为511,Kev,且传播方向完全相反的光子，用一个符合检测器就可以检测出这种成对出现的,射线光子。,根据这样采集到的数据同样能重建出断层图像。,PET,系统价格昂贵，主要是在实验室或研究中心使用,但目前已有少数医院将该设备用于临床。,PET,贫中子核素 半衰期以分钟计。,2025/11/1 周六,59,生物医学工程中心,Positron emission and annihilation,2025/11/1 周六,60,生物医学工程中心,PET成像示意图,2025/11/1 周六,61,生物医学工程中心,PET,成像机理,2025/11/1 周六,62,生物医学工程中心,PET,Philips_Precedence_SPECT-CT,Siemens Dual Head-E.CAM SPECT Camera,GE Discovey PETCT Camera,2025/11/1 周六,63,生物医学工程中心,PET,2025/11/1 周六,64,生物医学工程中心,PET-CT,图示,2025/11/1 周六,65,生物医学工程中心,PET,2025/11/1 周六,66,生物医学工程中心,PET的临床应用神经疾病,2025/11/1 周六,67,生物医学工程中心,放射性同位素成像的特点,不仅能看到器官的形态，可以得到脏器的,功能和,代谢情况,；,分辨率较低：1cm,；,PET设备价格昂贵、不易于维护,。,2025/11/1 周六,68,生物医学工程中心,PET,相较于,CT,和,MRI,来说主要特点为,1.,灵敏度高。,PET,是一种反映,分子代谢的显像,，当疾病早期处于分子水平变化阶段，病变区的,形态结构尚未呈现异常,，,MRI,、,CT,检查还不能明确诊断时，,PET,检查即可发现病灶所在，并可获得三维影像，还能进行定量分析，,达到早期诊断,，这是目前其它影像检查所无法比拟的。,2.,特异性高。,MRI,、,CT,检查发现脏器有肿瘤时，是良性还是恶性很难做出判断，但,PET,检查可以根据,恶性肿瘤高代谢,的特点而做出诊断。,2025/11/1 周六,69,生物医学工程中心,PET,相较于,CT,和,MRI,来说主要特点为,3.,全身显像。,PET,一次性全身显像检查便可获得全身各个区域的图像。,4.,安全性好。,PET,检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,分钟左右，长的在,120,分钟左右），经过物理衰减和生物代谢两方面作用，在受检者体内存留时间很短。一次,PET,全身检查的放射线照射剂量远远小于一个部位的常规,CT,检查，因而安全可靠。,2025/11/1 周六,70,生物医学工程中心,Compare,CT/MRI show that you have a brain,PET/SPECT show that you use it!,组合,MRI/CT,PET/CT,2025/11/1 周六,71,生物医学工程中心,5,：,医学成像新技术,由于人体脏器结构是一个三维空间分布，因此仅仅依靠一幅或几幅二维图像来理解三维结构是有一定的局限性的，它不能完全满足临床上在疾病诊断、治疗决策及外科手术研究中的需要。,（,1,）,三维成像,2025/11/1 周六,72,生物医学工程中心,为了给医生提供真正的三维结构显示图，自70年代开始就有人着手研究医学三维成像的方法。早期的三维成像曾经采用过全息摄影等方法。,随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，医学三维成像在近十年中有了很大的发展。,2025/11/1 周六,73,生物医学工程中心,三维图像一般是由一系列二维图像叠合构成。,将二维数据的集合变成三维数据结构后，人们就可以根据需要取出任意角度下的剖面来观察。这样可以使医生更准确、更全面地了解脏器的内部结构。,2025/11/1 周六,74,生物医学工程中心,此外，医生还可以“剥出”任意局部区域作进一步分析，或模拟外科手术过程，从而制定最佳的手术方案。,目前，三维图像已应用于放射学诊断、肿瘤学、心脏学与外科手术的研究中，并已成为计算机辅助制定治疗方案的得力工具。,腹部,X,刀立体三维重建图像,2025/11/1 周六,75,生物医学工程中心,（,2,）,微型内窥镜,最新型的,M2A,微型内窥镜，可以像药丸一样服下,2025/11/1 周六,76,生物医学工程中心,微型内窥镜,2025/11/1 周六,77,生物医学工程中心,M2A,微型内窥镜的内部结构：,1,、光学圆盖,2,、透镜固定环,3,、透镜,4,、照明发光二极管,5,、互补金属氧化物半导体成像器,6,、电池,7,、专用集成电路,8,、天线,微型内窥镜,2025/11/1 周六,78,生物医学工程中心,内窥镜影像,-,溃疡性腺癌,2025/11/1 周六,79,生物医学工程中心,内窥镜影像,-,皮革状胃,2025/11/1 周六,80,生物医学工程中心,（,3,）红外成像,2025/11/1 周六,81,生物医学工程中心,红外图象,2025/11/1 周六,82,生物医学工程中心,（,4,）医学图象显微图象,2025/11/1 周六,83,生物医学工程中心,医学图象显微图象,2025/11/1 周六,84,生物医学工程中心,其他成像设备,2025/11/1 周六,85,生物医学工程中心,其他成像设备,2025/11/1 周六,86,生物医学工程中心,随着计算机技术的发展，各类医学图像的数据库与医学图像的管理系统也日趋成熟。医学图像的管理是建立在实现大容量数字图像存储的基础上的。现在，一张12,in（1in=25.4mm）,的光盘大约可存储近2000幅10241024像素的图像，并能根据需要很快地分门别类调出所需的图像。,医学图像的管理系统,2025/11/1 周六,87,生物医学工程中心,此外，利用现有的计算机网络或其他通信系统进行数字图像的通信也已成为现实，形成了当今所谓的,“图像归档与通信系统”（,picture archiving and communications system，,简称,PACS）。,PACS,系统,2025/11/1 周六,88,生物医学工程中心,PACS,2025/11/1 周六,89,生物医学工程中心,2025/11/1 周六,90,生物医学工程中心,影像诊断技术发明时间表,2025/11/1 周六,91,生物医学工程中心,6.,我国医学成像技术及设备发展简况,19,世纪末，,X,线知识传入我国,1911,年，英籍医生康特捐赠一架小型,X,光机给河北省中华医院（今开栾医院），成为我国的第一台,X,光机。,1951,年，上海精密医疗仪器厂试制,200mAX,线机成功，并于,1953,年批量生产。,1954,年，复旦大学试制成功固定阳极的,X,线管，上海精密医疗仪器厂试制成功钨酸钙增感屏。,1958,年，,X,线摄影胶片制造成功。,20,世纪,60,年代，国产旋转阳极,X,线管研制成功。,1983,年，第一台颅脑,CT,试制成功。,1990,年，全身,CT,装置研制成功。,目前，我国已经先后开发成功中低场的,MRI,X-,刀，,HIFU,等，部分技术已经具有国际先进水平。,2025/11/1 周六,92,生物医学工程中心,Terms,CT:computerized tomography,MRI:,magnetic resonance imaging,PET:,positron emission tomography,SPECT:,single photon emission tomography,DSA:digital subtraction angiography,PACS:picture archiving and communication system,2025/11/1 周六,93,生物医学工程中心,