影像学技术方法概述

1. 影像学技术方法概述 北京协和医院 放射科 薛华丹 2006-9

2. 影像学 • X 线基础上的检查手段： • 透视 • 平片 • 造影（消化道、生殖系统、泌尿系统、循环系统DSA） • CT • 磁共振成像 • 核医学成像 • 超声波

3. X线的发现 • 1895年德国科学家伦琴发现了具有高能量，肉眼看不见但能穿透不同物质且能使荧光物质发光的X射线。

4. X线与X线成像有关的特征 • 穿透性：X线波长很短，穿透性强，但在穿透过程中会被穿透物体部分吸收即衰减。这是X线成像的基础。 • 荧光效应：X线作用于荧光物质可使波长短的X线转化为波长长的荧光。这是进行透视检查的基础。 • 感光效应：涂有溴化银的胶片经X线照射后可以感光，经显、定影处理，感光的溴化银中的银离子被还原成金属银并沉淀于胶膜内，而未感光的溴化银在定影及冲洗过程中从胶片上被洗掉。它是X线摄片的基础。 • 电离效应：X线通过任何物质都可产生电离效应。进入人体时可引起生物学方面的改变，损害组织，损害程度与X线的量成正比。它是放射防护学和放射治疗学的基础。

5. 头颅平片（正侧位像）

6. 平片（X片） • X线有一定穿透力 + 人体组织之间有密度和厚度的差别 • X线穿过人体后，再使胶片、荧光屏等感光，就形成X线图像

7. X线成像的基本条件 • X线的穿透特性 • 厚度差异：人体组织结构和器官形态不同，厚度也不一样，这是产生影像对比的另一基础。越厚的组织累计吸收X越多。到达胶片上使溴化银感光的X线量越少，X线片呈白影；或使荧光屏所产生的荧光少，故荧光屏上显黑影。 • 密度差异：人体组织结构中密度高者对X线吸收多，低密度组织则恰相反。 • 正常人体组织结构的密度大体可分为三类： • 高密度：骨、钙化灶等； • 中等密度：软骨、肌肉、神经、实质性脏器； • 低密度：脂肪及呼吸道、胃肠道、鼻窦等空腔内的气体等。 • 病变可使人体组织的密度和形态发生改变，可以通过这些改变所带来的相应的X线影像变化来发现病变并判定病变性质。

9. X线的临床应用 • 荧光透视（fluoroscopy）： • 优点：可转动患者体位进行多方向观察；了解脏器的动态变化，如心脏大血管的搏动及胃肠蠕动等。 • 缺点：荧光屏亮度较低，影像对比度及清晰度较差，难于观察密度与厚度差别小的器官及密度与厚度较大的部位，如头颅、脊柱、腹部等部位。 • X线摄影 (x-ray radiography)：是最常用的X线检查技术。 • 优点：通过曝光条件的改变，可较好的显示密度、厚度较大或密度、厚度差别较小的组织结构。 • 缺点：每一照片仅是一个方位和一个瞬间的影像，为避免重叠的遮盖，常需作互相垂直的两个方位的摄影；对功能方面的观察不及透视方便和直接。

10. 其他特殊检查 • 体层摄影(tomography)： • 普通X线片上，一部分影像因与其前后影像重叠而不能显示。利用动态平面聚焦，体层摄影可获得某一选定层面上结构的清晰影像，而选定层面以外的结构则在投影过程中被模糊掉。CT、MRI和超声的应用使体层摄影逐渐淡出。 • 软线摄影： • 采用能放射波长较长的X线的钼靶管球，提高软组织分辨力，用以软组织，特别使乳腺的检查。 • 高电压摄影(high voltage radiography)： • 采用120kV以上的电压进行摄片。穿透力强，有助于突出密度差别较大组织的对比度。 • 放大摄影、荧光摄影、记波摄影 目前很少使用。

11. X线成像的数字化新进展 • CR（Computed radiography）系统 • 将透过人体的X线影像信息记录在影像板（image plate, IP）上，经过读取、处理和显示等步骤，显示出数字化图像 • DR（digital radiography）系统 • 以硒鼓为检测器的数字X线摄影 • DDR检测器成板形固定于胸片架或检查床的滤线栅中 • 电荷耦合器件（CCD）摄像机阵列方式

12. 造影检查 • 对于缺乏自然对比的结构或器官，可将密度高于或低于该结构的物质引入器官内或其周围间隙，使之产生对比以显影，此即造影检查。 • 胃肠造影 • 子宫输卵管造影 • 脊髓造影 • 血管造影 • （CT/MRI增强扫描）

13. 胃肠造影

14. 子宫输卵管造影 & 脊髓造影

15. 造影剂 • 不同的系统 • 胃肠道造影剂（硫酸钡） • 血管造影剂（非离子碘） • 胆道造影剂（碘番酸） • 不同的成像方式 • X线造影剂 • MR造影剂（磁显葡胺） • 代谢性造影剂（FDG）

16. 高密度造影剂（阳性造影剂）：为原子序数高、比重大的物质。高密度造影剂（阳性造影剂）：为原子序数高、比重大的物质。 • 钡剂：医用硫酸钡粉末加水和胶配成，主要用于食管及胃肠造影，并可采用气钡双重对比检查以提高图像质量。 • 碘剂：分为有机碘和无机碘制剂。 • 有机碘制剂：注入血管内，主要经肝从胆道或经肾从泌尿道排除。广泛应用于胆管及胆囊、肾盂及尿路、动脉及静脉的造影以及作CT增强检查等。 • 离子型造影剂：高渗性，副作用较多。 • 非离子型造影剂：具有相对低渗性、低粘度及低毒性等优点，目前较常用。 • 无机碘制剂：以碘化油较常用，可用于支气管、瘘管与子宫输卵管造影等。其造影后吸收极慢，故造影完毕应尽可能吸出。 • 低密度造影剂（阴性造影剂）：为原子序数低比重较小的物质。如二氧化碳、氧气、空气等。可用于蛛网膜下腔、关节腔、腹腔及软组织间隙的造影。

17. DSA(digital substraction angiography)原理 • 最常用的是: 动脉DSA(intraarterial DSA) • 最常用的方法：时间减影法（temporal subtraction method) • 经导管向血管内快速注入造影剂，在造影剂未到达、峰值和廓清的时间段内连续采集图像10帧（1帧/秒） • 取1帧血管内含造影剂的图像减去血管内不含造影剂的图像（蒙片），使骨骼和软组织影像被抵消 • 获得清晰的血管影像

18. 心、脑血管造影

19. 常用的插管技术方法

20. 血管造影的临床应用 • 1. 血管性疾病的诊断（如血管狭窄闭塞性疾病、血管破裂、动脉瘤、动静脉畸形、动静脉瘘等）。 • 2. 小的富血供肿瘤的诊断与定位（如甲状旁腺瘤、胰岛素瘤等）。 • 3. 血管解剖的术前评估（如器官移植、局部肿瘤切除等）。 • 4. 疾病或手术导致的血管性并发症的诊断和治疗。 • 5. 进行经皮血管腔内治疗（如经导管药物灌注、溶栓、栓塞、球囊成形、置入支架等）。 • DSA技术发展很快，现已达到三维立体实时成像，更有利与病变的显示。

22. Look Inside The Human Body... X ray allowed people for the first time to be able to view the anatomyof the human body noninvasively • But anatomic structures were superimposed • And soft tissue couldn’t be differentiated

23. CT Broke the Barrier... In 1972, two scientists - Hounsfield and Ambrose- presented the first clinical CT image ...

24. The Human Body Slice by Slice... So we could see tomographic anatomy & density differences • But it was time consuming (10 min. / image) • And the resolution needed to be improved

25. CT

26. What Does a CT Look Like?

27. Gantry Table What Does a CT Look Like? From the outside... • Gantry • Table • Generator • Console • Computer Generator Console Computer

28. What Does a CT Look Like? From the inside... Tube • Tube • Detector • DAS* DAS Detector * Data Acquisition System

29. How Does CT Work? X-ray generation Data acquisition Recon & postprocessing

30. Image Generation - The “Slice” X-rays pass through a collimator therefore only penetrating an axial layer of the object, called a "slice"

32. CT图像如何形成？ • 也是X线成像 • 黑白不同灰度的像素按矩阵排列 • 每个像素的亮度反映相应体素的X线吸收系数 • 像素越小、数目越大，图像空间分辨力越高 • CT值可定量反映组织密度

33. 3000 Blood Liver 60 Tumor Spleen Kidneys Heart Pancreas Bone Bladder 40 Adrenal Gland Intestine Water 0 -100 Mamma -200 Fat -900 Air Lung -1000 Image Display - Windowing Rule of thumb: The CT value of water is 0 and air -1000. The relative values of the other tissues are calculated relative to that of water This is the so-called CT number in Hounsfield unit (HU)

34. Image Display - Windowing The range of CT density values is defined from -1000 to +3000, but the human eye can distinguish only 30 - 40 gray scales at best. Lung Window Mediastinum Window So, the window settings must be in accordance with the structures to be visualized

35. Image Display - Windowing Broad Window Width Narrow Window Width Narrow window width: High-contrast image, but structures outside that window range may be inadequately represented or overlooked. Broad window width: Minor density differences appear homogeneous and may be masked.

36. 什么是MRI MRI - Magnetic Resonance Imaging • Magnetic Field（磁场） • Radio Frequency Wave（射频脉冲） • 是通过对人体施加强磁场及射频照射，利用组织中的氢质子 • 产生磁共振信号扫描获取人体内部信息，由计算机合成断层影像的诊断设备.

37. MRI( Magnetic Resonance Imaging) • 曾经称为核磁共振( Nuclear MRI) • 采用的是电磁波，没有辐射伤害 • 为避免误解会产生有害射线，现称磁共振（MRI） • 原理较复杂 • 主要是四个环节： • 向稳态的原子核发射射频脉冲 • 原子核发射信号 • 梯度磁场进行空间编码 • 产生不同MR信号的图像

38. MRI

39. 硬件： 主磁体 永磁型磁体 常导型磁体 超导型磁体 梯度系统：用于扫描层面的空间定位，梯度线圈形成微弱的梯度磁场与主磁场重叠，可根据梯度差别确定层面位置。 射频系统：用来发射射频脉冲，使质子吸收能量产生共振，在驰豫过程中产生MR信号，并进行接收的一种装置。 发射和接受线圈 谱仪系统：包括梯度场、射频场的发生和控制，MR信号接收和控制等部分组成，起承上启下的作用。 计算机图像处理系统：每部分都要求配备大容量的计算机和高分辨的模/数转换器，以完成数据采集、图像处理、图像显示等任务。 g MR 系统

40. What are the characteristics of nuclei? Precession happens when an external magnetic field (B0) applies. It is the result of Spin + B0 The frequency of precession is determined by Larmor Equation:w = g B0 • Spin is an intrinsic property of atomic particles. 1H:g =42.58MHz/T

41. How to communicate with the nuclei? • Apply Radio Frequency that must be at or near the resonant (precessional) frequency. • Remove the RF energy. • Electrical signal is induced in the coil because magnetization vectors return to equilibrium.

42. How to distinguish different tissues? & • Different tissues have their own value of T1 &T2 Time constant: T1 &T2 Different T1 &T2 mean different signal amplitude

44. 人体内不同组成成分的T1/T2值

45. 人体内不同组成成分的T1/T2值

46. T1值为什么不同 • 自旋－晶格 驰豫（spin-lattice relaxation） • 高能级的氢原子降至低能级时，将能量释放给周围的晶格的过程 T2值为什么不同 • 自旋－自旋 驰豫（spin-spin relaxation） • 各个氢原子小磁场间相互影响致矢量散相位的过程

47. How to get the proton density, T1 & T2-weighted image?

48. How to get the signal of a specific slice within the patient’s body, and voxels within the slice ? Y-gradient magnetic field produces phase encoding within the slice. • Z-gradient magnetic field selects the slice. X-gradient magnetic field produces frequency encoding within the slice.

49. How to reconstruct the image? Fourier Transform(FT): Conversion of time and frequency2D-FT is used in MR system: Frequency and Phase directionK-Space is where the raw MR data acquired by the pulse sequence is stored.

50. Spin Echo Sequence • 900 RF pulse displaces the longitudinal magnetization vector to XY plane. • 1800 RF pulse refocuses the spins that have been dephased. • TR & TE