第一章　医学影像图像融合

医学影像学是以物理学手段检查人体组织器官的形态结构、生理与病理状态的图像，根据图像所显示的特点，对所患疾病进行诊断及研究的一门新兴医学科学。尤其20世纪70年代以后，随着电子计算机X-线断层扫描（computer tomography，CT）的问世，标志着医学影像学进入了一个崭新的时代，经过近50年的发展，医学影像学已经成为临床医学中发展最为迅速的学科，由传统的单一X线检查扩展为现在多种模式的医学影像学检查。据统计，在现代化的医院中，70%～85%的治疗信息来源于医学影像图像和图形。医学影像学由一种临床辅助检查手段，已发展成为临床诊断疾病的主要技术，进行人类活体科学研究的重要手段，是医院现代化的主要标志。目前的医学影像学已基本形成独立的体系，这些图像从不同角度反映了人体脏器和病变组织的信息，按照各自的成像原理不同，可分为解剖影像学和功能影像学两大类。

解剖影像学，顾名思义，是以反映人体脏器正常和病变组织解剖形态结构的影像学，是一种投影影像，包括X线成像、超声成像（ultrasound，US）、CT、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等。上述影像虽均属解剖影像学，但成像原理又各不相同，在骨关节系统疾病诊疗方面的应用也是各有优缺点。由于笔者暂无相关US图像与其他影像图像融合的经验，因此在本书中也不做其相关介绍。

目前临床工作中最常用的X线成像是数字化X线成像（digital radiography，DR），是20世纪90年代发展起来的X线摄影新技术，具有更快的成像速度、更便捷的操作、更高的成像分辨率等显著优点，已成为数字X线摄影技术的主导方向，并得到世界各国的临床机构和影像学专家认可。与传统X线照相相比，DR大大提高了图像质量，减低了曝光剂量。如同其他数字化成像一样，DR克服了获得照片后灰度和对比度固定而不可调节的缺点，可对影像进行多种后处理，通过灰阶处理和窗显示技术，改变影像的灰度和对比度，从而使组织结构及病灶得到最佳显示，以获取最大量的诊断信息。同时DR成像是数字化成像，可进行计算机处理，从原理上为影像图像融合奠定了基础。

DR是骨关节系统最常用的常规检查方法，常作为首选的影像检查手段，除骨盆、肋骨、肩、髋关节外，一般常规拍正侧位片。DR简便易行、费用低廉，尤其适用于急诊；平片的另一优点是空间分辨率高，其空间分辨率高于CT和MRI，DR不仅能观察骨质改变，也能显示一定的软组织改变。X线成像的缺点是反映疾病的滞后性，有研究显示，只有骨量丢失30%～50%之后才能在X线平片上有所显示。其次，DR成像是平面成像，对人体解剖结构重叠及病灶细节显示欠佳，如对脊柱、腕骨、跗骨等细微结构显示欠佳。

CT是电子计算机和X线相结合，应用到医学领域的重大突破，它使传统的X线诊断技术进入了计算机处理、电视图像显示的新时代，包括扫描部分、计算机系统，图像显示与记录系统和中央控制台。CT是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digital converter）转为数字，输入计算机处理。扫描所得信息经计算而获得每个体素的X线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵（digital matrix），数字矩阵可存贮于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器（digital/analog converter）把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素（pixel），并按矩阵排列，监视器上转为图像，即为该层的横断图像。图像可用多幅照相机摄于胶片上，供读片、存档和会诊用。

CT检查广泛用于全身各部位检查，在骨关节系统中弥补了DR成像的影像重叠及软组织结构分辨不清的缺点，将毗邻的不同器官及组织直接显示成清晰的图像，明显提高了病变的检出率和诊断的准确性。计算机断层扫描能在一个横断解剖平面上，准确地探测各种不同组织间密度的微小差别，是观察骨关节及软组织病变的一种较理想的检查方式。CT优于传统X线检查之处在于其分辨率高，而且还能做轴位成像。由于CT的密度分辨率高，所以软组织、骨与关节都能显得很清楚。加上CT可以做轴位扫描，一些传统X线影像上分辨较困难的关节都能在图像上“原形毕露”。如由于骶髂关节的关节面生来就倾斜和弯曲，同时还有其他组织之重叠，尽管大多数病例的骶髂关节用X线片已可能达到要求，但有时X线检查发现骶髂关节炎比较困难，则对有问题的病人就可做CT检查。尤其是多层螺旋CT（multi-slice CT，MSCT）的问世，更是将医学影像学推到了一个新的高度，通过调节层面厚度，最薄可达0.5mm层厚。MSCT获得的大容量信息能用于各种图像重建和后处理，大大提高了时间和空间分辨率。MSCT三维容积成像技术逼真地再现骨骼系统及其与周围结构的空间形状，立体、全面且直观地显示骨骼系统的解剖关系。CT检查用于骨关节系统有以下几方面优势：①有较好的密度分辨率，能很好地显示各种组织的层次结构，把DR中无结构的软组织影像分辨出皮肤、皮下脂肪、肌肉及血管神经鞘等；在骨结构中尚可区分出皮质骨、松质骨及骨髓，能发现细微的溶骨性或成骨性骨质破坏。②CT图像属于断层图像，可把DR中前、后重叠影像呈断面图像展开，明确病灶位于骨内或骨外，准确定位病灶及病灶范围。③强大的后处理功能，目前MSCT的重建技术主要有：多平面重建（multiplanar reconstruction，MRP）、表面遮盖显示（shaded surface display，SSD）和容积显示（volume rendering，VR）技术。

MRP重建技术是在横断面图像上按要求任意画线，然后沿该线将横断面上的二维体积元重组，即可获得该平面的二维重建图像，包括冠状面、矢状面、任意斜面和任意曲面的图像重建，能够全面准确地认识病变，是骨关节系统疾病图像重建中常用的方法之一，也是首选方法。VR是将每个层面容积资料中的所有体积元加以利用，因此，VR获得的是真实的三维显示图像。MSCT强大的计算机后处理功能及多种图像的重建为医学影像图像融合奠定了基础。

MSCT的成像原理同DR一样，均是利用X线成像，决定了反映疾病的滞后性，只有当组织器官发生器质性改变后，才能在CT图像中显示出来。

MRI图像如同CT图像，是数字化图像，是重建的灰阶图像，能够进行各种图像后处理技术，与CT图像不同之处是MRI图像上的灰度代表的是不同信号强度，而不是组织和病变的密度。MRI成像对骨关节系统的检查是除DR常规检查之外最佳检查方法。可对全身各部位进行检查，并可进行多方位、多序列成像。MRI成像软组织分辨率明显高于CT成像，对病变范围显示更清楚，解剖关系更明确，可为手术治疗提供更准确的信息。在脊柱方面，不需要造影剂就能清晰区分脊髓、硬膜囊和硬膜外脂肪。对肿瘤、脊髓空洞症、脱髓鞘病变等均有较高诊断价值，显示骨折或脱位不如常规X线和CT，但能观察脊髓损伤情况。显示椎间盘较好，可以分辨纤维环和髓核，特别是矢状面图像可以同时显示多个椎间盘突出。对软组织及肌肉病变包括肿瘤及炎症都能清晰显示，特别是对早期急性骨髓炎，是一种灵敏度很高的检查方法。也是检查膝关节半月板病变的首选方法。MRI成像的缺点是对骨皮质、钙化显示不敏感，同时对体内携带顺磁性金属物质禁忌检查。

目前临床常用的功能影像学主要有核医学显像和红外热成像两种技术。核医学显像显示的是放射性核素标记的放射性药物在体内的分布图。放射性药物依据自己的代谢和生物特征，特异地分布于体内特定的器官或病变组织，标记在放射性药物分子上的放射性核素由于放出放射线能在体外被探测，因而核医学显像是显示器官及病变组织解剖结构和代谢、功能相结合的显像，但主要以显示功能为主。核医学仪器主要有单光子发射型计算机断层显像（single photon emission computed tomography，SPECT）和正电子发射型计算机断层显像（positron emission computed tomography，PET）两种，都能得到器官的断层影像。PET/CT是目前临床应用较多，也是临床大夫较熟悉的图像融合显像。PET/CT是将PET和CT有机结合在一起，使用同一个检查床和同一个图像处理工作站，将PET图像和CT图像融合，可以同时反映病灶的病理生理变化和形态结构，明显提高诊断的准确性。PET/CT显像主要用于肿瘤、神经和心血管系统等疾病的诊断。PET/CT的缺点是成像价格较昂贵，经过近20年的发展，已在全国省会级医院普及，但在乡镇医院普及存在困难。此外，PET/CT最常用的显像剂是葡萄糖，在骨关节系统应用较少。本书中影像图像融合中核医学仪器均是SPECT，其成像原理及在骨关节系统的应用在本书中不再介绍，重点介绍SPECT/CT的原理及图像融合应用。

SPECT的基本成像原理是：首先将携带适当半衰期的放射性同位素药物注入病人体内，在药物到达所需要组织或病变断层位置后，由于放射性衰变，将从断层处发出γ光子，被位于体外的γ照相机探头所接收，通过闪烁体将探测到的高能γ射线转化为能量较低但数量很大的光信号，通过光电倍增管将光信号转化为电信号并进行放大，得到的测量值代表人体在该投影线上的放射性之和。在同一条直线上的灵敏点可探测人体一个断层上的放射性药物，它们的输出称为该断层的一维投影。SPECT仪器是二维探测器，安装了平行孔准直器后，可以同时获取多个断层的平行束投影，这就是平片。平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。利用计算机技术，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。从投影求解断层图像的过程称为重建，因此SPECT图像既可以获得平面图像也可以获得断层图像，具有强大的图像后处理功能。

目前SPECT显像最常用的放射性同位素是 ^99mT _C，具有下述优点：具有合适的半衰期，6.03小时；衰变方式是发射单纯的γ射线，无β射线；光子能量是140千电子伏特（86%），适宜SPECT采集；可以与 ^99mT _C螯合而制成放射性药物的多配体的研制成功以及亚锡离子还原剂方法的建立。