第1节　医学数字成像系统概述

医学影像的来源是医学数字成像系统，也就是广泛存在于医院和医学研究机构的数字X线摄影（digital radiography）、数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）、X线计算机断层成像（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、超声成像（ultrasound imaging，USI）、放射性核素成像（radioactive nuclide imaging，RNI）等，其中数字X线摄影包括计算机X线摄影（computer radiography，CR）、直接数字X线摄影（direct digital radiography，DDR或DR）和多丝正比电离室X线摄影。放射性核素成像系统又包含γ照相机（gamma camera）、单光子发射型计算机体层（single proton emission computed tomography，SPECT）和正电子发射型计算机体层（positron emission computed tomography，PET）。

从更广义的角度讲，医学成像系统还应包含其他非常见医学成像系统、显微成像系统和动物成像系统。非常见医学成像系统是指非放射科、核医学科和放疗科所使用的医学成像系统，包含内镜、光学相干断层成像（optical coherence tomography，OCT）、红外成像仪、微波成像仪、热成像等。这些成像系统成像的物理源各不相同，包括可见光、激光、红外线、微波等，它们已经应用于临床人体成像，但应用范围较窄，所以在信息管理和图像格式规范上，与常用医学成像系统相比仍有差距。显微成像系统是指数字显微镜、体视显微镜、激光扫描共聚焦显微镜（laser scanning confocal microscope，LSCM）等一系列以观察微观结构为目的的成像系统。动物成像系统是指以基础医学研究为目的，针对小动物活体成像的成像系统，包括小动物Micro-CT、小动物Micro-MRI、小动物光学成像或多合一的小动物PET/CT成像系统等，它们主要的成像原理和技术应用与人体成像系统相同，但成像范围、成像分辨率等则有所区别。

本书主要针对第一类成像系统所得医学影像进行分析和处理，同时部分涉及另两类系统影像；期望在实用的基础上，尽可能多地探讨一些医学基础影像分析和处理。

一、数字X线成像

传统的X线成像始于1895年，伦琴发现X线后，很快就应用于医学成像。借助X线，人们透过皮肤看到体内的骨骼，这开创了对人进行影像学诊断的先例。到目前为止，临床影像的绝大多数仍是各种X线图像。由于成像的物理源是X射线，具有放射性，因此放射学、放射技术等名称皆由此而来。

随着信息技术的发展，20世纪80年代，结合了数字技术的数字X线成像系统飞速发展，逐渐出现了存储荧光体方式的CR系统、采用平板探测器（flat panel detector，FPD）的DR系统以及数字X线透视，这些技术用数字X线影像替代了传统的X线平片，也使得强大的数字图像处理技术可以应用于医学影像领域。

无论模拟X线成像还是数字X线成像，其基本物理原理是相同的，是由X线管发出的X线透过被检人体的组织结构时发生衰减，由于各种组织的密度（ρ）、原子序数（Z）以及厚度（d）的不同，对X线的衰减系数（μ）也不同，使得穿过人体出射的X线强度不同而产生X线对比度并由屏-片系统（影像增强器、成像板或平板探测器）接收，再经过处理形成可见的光学影像。

X线透过被照体时，如果把被照体作为信息源，X线作为信息载体，那么X线影像形成的过程就是一个信息传递与转换的过程。X线穿过被照射体有一定程度的衰减，这种X线在物质中的衰减符合如下规律：

式中，I为透过被照体的X线强度，I₀为入射X线强度，μ为线性衰减系数，d为被照体的厚度。被照体可能含有不同的组织，其对X线的衰减也有强弱之分。这种衰减差异造成穿透被照体X线的强度I之间存在差异，这种强度差异就是组织之间对X线衰减的天然对比度。X线穿过被照体到达胶片或影像板后，这种强度差异变成可见光差异。经过胶片冲洗或影像板读取后，差异最终转换成人眼可见的灰度差，呈现出黑白不同的X线影像。

在X线影像中，由于X线直接透射过一定厚度的肢体组织，穿透的X线衰减程度是所经过路径上所有组织衰减的综合。因此，X线影像也称透射像，其在X线穿过路径上的组织无法区分前后位置。如X线胸部正位片中，脊柱、心脏和胸骨影像是有相互重叠的，如果不借助解剖学知识，无法分清相互的位置关系。

二、断层成像

与透射像不同的是断层像，能获得断层像的成像系统称为断层成像系统。它包含同样使用X线的CT、利用核磁共振原理成像的MRI、利用放射性核素成像的SPECT和PET、利用可见光成像的OCT和LSCM等。

断层成像技术结合了计算机技术，采用投影方式获得对于被照体固定角度或固定层面的天然对比度信息，通过多次采集并行计算，最后得到一系列组织切面数字影像，也称断层影像。断层影像和透射影像见图1-1。

不同断层成像系统的成像方式不尽相同，但都需要大规模的矩阵计算。这种通过计算（主要是积分或迭代计算）获取断层影像的方法也称影像重建。具体内容和实验示例将在第6章中讨论。

（一）CT成像

1972年，英国工程师G.N. Hounsfield发明了CT。CT虽然仍使用X线作为物理源，但无论从成像装置、成像原理，还是从图像处理和影像诊断上都与传统的X线成像有所不同。CT是使自X线管发出的X线先经过准直器形成很细的射线束后穿透人体被检测层面，经人体内组织、器官衰减后，射出的带有人体信息的X线束到达检测器；检测器将含有被检体层面信息的X线转变为相应的电信号，再通过测量电路将电信号放大，由A/D转换器变为数字信号送入计算机处理系统处理；计算机系统按照设计好的方法进行图像重建和处理，得出人体层面上组织、器官衰减系数（μ）分布情况，并以灰度方式显示人体这一层面上组织、器官的影像（图1-2）。

CT成像具有许多优势，如可获得无层面外组织结构干扰的横断面图像，准确地反映解剖结构；密度分辨力高；能够准确地测量各组织的X线吸收衰减值，并进行定量分析；断层序列影像可以进行多种三维可视化。

（二）磁共振成像

磁共振成像是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）这一物理现象来获得人体内部组织的断面影像的成像技术，因具有多模态成像、软组织成像清晰、可任意断面成像、对人体无电离辐射等优点而在医学诊断中被广泛应用。功能磁共振成像、弥散张量成像等高级成像技术的出现，又使磁共振成像技术应用到了研究人脑功能的基础研究领域。

磁共振成像主要利用人体组织中某种原子核（一般为氢核）的核磁共振现象，这是一种原子核与外部磁场之间的能量交换过程。将人体置于一个均匀的外加磁场中，同时施加一定频率的射频信号（射频电磁场），则在人体与外磁场中就会存在能量的交换。如果此时在人体外部放置一定方向的线圈，则线圈中会产生与所交换能量大小对应的电信号；将所得电信号经过处理并经计算机分析重建，即可得出人体某一层面的影像。

MRI的空间分辨率一般≥0.5mm，虽不如X-CT高，但它的密度分辨率优于X-CT，在图像上可显示软组织、脂肪、肌肉、肌腱、神经、韧带、血管等。磁共振影像同CT影像相同，也是断面成像技术，并可以根据需要获得矢状位、冠状位、横断位和斜位影像。磁共振影像主要反映人体内所含氢核的空间分布差异，也称质子密度加权像（PDWI）。由于磁共振可以多模态成像，因此还可以获得反映不同能量交换过程参数的影像类型，如反映纵向弛豫时间的T₁加权影像（T₁WI）、反映横向弛豫时间的T₂加权影像（T₂WI）（图1-3）。此外，磁共振成像还可以通过选择不同的扫描序列，获得弥散影像、血管影像、功能影像等特殊成像类型。

（三）PET成像

正电子发射型计算机断层成像（PET）出现于20世纪70年代后期，Kuhl等人把放射性核素扫描与CT技术结合起来，研制出PET。PET也是断层成像系统，所以明显提高了核医学成像的定位能力，在动态功能检查或早期诊断方面有其独到之处。PET可以用人体代谢所必需的物质标记上短寿命的放射性核素（正电子放射性核素）制成显像剂，注入人体后进行扫描成像，特别适合进行人体生理和功能方面的研究，尤其是对脑神经功能的研究；缺点是有辐射危险，且在其附近需要有生产半衰期较短的放射性核素的加速器和放射化学实验室，临床使用时须有多人为之服务。

PET成像时，放射源（放射性核素）在被检人体内部，由体外设置的环状检测器进行检测，分析核素在人体内的分布和代谢。常用的正电子放射性核素有¹¹C、¹³N、¹⁵O、¹⁸F等。这些正电子放射性核素在人体内放出的正电子与组织相互作用，发生正电子湮没，并由此产生两个能量相等（511keV）、方向相反的γ光子，用符合探测在相反方向同时探测这两个511keV的γ光子，并将探测到的光子进行符合探测计数，经过信号处理和数据重建后，进行体层显像。

PET影像分辨率较低，一般极限分辨率为2mm左右，其主要作用是显示人体器官的功能，成像质量低于CT和MR影像（图1-4）。PET影像可反映某一正常组织或病灶的放射性分布（形态显示）、放射性标记药物浓集速率、局部葡萄糖氨基酸和脂肪代谢、血流灌注、氧利用率以及其他许多活体生理参数等。

三、其他成像

（一）光学相干断层成像技术

光学相干断层成像技术（OCT）是一种可对生物组织进行非侵入检测的光学成像技术，它结合光学相干测量和断层扫描技术，能够实现在体、实时、三维的医学成像，在眼睛、皮肤和心血管领域应用广泛。OCT设备与影像见图1-5。

目前OCT主要应用在眼科，进行眼底成像。它通过各种组织对光的反射吸收及其散射能力的不同而对组织进行断层成像，以分辨组织结构，其轴向分辨率可达10μm。OCT在视网膜疾病、黄斑疾病、视神经疾病、青光眼等临床研究方面有重要价值；它可为视网膜疾病，尤其是黄斑病的诊断及鉴别诊断提供有价值的依据，如黄斑裂孔、黄斑前膜、黄斑水肿、玻璃体黄斑牵引综合征等。

OCT还可用于血管成像，由于具有超高的分辨率，可以观察到血管壁上细微结构的改变，可以准确识别红色血栓和白色血栓，可以通过测定斑块表面的纤维帽厚度及纤维帽内巨噬细胞浓度，判断是否为易损。但需要注意的是，OCT进行血管断层成像时是需要进行侵入式成像的。

（二）激光共聚焦显微镜

激光扫描共聚焦是采用激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并利用计算机对所观察的对象进行图像处理的一套观察、分析和输出系统。除光学显微镜部分之外主要由激光光源、扫描装置、检测器、计算机系统、图像输出设备、光学装置和共聚焦系统等组成。

通过激光扫描共聚焦显微镜，可以对观察样品进行断层扫描和成像。相比OCT，LSCM更多地用在显微组织的成像中（图1-6），它可以无损伤地观察和分析细胞的三维空间结构。同时，激光共聚焦显微镜也是活细胞的动态观察、多重免疫荧光标记和离子荧光标记观察的有力工具，尤其在研究和分析活细胞结构，分子、离子的实时动态变化过程，组织和细胞的光学连续切片和三维重建等方面，是传统的光学显微镜所望尘莫及的。