第一节　医学影像技术的发展

医学影像技术是利用专门成像机制的设备，以无创性方式获取人体内部结构信息的学科，包括X线成像技术［含X线透视、摄影、数字X成像和计算机X线断层扫描（computed tomography，CT）］、超声成像技术、磁共振成像（MRI）技术、核医学技术等。自X线成像技术应用于医学诊断以来，逐渐形成了获取影像和利用影像进行诊断的分工与合作。随着数字时代的到来，大影像学科的形成，影像技术也从单纯X线摄像发展到综合影像技术，成为医工结合、致力于医学影像获取、处理方法与质量控制研究的学科。数字时代的影像技术是研究如何正确和充分地使用设备，克服不利因素，在尽量减少患者痛苦和损伤的情况下，快速获取真实、直观、满足临床需要的影像，这已经成为当前研究的重点。

一、第一张人体影像照片

1895年11月8日，伦琴在维尔茨堡大学实验室中研究阴极射线的穿透力时，发现在暗室中旁边涂有氰化铂钡的荧光屏上，似乎也发出点蓝白色的光。阴极射线泄漏是不可能的，伦琴将放电管用黑纸板层层裹住，但是外面的镀有铂氰化钡的纸依然发出明亮的荧光，不管镀层是面向放电管还是背向放电管均一样。断电时，荧光不见了。在放电管与镀层间放置不同厚度的纸板、木板、玻璃均不能阻挡镀层发出荧光；而15mm厚的铝片只使荧光减弱，只有铅玻璃阻挡效果才感明显。若将手放在荧光屏前，可在屏上见到手骨阴影和淡淡的外围组织轮廓。伦琴断定产生荧光的根源在于放电真空管内，而且就在阴极射线轰击真空管玻璃之处。他认为这是一种新的未知射线，遂将其命名为“X射线”，后来将夫人的手放到照相底板上用X射线照了一张照片，这是人类史的第一张X射线照片，伦琴亲自在照相底板上用钢笔写上1895/12/22，上面还有他们的结婚戒指，如图1-1所示。

二、医学成像技术的发展

（一）医学X射线成像技术的发展

X射线的发现对医学的发展具有划时代的意义。X射线发现不久，就被人们应用到临床。从伦琴发现X射线到现在的一百多年时间里，射线影像设备一直在朝着不断满足人们需求和方便人们使用的方向发展。在刚开始的阶段，X射线检查仅仅被应用在密度差别较大的骨折和体内异物的诊断上。随着各种造影剂的发明和使用，X射线检查由人体局部对比的检查，逐步应用于人体各部分的检查，大大扩展了检查范围。

由于物理学、电子学、工程学、化学和计算机等学科的进步和发展，尤其是在X射线影像设备中得到了广泛应用，X射线产生的影像在可见性和可控性等方面都有了显著的进步，特别是计算机数字图像处理技术及其相关技术的发展和应用，使X射线影像设备数字化得以实现和发展。

传统X线摄像是以胶片为介质，集影像采集、显示、存储和传递功能于一体。因此，其中某一功能的改进不能单独进行，新技术难以得到应用。数字成像技术则将这些功能分解成不同的独立单元，从而可对每一功能进行单独最优化，使X线摄像进入了一个崭新的境界。

计算机断层扫描（CT）是计算机技术与X线检查技术相结合的产物。早在1917年奥地利数学家J.Radon利用数学理论证明利用X射线投影值可以重建物体的二维或三维图像。1971年英国EMI公司工程师Hounsfield成功研制了世界上第一台头部CT扫描仪，以后又出现了全身CT、螺旋CT和超高速CT等。X-CT是运用一定的物理技术，测定X线在人体内的衰减系数，通过一定的数学方法，经电子计算机处理，求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵，再应用电子技术把此二维分布矩阵转变为图像画面的灰度分布，从而实现断层重建医学影像的技术。CT把计算机技术引入医学成像，开创了数字影像的先河，为医学影像学带来了一场深刻的革命。CT的特点：一是体层影像；二是密度分辨率大幅度提高。随着多层螺旋CT（multi-slice CT，MSCT）的发展，同时具备了快速、薄层、长距离、X线利用率高四大优势，实现了有临床实用价值的各向同性扫描。通过后处理技术，不仅能够从冠状面、矢状面及任意角度、任意层面观察解剖形态，而且可以三维立体地显示各种解剖结构，彻底改变了CT只能显示横断层面的局限，使CT的应用达到了一个更新的境界。

（二）医学超声成像技术的发展

医学超声诊断技术起源于20世纪40年代，1950年代应用到临床上，1960年代得到进一步发展，1970年代得到广泛应用，1980年代后与计算机技术相结合，随着计算机、通信、微电子、图像等相关技术迅猛发展，医学超声诊断技术日益精臻。

用于医学上的超声频率为2.5～10MHz，常用的是2.5～5MHz。超声在介质中传播的速度因介质不同而异，在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。在人体软组织中约为1500m/s。超声仪器有A型超声诊断仪、M型超声诊断仪、B型超声诊断仪（B超），如图1-2所示，还有彩超（彩色多普勒血流显像仪），如图1-3所示。彩超属于实时二维血流成像技术，可在同一时间内获得多个回波信号，并对回波信号进行处理，获得速度大小、方向及方差信息，同时滤去迟缓部位的低频信号，再将提取的信号转变为红色、蓝色、绿色的色彩显示。尤其是利用先进的实时二维彩色超声多普勒系统，使血流图像和B超图像同时显示，即B型超声图像显示血管的位置而多普勒测量血流，这种B型和多普勒系统的结合能更精确地定位任一特定的血管。

（三）医学核磁共振成像技术的发展

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是由美国斯坦福大学的布洛赫Felix Bloch和哈佛大学的珀塞尔（Edward Purcell），在1946年分别同时发现。因此，两人获得了1952年诺贝尔物理学奖。它是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理获得图像，称为核磁共振成像。20世纪80年代初NMR成像用于临床，为了与放射性核素检查相区别，改称为磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。MRI设备如图1-4所示。

医疗卫生领域中的第一台MRI设备产生于20世纪80年代，2021年在我国县级及以上的医院得到了普及。MRI的最大优点是无伤害性。与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X线或1979年获得诺贝尔生理或医学奖的CT相比，MRI并非利用电离辐射成像。但是，体内有磁金属或起搏器的患者却不能用MRI检查，因为它们的磁场太强；而且，患幽闭症的患者也不宜用MRI检查。

（四）医学核素成像技术的发展

放射性核素成像（radio nuclide imaging，RNI），是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部结构的医学影像技术。放射性核素显像主要是功能性显像，可以进行功能性的量化测量。由于体内不同组织和器官对某些化合物具有选择性吸收的特点，故选用不同的放射性核素制成的标记化合物注入体内后，可以使体内各部位按吸收程度进行放射性核素的分布，再根据核素衰变放射出射线的特性，在体外用探测器进行跟踪，就可以间接获得被研究物质在生物体内的动态变化图像。核素成像包括正电子发射型计算机断层成像（positron emission computed tomography，PET）、单光子发射计算机断层成像（single photon emission computed tomography，SPECT）和γ照相机。

各类影像系统的功能和适宜检查的范围是不同的。以脑部成像为例，脑结构的确定可以用X-CT和MRI图像来完成，不过单独使用CT和MRI都不能获取脑及周围结构的全部结构性定义，两者配准后可以提供全部脑结构三维定位的体图像，只是在空间分辨率和三维覆盖范围上有一定限制。脑的功能性成像首先是采用核医学技术，包括SPECT和PET成像，使用特定的放射学同位素来测量脑部血容量（CBV）、脑血流（CBF）及局部代谢，由于这些设备的低分辨率大大限制了特定结构中功能的准确定位，使得有效性受到限制，而功能性MRI成像方面的最新进展，提供了无损伤的关于脑功能特征的成像技术。

21世纪的影像技术学已经是多种学科发展的综合，因而具有与多种学科交叉的优势。只有不断地在边缘与交叉领域谋求发展，才可能把握学科发展的方向；只有立足于现代高科技与医学的交叉点，才能不断扩展影像技术的研究空间；只有不同学科之间相互学习、相互启发和交流，才能有效推进医学科学的发展。