医学成像系统.ppt
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1、生物医学工程生物医学工程2023/4/21生物医学工程生物医学工程超声成像超声成像核医学成像核医学成像磁共振成像磁共振成像单光子发射型计算机断层成像(单光子发射型计算机断层成像(SPECT)正电子发射断层成像(正电子发射断层成像(PET)计算机断层扫描成像(计算机断层扫描成像(CT)2023/4/22生物医学工程生物医学工程2023/4/23生物医学工程生物医学工程历史1928年开始研究超声的生物效应;1950年应用A超对人体体内的肿块的检查;1960年超声波理疗以及眼科,牙科手术;70年代年代B超应用于临床,可实时获得人体脏器的解剖结构图像;特点:无(低)损伤,非侵入性,操作方便80年代年代
2、超声成像设备有了新的发展,图像分辨率达到了0.5mm,图像的灰阶等级满足了诊断要求;研制了各种特殊探头,可将探头伸入体腔内进行超声成像,显示出比较小的器官;彩色多普勒超声诊断仪的出现,提供心脏内的血流流动情况和血流量。2023/4/24生物医学工程生物医学工程超声成像的物理基础超声在均匀介质中传播时,不会发生发射;当介质的声阻抗发生变化时,超声会在其界面发生反射;声阻抗变化愈大,发射愈强;超声在人体组织内的传播速度为1540m/s;由于传播速度低,同一换能器既发射超声又接收回波;现代电子技术可区分来自不同深度的反射回波,使实现回波反射式超声成像仪成为可能;目前使用的各种超声成像仪都是回波反射型
3、的,显示的是人体组织的各界面对超声波的反射特征;超声在人体组织中传播时产生衰减,与超声频率成正比;超声在人体组织中传播是一种复杂的过程,除了发射,还有透射,以及衍射,散射,折射;2023/4/25生物医学工程生物医学工程超声成像系统A型,M型,B型等超声诊断仪:利用脉冲回波法,应用超声在体内组织中幅度(能量衰减)变化的机理;多普勒超声诊断仪:应用超声的频移效应;利用超声在传播过程中相位变化的信息,目前正在研究中;2023/4/26生物医学工程生物医学工程A A型超声诊断仪型超声诊断仪原理:原理:用压电晶片作换能器,用重复频率10002000Hz的电脉冲激励发射单声束进入人体体内组织界面产生反射
4、反射回波由同一发射换能器接收转换成电信号放大,检波CRT显示(横坐标:超声传播时间,纵坐标:回波的幅度)特性特性:从回波的分布:包络宽度及幅度大小,可以测度病灶的位置,大小等。缺点缺点:这种显示缺少解剖信息,诊断困难;2023/4/27生物医学工程生物医学工程M型超声(超声心动图仪超声心动图仪)显示时把A型仪器的时间基线加到示波管的垂直偏转板上,即用Y轴表示脏器的深度;把回波信号加到示波管亮度调制板上,于是Y方向上每一条亮暗不同的线相当于一个A型显示;在水平偏转板上加一个慢时间扫描电压,示波管上就能显示出各界面随时间的活动曲线;用途:用途:主要用于心脏的诊断,可看到两个心动周期中各反射界面的运
5、动情况,如二尖瓣开放与关闭的情况。2023/4/28生物医学工程生物医学工程B型超声诊断仪概念:概念:使探头发射超声波时,按一定模式在一个水平上扫描,以亮度等级显示回波幅度,令探头扫描与X轴扫描电压同步,就可获得人体组织的二维断层图像。按扫描方式的不同,可分为按扫描方式的不同,可分为:机械扇形扫描 相控阵扇形扫描 线阵扫描工作原理工作原理:时序电路产生触发脉冲使发射电路产生宽度为的一窄脉冲激励换能晶片,产生超声波(f由晶片决定)不同深度的反射回路按先后次序进入放大器检波后成了视频信号显示2023/4/29生物医学工程生物医学工程B型的主要功能型的主要功能大都采用了数字扫描变换技术,采用大规模数
6、字存储器,将图像实时地,数字化地存入存储器中,并可同时从存储器读出图像再到显示器显示;由于回波信号数字化,仪器可具有记忆功能,可存储多幅图像;对图像进行各种处理(例如伪彩色显示),以利于诊断;也可使图像静止,即图像冻结;提供各种字符显示和测量功能;2023/4/210生物医学工程生物医学工程彩色多普勒超声诊断仪彩色多普勒超声诊断仪多普勒效应:多普勒效应:当超声从运动物体反射时,其反射回波与发射频率不同,频率之差与运动速度有关,即相对运动引起频移。用途:用途:测量血管内的血流速度和血流量;由于血流中红血球等粒子速度的随机性,多普勒频移构成一个频谱,利用傅立叶变换,可分析多普勒频谱成分,不但可计算
7、出血流速度,还可区分血流方向。彩色多普勒彩色多普勒用不同的颜色表示血流方向。用颜色的深度表示血流速度,用色调的变化表示血流扰动情况;2023/4/211生物医学工程生物医学工程线性扫描断层图像原理图线性扫描断层图像原理图2023/4/212生物医学工程生物医学工程线性电子扫描的扫描原理线性电子扫描的扫描原理2023/4/213生物医学工程生物医学工程GE黑白超黑白超LOGIQ 200 PRO数字波束形成器数字波束形成器所有穿透深度上保持同质分辨率,使诊断信心达到更高层次。参见这幅图像。2023/4/214生物医学工程生物医学工程GE彩超 Voluson 730Voluson730建立在数字技术
8、平台之上,利用先进的信号处理技术,保证能够获得高分辨率的二维图像,并获得立体的三维图像和实时动态的四维图像。由于应用了二次谐波成像技术、频谱和彩色多普勒技术,以及我们的最新成果复合影像解析技术,影像质量得以进一步提高。特点在于它的波束形成器,能够处理的数据量是传统超声影像系统信息量的4倍多,从而大大提高了系统的动态范围,提供更多细节性的、高质量的影像。增加的动态范围增加了系统的数据处理能力,同时显著地提高了所有模式的超声工作性能。2023/4/215生物医学工程生物医学工程CTCT机的历史机的历史机的历史机的历史:1969GodfreyHounsfield,EMILimitedDevelope
9、dfirstPrototypeCTHeadScanner1971Atkinson-MorleyHospital,LondonFirstEMIScannerInstalled1972FirstPaperonCTpresentedbyHounsfieldattheBritishInstituteofRadiology1972RadiologicalSocietyofNorthAmerica(RSNA)FirstCommercializationofProduct1973MayoClinic(U.S.A)FirstBrainScannerInstalled1974Ledley(U.S.A.)Intr
10、oducedWhole-BodyCTScanner(ACTA)2023/4/216生物医学工程生物医学工程CTCT机房示意图机房示意图机房示意图机房示意图:CTCT机机机机:X-CT与普通与普通X摄影的区别:摄影的区别:位于体内某一深度平面的病灶突出地显示出来,而使其他深度平面地组织影像模糊不清。2023/4/217生物医学工程生物医学工程第一代第一代 平移平移/螺旋式螺旋式第三代第三代 旋转旋转/旋转式旋转式第二代第二代 平移平移/螺旋式,探测器增加螺旋式,探测器增加第四代第四代 固定固定/旋转式旋转式2023/4/218生物医学工程生物医学工程第五代第五代 (电子束(电子束CT,EBCT,
11、超高速,超高速CT)1.电子枪2.真空泵3.电子束4.聚集线圈5.偏转线圈6.病人床7.靶环8.数据采集系统9.探测器环10.X线束2023/4/219生物医学工程生物医学工程常用的辐射单位常用的辐射单位(1)照射量及单位照射量:衡量X或射线对空气的电离本领的一个量1=2.5810-4C/Kg(2)吸收剂量1Gy1J/Kg=100rad(3)剂量当量吸收剂量品质因素H=DQ单位(Sr)=GyQ1Sr100rem常见幅值的常见幅值的Q值:值:X射线、射线和电子Q1热中子2.3快中子和质子10粒子和多电荷粒子20电离辐射的基本知识电离辐射的基本知识电离辐射电离辐射:能直接或间接使空气电离的辐射电离
12、电离:原子的轨道电子逸离原子的过程2023/4/220生物医学工程生物医学工程辐射的生物效应辐射的生物效应:躯体效应遗传效应随机性效应非随机性效应电离辐射的基本知识电离辐射的基本知识2023/4/221生物医学工程生物医学工程X射线的物理基础射线的物理基础-产生产生1985年德国物理学家伦琴发现X射线的产生需要两个条件:射线的产生需要两个条件:高速运动的粒子流适当的阻止粒子流运动的障碍物2023/4/222生物医学工程生物医学工程物理特性物理特性穿透作用荧光作用电离作用化学特性化学特性感光作用脱水作用X射线通过物质时,会产生各种效应射线通过物质时,会产生各种效应光电效应康普顿效应电子对的产生生
13、物作用生物作用X射线的物理基础射线的物理基础特性特性2023/4/223生物医学工程生物医学工程量:量:X射线束内的光子数目(和管电流有关)质:质:X射线的光子的能量(和管电压有关)临床上常用“硬度”来描述X射线的穿透能力,硬度大-穿透强X射线的物理基础射线的物理基础量与质量与质2023/4/224生物医学工程生物医学工程X线投影设备线投影设备分类与组成分类与组成(1)X线诊断设备:不打开人体,观察人体内部情况,了解内部结构及器官功能(2)分类:诊断X线机治疗X线机(3)组成:控制台摄影台X线管高压发生器(4)X线诊断设备的任务发射X射线,对物体作中心投影,并由接受X射线的各图像转换系统转换成
14、可视图像。2023/4/225生物医学工程生物医学工程诊断诊断X线机的发展趋势线机的发展趋势1.越来越高的专科X线机2.X线管a.阳极转速提高b.阳极靶盘材质的进步3.高压发生器a.三相十二段整流电路b变频技术4.参量控制器5.数字影像存储器当前当前X线机存在的线机存在的主要问题主要问题1.效率太低2.胶片敏感度不足3.参量控制台自动化程度不高4.80Kw以上的设备性能不够先进2023/4/226生物医学工程生物医学工程2023/4/227生物医学工程生物医学工程X-CT的基本工作原理X射线穿透人体人体吸收射线衰减人体对侧的探测器接受放大,产生模拟信号A/D转换计算机运算及图象重建D/A转换显
15、示器显示,或用激光相机拍摄成胶片最终得到人体的横断面解剖图象2023/4/228生物医学工程生物医学工程非非滑滑环环技技术术2023/4/229生物医学工程生物医学工程代替传统的球管往复运动扫描方式(为防止电缆纤缠)球管在扫描过程中可始终向一个方向旋转,从而提高扫描速度滑滑环环技技术术2023/4/230生物医学工程生物医学工程高压滑环:高压滑环:由CT机架内成对的电刷和圆环滑环构成低压滑环:低压滑环:接受由机架外传输来的低电压,由滑环输送给放在机架内的高压发生器;2023/4/231生物医学工程生物医学工程螺旋扫描方式螺旋扫描方式螺旋扫描方式螺旋扫描方式借助滑环技术,球管围绕机架连续旋转曝光
16、,同时检查床同步移动,连续采集人体的容积数据,进行各个扫描层面的图像重建,扫描轨迹呈螺旋线螺旋扫描的特点:螺旋扫描的特点:扫描速度快1S旋转360o,扫描一个层面由于采集的是容积数据,没有层面的遗漏或重叠,有利于三维重建2023/4/232生物医学工程生物医学工程探测器探测器:钨酸镉晶探测器钨酸镉晶探测器钨酸镉晶探测器钨酸镉晶探测器 (CdWO4)-70(CdWO4)-70 年年年年 代代代代 高压氙气探测器高压氙气探测器高压氙气探测器高压氙气探测器 (Xenon)-80(Xenon)-80 年年年年 代代代代 闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器闪烁晶体探测器 (GOS)-80(GOS
17、)-80 年年年年 代代代代 稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器稀土陶瓷探测器 (HiLightHiLight)-80)-80 年年年年 代代代代 末末末末2023/4/233生物医学工程生物医学工程探测器探测器-高压氙气高压氙气优优 点点:高高 稳稳 定定 性性 无无 需需 经经 常常 校校 准准 耐耐 受受 性性 温温 度度 及及 湿湿 度度 首首 先先 应应 用用 于于 CTCT 价价 格格 便便 宜宜 缺缺 点点:低低 吸吸 收收 效效 率率 需需 要要 高高 mAsmAs2023/4/234生物医学工程生物医学工程探测器探测器-钨酸镉钨酸镉:优优 点点:造价低造价低 吸收效率
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