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天津大学考研：736 810医学成像基础

适用于天津大学专业课736/810中医学成像基础部分，本人考研过程中自制用以复习，最终736专业课275分，祝大家也早日上岸。

编辑于2023-02-27 16:02:56 天津市

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天津大学考研：736 810医学成像基础

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X射线透视成像

原理

X线-人体-各组织对X线吸收衰减-透过人体-不同X线透射强度分布记录在感光胶片上-灰度变化；显示在荧光屏上：辉度变化

成像系统

X射线源

产生适当强度的X射线

检测元件

接收透射的X射线并转换成便于显示记录的信号

显示记录装置

显示或记录透射X线强度，提供诊断影像

成像方式

扫描投影方式

利用准直X点光束或线光束进行逐点或逐线扫描

曝光投影方式

利用X线面光束同时曝射整个成像面积，并用同面积传感器检测和显示记录影像

影响X线成像质量的主要因素

X射线源

焦点尺寸

实际焦点

灯丝发射电子经聚焦后在靶物质上的瞬间轰击面积

实际焦点越大(受轰击面积越大，可承受的功率相应增加)，X线管容量越大，曝光时间就可以缩短

有效焦点

也成为作用焦点，是指实际焦点在X线投射方向上的投影；实际焦点在垂直于X线管长轴方向的投影，称为标称焦点

有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高，减小有效焦点势必要减小实际焦点，X线管功率随之减小，曝光时间增加，将引起运动模糊。可见，减小焦点面积以减小几何模糊，改善影像清晰度与增大X线管功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾

点源放大失真

几何放大失真

相对位置失真

面源失真

尺寸有限的X射线源产生物体的不清晰影像

图像不锐度

用于衡量图像模糊程度的一项指标，一般用模糊区域/范围表示

物体与成像面的相对位置

相对位置失真

移动失真

运动物体会造成边界不清晰的模糊图像

吸收或结构失真

显示-记录器件特征

胶片感光特征曲线(H-D曲线)

描述密度(胶片黑度D)和辐射强度E之间的关系

D=log(Lt/Li)入射光强/透射光强

E=It

曲线斜率γ称为胶片反差系数，D=γlogE

对比度

原发对比度

X射线在从X源焦点直线前进到影像转换装置过程中的对比度

Cr=ln(I/I0)

客观对比度

X射线在成像转换装置中的对比度

观察区域辐照强度和背景辐照强度

关系

原发对比度和客观对比度成正比

主观对比度

诊断时医生眼中出现的对比度

传统X线成像的缺点

影像重叠

密度分辨率低：不能分辨软组织细节(如水和脂肪)，原因：HD曲线动态范围有限

X射线剂量大，暗室操作不方便

胶片存储、检索、信息后处理困难

X线影像质量评价

像素

组成影像的最小单元

分辨率

决定影像可视及可再现的最小像素尺寸

空间分辨率

对最小成像物的分辨能力

密度分辨率

对不同密度成像物的分辨能力

对比度

点扩散函数

狄拉克函数作用于二维线性系统时，所得响应为该系统的点扩散函数，点扩散函数为狄拉克函数的成像系统为理想系统

计算机X线摄影CR与数字化X线摄影DR

CR computed radiography

采用直接成像方式；不以X胶片为记录和显示信息的载体，而是使用可记录并可由激光读出X线影像信息的成像板为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片影像

DR digital radiographyu

采用间接成像方式；沿用了影像增强管——电视链；首先，经X线曝光在影像增强管上形成视频影像，再使视频影像数字化，形成数字式平片影像；DR方式需要专门的设备

CR与DR对比

间接成像方式需要专用设备(DR系统)，与传统的X线摄影设备不兼容；设备的结构不能适用于各种X线摄影(尤其是较为复杂的X线摄影)要求，设备配置与运行成本不适于高通量的X线摄影部门，故推广的局限性大

直接成像方式则仅以IP代替X线胶片，于常规的X线摄影匹配运行，也不需要操作者进行特殊的培训，故目前已在世界各地推广

成像优点

与胶片/增感屏相比具有很宽的线性成像动态范围(数字成像{10}^4~{10}^5，胶片仅为{10}^2)

数字化图像的使用、处理、保存等皆方便可靠，有利于医院实现无纸化、无胶片化和信息管理现代化

DSA数字血管造影 digital subtraction augiography

数字减影概念

以数字信号形式，通过计算机对若干不同图像做减法处理后只剩下感兴趣的部分

造影像

变化后的图像；原基像：变化前的图像

从造影图像中减去原基像中对应的部分，使图像中随参数变化了的图像增强：减影

数字减影原理

人体X射线影像是体内组织的空间分布、照射时间变化和射线能量组成等参数的函数。当图像重点表现组织空间分布信息时，所得图像为解剖结构图；当着重比较不同时刻影像的变化时，则得到影像随时间变化的信息差异图；当看重观察不同能量X线曝射下的影像时，则可了解射线硬度变化的差异图像

数字减影主要对随时间或能量变化前后的图像做减法处理，其中利用时间变化信息：时为序减影；利用能量变化做减法处理为能量减影；利用时间又利用能量变化信息做减法处理为混合减影

减影操作相当于高通滤波，能增加图像中对参数变化敏感部分的对比度，也相应增大了图像的随机噪声

伪影和取对数

在获取原基像和造影像进行曝光期间，组织器官的移动会在DSA影像中产生配准不良伪影。这样的伪影在影像边缘较为突出，在DSA影像中表现为黑、白亮度偏移，干扰造影血管的检测，可降低影像质量

由于影像线性放大不能提供均匀的DSA信号，会受重叠原基像的结构干扰，故通常在减影前对影像进行对数放大使DSA信号线性化和改善其均匀性

数字减影方法

时间减影

临床中主要应用方法，使用最多的是时序减影

分类

时序减影

在X射线间歇曝射工作条件下，按时序逐幅摄取原基像和各时刻造影像，再将造影像与原基像相减。原基像和造影像均采取两幅图像叠加以降低背景噪声。摄影时间间隔及减影图像帧数要根据摄影部位、造影器官和血流情况而定

时序减影多用于活动较少的部位(脑血管、颈动脉、腹动脉及四肢动脉等)。为减少器官运动引起伪差，需用大容量X射线管，采取高速短脉冲方式曝射

时间间隔减影

采用快速摄影方法(每秒30帧)，获得一系列造影像，然后每隔一定帧数将造影像做反复减影，得到一系列差值图像

由于两幅图像的时间间隔很短，降低了可能的运动伪差(低频影响)；减法处理增强了高频分量。TID方法可改善减影图像质量，适合于如心脏等活动器官的影像检查

能量减影

采用不同能量的X射线获取图像，经数字化后做综合处理，以抑制某种组织材料引起的信号，从而放大由感兴趣部位组织引起的信号

分类

K吸收边缘法

利用能量在k吸收带附近(上下边沿)的X射线进行曝射，某些造影剂的吸收系数能有较大幅度变化，从而使减影图像产生较显著的对比度变化

双能量减影

采用两种X射线对同一物体进行透射成像，再通过减影处理可把物体分解为两种材料，即可从原图像中消除某一种材料

混合减影

注入造影剂后，以短时间间隔做低能量和高能量曝射摄影，然后把易于活动而产生伪迹的软组织影像用能量减影减去，得到只有骨组织和血管的原基像和造影像，再对这两幅图片做时间减影处理，可得到既不含软组织又不含骨组织的血管造影像

物理基础

X射线成像的基本原理

利用X射线对人体组织的吸收和衰减特性，测量其透射强度，获得人体内部解剖结构信息

X射线产生

产生条件

电子源

高速粒子流

靶物质

高速电子流和靶物质相互作用的结果

X线管的技术参数

管电压

可加于阴极、阳极的最大电压(kVp)

管电流

阳极至阴极的最大电流(mA)

管容量

管电压X最大阳极电流(kW)

曝射时间

输入电功率时间(ms)

连续谱-韧致辐射

高速带电粒子与物质碰撞时受到原子核电场的阻尼作用而减少动能并产生相应波长的X射线，X线波长随机分布形成连续谱带

特征谱-特征辐射

当入射高速粒子的能量足以激发靶原子的内层电子使之跃迁到高能激发态，其返回基态时辐射出特定波长的X射线，形成特征谱线

X线的性质

物理性质

穿透作用

穿透能力与X射线光子能量成正比，短波长X射线光子能量大，穿透能力强；另外还与被照物体的密度成正比

荧光作用

X线照射某些荧光物质(如钨酸钡)能使其原子核外电子处于激发态，激发态原子返回基态时放出光子(波长介于可见光和紫外光之间)形成可见荧光

电离作用

X射线波长较短、能量较大时，辐照物质可使其分子解离为正负带点离子

化学性质

感光作用

使胶片感光，感光强度正比于辐照剂量

X射线透过人体时，体内各组织密度不同，透射X光强度也不同，使感光胶片各部分感光强弱不同，经显影和定影后底片留下不同部位的X射线透射强度分布，即X射线照片原理

着色作用

使某些物质的晶体脱水而改变颜色

生物效应

生物细胞经一定剂量的X线照射会产生激发或电离，或直接破坏DNA结构，使细胞受到损伤或引发细胞凋亡，产生生物效应。生物效应是X射线治疗的基础，与X线剂量成正比

X线与物质的相互作用

不变散射

低能量的X线光子与物质作用，激励原子产生与入射相同波长的光子

康普顿效应

入射光子与原子轨道外层电子相互作用，光子的能量部分转移轨道电子，光子的频率改变后发生偏折以新的方向散射出去，即散射光子。获得能量的轨道电子形成反跳电子，这个过程称为康普顿效应

光电效应

入射光子与原子内层电子作用时，将全部能量交给电子，获得能量的电子拍拖原子核的束缚而成为自由电子(光电子)，而X光子本身整个被原子吸收的过程称为光电效应

电子对效应

当入射光子能量≥1.02MeV时，X光子在核力场作用下转化为一个正电子和一个负电子，产生的正负电子对将与原子碰撞，负电子留在原子中，正电子与一个自由电子结合形成一对质量相等、飞行方向相反的γ光子，称为电子的对湮灭

光蜕变

能量在10MeV以上的光子发生光蜕变

参数

X线的硬度

X线的硬化

混合波长X线经物体衰减后短波成分增加

概念

X线穿透物质的能力，即X线光子能量大小，又称X线的质

X线的强度

垂直于X射线束的单位面积上，单位时间内通过的光子能量总和(由光子数和光子能量两个因素决定，即kV、mA和时间决定)

X线的透射与衰减

吸收指数衰减率

I0：入射强度、x：物质厚度、I：透射强度、μ：线性衰减系数(与光子能量和物质种类有关)

计算机断层成像

CT基础

X-CT成像概念

通过测定沿各个方向X线投射时X射线强度的衰减量，通过计算求得断层内各体积元(像素)的衰减系数相对变化值，并将该值赋予各体积元所对应像素的灰度变化量，从而得到人体内部组织结构图像

成像参数

体积元

将扫描成像断面划分为许多小立方体，称之为体积元(体元)

像素

每个体积元对应于成像画面中的一个小正方形，称为像素

衰减系数

X射线透过人体时，其强度的衰减服从指数衰减率，又称Beer定律：I=I_0e^{-\mu x}。线性衰减系数μ取决于X射线束中光子能量及所投射的物质(原子序数和密度)

CT值

μ为线性衰减系数，E为X射线能量。空气CT值为-1000，水的CT=0，骨骼的CT=1000

CT与胶片相比的优势及其原因

一般CT值的分辨率为ΔH=5，相当于能分辨5/1000的\mu^{water}的密度差异，这是靠计算机处理后得到的。而普通X射线胶片的密度分辨率仅为\mu^{water}/10。显然CT分辨率远高于胶片。并且胶片分辨率受H-D曲线斜率的限制(不可调)，而CT的分辨率可通过窗口技术来调整和设定

窗口技术

定义

用全部灰度尺表示某一CT值范围的方法。把某一CT值信号放大到亮度信号调节的满幅度，局部放大