第3节 典型医学影像设备的性能特点

一、常规X线成像设备
    X线（X-ray）机利用X线穿透人体时，人体组织对X线的衰减程度不同，因而投射在荧光屏或胶片上可形成不同亮度（或密度），呈现出对比度差异的影像信息。X线机现在仍然是临床医师最常规的诊断工具之一,虽然它存在着信息效率低、影像重叠、对软组织鉴别能力差、射线对人体有一定损伤等缺点,但由于它的适用范围广,信息量大,影像丰富细腻,尤其是实时;形态观察方面,在骨科、胸科、断肢再植、介入放射治疗等临床应用上,有着不可比拟的优势;。同时,一些由X线机衍生的辅助设备和技术，如体层摄影、放大摄影、立体摄影、数字减影和各种腔内造影等，使得这个传统诊断技术在骨骼系统、胃肠道、心血管造影和动态观察方面仍具有举足轻重的地位。现代X线诊断技术的重要突破与发展有两个方面：①X线数字减影血管成像系统（digital subtracted angiography，DSA），它将常规的X线技术与现代计算机技术相结合，减除不必要的影像背景，清晰地显示临床诊断需要的血管影像；②计算机数字摄影技术（CR），采用涂有荧光体微结晶平板（影像板）取代普通胶片，X线照射后能产生潜影，然后可通过激光扫描后激发，使之重新产生与原激励强度成正比的青紫色荧光，经采样得到数字影像。
 

二、X-CT成像设备
    X线计算机断层成像（X-ray computed tomography，X-CT）通过X线射束从各个方向对被探测的断面进行扫描，利用现代计算机技术对检测器获得的各个方向投影数据进行分析和处理，然后重建断层影像。它的影像对比度较高，最突出的优点是可实现断层成像，有选择地对人体某一切面进行观察分析，综合观察相邻断面的影像，可获得不完全连续的准三维结构信息。在另一方面，常规X线摄影是各种结构重叠的影像，在有骨骼的情况下,它将掩盖掉重叠的细节，这特别对脑部是一个难题，因为脑部所有的组织均为颅骨所覆盖。而X-CT却能成功地应用于头部诊断的成像，并且对胸部、肋部、腹部和脊髓的成像均有特殊的诊断价值。X-CT机从20世纪70年代产生以来发展很快，现在已发展到第5代。第1～4代主要是显示二维静止断层影像，第5代CT机又称之为动态空间重建装置（DSR）。这是一种全电子空间扫描系统，扫描速度小于1s ，可同时获得多个断面的投影数据，能很快获得立体影像，既能对静止或慢动的肌体组织做高密度分辨率检查，又能利用快速扫描的特点对心和肺的动态功能进行观察研究。近年来又有更先进的螺旋CT在临床上获得应用，它能在短时间内得到完整容积的扫描影像，通过X线射束围绕人体受检部位做螺旋性扫描，迅速而连续地采集大量数据，重建彩色三维影像，既能得到任意位置的断面影像，也能显示内部病灶结构。

三、EM成像设备
    电子显微镜（electron microscope，EM）是以电子束作为影像信息载体来成像的，有透射式（transmission electron microscope，TEM）和扫描式（scanning electron microscope，SEM）电镜之分。前者采用电磁线圈作为折射透镜来实现影像放大，影像的亮度（或密度）对应于被成像样品内部结构的疏密和对电子束吸收的衰减而形成差异；后者采用电磁偏转线圈控制电子束扫描被成像样品，样品的质地和表面形貌决定了反射电子能量的大小，转而在显示器上可再现放大了的样品形貌。EM是当今对超细微结构进行形态观察最有力的分析工具，分辨率( 能清晰分辨出两点间的最小距离)高是电镜独具的特别优势，其最高分辨率已超过0.2 nm(1nm=10-9m)，最新研制出的扫描隧道电子显微镜可以分辨出原子和原子间的隙距。另外，EM的信息容量大，辅之以X线波谱、能谱仪，可对样品进行定性、定量地分析。这对于生物医学分析,特别是病理诊断和基础医学科学研究有着十分重要的意义，并已获得非常普遍地应用。然而，它也存在着一些几乎无法弥补的缺点：必须在采样获得离体细胞后经过特殊制作才能进行观察，而观察过程又必须在高度真空的镜体内进行。这对临床诊断来说，采样将造成创伤，不能进行活体的实时观察分析。

四、MRI成像设备
    磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是一种崭新的医学成像技术，它采用静磁场和射频磁场对人体组织成像。在原子内部，电子、质子、中子都有自旋特性，当自旋的质子被置入一个外加磁场B时，就会绕着B方向进动。若人体内氢质子群被磁化后，再加上一个与B垂直的交变射频磁场，则质子群将吸收能量，从低能态跃迁到高能态，其进动相位趋于一致。当交变磁场一被切断，质子群就在弛豫时间内释放出能量，产生用于磁共振成像的信号，信号强度与质子密度、弛豫时间有关。由于MRI 是对质子成像，因此对软组织的成像比较清晰。作为人体形态学研究和临床诊断的一种工具，其空间分辨率高，在解剖学细节和影像低失真方面都不亚于X-CT，并且无电离辐射和放射损伤，所以在检查婴幼儿和子宫中的胎儿时，MRI是一种非常有价值的方法，对于需要做定期复查的疾病（乳腺癌）也是很有利的。另外要强调的是，MRI还可以根据其他参数来分辨密度相似的组织，特别是可以帮助鉴别有病的组织和邻近的正常组织，甚至还能进行分子结构的微观分析，反映出生理、生化等方面的功能，能从人体分子内部反映出器官失常和早期病变，有助于对肿瘤进行早期或超早期诊断。
    对MRI内部存在的超强静磁场（某些机型可达到4 T 以上）和射频电磁场，目前还没有任何报导发现其可以对人体造成损伤。MRI在某些功能检查方面不如ECT；与X-CT相比，MRI的成像速度相对比较慢，通常前者仅需要几秒钟，而后者需要几分钟，这对于活体动态观察是不利的。但随着新型的MRI不断被研制出来，这一差距正被逐渐缩小，故医学影像学界都对磁共振成像设备的未来寄予厚望，多数学者认为MRI将是新世纪中最有前途的医学成像方式 。

五、ECT成像设备
    发射型计算机断层成像（emission computed tomography，ECT）是将某种放射性核素注入患者体内，核素在衰变过程中能向体外发射出建立影像的特定信息，所以ECT是以放射性核素作为显像剂来成像的。这种成像设备主要有两大类型：单光子发射型计算机断层成像仪，即SPECT（single photon ECT）和正电子发射型断层成像仪（positron emission tomo graphy，PET）。SPECT多采用Anger型γ探测器，探测器围绕患者旋转，从各个角度获取投影数据，然后由计算机重建出影像，信息的载体是核素衰变过程中释放出来的γ光子。而PET多采用环形探测器排列，采集各个方向上的投影数据，再以计算机建立影像，PET选用某种短寿命放射性核素注入人体内，这种核素在衰变过程中能释放出正电子，正电子在人体组 织中只能传播很短的几个毫米，然后就会与人体内存在的普通电子碰撞而湮没，从而产生一对能量相同、方向相反的γ光子射线，所以PET的探测器总是成对地排列在患者两侧的直线上构成环形。由于制造、运行成本过高和工作条件苛刻等原因，PET目前是各类医学影像中最为昂贵和最难普及应用的装置。目前，在双探头SPECT中采用电子符合线路探测技术能够实现部份PET功能，即所谓SPECT与PET二合一。
    根据ECT的成像原理，其影像信息的形成取决于放射性核素药物在人体内的空间分布不同，而药物的浓度分布差异又与人体组织和器官的功能有关，因此ECT不仅仅能反映解剖结构关系，还可以研究有关代谢、生理或功能改变的问题，也可分析局部病理改变，诸如转移或原发性骨肿瘤、肺栓塞、肾功能、脑肿瘤或甲状腺疾病，对确定隐性疾病的有无和程度尤有临床价值。其缺点是对人体有一定损伤，影像分辨率低，信息量小。

六、US成像设备
    超声（ultra-sonic，US）成像是靠超声波在人体内传播，遇到不同组织和器官时，会因其声阻抗不同而产生声强度差异的回声来建立影像的。组织器官在空间位置上的不同，还将使回声产生出时间上先后的差异，以此做为影像重建的一个参数，即可以显示出人体结构形态上的对应关系。不同形式的US成像仪，采取的调制方式也不相同。目前，使用最为广泛的是B型超声诊断仪，其普及程度不亚于X线机，基层医院大都配置了不同档次的B超仪，大型医 院更配备了多台不同档次、不同功用的超声诊断仪，有的医院已将B超仪作为常规检查工具配备于相关科室。US的突出优点是对人体无损伤，这也是与X线诊断的重要区别之一，因此特别适用于产科和婴幼儿的检查。另外它能方便地进行动态连续实时观察，中档以上的超声诊断仪多留有影像信号输出接口，使所得影像易于采用多种方式（录像、打印、感光成像 、计算机存储等）记录存档。由于它是采用超声脉冲回声方法进行探查，所以特别适用于腹腔脏器、心、眼科、妇产科的诊断，而对有骨骼覆盖或含气体的器官组织如肺部，则不能较好地成像,这与常规X线的诊断特点恰好可以互相弥补。从信息量的对比上看，超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理，目前较X线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。近年来彩色超声多普勒成像仪的广泛应用，使US成像在心血管和运动性器官的诊断上，呈现出重要的临床价值。而介入式US成像仪又将诊断和介入治疗紧密地结合在一起，无损无创、快速实时连续、操作方便等特点给医生和患者都带来了极其有利的条件。

七、PACS �� 影像存档和通讯系统
    医学影像存档和通讯系统（picture archiving and communication system，PACS）是以计算机服务器、通讯网络、影像及其他信息的输入、输出和存储装置，以及显示终端，将各种成像设备仪器连接在一起的一套系统。这种系统利用新型存储介质如磁盘、光盘等取代传统的胶片，采用电缆或光缆网络进行高速传输，把各类医学影像存储、管理起来，并可根据需要在医院任何科室和部门间传递、调用和拷贝。还可以通过网际传播，将信息送达网络所能伸延到的每一个地方。它不仅可以从根本上改变医学影像资源传统上的采集、存储、处理、传输方式，也为医学影像的综合利用、发展综合的医学影像诊断学和技术融合提供了物质基础。随着计算机与网络技术的快速发展，PACS必将走进每个医院，成为医学影像领域中不可缺少的存档和通讯系统。

八、不同成像方式的技术与应用特点
    几种典型成像方式的技术特点详见表1-1。

表1-1 几种典型成像方式的技术特点对照

各种医学影像设备的成像原理不同，其临床适用特点也不完全相同，彼此只能互补而不能取代。例如：超声脉冲适用于腹腔器官或心的成像，而利用X线对腹部进行检查，只能显示极少的腹部器官。如果采取一些特殊措施，如用X线造影法，则可有选择的对特定的器官显像。对于胸腔，因肺部含有空气而不宜用超声检查，但可用X线获得较为满意的影像。PET能很好地获取脑功能和代谢的诊断信息，对显示癜痫病灶、早期脑疾患较灵敏，但空间分辨率和组织对比分辨率均比MRI要低，可是MRI又显示不出癜痫病灶；X-CT对钙化的显示很敏感，但对软组织对比分辨率较低，而MRI对显示钙化不敏感，对软组织对比分辨率却很高，易于发现和显示肿瘤全貌；X线数字减影（DSA）技术较X-CT、MRI 能更清楚显示颅内细小的血管分支，但不能显示周围结构，若将DSA与MRI 或X-CT影像结合，则能显示出血管及周围结构。因此采用多种医学影像融合诊断技术，并建立相应的诊断标准，将有助于更全面地观察病变与周围组织结构的关系，早期发现病变并及时作出定性和定量的诊断。