课程资料

教材：黄力宇教授所著《医学成像的基本原理》（电子工业出版社）
视频：西安电子科技大学贾广老师 医学成像技术100知识点大全

医学成像技术简介

1. Medical imaging physics

Radiology Department放射科包括三部分：Technologist扫描技师、Radiologist放射科医生、Medical Physicist医学物理师。

2. Medical imaging

(1)X-ray imaging X光成像
有辐射
Radiography 胸透拍片
Mammography 乳腺癌钼靶成像，乳腺癌筛检
Computed Tomography (CT) 不同角度重建得到横断面图片
Fluoroscopy 荧光成像，动态图像

(2)UltraSound imaging 超声成像
没有辐射，用的是声波，但是频率更高，安全，方便

Anatomic imaging 解剖成像
Doppler flow imaging 多普勒超声，看血管血流
Fetal ultrasound 胎儿超声，胎儿成像
Echocardiography 心脏的超声成像

(3)Magnetic Resonance imaging 磁共振成像
射频电磁波，没有核辐射
Anatomic imaging 解剖成像
MR Angiography 血管成像
Functional MRI 功能成像

(4)Radionuclide imaging 核素成像
有辐射，静脉注射“暂稳态”核素，释放出光子或者正电子后回到稳态
Planar single photon imaging 单光子成像
SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography) 单光子发射的CT
PET(Positron Emission Tomography)正电子发射成像，PET是用F18释放出正电子

其它类型分类：
Morphological imaging / Functional imaging 形态学成像和功能成像

Diagnostic imaging / Therapeutic imaging
诊断成像和治疗成像

3. Chronology of medical imaging 医学成像编年史

1895年伦琴Roentgen发现X光，第一张X光片是妻子的手，在铅搭建的隔间里做实验
1929年Geger计数器
1978年基本各种成像方法已提出
1972年第一台临床的CT
1973年第一台磁共振
1978年第一个第一台商用的磁共振系统，第一台PET和第一台SPECT

Radiography 基于X光
病人站在X光机前，让X光穿过胸部，最后达到背部的探测器，得到胸透的X光片，可以看到肋骨、肩胛骨、锁骨和心脏等的轮廓。X光片看骨头看的比较清楚。

Fluroscopy - Real time radiography 荧光成像，实时的X光透射成像
C形臂做支撑，可移动，方便

Mammography
由上到下，对乳腺压扁后进行检测，降低剂量和散射 ，分辨率高
Tomosynthesis由不同角度的透射图重建得到横断面图

Computed Tomography（CT）
方型设备中间有圆孔，放置病人
X光管和探测弧围绕病人做高速旋转，再利用重建算法得到横断面的图片

不同的切法可以分为轴状位、矢状位和冠状位

对比剂有钡餐和碘对比剂

Ultrasound imaging
方便、安全，可以用于胎儿成像，血管瘤等容易被超声波检测出来

MRI
与CT设备不同指出在于，圆洞的深度更深，因为很多线圈浸没在液氦里面，实现超导，可以加很大的电流，产热很小，形成强磁场。磁共振过程中声音特别大，需要带耳塞或者耳机。
对于软骨等软组织，用MRI比CT看得更清楚一些，但是时间需要半个小时比CT几分钟更费时。
MRI也可以打对比剂钆Gadolinium，会在血管里面改变水的特性，把血管的图像变亮或者变暗提高对比度

Gamma Camera / Scintillation Camera 核素成像
将放射性元素等注射到人体，根据它在人体不同的部位或者病变组织的分布，通过人体周围的伽马相机等系统探测出来X光。

Radionuclide imaging
Positron Emission Tomography (PET) system 正电子激发成像
人体注射核素到人体里面，可以看清肿瘤区域，可以监测放疗和化疗的效果。

小结：
3 types of imaging modalities：
Non-x-ray based: ultarsound，MRI
X-ray based: radiography， mammography，fluoroscopy，CT
Radionuclide: gramma cammer，SPECT，PET

医学图像质量

Componentsof image quality:
1)对比度Contrast
2)空间分辨率Spatial resolution
3)噪音Noise

1. Contrast
   Contrast is the difference in the image gray scale between closely adjacent regions on the image.

成像系统中有3类对比度 Types of contrast:
1)Subject contrast
X光穿透人体每个部位每个组织由于吸收率不一样，会有不同的信号强度差别，造成的对比度不同
2)Detector contrast
探测器的灵敏度，把X光强度记录下来并且忠实地反映，作为探测器的对比度
3)Display contrast
呈现在医生面前的图像本身的对比度，屏幕显示对比度

1.1 Subject contrast
两个不同组织的X光吸收率不一样
Subject contrast = (A - B) / A
Range: 0 to 100%
骨头吸收的多因而最亮，空气吸收的少为黑色，软组织介于中间

Contrast agent对比剂，可以增强病变组织和正常组织的对比，通常用碘注射到血管里，可以吸收很多X光。

Modality	Image Contrast	Tissue Difference	Example
CT	X-ray absorption coefficient	Tissue density & effective atomic number	Bone (=13) soft tissue (=7)
MRI	Proton density and T1,T2 (沿磁场方向和垂直磁场方向)	Tissue density spin/lattice and spin/spin relaxation	Adipose tissue is brighter than other tissues, due to high hydrogen concentration
Ultrasound	Acoustic impedance, Frequency change	Tissue density difference between two tissue, blood flow and motion	Tissue border
NM	Radioisotope concentration	Pharmacokinetics	FDG accumulation in tumor

超声在均匀介质中没有反射，只有不同介质间会发生反射，组织边界存在强反射
FDG与脱氧葡萄糖结合，脱氧葡萄糖存在的地方比较亮。

1.2 Detector contrast

Detector contrast is the slope of the signal versus exposure curve Ideal detector must transfer the subject contrast as is.

光线很暗即曝光率很低的情况，出现toe现象，不能拍摄的很好。
光线很强的时候即曝光率很高的情况，比如对着太阳拍，会出现平台效应shoulder，没法拍摄很好。
在光线比较柔和一定范围内，效果尚可，处于steep区间。

1.3 Display contrast
1)Detector has signal range 0-4000 count pixel
2)PC monitor has relative brightness 0-2000
3)Image has useful region with signal range 500-3000 count pixel

DICOM有个标准叫GSDF(Grayscale Standard Display Function)，用来把屏幕显示优化校准

2. Spatial resolution
   Spatialresolution is the ability of an image system to distinctly depict two object as they become smaller and closer together.

点扩散函数 Point spread function(PSF) is image of the x-ray beam with infinitely smaller diameter PSF is a measure of spatial resolution. 类似的还有LSF和ESF

稳定的 Stationary imaging system has same PSF over the entire detector area.

不稳定的 Nonstationary imaging system has different PSF depending on the location in the image is the same.

Image blurring图像模糊
Each point in the image is blurred according to the shape of the PSF.

Modulation Transfer Function(MTF)
具体测试时候用明暗条纹
MTF of composite imaging system
The MTF of ang imaging system is a product of the MTFs of the individual components of the system.

乳腺钼靶，检测早期乳腺癌做筛检，分辨率最高为0.03mm
核医学全身成像，SPECT分辨率为7mm
CT、MRI介于二者之间

Geometric paramaters in Radiography
影像分辨率的主要是焦斑伪影focal spot blur，经过成像系统会形成一定的模糊
Geometric unsharpness = focal spot blur
几何上的非光滑非清晰的边界造成的伪影

3. Noise
   Noise is a random component added to the image signal. It degrades useful diagnostic information in the image. There are variety of different noise sources.
   随机出现的黑白点，影响对比度

Statistic noise .
Relative noise .
Signal to noise ratio .
信噪比与光子数量有关

Contrast-to-Noise Ratio (CNR)
Signal-to-Noise Ratio (SNR)
Contrast-Detail Diagram

DICOM

Digital Imaging and Communication in Medicine

The Language of Medical Equipment 医疗设备的专用语言
Both an image format & a network protocol.

Supported Imaging Modalities:
Magnetic Resonance Imaging
Nuclear Medicine
Computed Tomography
Positron Emission Tomography
Ultrasound
Digital X-ray & X-Ray & X-ray Angiography
Electron Microscopy

Devices with DICOM Support:
Printer
Projectors 投影仪
Monitors 显示器
Film digitizers
Storage servers / RAID
CD-R divers
and photoshop

Data Element:
Tag + VR + Value Length + Value Field

Tag是2个4位十六进制数组成，如(7FE0,0010)
前四位是群或者组数，后四位是元素数

小结：
All clinical scanners generate DICOM images
Header information

DICOM图像指向

医学上很标准的3个方位：
轴状位（transverse plane）横断面，上下分切
冠状位（coronal plane）平行于面部，前后分切
矢状位（Sagittal plane）垂直于面部，左右分切

Patient Position简单描述了病人和影像设备之间的位置关系