[科普中國]-生物醫(yī)學(xué)成像

發(fā)展歷史

1895年威廉姆**·**倫琴無意中發(fā)現(xiàn)陰極射線管可以使一 張涂有鉑氰化鋇的紙發(fā)光 ,即使把管子和紙分放在兩間隔開的房間里也是一樣。倫琴認(rèn)為管子一定放射出 某種具有穿透力的射線 ，他把這種未知射線命名為X射線。不 久 ，他又發(fā)現(xiàn)如果讓X射線穿過人手，射向一個(gè)涂有化學(xué)物質(zhì)的屏幕，里面的骨胳就會(huì)清晰地顯現(xiàn)在幕上。事實(shí)上，有史以來第一張X射線人體解剖照 片上照的正是倫琴夫人的左手。

半個(gè)多世紀(jì)中，醫(yī)學(xué)成像科學(xué)一直是隨X射線技術(shù)的進(jìn)步而穩(wěn)定但又緩慢地發(fā)展著?？墒窃?0年代初期，由于新技術(shù)——計(jì)算機(jī)X射線層析成像法，即CT(computerized tomography)的出現(xiàn)，這門科學(xué)一下子進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

80年代初，磁共振成像，即MRI(magnetic resonance imaging)的出現(xiàn)提供了另一種完全不同的拍攝體內(nèi)照片的方法.不同于讓X射線穿過體內(nèi)，MRI基于強(qiáng)磁場(chǎng)和高頻信號(hào)導(dǎo)致體內(nèi)原子發(fā)放出它們自身的信息。1

隨著生命科學(xué)的進(jìn)展，分子生物學(xué)、生物和基因工程(人類基因組/疾病基因組學(xué))等，將深入和影響基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)(含影像學(xué))的進(jìn)程及發(fā)展。實(shí)際上，生理、功能和代謝成像以及基因診斷和治療已經(jīng)并將進(jìn)一步影響影像學(xué)的診治及基礎(chǔ)研究。2

關(guān)鍵技術(shù)磁共振成像人體中不同的組成器官都包含相當(dāng)可觀的水分和脂肪，并且在我們身體組織中有大量的氫。MRI信號(hào)從這些氫核發(fā)出，當(dāng)它們由磁性刺激激發(fā)時(shí)，這些信號(hào)可用于成像。在1946年，著名的物理學(xué)家Bloch和Purcell首先構(gòu)思了MRI的概念，一種先進(jìn)的成像技術(shù)類型。基本原理包括刺激物質(zhì)磁性的問題和通過物質(zhì)基本屬性的改變來獲得成像信號(hào)，以響應(yīng)這種磁性刺激。

MRI(也叫核磁共振)利用線斷層照片成像技術(shù)并以切片的形式獲取圖像。每個(gè)在充足氫中的身體切片可以視為體素集，它是容量細(xì)胞元素，這里每個(gè)氫核表示一個(gè)體素。當(dāng)完全興奮時(shí)，這些核由容量細(xì)胞發(fā)出的核磁共振的信號(hào)表示，并且圖像像素的強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的體素的核磁共振信號(hào)強(qiáng)度成比例。因此從單獨(dú)的組織映射可以累積以獲得整個(gè)器官的映射。

目前，MRI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于內(nèi)臟成像、腫瘤檢測(cè)和其他在脊椎、脖子、大腦中的相關(guān)應(yīng)用。除了是準(zhǔn)確成像系統(tǒng)之外，它最大的優(yōu)勢(shì)在于，在應(yīng)用中它是很安全的。它并不采用常規(guī)的想法——成像使用的頻率應(yīng)該比對(duì)象的頻率低。它使用在RF范圍內(nèi)的相位和頻率變化，因此無其他內(nèi)臟成像技術(shù)的危害作用，例如X光。3

計(jì)算軸斷層攝影術(shù)計(jì)算軸斷層攝影術(shù)通常稱為CT掃描或CAT掃描，它是醫(yī)療成像的另一種強(qiáng)有力的技術(shù)?？捎糜谲浗M織系統(tǒng)的成像，如硬骨和血管。

這種成像技術(shù)應(yīng)用X光攝影基本原理。它發(fā)送不同強(qiáng)度的X光，這取決于表面障礙物的類型，X光光束根據(jù)這些響應(yīng)進(jìn)行描述。這使用斷層攝影成像技術(shù)，即繼續(xù)以切片進(jìn)行成像。

CAT掃描器結(jié)構(gòu)上包含X光管和檢測(cè)器。射線管沿螺旋式/spiral/圓形路徑旋轉(zhuǎn)，而切片的圖像由X光檢測(cè)器獲取。在完全旋轉(zhuǎn)期間，檢測(cè)器記錄大量(幾乎旋轉(zhuǎn)1000次)的快照。圖像進(jìn)一步分解成一些獨(dú)立的數(shù)據(jù)集，并且在一些并行通道中進(jìn)行進(jìn)一步處理。在這個(gè)處理期間，外形被投影，給出了斷層攝影術(shù)切片的實(shí)際圖像。3

核與超聲波成像在核醫(yī)學(xué)中，放射性材料通常通過靜脈注射(intravenous，IV)，或吞咽或吸氣來獲得人體器官的圖像。放射性物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變由檢測(cè)器跟蹤。可通過身體內(nèi)的某些物質(zhì)標(biāo)記放射性核素。它放射gamma射線，在gamma照相機(jī)由傳感器捕獲。這些圖像的分辨率很差，但它們視覺化了生理功能，例如能以清楚的方式來見到新陳代謝的過程。

在超聲波圖像中，超聲波脈沖從安置在患者皮膚上的變換裝置傳播。反向散射的超聲回波信號(hào)將被記錄以用于圖像重建。超聲波通過水進(jìn)行傳播。囊腫是含水的可變結(jié)構(gòu)，它不會(huì)發(fā)送任何回波到記錄器。另一方面，骨頭、硬化組織和脂肪吸收并反射超聲波射線(在很小范圍)，并且產(chǎn)生聲影區(qū)。因此使用超聲波圖像可能查出在任何一種器官中的囊腫。3

應(yīng)用下面介紹一些生物醫(yī)學(xué)成像的應(yīng)用。

(1)肺病識(shí)別：在胸部X光片中，黑色部分代表空氣，而固體組織看上去更亮一些。骨頭比軟組織具有更高的輻射不透明度。在正常胸部X光片中，可清晰地看見肋骨、胸部脊椎、胸腔和腹腔的橫隔膜。通過分析相應(yīng)部分，這些在胸腔x光片中的區(qū)域可以用于病變的診斷。

(2)心臟病識(shí)別：定量測(cè)量(例如心臟大小和形狀)是對(duì)心臟病分類的重要診斷特征。圖像分析技術(shù)可以被用于x光圖像用來改善心臟病的診斷。

(3)數(shù)字乳腺x光片：為了診斷乳腺腫瘤，數(shù)字乳腺X光片對(duì)查出特征(例如微鈣化)是非常有用的。圖像處理技術(shù)，例如對(duì)比度增強(qiáng)、分割、特征提取、形狀分析等，可以用于乳腺x光片的分析。腫瘤形狀的規(guī)律性被用來確定腫瘤為良性還是惡性。3