第一節(jié)　醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)是利用專門成像機(jī)制的設(shè)備，以無(wú)創(chuàng)性方式獲取人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的學(xué)科，包括X線成像技術(shù)［含X線透視、攝影、數(shù)字X成像和計(jì)算機(jī)X線斷層掃描（computed tomography，CT）］、超聲成像技術(shù)、磁共振成像（MRI）技術(shù)、核醫(yī)學(xué)技術(shù)等。自X線成像技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷以來(lái)，逐漸形成了獲取影像和利用影像進(jìn)行診斷的分工與合作。隨著數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，大影像學(xué)科的形成，影像技術(shù)也從單純X線攝像發(fā)展到綜合影像技術(shù)，成為醫(yī)工結(jié)合、致力于醫(yī)學(xué)影像獲取、處理方法與質(zhì)量控制研究的學(xué)科。數(shù)字時(shí)代的影像技術(shù)是研究如何正確和充分地使用設(shè)備，克服不利因素，在盡量減少患者痛苦和損傷的情況下，快速獲取真實(shí)、直觀、滿足臨床需要的影像，這已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

一、第一張人體影像照片

1895年11月8日，倫琴在維爾茨堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中研究陰極射線的穿透力時(shí)，發(fā)現(xiàn)在暗室中旁邊涂有氰化鉑鋇的熒光屏上，似乎也發(fā)出點(diǎn)藍(lán)白色的光。陰極射線泄漏是不可能的，倫琴將放電管用黑紙板層層裹住，但是外面的鍍有鉑氰化鋇的紙依然發(fā)出明亮的熒光，不管鍍層是面向放電管還是背向放電管均一樣。斷電時(shí)，熒光不見(jiàn)了。在放電管與鍍層間放置不同厚度的紙板、木板、玻璃均不能阻擋鍍層發(fā)出熒光；而15mm厚的鋁片只使熒光減弱，只有鉛玻璃阻擋效果才感明顯。若將手放在熒光屏前，可在屏上見(jiàn)到手骨陰影和淡淡的外圍組織輪廓。倫琴斷定產(chǎn)生熒光的根源在于放電真空管內(nèi)，而且就在陰極射線轟擊真空管玻璃之處。他認(rèn)為這是一種新的未知射線，遂將其命名為“X射線”，后來(lái)將夫人的手放到照相底板上用X射線照了一張照片，這是人類史的第一張X射線照片，倫琴親自在照相底板上用鋼筆寫上1895/12/22，上面還有他們的結(jié)婚戒指，如圖1-1所示。

二、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展

（一）醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)的發(fā)展

X射線的發(fā)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義。X射線發(fā)現(xiàn)不久，就被人們應(yīng)用到臨床。從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線到現(xiàn)在的一百多年時(shí)間里，射線影像設(shè)備一直在朝著不斷滿足人們需求和方便人們使用的方向發(fā)展。在剛開(kāi)始的階段，X射線檢查僅僅被應(yīng)用在密度差別較大的骨折和體內(nèi)異物的診斷上。隨著各種造影劑的發(fā)明和使用，X射線檢查由人體局部對(duì)比的檢查，逐步應(yīng)用于人體各部分的檢查，大大擴(kuò)展了檢查范圍。

由于物理學(xué)、電子學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科的進(jìn)步和發(fā)展，尤其是在X射線影像設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，X射線產(chǎn)生的影像在可見(jiàn)性和可控性等方面都有了顯著的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使X射線影像設(shè)備數(shù)字化得以實(shí)現(xiàn)和發(fā)展。

傳統(tǒng)X線攝像是以膠片為介質(zhì)，集影像采集、顯示、存儲(chǔ)和傳遞功能于一體。因此，其中某一功能的改進(jìn)不能單獨(dú)進(jìn)行，新技術(shù)難以得到應(yīng)用。數(shù)字成像技術(shù)則將這些功能分解成不同的獨(dú)立單元，從而可對(duì)每一功能進(jìn)行單獨(dú)最優(yōu)化，使X線攝像進(jìn)入了一個(gè)嶄新的境界。

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與X線檢查技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。早在1917年奧地利數(shù)學(xué)家J.Radon利用數(shù)學(xué)理論證明利用X射線投影值可以重建物體的二維或三維圖像。1971年英國(guó)EMI公司工程師Hounsfield成功研制了世界上第一臺(tái)頭部CT掃描儀，以后又出現(xiàn)了全身CT、螺旋CT和超高速CT等。X-CT是運(yùn)用一定的物理技術(shù)，測(cè)定X線在人體內(nèi)的衰減系數(shù)，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理，求解出衰減系數(shù)值在人體某剖面上的二維分布矩陣，再應(yīng)用電子技術(shù)把此二維分布矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像畫面的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)斷層重建醫(yī)學(xué)影像的技術(shù)。CT把計(jì)算機(jī)技術(shù)引入醫(yī)學(xué)成像，開(kāi)創(chuàng)了數(shù)字影像的先河，為醫(yī)學(xué)影像學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的革命。CT的特點(diǎn)：一是體層影像；二是密度分辨率大幅度提高。隨著多層螺旋CT（multi-slice CT，MSCT）的發(fā)展，同時(shí)具備了快速、薄層、長(zhǎng)距離、X線利用率高四大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了有臨床實(shí)用價(jià)值的各向同性掃描。通過(guò)后處理技術(shù)，不僅能夠從冠狀面、矢狀面及任意角度、任意層面觀察解剖形態(tài)，而且可以三維立體地顯示各種解剖結(jié)構(gòu)，徹底改變了CT只能顯示橫斷層面的局限，使CT的應(yīng)用達(dá)到了一個(gè)更新的境界。

（二）醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)的發(fā)展

醫(yī)學(xué)超聲診斷技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代，1950年代應(yīng)用到臨床上，1960年代得到進(jìn)一步發(fā)展，1970年代得到廣泛應(yīng)用，1980年代后與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，隨著計(jì)算機(jī)、通信、微電子、圖像等相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展，醫(yī)學(xué)超聲診斷技術(shù)日益精臻。

用于醫(yī)學(xué)上的超聲頻率為2.5～10MHz，常用的是2.5～5MHz。超聲在介質(zhì)中傳播的速度因介質(zhì)不同而異，在固體中最快，液體中次之，氣體中最慢。在人體軟組織中約為1500m/s。超聲儀器有A型超聲診斷儀、M型超聲診斷儀、B型超聲診斷儀（B超），如圖1-2所示，還有彩超（彩色多普勒血流顯像儀），如圖1-3所示。彩超屬于實(shí)時(shí)二維血流成像技術(shù)，可在同一時(shí)間內(nèi)獲得多個(gè)回波信號(hào)，并對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，獲得速度大小、方向及方差信息，同時(shí)濾去遲緩部位的低頻信號(hào)，再將提取的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色、藍(lán)色、綠色的色彩顯示。尤其是利用先進(jìn)的實(shí)時(shí)二維彩色超聲多普勒系統(tǒng)，使血流圖像和B超圖像同時(shí)顯示，即B型超聲圖像顯示血管的位置而多普勒測(cè)量血流，這種B型和多普勒系統(tǒng)的結(jié)合能更精確地定位任一特定的血管。

（三）醫(yī)學(xué)核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是由美國(guó)斯坦福大學(xué)的布洛赫Felix Bloch和哈佛大學(xué)的珀塞爾（Edward Purcell），在1946年分別同時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此，兩人獲得了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。它是將人體置于特殊的磁場(chǎng)中，用無(wú)線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號(hào)，并將吸收的能量釋放出來(lái)，被體外的接收器收錄，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理獲得圖像，稱為核磁共振成像。20世紀(jì)80年代初NMR成像用于臨床，為了與放射性核素檢查相區(qū)別，改稱為磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。MRI設(shè)備如圖1-4所示。

醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中的第一臺(tái)MRI設(shè)備產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，2021年在我國(guó)縣級(jí)及以上的醫(yī)院得到了普及。MRI的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)傷害性。與1901年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的普通X線或1979年獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的CT相比，MRI并非利用電離輻射成像。但是，體內(nèi)有磁金屬或起搏器的患者卻不能用MRI檢查，因?yàn)樗鼈兊拇艌?chǎng)太強(qiáng)；而且，患幽閉癥的患者也不宜用MRI檢查。

（四）醫(yī)學(xué)核素成像技術(shù)的發(fā)展

放射性核素成像（radio nuclide imaging，RNI），是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。放射性核素顯像主要是功能性顯像，可以進(jìn)行功能性的量化測(cè)量。由于體內(nèi)不同組織和器官對(duì)某些化合物具有選擇性吸收的特點(diǎn)，故選用不同的放射性核素制成的標(biāo)記化合物注入體內(nèi)后，可以使體內(nèi)各部位按吸收程度進(jìn)行放射性核素的分布，再根據(jù)核素衰變放射出射線的特性，在體外用探測(cè)器進(jìn)行跟蹤，就可以間接獲得被研究物質(zhì)在生物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化圖像。核素成像包括正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像（positron emission computed tomography，PET）、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（single photon emission computed tomography，SPECT）和γ照相機(jī)。

各類影像系統(tǒng)的功能和適宜檢查的范圍是不同的。以腦部成像為例，腦結(jié)構(gòu)的確定可以用X-CT和MRI圖像來(lái)完成，不過(guò)單獨(dú)使用CT和MRI都不能獲取腦及周圍結(jié)構(gòu)的全部結(jié)構(gòu)性定義，兩者配準(zhǔn)后可以提供全部腦結(jié)構(gòu)三維定位的體圖像，只是在空間分辨率和三維覆蓋范圍上有一定限制。腦的功能性成像首先是采用核醫(yī)學(xué)技術(shù)，包括SPECT和PET成像，使用特定的放射學(xué)同位素來(lái)測(cè)量腦部血容量（CBV）、腦血流（CBF）及局部代謝，由于這些設(shè)備的低分辨率大大限制了特定結(jié)構(gòu)中功能的準(zhǔn)確定位，使得有效性受到限制，而功能性MRI成像方面的最新進(jìn)展，提供了無(wú)損傷的關(guān)于腦功能特征的成像技術(shù)。

21世紀(jì)的影像技術(shù)學(xué)已經(jīng)是多種學(xué)科發(fā)展的綜合，因而具有與多種學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)。只有不斷地在邊緣與交叉領(lǐng)域謀求發(fā)展，才可能把握學(xué)科發(fā)展的方向；只有立足于現(xiàn)代高科技與醫(yī)學(xué)的交叉點(diǎn)，才能不斷擴(kuò)展影像技術(shù)的研究空間；只有不同學(xué)科之間相互學(xué)習(xí)、相互啟發(fā)和交流，才能有效推進(jìn)醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展。