21世纪的数字化医学影像技术
作者：曹厚德
单位：200040 上海市静安区中心医院放射科
关键词：
中华放射学杂志991202 在即将逝去的20世纪中，医学影像技术经历了从孕育、成长到发展的过程。回顾过去可以断言，它在防治人类疾病及延长平均寿命方面是功不可没的。在一切“以人为本”的21世纪中，人们理所当然地期望医学影像技术继续为延长人类寿命及提高生活质量方面发挥重要作用。
CT的问世被公认为伦琴发现X线以来的重大突破，因为它标志了医学影像设备与计算机相结合的里程碑。尔后，1981年6月在布鲁塞尔召开的第15届国际放射学会学术会议上，首次提出了数字化X线成像技术的物理概念及临床应用结果。使医学影像技术步入了数字化的新纪元。事实上，医学影像技术的数字化趋势在近10多年已渐趋明晰。时至1998年，体现国际医学影像技术最高水平的“北美放射学年会”(RSNA)，不论从学术报告及展览中均体现出医学影像设备的数字化是大势所趋。据资深专家估计，其进程可能相当快。预计全世界50%的放射科将在5年内实现无胶片化，70%的放射科将在10年内实现。据此，医学影像存档与通讯系统(picture archiving and communication systems, PACS)的前景也将是十分乐观的。沿着20世纪医学影像技术的发展轨迹，可以预见，全数字化放射学、图像导引及远程放射学作为三种相互关连的技术将成为新世纪的影像技术的主流，而使医学影像学的面貌焕然一新，兹将主要技术动向简述于下。
, http://www.100md.com
一、X线成像
由于医学影像中以计算机断层扫描技术为基础的X-CT、MRI、PET及SPECT等均属本质数字图像。而目前在医院中应用最为广泛的传统X线摄影尚未进入数字图像家族。因此，如何将连接放射医学影像与数字化未来之间的链条上一直断着的一环连上，自然就为有关专业人士致力研究的课题。
迄今为止市场覆盖面较广的计算机放射摄影(computed radiography， CR)，1998年 RSNA中有4～5家厂商推出产品。据说这是最符合放射科传统工作流程的技术方式。但因受制于图像质量、实时显示及操作等方面的因素，使直接数字化摄影(direct radiography ，DR)成为开发的热点，1998年 RSNA中，展出产品的厂家多达20家左右。主要应用近年异军突起的平板薄膜晶管(thin film transistor， TFT)技术(有源阵列)制成“高分辨实时成像板”采集图像。目前推出的产品可归纳为间接型与直接型两种，间接型者由探测器矩阵(detector matrix)组成。矩阵中的最小单元(像素)是由薄膜非晶态硅制成的光电二极管，用以将光转换成电荷沉积。在光电二极管矩阵上被覆有掺铊的碘化铯[CsI(TI)]闪烁光电晶体。透过被检体后的入射X线，激发光电二极管产生电流，随之就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷。每一像素的储存电荷量和与之对应范围内的入射X线光子能量与数量成正比。直接型者则是用非晶态硒涂覆在TFT阵列上。透过被检体后的入射X线在硒层中产生电子-空穴对，在外施偏压的电场作用下，电子和空穴向相反方向移动形成电流，随之在TFT积分形成储存电荷。其原理与干板静电摄影近似，所不同者在于借助有源阵列输出而非干板静电摄影靠带电碳粉显影，从而达到即时输出图像。
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间接型与直接型均有一定的技术难点。前者的缺点为结构性CsI的制造工艺较直接型的非晶硒层的制造工艺复杂，且需光敏二极管。后者的缺点是要外加数千伏高压，这会对TFT开关构成威胁。因此还必须在结构工艺上加以改进。
目前直接型的像素尺寸约为139 μm×139 μm，间接型的像素尺寸约为143 μm×143 μm。最高空间频率均在3.5 LP/mm左右。1998年 RSNA上，有的厂家宣称用电荷耦合器(CCD)平板可将像素尺寸缩小至62 μm×62 μm，最高空间分辨率可达7.0 LP/mm。此外，用作直接透视用的平板装置预计在21世纪初也可投入应用。这样，CR与影像增强器将功成身退。
二、磁共振成像
脑影像的分辨率近20年来取得飞速发展。在常规扫描时间下，提高达数千倍。在显微成像中分解力达50 μm，预计还将有大幅度提高。动态成像或实时成像(包括功能成像)仍将是研究的主要方向，应用“飞行时间效应”或“相位对比度”形成造影图，用以测量血流速度的空间分布、大小及方向。其原理为：先施加一种极性的血流编码梯度脉冲，再施加相反极性的血流编码梯度脉冲，获得不同的数据，然后进行处理。据此，还可以测得药物对血管壁顺应性的影响。除动态成像外，功能成像等都将成为21世纪研究的主题。
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三、光学CT成像
20世纪后期开始研究的光学CT，将在21世纪继续深入研究。目前应用近红外或红外波段作为成像源进行断层成像的主要模式为：“先达断层成像”(first arriving tomography ，FAT)及“光子迁移成像”(photon migration imaging， PMI)。前者对先期到达检测器而未经散射的光子进行断层成像，图像的重建算法与X-CT类似，可能将应用于乳腺检查，其缺陷为在给定光脉冲下仅少量光子属先达光子。后者则为应用多次散射光子进行成像，图像重建算法不同于X-CT，因此远不成熟。其主要用于检测体内出血等，与X-CT、MRI相比，装置简单，成本低廉且运行安全，但由于分辨率较低，所以只能作为一种补充模式而不能取代其他成像方式。估计其主要研究工作将在21世纪内完成。
四、集成图像信息
, 百拇医药 对于手术或治疗的仿真与计划常要求图像信息加以综合，然后根据某种准则寻求最优实施方案(例如“X刀”、γ刀等放射手术治疗及神经外科手术等)。由于目前的成像技术都只能获取人体某一方面的信息，而且各种成像设备获取的图像并非同一时间进行，多次成像的空间位置也不可能一致，且病人状态也可能在发生变化，于是通过配准(registration)或融合(fusion)等图像处理技术， 通过各种成像装置获取的信息正确地集成在一起，成为计算机手术仿真或治疗计划中的一个重要方法。也有将2种成像模式合并于一体的成像装置。如将X-CT与SPECT集成在一起，或SPECT与MRI集成于一个装置如磁共振治疗系统(MRT)等。
医学影像中的其他成像方式如X-CT、SPECT、PET、电阻抗成像、磁性源成像、电性源成像、超声成像等均会在21世纪继续取得长足的进步，特别是具有诱人前景的MRI，更将有重大的发展。但是笔者认为，最具有革命性的及最有前途的当属X线实时高分辨率成像装置。因为它解决了约占放射科工作70%的数字化问题。
收稿：1999-09-20, 百拇医药
单位：200040 上海市静安区中心医院放射科
关键词：
中华放射学杂志991202 在即将逝去的20世纪中，医学影像技术经历了从孕育、成长到发展的过程。回顾过去可以断言，它在防治人类疾病及延长平均寿命方面是功不可没的。在一切“以人为本”的21世纪中，人们理所当然地期望医学影像技术继续为延长人类寿命及提高生活质量方面发挥重要作用。
CT的问世被公认为伦琴发现X线以来的重大突破，因为它标志了医学影像设备与计算机相结合的里程碑。尔后，1981年6月在布鲁塞尔召开的第15届国际放射学会学术会议上，首次提出了数字化X线成像技术的物理概念及临床应用结果。使医学影像技术步入了数字化的新纪元。事实上，医学影像技术的数字化趋势在近10多年已渐趋明晰。时至1998年，体现国际医学影像技术最高水平的“北美放射学年会”(RSNA)，不论从学术报告及展览中均体现出医学影像设备的数字化是大势所趋。据资深专家估计，其进程可能相当快。预计全世界50%的放射科将在5年内实现无胶片化，70%的放射科将在10年内实现。据此，医学影像存档与通讯系统(picture archiving and communication systems, PACS)的前景也将是十分乐观的。沿着20世纪医学影像技术的发展轨迹，可以预见，全数字化放射学、图像导引及远程放射学作为三种相互关连的技术将成为新世纪的影像技术的主流，而使医学影像学的面貌焕然一新，兹将主要技术动向简述于下。
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一、X线成像
由于医学影像中以计算机断层扫描技术为基础的X-CT、MRI、PET及SPECT等均属本质数字图像。而目前在医院中应用最为广泛的传统X线摄影尚未进入数字图像家族。因此，如何将连接放射医学影像与数字化未来之间的链条上一直断着的一环连上，自然就为有关专业人士致力研究的课题。
迄今为止市场覆盖面较广的计算机放射摄影(computed radiography， CR)，1998年 RSNA中有4～5家厂商推出产品。据说这是最符合放射科传统工作流程的技术方式。但因受制于图像质量、实时显示及操作等方面的因素，使直接数字化摄影(direct radiography ，DR)成为开发的热点，1998年 RSNA中，展出产品的厂家多达20家左右。主要应用近年异军突起的平板薄膜晶管(thin film transistor， TFT)技术(有源阵列)制成“高分辨实时成像板”采集图像。目前推出的产品可归纳为间接型与直接型两种，间接型者由探测器矩阵(detector matrix)组成。矩阵中的最小单元(像素)是由薄膜非晶态硅制成的光电二极管，用以将光转换成电荷沉积。在光电二极管矩阵上被覆有掺铊的碘化铯[CsI(TI)]闪烁光电晶体。透过被检体后的入射X线，激发光电二极管产生电流，随之就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷。每一像素的储存电荷量和与之对应范围内的入射X线光子能量与数量成正比。直接型者则是用非晶态硒涂覆在TFT阵列上。透过被检体后的入射X线在硒层中产生电子-空穴对，在外施偏压的电场作用下，电子和空穴向相反方向移动形成电流，随之在TFT积分形成储存电荷。其原理与干板静电摄影近似，所不同者在于借助有源阵列输出而非干板静电摄影靠带电碳粉显影，从而达到即时输出图像。
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间接型与直接型均有一定的技术难点。前者的缺点为结构性CsI的制造工艺较直接型的非晶硒层的制造工艺复杂，且需光敏二极管。后者的缺点是要外加数千伏高压，这会对TFT开关构成威胁。因此还必须在结构工艺上加以改进。
目前直接型的像素尺寸约为139 μm×139 μm，间接型的像素尺寸约为143 μm×143 μm。最高空间频率均在3.5 LP/mm左右。1998年 RSNA上，有的厂家宣称用电荷耦合器(CCD)平板可将像素尺寸缩小至62 μm×62 μm，最高空间分辨率可达7.0 LP/mm。此外，用作直接透视用的平板装置预计在21世纪初也可投入应用。这样，CR与影像增强器将功成身退。
二、磁共振成像
脑影像的分辨率近20年来取得飞速发展。在常规扫描时间下，提高达数千倍。在显微成像中分解力达50 μm，预计还将有大幅度提高。动态成像或实时成像(包括功能成像)仍将是研究的主要方向，应用“飞行时间效应”或“相位对比度”形成造影图，用以测量血流速度的空间分布、大小及方向。其原理为：先施加一种极性的血流编码梯度脉冲，再施加相反极性的血流编码梯度脉冲，获得不同的数据，然后进行处理。据此，还可以测得药物对血管壁顺应性的影响。除动态成像外，功能成像等都将成为21世纪研究的主题。
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三、光学CT成像
20世纪后期开始研究的光学CT，将在21世纪继续深入研究。目前应用近红外或红外波段作为成像源进行断层成像的主要模式为：“先达断层成像”(first arriving tomography ，FAT)及“光子迁移成像”(photon migration imaging， PMI)。前者对先期到达检测器而未经散射的光子进行断层成像，图像的重建算法与X-CT类似，可能将应用于乳腺检查，其缺陷为在给定光脉冲下仅少量光子属先达光子。后者则为应用多次散射光子进行成像，图像重建算法不同于X-CT，因此远不成熟。其主要用于检测体内出血等，与X-CT、MRI相比，装置简单，成本低廉且运行安全，但由于分辨率较低，所以只能作为一种补充模式而不能取代其他成像方式。估计其主要研究工作将在21世纪内完成。
四、集成图像信息
, 百拇医药 对于手术或治疗的仿真与计划常要求图像信息加以综合，然后根据某种准则寻求最优实施方案(例如“X刀”、γ刀等放射手术治疗及神经外科手术等)。由于目前的成像技术都只能获取人体某一方面的信息，而且各种成像设备获取的图像并非同一时间进行，多次成像的空间位置也不可能一致，且病人状态也可能在发生变化，于是通过配准(registration)或融合(fusion)等图像处理技术， 通过各种成像装置获取的信息正确地集成在一起，成为计算机手术仿真或治疗计划中的一个重要方法。也有将2种成像模式合并于一体的成像装置。如将X-CT与SPECT集成在一起，或SPECT与MRI集成于一个装置如磁共振治疗系统(MRT)等。
医学影像中的其他成像方式如X-CT、SPECT、PET、电阻抗成像、磁性源成像、电性源成像、超声成像等均会在21世纪继续取得长足的进步，特别是具有诱人前景的MRI，更将有重大的发展。但是笔者认为，最具有革命性的及最有前途的当属X线实时高分辨率成像装置。因为它解决了约占放射科工作70%的数字化问题。
收稿：1999-09-20, 百拇医药