医学影像MRI，CT和X-ray概述

医学影像MRI，CT和X-ray的成像原理

MRI概述
- 成像原理
- MRI系统的组成
- - 磁铁系统
  - 射频系统
  - 计算机图像重建系统
  - MRI的基本方法
- MRI在医学上的应用
- - 检查目的
  - 磁共振成像的优点
  - MRI的缺点及可能存在的危害
计算机断层成像
- 诊断应用
- - 头部断层检查
  - 胸腔断层检查
  - 心脏断层检查
  - 腹部和骨盆的断层检查
  - 四肢的检查
- 优点和危险性
- - 优于X射线影像的部分
  - 辐射剂量
  - 对比剂的负面反应
- X射线

MRI概述

核磁共振成像（英语：Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI），又称自旋成像（英语：spin imaging），也称磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI），台湾又称磁振造影，香港又称磁力共振扫描，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，简称NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。

成像原理

核磁共振成像 是随着电子计算机、电子学、电路学、超导体等技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。医生考虑到患者对“核”的恐惧心理，故常将这门技术称为“磁共振成像”。
核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体大约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。
当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，以改变氢原子的旋转排列方向，使之共振，然后分析它释放的电磁波，由于不同的组织会产生不同的电磁波讯号，经电脑处理，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。
原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”

MRI系统的组成

现代临床高场（3.0T）MRI扫描器
MRI是一台巨大的圆筒状机器，能在受检者的周围制造一个强烈磁场区的环境，借由无线电波的脉冲撞击身体细胞中的氢原子核，改变身体内氢原子的排列，当氢原子再次进入适当的位置排列时，会发出无线电讯号，此讯号借由电脑的接收并加以分析及转换处理，可将身体构造及器官中的氢原子活动，转换成2D影像，因MRI运用了生化、物理特性来区分组织，获得的影像会比电脑断层更加详细。

磁铁系统

静磁场：又称主磁场。当前临床所用超导磁铁，磁场强度有0.2T到7.0T（特斯拉），常见的为1.5T和3.0T；动物实验用的小型MRI则有4.7T、7.0T与9.4T等多种主磁场强度。另有匀磁线圈（shim coil）协助达到磁场的高均匀度。
梯度场（gradient coils）：用来产生并控制磁场中的梯度，以实现NMR信号的空间编码。这个系统有三组线圈，产生x、y、z三个方向的梯度场，线圈组的磁场叠加起来，可得到任意方向的梯度场。

射频系统

射频（RF）发生器：产生短而强的射频场，以脉冲方式加到样品上，使样品中的氢核产生NMR现象。
射频（RF）接收器：接收NMR信号，放大后进入图像处理系统。

计算机图像重建系统

由射频接收器送来的信号经A/D转换器，把模拟信号转换成数字信号，根据与观察层面各体素的对应关系，经计算机处理，得出层面图像数据，再经D/A转换器，加到图像显示器上，按NMR的大小，用不同的灰度等级显示出欲观察层面的图像。

MRI的基本方法

选择梯度场Gz
相位编码和频率编码
图像重建

MRI在医学上的应用

检查目的

侦测及诊断心脏疾病、脑血管意外及血管疾病
胸腔及腹腔的器官疾病的侦测与诊断
诊断及评价、追踪肿瘤的情况及功能上的障碍

MRI被广泛运用在运动相关伤害的诊断上，对近骨骼和骨骼周围的软组织，包括韧带与肌肉，可呈现清晰影像，因此在脊椎及关节问题上，是极具敏感的检查。
因MRI没有辐射暴露的危险，因此经常被使用在生殖系统、乳房、骨盆及膀胱病的侦测及诊断上

磁共振成像的优点

与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X射线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机层析成像（computerized tomography, CT）相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法。如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点：

对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查比CT优胜；
各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值变大，而肝癌的T1值更大，作T1加权图像，可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤；
通过调节磁场可自由选择所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可以看到神经根、脊髓和神经节等。不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面；
对人体没有电离辐射损伤；
原则上所有自旋不为零的核元素都可以用以成像，例如氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。

MRI的缺点及可能存在的危害

虽然MRI对患者没有致命性的损伤，但还是给患者带来了一些不适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施，把这种负面影响降到最低限度。其缺点主要有：

和CT一样，MRI也是解剖性影像诊断，很多病变单凭核磁共振检查仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；
对肺部的检查不优于X射线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多；
对胃肠道的病变不如内窥镜检查；
扫描时间长，空间分辨力不够理想；
由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人不能适用。

计算机断层成像

计算机断层成像（Computed Tomography，简称CT），是一种影像诊断学的检查。这一技术曾被称为计算机轴向断层成像（Computed Axial Tomography）。CT成像的本质是衰减系数成像。
X射线计算机断层成像（X-Ray Computed Tomography，简称X-CT）是一种利用数位几何处理后重建的三维放射线医学影像。该技术主要通过单一轴面的X射线旋转照射人体，由于不同的组织对X射线的吸收能力（或称阻射率）不同，可以用电脑的三维技术重建出断层面影像。经由窗口技术处理，可以得到相应组织的断层影像。将断层影像层层堆叠，即可形成立体影像。

诊断应用

自从20世纪70年代被发明后，X射线计算机断层成像在医学影像上已经变成一个重要的工具，虽然价格昂贵，它至今依然是诊断多种疾病的黄金准则。X射线计算机断层成像技术的优点之一是它可以提供很高的空间分辨率（0.5 毫米）。它的一个弱点是软组织对比度较差。当诊断对软组织对比度要求较高时，核磁共振影像技术要优于X射线计算机断层成像技术。

头部断层检查

主要用来诊断脑部血管病变以及颅内出血，检查不一定要用到显影剂。在病人有急性中风的情形下，它虽然没办法排除血管阻塞的可能性，但是可以排除出血的可能性。如此一来，抗凝血剂就可以大胆地应用。在诊断肿瘤的应用上，电脑断层配合静脉显影的检查并不常用，而且效果也比核磁共振影像（MRI）差。它也可以用来诊断颅内压是否有增加，例如要做腰椎穿刺或是评估脑室腹腔分流术时。
X射线计算机断层成像在诊断有外伤的颅骨及颜面骨的骨折也有很大的用处。在头颈口的部位，对于头骨和颜面骨或是牙齿的畸形，它有术前评估的作用；下颚、副鼻窦、鼻腔，眼框等部位所生囊肿或是肿瘤的评估；慢性鼻窦炎成因的诊断；还有植牙重建的评估。

胸腔断层检查

在肺部组织的诊断上，X射线计算机断层成像对于急性或是慢性的变化都有很高的诊断价值，在观察一些人体内空气的变化，例如肺炎或是肿瘤，一般不需显影剂就有很好的效果。而一些间质组织的变化（肺实质，肺纤维等等），可以用薄切面的高解析设定来重建；而要评估纵隔腔和肺门部分的淋巴腺肿大，则需要静脉显影。
胸腔断层血管摄影（CTPA）是一个需要用精确快速的时间来作对比剂注射再加上高速的螺旋式描扫器才能完成的检查，近来也用在作肺栓塞和动脉剥离的评估。当胸腔x光检查出现异常或是怀疑异常等，只要是非急性的，电脑断层都是首推的进一步检查。

心脏断层检查

随着较先进的X射线计算机断层成像仪旋转时间的减少，再加上多断层（高达128切）切面的技术，要同时达到高速度和高分辨率不再是梦想。目前已经可以清楚地看见冠状动脉的影像。在扫描的同时，电脑就可以将一连串的数据重建，如此一来，每单一个心脏断层影像的数据都可以在x光管回转完成前重建完成。但未来是否能取代侵入性检查“冠状动脉导入检查”还是未知数。
心脏的多断层切面检查（Multi-slice Computed tomography，简称MSCT）有相当性的潜在危险，因为它的剂量相当于500张的胸腔x光，对于乳癌的潜在诱发性目前还有待商榷。诊断为阳性的正确率大约82%，诊断为阴性的正确率大约93%；敏感度大约81%，特异性为94%。
双射源X射线计算机断层成像机有相当高的时间分辨率，可以减少高速心跳造成的移动假影，闭气的时间也不用长，对于不方便闭气的病人或是不适合打降低心率药的病人是很有帮助的。

腹部和骨盆的断层检查

对于腹部的疾病，X射线计算机断层成像的诊断价值极高，常用来定位肿瘤期数也用来做后续的追踪，对急性腹痛的检查也很有用。泌尿结石，阑尾炎，胰脏炎，憩室，腹部动脉瘤还有肠阻塞等都是可以由电脑断层做快速诊断的疾病，它也是第一线用来诊断内部脏器外伤的利器。
口服或是直肠对比剂可视需要使用，稀释的硫酸钡（2% w/v）是最常用的，一般用来作大肠透视检查的钡剂浓度太高，在断层影像上反而是假影，如果钡剂有禁忌上的考量的话（例如怀疑病人是肠受伤），碘对比剂也是选择之一，其他种类的就看目标是要对哪一个器官显影，例如直肠的空气对比剂（空气或二氧化碳）用在大肠检查，或是口服纯水用在胃部检查。
电脑断层在诊断骨盆的应用上有限制，特别是女性的骨盆，超音波是一个替代方案。除此之外，它也可以部分应用在腹部扫描（例如看肿瘤），在评估骨折上也有用处，它也可以用在研究骨质疏松症，和骨质密度侦量仪一样，此两样都能侦测骨矿物质的密度（BMD），也就是骨强度的指标，然而电脑断层的结果不一定和骨密仪一样（BMD测量黄金准则），不但贵，病人接受的剂量又高，所以不常使用。

四肢的检查

前臂X射线计算机断层扫描（CT）图像的立体渲染（肌肉、脂肪、骨骼和血液分别采用了不同的配色方案）
X射线计算机断层成像常用来显示复杂的骨折，特别是节关附近的骨折，主要是因为它可以将想要看的地方重建出来。

优点和危险性

优于X射线影像的部分

首先，X射线计算机断层成像为医生提供器官的完整3D讯息，而X射线影像只能提供多断面的重叠投影；第二，由于电脑断层的高分辨率，不同组织阻射过所得的放射强度即使是小于1%的差异也可以区分出来；第三，由于断层成像技术提供三维图像，依诊断需要不同，可以看到轴切面，冠状面，矢切面的影像，我们称它为多平面数位重建（Multi-planar reformatted imaging）。除此之外，任意切面的图像均可通过插值技术产生。这给诊断和科研带来了极大的便利。

辐射剂量

X射线计算机断层成像被视为中度至高度辐射的诊断技术，虽然技术的进步已经增加了辐射的效率，但是同时为了增加影像品质或为了更复杂的技术，还是有增加剂量的考量，进化过的分辨率使电脑断层可以进行新的研究，可以有更多的优点：例如和传统血管摄影比，电脑断层血管摄影可以避免插入静脉管和静脉导管；电脑断层大肠摄影也和大肠钡剂摄影一样用来诊断肿瘤，但是剂量更低。其方便性以及可适用的情形不断增加，使它日渐普及，最近在英国的综合评估中，电脑断层占了所有放射性检查的7%，但是在2000/2001年间，它占了总合医疗放射剂量的47%(Hart & Wall, European Journal of Radiology 2004;50:285-291)，过度地使用电脑断层检查，不管其他地方怎么灭，还是会导致总体医疗剂量的上升，在一些特别研究放射剂量的论文还有考量很多因子：扫描的体积，PATIENT BUILD，扫描的数量和型式，还有需要的分辨率和影像品质。

对比剂的负面反应

由于X射线计算机断层成像相当依赖静脉注射的对比剂来显影，所以有潜在的危险，危险虽低，却无法完全避免，这可能会使某些病人的肾脏受伤，有肾功能衰竭或糖尿病等病史的病人（另外还有REDUCED INTRAVASCULAR VOLUME）危险性可能更高
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X射线

X光片（Radiography）X射线的波长范围在0.01~10 nm之间，肉眼是看不到的，它对物体的穿透力很强，人体构造中密度较高的部分，如骨骼，能吸收较多的X光，所以会在感光底片上留下阴影，也就是说，人体组织密度的不同，会在感光底片上留下深浅不一的阴影。

产生X射线的原理是使用加速后的电子撞击金属靶，撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称之为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成电洞，外层电子跃迁回内层填补电洞，当原子外层电子移向内层电子空轨道时，放出的能量是移动两个能阶的能量差，这个能量差所形成射线，就是X射线。
此外，高强度的X射线亦可由同步加速器或自由电子激光产生。同步辐射光源，具有高强度、连续波长、光束准直、极小的光束截面积并具有时间脉波性与偏振性，因而成为科学研究最佳之X射线光源。

电脑断层扫描（Computerized tomography, CT）
电脑断层扫描是一种结合X光与电脑科技的诊断工具，利用电脑将资料组合成身体横切面的影像，这些横切面的影像可再进一步重组成精细的3D立体影像。电脑断层摄影对于头部、胸部、腹部与脊椎的问题是很好的工具，许多部位的肿瘤，例如：肺、肝、胰脏肿瘤能够借由这个检查来确定位置及测量大小，对周围组织的侵犯程度亦能提供重要的讯息。利用在创伤的病人身上，电脑断层可以快速诊断出大脑、肝脏、脾脏、肾脏或其他体内器官的伤害情形。
电脑断层扫描虽然可将人体器官一层层扫描进电脑来观察，但因为电脑断层扫描也是用X光来成像的，所以所有电脑断层扫描影像都是灰阶的黑白影像。如果由静脉注射含碘显影剂，血管、肾脏、肝脏等构造会被强化变得比较白，比较容易辨认。而且大多数病灶，注射显影剂后也会较清楚，因此注射显影剂成为电脑断层扫描检查的重要步骤。
电脑断层扫描最常用的部位是头部、耳鼻喉、胸腔、腹部、骨盆腔、脊椎、骨关节，几乎全身各部位都可用电脑断层扫描来检查。而头部外伤、骨折、脱臼不必注射显影剂，大多数脊椎检查亦不必注射显影剂。电脑断层扫描检查本身除须暴露辐射线外，并不会有副作用，单一检查其辐射剂量并不会对人体造成危害。所有副作用都来自对显影剂的过敏，例如轻微过敏、恶心、皮肤痒、皮肤荨麻疹、呼吸急促等。