生物医学工程概论之生物医学图像part

74岁的美国科学家保罗Lauterbur和即将70岁的英 国的彼得-曼斯菲尔德Mansfield因发明核磁共振成 像技术MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。
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核磁共振成像（MRI）基本原理
将人体置入一个强磁场中；
对人体施加一个一定频率的交变射频场，使被探测的 质子共振并向外辐射能量；
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HIFU原理示意图
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聚焦超声在其所穿过的非治疗部位的能量不足以对组织造成损伤。而在其聚焦点，由 于声强很高，通过超声的热效应使该处组织的温度瞬间上升至56～100℃，从而导致 蛋白变性及组织细胞凝固性坏死；同时还通过超声的空化效应使组织间液、细胞间液 和细胞内气体分子在超声波正、负压相作用下形成气泡，并随之收缩和膨胀以致最终 爆破，所产生的能量导致细胞损伤、坏死。聚焦超声声焦域的形态、大小以及组织对 超声的效应和反作用等因素对超声治疗的深浅度、组织损伤范围和损伤程度起着决定 性的作用。因此，通过对超声换能器参数的设置可以达到靶向破坏病变的目的，而对 治疗靶点周围组织却没有损伤，从而实现无创治疗的目标。
在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生；
接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图 像；
图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间T1和T2
典型的MRI对氢核（或质子）成像
氢核在人体组织中普遍存在
氢核产生强的磁共振信号
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MRI的三要素
静态磁场 梯度磁场 射频电磁场
平行（与B0同向）: 低能量, 原 子数目多
反平行（与B0同向） : 高能量, 原子数目少
对齐后产生净磁矩M
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Larmor频率
在外磁场作用下，自旋的质 子产生进动
进动频率称为Larmor 频率
ω=γ*B0 γ为旋磁比,是质子
的固有特性
B0=1T, ω=42.58 MHz
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（2）多普勒超声诊断
➢ 除断面成像外，血流测量也是超声成像设备中 的重要组成部分。超声血流测量是借助多普勒 频移原理完成的。射入人体的一定频率的超声 波在遇到运动的红血球时，血球产生的后向散 射信号会出现多普勒频移。通过对多普勒回波 信号的分析就能得到血流的方向与速度信息， 这些信息是心血管疾病与脑血管疾病诊断中的 重要依据。
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（1）B超
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超声成像图
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超声图象
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超声图象
Photo courtesy Philips Research
3D ultrasound images
同时向外辐射RF信号，此过程成为驰豫。
MRI通过测量两个驰豫时间信号成像 T1: 90°RF作用之后，Mz恢复到平衡态的63% 所需要的时间
T2: 90°RF作用之后，Mxy衰减到原始静磁矩 的37% 所需要的时间
T1和T2对不同的组织是不同的，因此可以反映解 剖结构的信息
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超声彩色血流图
➢ 20世纪 80年代初问世的超声彩色血流图（color flow mapping，简称CFM）是目前临床上使用的 高档超声诊断仪。它的特点是把血流信息叠加到二 维B型图像上。凡是指向换能器的血流在B超图中 用红颜色表示，而背离换能器的血流则用蓝颜色表 示。由于在一张图像上既能看到脏器的解剖形态， 又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥 了很大的作用。
MRI Center, University of Rochester Medical School 34
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生物医学工程源自文库心
Hydrocephalus 脑水肿
MRI Center, University of Rochester Medical School
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Morphological Image Processing
Normal Osteoporosis
Cystic Sclerotic
Chen, Dougherty, Totterman, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:358 (1993)
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MRI
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开放式MRI
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MRI
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MRI
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MR Angiography 血管造影术
Head S/I Projection
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净磁矩
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核磁共振（NMR）
在外加磁场B0作用的同时，施加脉冲射频场的作用
当RF的频率合适（取决于B0）时，进动的相位趋向
一致，当完全一致时就发生核磁共振，原子由低能态 激发到高能态
共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射 能量，此即为成像信号
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MRI的突出优点
基于核磁共振，无高能（X－Ray）辐射，故安全、 对人体无创
可以对人体组织作出形态和功能的诊断；
fMRI：磁共振功能成像
提供精细的解剖结构信息
MRI分辨率可达0.5mm；
获取人体的三维图像数据较容易
直接产生三维数据，无需重建
另外，它还可以在不注射造影剂的情况下显 示血管影像。
➢ 并发症少
➢ 住院时间短
治疗过程大约在半小时内完成，病人术后当天可下
地活动，康复快，身体状况好者则无需住院
➢ 风险小
尤其适用于因其他疾病或原因不能手术的患者,如
高血压，糖尿病，心血管疾病，高龄患者等。
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3. 磁共振成像系统
1945年美国学者Bloch和Purcell首 先发现了核磁共振现象，从此产生了核 磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科 领域中迅速发展成为对物质的最有效的 非破坏性分析方法之一。核磁共振作为 一种成像方法的应用是一个较新的发展。
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Multispectral Tissue Classification
T1 3D Histogram Segmented Image
T2
Fletcher, Barsotti, Hornak, Magn. Reson. Med. 29:623 (1993)
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核磁共振成像仪的研制
1973年P.C.Lauterbur把物体放置在一个稳定的磁
场中，然后再加上梯度磁场，再用适当的电磁波照射
这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制
成物体某个截面的内部图像；之后，Mansfield 改进
了其方法，并发现不均匀磁场的快速变化可使上述方
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Asymmetry of Auditory Regions in Musicians with Perfect Pitch
Schlaug, et al, Science 267:699 (1995)
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核磁共振成像（MRI）原理 自旋磁矩
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Bloch和Purcell于1945年因发现宏观物质核 磁共振NMR现象获得1952年诺贝尔物理学 奖。
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Richard R.Ernst于66年和70年代的研究因发明 了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共 振技术而获得1991年诺贝尔化学奖。
（ high-intensity focused ultrasound, HIFU）
是利用超声波良好的组织内聚焦性、方向 性和能量的可渗透性，通过一定的聚焦方式， 将超声源发出的超声能量聚焦于人体组织，在 组织内形成一个声强较高的区域——焦域，使 焦域组织温度瞬间内达到70℃以上，致使焦域 内的组织细胞凝固性坏死，失去增殖、浸润和 转移能力，而对焦域以外的组织影响甚少。
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Color Flow Mapping, CFM
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超声诊断
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超声诊断
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肾脏多普勒
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（3）高能量聚焦超声波治疗仪
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原子核（质子）进动
氢核（质子）自旋产生一个小小的磁场，产生磁矩矢量
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进动（Spin）与极化（Polarization）
无外界作用时，质子自旋，磁矢量 朝向随机
有外界磁场 B0作用时，质子会绕
着磁场方向进动（极化）。进动的 相位存在两种情况：
高强度聚焦超声与超声热疗区别：
高强度聚焦超声聚焦区域瞬间温度可升高到60℃以上，直接凝固细胞蛋白。
超声热疗则完全不同，超声作用区的温度一般为40～45℃，不能直接造成细胞组织
凝17固性坏死，只能令其变性，故疗效不可靠。 2020/12/15
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HIFU刀
•重庆医科大学研制的HIFU刀是我国第一个 完全拥有自主知识产权的 大型医疗设备
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HIFU 刀
无锡海鹰医疗电子有限公司生产的HY2900聚焦超声肿瘤治疗 系统
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HIFU的优点：
➢ 手术精确
治疗中电脑实时计划，实时监控，
➢ 术中不出血 体外治疗，不开刀，不出血，无疼痛，创伤反应明 显小于开放手术病人耐受性好。
Larmor频率在 射频（RF） 范围
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净磁矩（Net Magnetization）
不同原子的自旋方向是不 同的，故不同原子的磁化方 向也不同
将M 分解为Mz 和 Mxy
不同原子磁矩的平均值称 为净磁矩
若Mxy相互抵消，净磁 矩由Mz给出
若Mz=0, 净磁矩为Mxy
Motor Activation - Right Index Finger Movement
%
100
75
5 0 25
1 Hz
2 Hz
3
Hz
Schlaug, et al, 1995, Harvard Medical School and Beth Israel Hospital
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法能更快地绘制成物体内部结构图像；他还证明可以
用数学方法分析获得的数据，为利用计算机快速绘制
图像奠定了基础。直至上世纪 80 年代初第一台医用
核磁共振成像仪才问世。核磁共振成像系统也称为磁
共振成像（magnetic resonance imaging，简称
MRI）系统。
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磁共振成像与CT图像比较
磁共振图像也是通过计算机处理后产生的 图像。与CT不同的是，CT图中每个像素的数值 代表的是人体组织中某一个体素对X线的衰减； 而在磁共振图像中，每个像素的值代表的是从某 个体素来的磁共振信号的强度，它与共振核子的 密度有关。
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2. 超声成像系统
超声成像设备是目前医院中仅次于 投影X射线机使用得最频繁的成像 设备。目前临床上使用的超声成像 系统基本上都是采用脉冲回波亮度 调制方式成像(即B型超声显像仪)。 超声成像的突出优点是对人体无损、 无创、无电离辐射，同时又能提供 人体断面实时的动态图像。因此广 泛地用于心脏或腹部的检查。
两种可能的激发
90°脉冲: 自旋从平行方向至垂直方向 (lower RF)
180°脉冲: 自旋从平行方向至反平行方向
(higher RF)
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Signal
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驰豫时间（Relaxations Times）
脉冲B1作用之后, 被激发的自旋渐渐恢复到低能态，