医学影像物理和技术

医学影像物理和技术是医学物理学的重要分支 ,重点解决成像、图像处理与分析以及医学图像在临床应用中的物理问题、算法和软硬件设计。治疗中的医学影像可以用于制定治疗计划、在治疗过程实施影像监督 ,以及通过对治疗监督时采集的数据的图像重建实现对治疗计划的验证。广泛用于疾病诊断、治疗、教学和科研的医学影像是人体信息的载体。当前医学影像的世界前沿是功能成像 ,主要内容是对人的生理和心理功能的成像。无论生理还是心理成像 ,都和人体内的生物大分子合成及其行为特征以及基因的表达有关 ,所以 ,对人体内生物大分子和基因反义核酸水平上的动态成像是整个成像领域研究的前沿。这些成像方法和技术的发展以及在医疗机构中的广泛使用 ,将引起医学领域新的革命并促进医疗机构的重大改革。

医学物理学科、医疗机构和数字医疗核心装备事业

纵观世界医学物理学的发展历史和未来趋势,医学物理应该覆盖包括发明创造新的医疗仪器和设备的基础研究、新产品设计和制造,到使用这些仪器设备的各个环节。而国内还没有建立起有利于医学物理学科发展的环境,为此北京大学医学物理和工程北京市重点实验室的包尚联教授,在征求了海外的同行和朋友的意见后,提出了自己的见解,并撰写了此文。

0.5T永磁MRI系统及相关技术的研究进展

发展了一套高性能0.5T永磁MRI系统,包括具有人体尺寸和创新结构的磁体、具有特点的前放、收发开关、RF线圈、有源匀场线圈和主磁场温度稳定系统等。针对该系统,研发了SE、GE、FSE和灌注、扩散成像序列;基于非均匀场理论,发展了反缠绕相位校正、T1和T2值的误差校正等新方法.系统地研究了并行RF线圈的设计和重建算法;完成了介入和手术导航系统的顶层设计及若干关键技术。用QA和QC的规则进行的测量证明,系统达到了预期技术指标。我们在商用设备上开发的SS-FP、扩散谱成像等序列,以及DCE-MRI药物代谢动力学等方法也正在探索如何在0.5T永磁系统上实现的可能性.这些工作扩展了研究项目的内容,提高了研究的整体水平。

运用FAIREST技术测量正常志愿者局部脑血流量绝对值的初步研究

目的评价FAIREST序列测量局部脑血流量(CBF)绝对值的影响因素。方法对18例健康志愿者在1.5T磁共振扫描仪上进行间隔两周的重复FAIREST检查。在先后两次得到的脑血流图上测取14个解剖部位相对应的CBF值,运用多元线性回归方法分析检查部位、双侧大脑半球和两次检查对CBF测量的影响,对不同定位层面的相同解剖结构CBF值进行自身配对t检验。结果①FAIREST图像显示了良好的灰、白质对比。②两次检查之间,除了双侧额叶CBF绝对值差异有统计学意义(P<0.05)外,其余部位差异均无统计学意义。不同解剖部位的CBF绝对值差异有显著性意义(P<0.05)。③灰、白质平均CBF为(122±28)和(43±10)ml/(100g·min)。④定位不同导致的两次测量结果差异有统计学意义(P<0.01)。结论FAIREST技术的测量结果有很好的重复性,脑血流局部CBF绝对值的测量影响因素主要为解剖部位和定位层面。

基于医学影像的虚拟膀胱镜技术

目的:虚拟膀胱镜技术是利用医学影像和计算机技术相结合来替代现有光学膀胱镜一种行之有效方法。该技术与光学膀胱镜一样,可以作为常用的一种膀胱癌早期检查和定位的手段,同时也可以避免费光学膀胱镜的费用昂贵、有创、容易造成出血、尿道感染、甚至还有可能造成膀胱洞穿的危险等问题。方法:虚拟膀胱镜技术首选CT或者MRI作为其成像模态,得到清晰的膀胱结构或(和)功能图像信息,对膀胱进行手动或自动分割,并在此图像分割的基础上,对膀胱进行三维重建,进行面绘制,实现对膀胱原始形状的还原和表达。另外,通过对图像进行有效特征的提取,并将特征在重建后的三维膀胱上进行表达,更直观地为医生提供更多的诊断信息。结果:虚拟膀胱镜技术的应用可以解决光学膀胱镜检查有创的这一问题,并且能够为医生提供更多有效的诊断信息和更便利、灵活的检查方式。结论:虚拟膀胱镜对膀胱癌进行早期筛查和复查有着很大的临床价值和广阔的应用前景。而其研究正处于起步阶段,距离临床应用仍有距离。其临床意义和商业价值有待进一步挖掘。

通过磁共振物理参数估计实现磁共振图像的分解(英文)

近年来,单谱与多谱磁共振图像的分割方法研究已经取得了很大进展,并应用于正常年龄的脑发育和脑疾病的诊断研究,例如老年痴呆综合征、脑损伤、脑肿瘤等的临床研究等。据此可以通过多谱MR图像获得多种对比度信息,更加准确表达人体组织及其病理情况。现已提出的大多数方法,把组织分割问题考虑成统计决策、模式识别和聚类、图像处理和分析等问题。在这些方法中用于组织分割的特征主要是单谱/多谱图像的灰度值/矢量,它们不能直接反映组织的物理特征。而且,这些方法将组织分割问题表述成组织磁共振图像中像素不同成分的有限集合。所以,这些组织分割的方法所取得的结果在某种意义上是不够合理的。这篇论文提出了一种基于磁共振图像谱分解的新的组织分割方法,该方法将组织分割问题考虑成组织的磁共振物理参数的估计问题。这个方法不仅用于磁共振成像中脂肪信号的抑止,也用于核磁共振谱中的水信号抑止。因此,这个方法可以称为空间和谱MR成像。

磁共振谱成像及其在肿瘤诊疗中的应用

本文在分析磁共振谱成像(MRSI)的特点,以及能够提供的肿瘤病理信息的基础上,就如何在MRI设备上用MRSI技术开展肿瘤诊疗的条件、关键技术和方法进行了介绍,并举例说明,为有意开展这方面工作的医院提供发展思路。

医用直线加速器中心轴绝对剂量输出长期稳定性对比分析

目的：分析对比医用直线加速器中心轴光子绝对剂量输出的长期稳定性特点。方法：选取3 台Varian 加速器，以最新IAEA TRS-398 报告中推荐的水中直接剂量法监测15 个月内的剂量输出，用SPSS 和SigmaPlot 软件进行统计分析。结果：在390 条数据中，超过±2%允差有7 次（1.79%）。偏差主要分布在-0.2%~1.2%，最大＋2.55%。同一加速器均整模式下不同能量输出稳定性差异显著（P〈0.05），但无临床意义（〈1 cGy 量级）。不同加速器的均整模式输出稳定性显著依赖于机龄（P〈0.05），与机型无关，而非均整模式（FFF）间差异不显著。结论：包括较新的TrueBeam FFF 模式在内的 Varian 加速器中心轴绝对剂量输出的长期稳定性良好，错误率为1%~2%。放疗中心可以晨检仪和标准水箱测量相结合的方法，监测并及时纠正该偏差。

磁共振成像射频线圈技术

磁共振成像设备采集到的射频信号很弱,极易受到来自外界噪声的干扰,因此提高图像信噪比是磁共振成像的首要任务。而射频线圈作为信号接受链前端,则是信噪比的决定因素之一。本文首先分类探讨了射频线圈各种技术的基本原理,然后对它们的应用特点进行了阐述,并对影响线圈性能的参数进行了优化分析,旨在达到提高磁共振临床应用的质量控制、质量保证水平以及优化图像质量的目的。

肿瘤放疗物理和医学物理师

肿瘤放疗物理是医学物理的重要分支 ,肿瘤放疗装置是医疗设备中技术含量和附加值最高的医疗设备 ,现在中国每年新发病人已经超过 2 0 0万 ,有约 70 %的肿瘤病人在治疗期间使用放疗手段 ,随着肿瘤病人的人数和比例逐步升高 ,中国社会对放疗设备的数量和质量要求不断提高 .为了更好地满足社会需要 ,大力发展中国的肿瘤放疗学科 ,大力研发肿瘤放疗的新方法和新设备 ,建立中国的医学物理师制度具有重要意义 .文章在综述肿瘤放疗学科发展的基础上 ,对如何发展中国的肿瘤放疗事业提出了建议 .

基于MRI术中成像的神经外科手术导航系统关键技术

神经外科手术导航系统是借助医学影像提供的信息提高手术的精度和安全性的一种技术手段。基于开放式MRI术中成像的神经外科手术导航系统和X-射线成像导航系统相比,没有放射性,能够采集人体解剖学、生理学,甚至心理学信息以及它们对应的病理学信息等。因此,基于开放式MRI的神经外科手术导航系统是影像导引手术导航的发展方向。本文介绍了基于开放式MRI影像引导神经外科手术系统的工作流程和相应的关键科学技术问题。其流程包括术前的准备工作、术中成像和导航以及术后成像和评价。关键科学技术问题包括多模态影像数据的采集和集成分析、器械的导航和定位,以及制定手术评价标准等。

HW-Plan放射治疗计划系统的实验验证

本文采用辐射胶片结合指形电离室的测量方法,借鉴AAPM 51号报告的电离室测量方法和AAM P 55报告中对放射治疗计划系统验证的推荐标准,对本实验室新研发的H W-Plan放射治疗计划系统进行了实验验证,内容包括点剂量、轴向剂量分布曲线以及等剂量曲线的验证比较。实验采用方形水模和有机玻璃模体,通过CT扫描确定模体的电子密度和模拟靶点(测量位置),采用PTW电离室测量在三野交叉共面、等中心照射条件下等中心点和偏等中心点的照射剂量,采用K odak ED R2辐射胶片测量该条件下靶区剂量场的相对分布,并与计划系统在相同照射条件下计算的剂量场进行了验证比较,实现了对H W-Plan放射治疗计划系统验证,为计划系统的市场准入和进入临床应用提供了可靠的依据。

工业X-CT散射校正技术综述

在工业X-CT成像系统中,散射现象对重建图像的质量有重要的影响,一直是CT研究的热点之一。随着工业X-CT系统的最新发展,锥束CT也逐渐被广泛应用,由于成像质量要求高,散射成二维分布,及新型平板探测器的应用,对散射校正带来更大的挑战。在传统的散射校正方法基础上,近几年出现了众多新的校正方法。本文首先分析了散射干扰的形成原理,介绍了散射评估方法,同时又对目前主要的几种校正方法进行了归纳总结,并对散射校正研究的发展趋势进行了展望。

基于磁共振扩散加权波谱技术的水分子扩散测量方法

目的在常规医用磁共振机上利用扩散加权波谱技术测量水分子的扩散系数。方法在受激回波采集模式序列中第二个π/2射频脉冲之前及第三个π/2射频脉冲之后加入两个强扩散梯度磁场,在3.0特斯拉医用磁共振机上运行此脉冲序列扫描磁共振波谱模体,扩散梯度磁场强度固定,通过改变两扩散梯度磁场间隔得到不同的扩散权重,扫描过程中不抑制水信号。结果在重扩散权重条件下得到的波谱中水信号信噪比依然较高,扩散权重对水分子表观扩散系数的影响不显著(P>0.05)。结论在常规医用磁共振机上利用扩散加权波谱技术测量水分子扩散系数是可行的,而且结果不受扩散权重的影响。

一种新的医学图像处理中的网格简化算法

文章提出了一种新的基于三角形收缩的网格简化算法 ,并将其应用于含有大量三角面片的医学图像三维模型的简化。由于进行了精确的误差控制 ,经过简化 ,在显示质量没有明显降低的前提下 ,显示刷新速率大大提高 ,并且使得简化后的三维模型更适合于进一步的处理。该算法保持了模型的拓扑结构 。

OSEM重建算法中几个关键问题的研究

目的:改进平行孔准直器SPECT系统的成像方法,快速、精确地实现有序子集期望值最大化(OSEM)重建算法。方法:采用理想平行孔和张角效应平行孔准直器两种模型,将准直器的空间响应融入系统传输矩阵,利用改进的射线跟踪算法进行衰减校正。结果:随着准直器张角的增加,Jaszczak模型的重建图像在边界出现明显的亮环;利用考虑准直器空间响应的系统矩阵进行图像重建,能较好的抑制边界伪影。结论:融入准直器空间响应函数的系统矩阵更为精确、贴近真实情况,能较好的抑制边界伪影,提高了重建图像的对比度和信噪比。

FAIREST灌注成像及初步应用研究

为了发展功能成像在疾病诊疗中的应用,发展了FAIREST成像技术,实现了在GE1.5TMRI设备上的脉冲序列参数优化研究,发展了相应的图像处理方法并开展了初步应用研究.该序列改进了不用显像增强剂的灌注成像的FAIR序列,在一次数据采集中同时获得T1值,CBF,BOLD,PWI等多种参数图像的数据,处理后得到了较好的临床结果.该技术为脑认知功能成像以及中风、脑肿瘤等脑部疾病的诊断方面又提供了一个可选择的方法.

基于参考图压缩传感方法的前列腺肿瘤定量DCE-MRI

目的探讨基于参考图压缩传感方法(RICS)的前列腺肿瘤定量DCE-MRI(qDCE-MRI)技术中图像重建的精确性和定量化药物代谢动力学参数估计的可靠性。方法比较RICS方法和全采样方法的qDCE-MR图像重建结果,以及由此估计的定量化药物代谢动力学参数。通过设置定量化指标,评估基于RICS的前列腺肿瘤qDCE-MRI的精确性和可靠性。结果 RICS法和传统全采样法的qDCE-MR图像重建结果之间的平均平方误差(MSE)在10-5量级,两种重建结果非常接近,但随加速倍数增加,两者差距增大。加速倍数为6时,通过RICS法和全采样法估计出的药物代谢动力学参数仍有较高相关性(两者之间的Ktrans和ve的Pearson相关系数分别为r=0.9260,P<0.01和r=0.9948,P<0.01)。结论基于RICS的前列腺肿瘤qDCE-MRI能够给出精确的图像重建结果,重建精确性随加速倍数增大而减小;加速倍数为6时,仍能估计出可靠的定量化药物代谢动力学参数。

医学影像的新进展

以无创伤的医学成像手段直接获得人体信息是医学成像始终不渝的目标。完整表达人体信息,应该包括人体分子水平、细胞水平信息以及人体解剖学信息、生理学信息和脑认知心理信息。世界卫生组织把支持人类健康的学科归结为物理、化学和信息学。物理学和医学结合后发展起来的学科是以医学物理为切入点,提供测量从分子到人的整体,从微观到宏观的信息,从而成为范围非常广泛的医疗仪器和设备的源头学科。医疗器械已逐步成为发展人类自己并保持自身健康的不可或缺的工具。人体内包含了各种无机和有机分子,其中特别重要的DNA分子,蛋白质分子以及神经递质,调节基因表达的各种分子,由于分子的多样性形成了人体复杂性问题,其中不仅包括这些分子的结构和功能的多样性更重要的是这些分子在一刻不停的相互作用。人体内部物质相互作用是生命现象的重要组成部分,人体微观物质的运动,神经递质的强大作用,调控分子在基因表达方面的作用,大脑在工作方面存在的大量信息等都可以归结到人体信息学里去。《医学影像的新进展》一文从以上出发,从分子成像是医学成像事业的未来,应当进一步发挥分子核医学成像在早期诊断方面的优势;磁共振成像在脑认知功能成像方面的优势,四维动态X-射线成像,医用超声波成像的应用快速扩大,近红外光学成像正在研究5个方面为我们介绍了医学影像的最新进展。

高分辨X-RAY成像系统的搭建及其血管造影研究

本实验目的在于初步探讨血管造影技术在评定动物血管疾病模型中的应用与研究。方法是搭建X-RAY血管造影系统,测定体模,验证X射线焦斑分辨率。建立大鼠后肢缺血模型,利用搭建好X-RAY的血管造影系统检验动物模型。体模测定结果显示,该系统可以观察到10μm的线对板条纹,动物在体造影检查,可清楚地观察到血管的结构,发现缺血模型的血管阻塞部位,以及阻塞部位上游血管的侧支循环的建立。利用高分辨X-RAY,可以进行小动物的血管造影检查,该系统在小动物的血管研究中将发挥重要作用。