医学物理学科是医学影像和肿瘤治疗等大型医疗装备研发的源头学科

按照世界卫生组织(WHO)的宣示,支持人类健康的基础学科主要是物理,化学和信息学。化学是药物的基础;物理是医疗器械的基础;而诊断和治疗依靠的是病人的信息。因此,医学和物理融合后形成的新学科:医学物理学科是医疗器械(包括医疗仪器和医疗装备)原始创新研发的源头学科。自从伦琴1895年发现X-射线并迅速在疾病诊断领域应用以来,以医学影像设备为代表的仪器装备是当今诊断领域内发展速度最快、技术最为复杂的一类大型医疗设备;自从居里夫人在19世纪末发现镭的天然放射性同位素并很快用于肿瘤治疗以来,以放疗为代表的各种装置是肿瘤治疗仪器和设备中使用最为广泛和效果最好的肿瘤治疗装置。虽然上述复杂的医疗装备的研发需要多学科人才的共同努力,但是处于这些学科核心地位的是医学物理学科。世界上50多年来已经形成并快速发展的医学物理学科已经定义了自己的学科的主流领域:医学影像物理和放疗物理,医学物理的领域还在不断扩大。关于这方面的认识已经越来越被人们所接受。从医疗器械装备有关高新技术产业发展的需要,强调重视医学物理源头学科并建立研发基地和临床实习基地的重要性。

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。

医学物理研究进展

医学物理的目标是用物理学的理论和方法为改善人类的健康服务．它的发展涉及把物理学应用于疾病的预防、诊断、治疗和康复等许多方面．医学物理研究的领域很广,物理学研究的各个层次,从声、光、热、电、磁到核物理和核技术,以及理论力学、热力学统计物理、电动力学和量子力学为代表的四大力学涵盖的理论和方法也是医学物理发展的基础．在应用中又使得这些理论和方法得到进一步的发扬光大．在技术层面上,很多新技术,例如超声技术、激光技术、纳米技术、电磁波技术、磁共振技术、同位素技术、光源和射线探测技术等等,也都是医学物理的关键技术．目前医学物理发展最快的是以下4个领域:物理诊断学、物理治疗学、医学物理仪器装备和医学物理信息学．

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。

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。

三维放射治疗计划系统的临床实验

研究由北京大学医学物理和工程北京市重点实验室和北京海思威科技有限公司合作研发的HW-Plan三维放射治疗计划系统在临床使用时的安全性和有效性。HW-Plan V1.0是三维适形放疗软件产品。本论文用HW-Plan V1.0三维放射治疗计划系统和中国医学科学院肿瘤医院的商用放疗计划系统分别对肿瘤部位和种类具有代表性的50个真实病例进行严格的放疗计划,然后对计划的结果进行分析和比较。分析方法包括γ值统计方法,比较的内容包括MU值、等中心剂量值、三维剂量分布等。实验结果表明,HW-Plan V1.0能够完成临床肿瘤三维适形放射治疗计划的没汁,同目前经过国内外市场准入批准的商用治疗计划系统对相同病例所做的结果在误差允许范围内一致,符合临床使用条件下的安全性和有效性要求。

能量传导模型及在医学图像分割中的应用(英文)

提出了一种基于水平集框架的能量传导模型ECM(energy conductionmodel)用于对医学图像进行分割.该模型通过对图像中的灰度分布和空间中的温度场分布进行对比,有效定义了图像能量和图像能量的传导方程,并通过模拟热量传递的过程对方程进行求解.ECM模型的优点在于,它在描述图像灰度分布的全局特征的同时,有效地捕捉到图像局部区域的灰度对比度变化,因此它能够对灰度分布不均匀和含有噪声的图像进行精确分割.基于水平集函数本身的拓扑可变性,该方法还能够实现同一图像中的多目标分割.使用该方法对模拟和真实的医学图像进行了分割实验,实验结果表明了该方法的有效性和可靠性。

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。

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 。

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。

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。

一种新的磁共振扩散成像实验参数控制方法

扩散敏感梯度磁度的方向及强度是磁共振扩散成像实验的重要参数,但这二个参数不能由用户通过设备自带的软件设定。本文介绍一种新的方法,通过修改MRI扫描机内部的数据文件,用户可以方便与精确地设定扩散加权成像DWI及扩散张量成像DTI的实验参数,而且可以为MRI扫描机增加新的功能.

核医学科Mini-PACS的设计思路与实现

PACS是医院用于采集、管理、传输和综合使用医学图像信息的系统。本文在介绍PACS在当今世界发展现状的基础上 ,重点介绍用于医院核医学科的mini PACS ,因为在科室一级核医学科更需要PACS。跨入 2 1世纪之后的医学影像领域中 ,发展最快的是诸如分子影像和反义核酸成像的领域 ,因为这是弄清基因和生物大分子功能的关键。该领域的发展不仅是临床诊疗 ,也是新药开发和满足人体科学基础研究的需要。PET/SPECT是目前开展分子水平成像最合适的成像模态。在核医学科建立mini PACS有助于发扬核医学的优点 ,克服核医学的缺点 ,使得病人、医院都能从mini PACS的建立中受益。把发展中国的PACS技术放在科室内部 ,需要建立医生、医学物理工作者和工程技术人员的合作机制 ,需要解决当前核医学科诊疗中迫切希望解决的问题 ,而让IT行业的人完成科室之间的、基于web的信息整合 ,就有可能找到一个发展中国PACS的新路。基于这个思想 ,本文介绍了建立核医学mini PACS的技术路线和关键技术。希望从这个例子得到启发 ,使得我国PACS技术得到更快的发展。

基于自由形变的3D非线性医学图像配准

目的针对北京大学医学物理和工程北京市重点实验室研发的小动物SPECT/CT成像仪,实现三维上的图像配准以校正成像间产生的组织运动伪影。方法把被成像组织的运动用整体的仿射变换和局部的非线性变换两部分进行表达,并用基于体素的归一化互信息作为配准的相似性测度,建立综合图像相似性测度和空间变换函数平滑性要求的代价方程,用近似牛顿算法(LBFGS)在全空间搜索最优化变换参数使得代价方程取得极值,从而确定该相似性测度下的空间变换函数。结果用模拟数据对该方法进行验证的结果表明,配准后图像间的相关系数值有所增加,误配基本被消除。结论采用此方法能够较好地描述局部组织的非线性运动,消除呼吸运动伪影,实现三维图像的配准。

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。

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。

计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统

本文介绍一个基于红外定位系统、三维可视化技术和三维图像处理技术的计算机辅助立体定向神经外科手术导航系统。系统对病人脑部扫描的断层图像数据进行三维重构 ,经网格简化和切割等处理后将其显示出来。为了达到手术过程中组织结构的精确定位 ,采用红外导航技术 ,利用在病人头部的定位标志点 ,进行图像坐标系和手术室坐标系的校准。

自旋密度ρ、弛豫时间T1和T2定量磁共振成像

目的 研究定量MR图像可能的临床应用和借助于计算机自动认读图像的可行性。方法 利用最基本的磁共振参数 ,自旋密度 ρ、弛豫时间T1、T2以及临床自旋回波序列、线性回归拟合方法得到定量maps ,以探索所执行的路线。 结果 分别用自旋双回波序列和自旋快回波序列采集混合加权图像数据 ,对其中任一套数据进行后处理 ,都成功得到了定量的自旋密度 ρ map、弛豫时间T2 map和T1 map。 结论 上述两种采集方法中 ,快自旋回波采集可减少采集时间 ,且效果比较理想。用一个子序列扫描获得一套数据 ,同时处理出三个参数的maps是可行的。

不同探测器在多叶准直器质量保证中的定位精度比较

目的:比较辐射自显影胶片、电子射野影像系统、电离室矩阵等不同探测器在多叶准直器质量保证中的定位精度。方法:采用辐射自显影胶片(GAFCHROMIC EBT胶片)、电子射野影像系统、电离室矩阵(IBA公司Matrixx和PTW公司Seven29)测量和比较瓦里安公司Clinac ix加速器的多叶准直器叶片的边缘的边响应函数,比较测量结果,评价不同探测器的定位精度。结果:四种探测器的定位精度均可达到0.1mm,其中电子射野影像系统的灵敏度最高。结论:上述探测器均能满足临床质控需要。