美國研究人員最新開發(fā)出一種遠(yuǎn)程的核磁共振成像掃描軟件,醫(yī)生可以通過因特網(wǎng)對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程掃描,那些醫(yī)療條件有限的地區(qū)可以借助這種遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)為患者提供便利。
研究人員在11月號(hào)的《放射學(xué)》雜志上報(bào)告說,醫(yī)療掃描是病情診斷的重要工具,有些特殊的掃描,比如核磁共振成像、新生兒心臟掃描等對(duì)操作人員的要求很高,必須由經(jīng)驗(yàn)豐富的放射線醫(yī)師來操作。但有些條件有限的地區(qū),缺乏高水平的放射線掃描專家。加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校與“西門子醫(yī)療解決方案”公司合作開發(fā)的這種遠(yuǎn)程醫(yī)療軟件,有效解決了這個(gè)問題。借助這種軟件系統(tǒng),醫(yī)生可以登錄自己的電腦,通過因特網(wǎng)遠(yuǎn)程操控核磁共振成像儀,為異地的患者進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測。
研究負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)洛杉磯分校放射線學(xué)教授保羅?芬恩說,他共對(duì)30位患者進(jìn)行了遠(yuǎn)程掃描,掃描的清晰度等指標(biāo)絲毫不亞于實(shí)地掃描。芬恩認(rèn)為,隨著因特網(wǎng)的速度及可靠性不斷提高,遠(yuǎn)程掃描技術(shù)還會(huì)不斷精益求精,從而克服異地治療的距離障礙。
1946年,美國哈佛大學(xué)的伯塞爾和斯坦福大學(xué)的布洛克兩名教授分別發(fā)現(xiàn)了“核磁共振”的現(xiàn)象,并為此在1952年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這個(gè)物理現(xiàn)象一經(jīng)發(fā)現(xiàn),立即受到高度重視,在一些領(lǐng)域里馬上得到應(yīng)用。1972年,就有一些醫(yī)生提出了利用核磁共振的原理做醫(yī)療診斷的設(shè)想。經(jīng)過大約10年的研究和實(shí)驗(yàn),此項(xiàng)技術(shù)日臻成熟,終于,在80年代,科學(xué)家將核磁共振原理同空間編碼技術(shù)、數(shù)學(xué)變換和電影電視影像技術(shù)結(jié)合,發(fā)明了一種嶄新的掃描技術(shù)——核磁共振成像術(shù)(簡稱MRI)。
MRI是一種比X射線成像更為優(yōu)越的技術(shù)。它不需要通過放射線照射和掃描來形成影像,對(duì)人體更安全,可以說是徹底的無損傷檢查。它的工作原理頗復(fù)雜,讓我們簡略介紹一下吧。
我們知道,世上萬物均由原子組成,原子又是由原子核和圍著原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成,原子核則是由帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子組成。許多原子核的運(yùn)動(dòng)類似“自旋體”,不停地以一定的頻率自旋,如能設(shè)法讓它進(jìn)入一個(gè)恒定的磁場的話,它就會(huì)沿著這磁場方向回旋。這時(shí)如用特定的射頻電磁波去照射這些含有原子核的物體,物體就會(huì)吸收電磁波的能量,發(fā)生“共振”;當(dāng)射頻電磁波撤掉后,吸收了能量的原子核又會(huì)把這部分能量以電磁波的形式釋放出來,即發(fā)射所謂“核磁共振”信號(hào)。
這種核磁共振信號(hào)攜帶著物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大量信息。對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測量和分析,可以進(jìn)一步獲得此物質(zhì)的物理和化學(xué)信息,比如密度、分布特點(diǎn)及組織的成分等。也就是說,可以通過核磁共振現(xiàn)象來了解物體內(nèi)部的情況。
在人體中有著大量的水,有著許許多多氫原子,MRI就是利用人體中的氫原子,在強(qiáng)磁場內(nèi)受到脈沖的激發(fā)后,所產(chǎn)生的核磁共振現(xiàn)象。在共振過程中,不同的組織器官的共振信號(hào)強(qiáng)度不同,恢復(fù)到激發(fā)前的平衡狀態(tài)所需的時(shí)間也不同,這些信息經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的處理后形成不同的圖像。這種圖像很清楚,不僅可以提供人體清晰的解剖細(xì)節(jié),而且還能提供組織器官和病灶細(xì)胞內(nèi)外的物理、化學(xué)、生物和生物化學(xué)等方面的診斷信息,便于醫(yī)生據(jù)此作出診斷。
在做MRI檢查時(shí),病人要拿掉身上各種帶金屬的物件,平躺在檢查床上,然后被徐徐送入診室,程序十分簡便。它不必使用任何造影劑,即可顯示出血管等微細(xì)結(jié)構(gòu)。它還可以從任何方向做切層檢查,且成像有高度靈活性,分辨率高,僅在短短的一二秒鐘內(nèi)即可成像。
MRI不但能夠像CT一樣提供受檢部位解剖信息的圖像,還可以為我們提供有關(guān)組織生理生化信息的專門圖像,比CT更靈敏地分辨出正?;虍惓5慕M織,為我們清楚地顯示出病變的部位、范圍,??稍诓∽兲幤鞴俚男螤睢⒐δ苓€未出現(xiàn)明顯改變之前,就向人們發(fā)出警告。所以它在對(duì)腫瘤的早期檢測及鑒別腫瘤的性質(zhì)上有特別大的幫助。
MRI除了可以顯示任何方向截面解剖部位的病變外,還可以透過骨骼的屏障,獲得令人滿意的斷層圖像,所以在臨床應(yīng)用中,MRI某些方面的功效明顯優(yōu)于CT??梢哉f,MRI是一種比CT用途更廣泛的新型檢查儀器。
1995年2月,一個(gè)即將被執(zhí)行死刑的美國犯人,為表示他對(duì)自己罪行的追悔和對(duì)世人的歉意,表示愿將遺體獻(xiàn)給科學(xué)機(jī)構(gòu)作研究之用??茖W(xué)家在犯人被處決之前先用MRI對(duì)他的身體進(jìn)行成像掃描,獲得許多圖像資料。在處決后又將他的遺體冷凍后從頭到腳切成2700片不及1毫米厚的薄片,再一一照相。科學(xué)家對(duì)這些相片與MRI獲得的斷層圖像作比較,從中獲取所需要的信息。這2700張斷面照片現(xiàn)已由德國慕尼黑的一家電子企業(yè)加工成光盤,它是世界上第一張?jiān)敿?xì)記錄人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的光盤。它的問世,不僅可為醫(yī)學(xué)院提供史無前例的詳盡的人體解剖資料,對(duì)人們?nèi)绾芜M(jìn)一步用好、改進(jìn)包括MRI在內(nèi)的新型醫(yī)療檢查儀器,也會(huì)有很大的作用。
資料:核磁共振成像磁共振成像是利用原子核在磁場內(nèi)共振所產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)重建成像的一種成像技術(shù)。
核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)是一種核物理現(xiàn)象。早在1946年Block與Purcell就報(bào)道了這種現(xiàn)象并應(yīng)用于波譜學(xué)。Lauterbur1973 年發(fā)表了MR成象技術(shù),使核磁共振不僅用于物理學(xué)和化學(xué)。也應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近年來,核磁共振成像技術(shù)發(fā)展十分迅速,已日臻成熟完善。檢查范圍基本上覆蓋了全身各系統(tǒng),并在世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。為了準(zhǔn)確反映其成像基礎(chǔ),避免與核素成像混淆,現(xiàn)改稱為磁共振成象。參與MRI 成像的因素較多,信息量大而且不同于現(xiàn)有各種影像學(xué)成像,在診斷疾病中有很大優(yōu)越性和應(yīng)用潛力。
一、 MRI的成像基本原理與設(shè)備
(一)磁共振現(xiàn)象與MRI
含單數(shù)質(zhì)子的原子,例如人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核,其質(zhì)子有自旋運(yùn)動(dòng),帶正電,產(chǎn)生磁矩,有如一個(gè)小磁體(圖1-5-1)。小磁體自旋軸的排列無一定規(guī)律。但如在均勻的強(qiáng)磁場中,則小磁體的自旋軸將按磁場磁力線的方向重新排列(圖1-5-2)。在這種狀態(tài)下,用特定頻率的射頻脈沖(radionfrequency,RF)進(jìn)行激發(fā),作為小磁體的氫原子核吸收一定量的能而共振,即發(fā)生了磁共振現(xiàn)象。停止發(fā)射射頻脈沖,則被激發(fā)的氫原子核把所吸收的能逐步釋放出來,其相位和能級(jí)都恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)。這一恢復(fù)過程稱為弛豫過程(relaxationproces),而恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)所需的時(shí)間則稱之為弛豫時(shí)間(relaxationtime)。有兩種弛豫時(shí)間,一種是自旋-晶格弛豫時(shí)間(spin-lattice relaxationtime)又稱縱向弛豫時(shí)間(longitudinal relaxation time)反映自旋核把吸收的能傳給周圍晶格所需要的時(shí)間,也是90°射頻脈沖質(zhì)子由縱向磁化轉(zhuǎn)到橫向磁化之后再恢復(fù)到縱向磁化激發(fā)前狀態(tài)所需時(shí)間,稱 T1。另一種是自旋-自旋弛豫時(shí)間(spin-spin relaxation time),又稱橫向弛豫時(shí)間(transverse relaxation time)反映橫向磁化衰減、喪失的過程,也即是橫向磁化所維持的時(shí)間,稱T2。T2衰減是由共振質(zhì)子之間相互磁化作用所引起,與T1不同,它引起相位的變化。
圖1-5-2 正常情況下,質(zhì)子處于雜亂無章的排列狀態(tài)。當(dāng)把它們放入一個(gè)強(qiáng)外磁場中,就會(huì)發(fā)生改變。它們僅在平行或反平行于外磁場兩個(gè)方向上排列
人體不同器官的正常組織與病理組織的T1是相對(duì)固定的,而且它們之間有一定的差別,T2也是如此(表1-5-1a、b)。這種組織間弛豫時(shí)間上的差別,是MRI的成像基礎(chǔ)。有如CT時(shí),組織間吸收系數(shù)(CT值)差別是CT成像基礎(chǔ)的道理。但MRI不像CT只有一個(gè)參數(shù),即吸收系數(shù),而是有T1、T2和自旋核密度(P)等幾個(gè)參數(shù),其中T1與T2尤為重要。因此,獲得選定層面中各種組織的T1(或T2)值,就可獲得該層面中包括各種組織影像的圖像。
MRI的成像方法也與CT相似。有如把檢查層面分成Nx,Ny,Nz……一定數(shù)量的小體積,即體素,用接收器收集信息,數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)處理,獲得每個(gè)體素的T1值(或T2值),進(jìn)行空間編碼。用轉(zhuǎn)換器將每個(gè)T值轉(zhuǎn)為模擬灰度,而重建圖像。
表1-5-1a 人體正常與病變組織的T1值(ms)
肝
140~170
腦 膜 瘤
200~300
胰
180~200
肝癌
300~450
腎
300~340
肝血管瘤
340~370
膽汁
250~300
胰 腺 癌
275~400
血液
340~370
腎癌
400~450
脂肪
60~80
肺 膿 腫
400~500
肌肉
120~140
膀 胱 癌
200~240
表1-5-1b 正常顱腦的T1與T2值(ms)
組 織
T1
T2
胼胝體
380
80
橋 腦
445
75
延 髓
475
100
小 腦
585
90
大 腦
600
100
腦脊液
1155
145
頭 皮
235
60
骨 髓
320
80
(二)MRI設(shè)備
MRI的成像系統(tǒng)包括MR信號(hào)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)采集與處理及圖像顯示兩部分。MR信號(hào)的產(chǎn)生是來自大孔徑,具有三維空間編碼的MR波譜儀,而數(shù)據(jù)處理及圖像顯示部分,則與CT掃描裝置相似。
MRI設(shè)備包括磁體、梯度線圈、供電部分、射頻發(fā)射器及MR信號(hào)接收器,這些部分負(fù)責(zé)MR信號(hào)產(chǎn)生、探測與編碼;模擬轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)、磁盤與磁帶機(jī)等,則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、圖像重建、顯示與存儲(chǔ)(圖1-5-3)。
磁體有常導(dǎo)型、超導(dǎo)型和永磁型三種,直接關(guān)系到磁場強(qiáng)度、均勻度和穩(wěn)定性,并影響MRI的圖像質(zhì)量。因此,非常重要。通常用磁體類型來說明MRI設(shè)備的類型。常導(dǎo)型的線圈用銅、鋁線繞成,磁場強(qiáng)度最高可達(dá)0.15~0.3T*,超導(dǎo)型的線圈用鈮-鈦合金線繞成,磁場強(qiáng)度一般為0.35~2.0T,用液氦及液氮冷卻;永磁型的磁體由用磁性物質(zhì)制成的磁磚所組成,較重,磁場強(qiáng)度偏低,最高達(dá)0.3T。
梯度線圈,修改主磁場,產(chǎn)生梯度磁場。其磁場強(qiáng)度雖只有主磁場的幾百分之一。但梯度磁場為人體MR信號(hào)提供了空間定位的三維編碼的可能,梯度場由X、Y、Z三個(gè)梯度磁場線圈組成,并有驅(qū)動(dòng)器以便在掃描過程中快速改變磁場的方向與強(qiáng)度,迅速完成三維編碼。
射頻發(fā)射器與MR信號(hào)接收器為射頻系統(tǒng),射頻發(fā)射器是為了產(chǎn)生臨床檢查目的不同的脈沖序列,以激發(fā)人體內(nèi)氫原子核產(chǎn)生MR信號(hào)。射頻發(fā)射器及射頻線圈很象一個(gè)短波發(fā)射臺(tái)及發(fā)射天線,向人體發(fā)射脈沖,人體內(nèi)氫原子核相當(dāng)一臺(tái)收音機(jī)接收脈沖。脈沖停止發(fā)射后,人體氫原子核變成一個(gè)短波發(fā)射臺(tái),而MR信號(hào)接受器則成為一臺(tái)收音機(jī)接收MR信號(hào)。脈沖序列發(fā)射完全在計(jì)算機(jī)控制之下。
MRI設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集、處理和圖像顯示,除圖像重建由Fourier變換代替了反投影以外,與CT設(shè)備非常相似
二、MRI檢查技術(shù)
MRI的掃描技術(shù)有別于CT掃描。不僅要橫斷面圖像,還常要矢狀面或(和)冠狀面圖像,還需獲得T1WI和T2WI。因此,需選擇適當(dāng)?shù)拿}沖序列和掃描參數(shù)。常用多層面、多回波的自旋回波(spin echo,SE)技術(shù)。掃描時(shí)間參數(shù)有回波時(shí)間(echo time,TE)和脈沖重復(fù)間隔時(shí)間(repetition time,TR)。使用短TR和短TE可得T1WI,而用長TR和長TE可得T2WI。時(shí)間以毫秒計(jì)。依TE的長短,T2WI又可分為重、中、輕三種。病變在不同T2WI中信號(hào)強(qiáng)度的變化,可以幫助判斷病變的性質(zhì)。例如,肝血管瘤T1WI呈低信號(hào),在輕、中、重度T2WI上則呈高信號(hào),且隨著加重程度,信號(hào)強(qiáng)度有遞增表現(xiàn),即在重T2WI上其信號(hào)特強(qiáng)。肝細(xì)胞癌則不同,T1WI呈稍低信號(hào),在輕、中度T2WI呈稍高信號(hào),而重度T2WI上又略低于中度 T2WI的信號(hào)強(qiáng)度。再結(jié)合其他臨床影像學(xué)表現(xiàn),不難將二者區(qū)分。
MRI常用的SE脈沖序列,掃描時(shí)間和成像時(shí)間均較長,因此對(duì)患者的制動(dòng)非常重要。采用呼吸門控和(或)呼吸補(bǔ)償、心電門控和周圍門控以及預(yù)飽和技術(shù)等,可以減少由于呼吸運(yùn)動(dòng)及血液流動(dòng)所導(dǎo)致的呼吸偽影、血流偽影以及腦脊液波動(dòng)偽影等的干擾,可以改善MRI的圖像質(zhì)量。
為了克服MRI中SE脈沖序列成像速度慢、檢查時(shí)間長這一主要缺點(diǎn),近年來先后開發(fā)了梯度回波脈沖序列、快速自旋回波脈沖序列等成像技術(shù),已取得重大成果并廣泛應(yīng)用于臨床。此外,還開發(fā)了指肪抑制和水抑制技術(shù),進(jìn)一步增加MRI信息。
MRI另一新技術(shù)是磁共振血管造影(magnetic resonance angiography,MRA)。血管中流動(dòng)的血液出現(xiàn)流空現(xiàn)象。它的MR信號(hào)強(qiáng)度取決于流速,流動(dòng)快的血液常呈低信號(hào)。因此,在流動(dòng)的血液及相鄰組織之間有顯著的對(duì)比,從而提供了MRA的可能性。目前已應(yīng)用于大、中血管病變的診斷,并在不斷改善。MRA不需穿剌血管和注入造影劑,有很好的應(yīng)用前景。 MRA還可用于測量血流速度和觀察其特征。
MRI也可行造影增強(qiáng),即從靜脈注入能使質(zhì)子弛豫時(shí)間縮短的順磁性物質(zhì)作為造影劑,以行 MRI造影增強(qiáng)。常用的造影劑為釓——二乙三胺五醋酸(Gadolinium-DTPA, Gd-DTRA)。這種造影劑不能通過完整的血腦屏障,不被胃粘膜吸收,完全處于細(xì)胞外間隙內(nèi)以及無特殊靶器官分布,有利于鑒別腫瘤和非腫瘤的病變。中樞神經(jīng)系統(tǒng)MRI作造影增強(qiáng)時(shí),癥灶增強(qiáng)與否及增強(qiáng)程度與病灶血供的多少和血腦屏障破壞的程度密切相關(guān),因此有利于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷。
MRI還可用于拍攝電視、電影,主要用于心血管疾病的動(dòng)態(tài)觀察和診斷。
基于MRI對(duì)血流擴(kuò)散和灌注的研究,可以早期發(fā)現(xiàn)腦缺血性改變。它預(yù)示著很好的應(yīng)用前景。
帶有心臟起搏器的人需遠(yuǎn)離MRI設(shè)備。體內(nèi)有金屬植入物,如金屬夾,不僅影響MRI的圖像,還可對(duì)患者造成嚴(yán)重后果,也不能進(jìn)行MRI檢查,應(yīng)當(dāng)注意。
三、MRI的臨床應(yīng)用
MRI診斷廣泛應(yīng)用于臨床,時(shí)間雖短,但已顯出它的優(yōu)越性。
在神經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)用較為成熟。三維成像和流空效應(yīng)使病變定位診斷更為準(zhǔn)確,并可觀察病變與血管的關(guān)系。對(duì)腦干、幕下區(qū)、枕大孔區(qū)、脊髓與椎間盤的顯示明顯優(yōu)于CT。對(duì)腦脫髓鞘疾病、多發(fā)性硬化、腦梗塞、腦與脊髓腫瘤、血腫、脊髓先天異常與脊髓空洞癥的診斷有較高價(jià)值。
縱隔在MRI上,脂肪與血管形成良好對(duì)比,易于觀察縱隔腫瘤及其與血管間的解剖關(guān)系。對(duì)肺門淋巴結(jié)與中心型肺癌的診斷,幫助也較大。
心臟大血管在MRI上因可顯示其內(nèi)腔,所以,心臟大血管的形態(tài)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的研究可在無創(chuàng)傷的檢查中完成。
對(duì)腹部與盆部器官,如肝、腎、膀胱,前列腺和子宮,頸部和乳腺,MRI檢查也有相當(dāng)價(jià)值。在惡性腫瘤的早期顯示,對(duì)血管的侵犯以及腫瘤的分期方面優(yōu)于CT。
骨髓在MRI上表現(xiàn)為高信號(hào)區(qū),侵及骨髓的病變,如腫瘤、感染及代謝疾病,MRI上可清楚顯示。在顯示關(guān)節(jié)內(nèi)病變及軟組織方面也有其優(yōu)勢。
MRI在顯示骨骼和胃腸方面受到限制。
MRI還有望于對(duì)血流量、生物化學(xué)和代謝功能方面進(jìn)行研究,對(duì)惡性腫瘤的早期診斷也帶來希望。
在完成MR成像的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi),對(duì)人體健康不致帶來不良影響,所以是一種非損傷性檢查。
但是,MRI設(shè)備昂貴,檢查費(fèi)用高,檢查所需時(shí)間長,對(duì)某些器官和疾病的檢查還有限度,因之,需要嚴(yán)格掌握適應(yīng)證。
現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件:
HALCON、VISION PRO、NI VISION、NI VISION BUILDER AI、EVISION、MATHMATICS、OPENCV等等。
醫(yī)學(xué)圖像處理的對(duì)象是各種不同成像機(jī)理的醫(yī)學(xué)影像。廣泛使用的醫(yī)學(xué)成像模式主要分為X射線成像 (X—CT) ,核磁共振成像 (MRI),核醫(yī)學(xué)成像 (NMI)和超聲波成像(UI) 這四類 。
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