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第六章 US、CT、MR成像进展

第六章聽 US、CT、MR成像进展

第一节聽 US成像进展

一、计算机技术的深入应用
随着计算机特别是微型计算机技术的迅速发展,超声诊断设备及成像技术水平得以迅速提高,特别是进入90年代以来,微型计算机技术的应用不仅局限于超声诊断仪的一般控制,如面板功能键的控制、字符和图形的发生、后处理(包括灰阶编码及变换、数字滤波、插补、平滑和增强等等)以及各种计测和自检,而且与前处理,特别是在声束的形成和图像的产生过程,以及质量改善等方面都有着密切的关系,并有以下几大特点:(1)强大的信息处理能力;(2)高速运算能力;(3)灵活的软件控制能力;(4)方便而丰富的计测功能。
二、改善图像质量的新技术
20多年以来,超声诊断仪从采用节模拟技术到电脑超声(采用模拟/数字混合技术),一直到90年代的全数字式声束形成技术,图像质量有明显的改善。
(一)动态聚焦聽 一个成功的动态聚焦效果是使每条扫描上的所有点都在焦点上,这就要求控制系统能以1cm/13μs的速率沿扫描线跟踪目标,以形成一个滑动的焦点。
(二)动态孔径聽 如要获得某一点的最佳聚焦,必须选择最佳的孔径与透镜曲率的配合,即沿声束线上的每一点选择相应的合适的工作阵元数目,以在近场构成小孔径,在远场构成大孔径,并保证每一扫描深度都有一个优化的孔径,使每一点都有最好的分辨率。
(三)动态变迹聽 动态变迹是一个沿换能器横向的滤波过程,目的是减少旁瓣。能更好地显示组织的细微结构。它是通过对沿扫描上每一点改变其通道接收器增益而实现的。通常使对应于换能器阵列两端的通道增益比中央的小,这样使来自旁瓣目标的回波被压缩到不足以显示。
(四)高分辨率影像聽 数字化、宽频带技术、新型体表和体腔探头和多种的成像方式,是90年代二维超声诊断仪发展的主流。
三、探头技术的发展
(一)超高密度和高匹配声阻抗探头聽 探头阵元的密度已从80年代初的64阵元发展到96阵元的高密度探头,甚至发展到现今的128阵元和196阵元的超高密度探头,为形成极好的声束打下了基础,是90年代高性能超声影像的保证。高匹配声阻抗探头明显提高声能的传输效率,获得高灵敏度和低噪声的声能,明显改善近场的图像质量和深部的灵敏度。
(二)“智能化”探头和“自适应”探头聽 前者是一种用于彩色血流图中的电子探头,它有一组晶片专门用来发射和接收“多普勒”声束。“自适应”探头是通过主机的计算机系统内的探头,控制模块中的自适应软件,对接收过程中因不同的电阻抗所引起的能量损耗进行自动检测和自动补偿。
(三)体腔内探头聽 因体表检查探头往往受探查深度和含气器官、骨组织等干扰,对某些部位或深部的组织检查不清,而体腔内探头可弥补这一缺陷,目前主要有以下腔内探头:(1)直肠内探头;(2)膀胱内探头;(3)经阴道探头;(4)子宫腔内探头;(5)经食道探头。
四、管腔内超声成像技术
管腔内或血管内超声系统是将先进的计算机处理技术与高频超声技术相结合,应用在疾病诊断中的新装置,它将高频换能器置于导管装置末端,发射和接收高频超声,能获得极高分辨率的图像,可显示组织的360°切面细微结构(血管壁层及其损伤),这是X光或常规超声检查无法达到的。对外周血管、冠状动脉,以及身体内其他管腔的状态进行检查,并可使介入性超声十分方便地与介入性治疗相结合。这类装置使用的频率在20-40MHZ范围,分辨率极高。
五、C型超声成像技术
C型和B型都是二维成像,但探测方法不同。C型扫查的声束不是在某一直线上移动,而是在一个面上移动,产生的不是与声束方向一致的切面图,而是与声束方向垂直的剖面图;并且通过深度范围选通门的控制,可以获得不同深度的组织断层图像,因而取得与B型切面不同方向的信息。C型图像清晰、分辨率高,缺点是成像速度慢。
六、三维超声成像技术
医生不仅需要体内组织的各种切面图,更需要从立体(三维)图像来观察体内组织的结构及其病变情况。为此,人们通过各种方法利用许多的二维(平面)图像来重构成一个立体图像,最简单的方法是采用坐标位移法探测出B型图像的边界,然后将这些图像叠加在一起,便重构成组织的立体图像,但这种重构速度十分慢。目前已有多种利用电子计算机进行立体图像重构的方法。有用移动坐标位置的方法将数帧常规B型图像叠加在一起,获得三维图像;还有轴旋转角度获取多平面进行三维重建的;也有采用长轴图和短轴图重建三维图的;这些方法都要同时把切面图及它们之间的位置与角度信息送入计算机,由计算机作相应的组合和处理后,在荧光屏上再现该器官的三维图。此外,还有用两个B超切面(矢状面和冠状)面和一个等深度切面(C型)组成静态的三维立体图。动态三维图(也称四维—4D)以高达30帧的采样率将图像直接存入硬盘和计算机RAM中,进行动态多平面重建(DMPR),显示动态的三维立体图。
七、超声计算机断层摄影(UCT)
前面介绍的超声显像法都是建立在超声波界面反射原理上,可是人体组织在许多部位往往没有明显的界面,也就是相邻组织或正常与病变组织之间声阻抗差异甚微,因此在成像时会丢失有用信息。而采用UCT有可能克服这一缺点。
八、超声照相机
有一种超声照相机是将换能器放在人体一侧的水袋上,发射的超声通过人体及另一侧的水袋,由专门的棱镜(以相反的方向旋转)收集,用压电元件组成的阵列把声像接收下来,然后在电视屏上显示图像。由于通过水,声波可用声学棱镜像收集光一样来收集,结果形成非常鲜明的图像,可辨别出直径小于1mm的小孔。
九、超声显微镜
超声显微镜是对极薄的样品进行细微结构研究的一种技术,因此需要样品极薄,超声显微镜使用的频率极高,目前在100MHZ到3GHZ之间。它有一些重要的特点:
(一)超声显微镜由于样品是处于水中进行声耦合,而且这种低功率的声波对生命物质的活动没什么影响,所以对于细胞等生命物质的研究十分有利。
(二)超声显微镜所形成的是反映样品声学特性的图像。它能显示某些光学显微镜,甚至电子显微镜难以显示的样品的微观结构,如细胞不用染色,超声显微镜也能清晰地观察染色体。
(三)它能在微观情况下进行组织定征。不仅能测量物体的弹性,而且能测定样品的声速(相对测量精度已达±0.01%)和声衰减(绝对精度达4%)。
十、超声多普勒的新技术
(一)高分辨率的彩色血流显像—声学双处理聽 发射声束时,与常规方式类似,但在接收时,它用两个连接在同一组晶片上而又独立的声束处理通道,通过不同的方式对信号进行延迟和组合,以便同时接收来自不同方向的信号。这样,在保持帧频的条件下可大大增加空间分辨率。
(二)血流矢量定量测量的三角形法聽 本技术是在传统的多普勒系统上附件一专门设计的定位系统。它使探头从两个方向对空间某一点采样,并通过三角形投影法计算,实现流速矢量的二维计测。
(三)曲面相控阵探头技术(CPA)聽 相控阵探头最大的缺点是旁瓣大,采用CPA探头的目的是减少旁瓣,使图像更精确。
(四)精确的峰值速度测量技术(APV)聽 该技术是利用计算机根据发射的声束宽度、发射孔径、发射频率以及多普勒采样线的角度等参数,按照一定的数字模型,编制成软件,并对误差自动校正,使峰值速度测量更精确。


第二节聽 CT成像进展

CT的诞生与发展已有近二十年的历史,CT成像技术日趋成熟,随着电子计算机等相关学科的不断进展和临床需求的不断深入和提高,以及MRI等其它医学成像技术发展的促进,CT技术在目前仍处地继续快速发展阶段。它主要体现在提高速度(包括扫描速度、重建速度和后处理功能速度)、改善图像质量(特别是螺旋扫描图像的质量)、开发新的功能、拓展应用范围以及方便操作诸方面。
一、CT设备的进展
(一)速度聽 扫描时间不断缩短,经历了从低速到高速及超高速的变化过程,目前已达亚秒级—0.6~0.8s扫描技术,电子束CT已达50ms;图像重建时间明显缩短,目前已出现1s的重建技术,CT仿真内窥镜技术的图像重建也从过去的几小时缩短至几分钟;连续成像(Continuous Imaging,CI)也称为CT透视,目前每秒钟也可以显示图像达6~8幅。
(二)计算机聽 一方面,由于大规模集成电路的出现,CT用计算机向微型化发展;另一方面,CT机的操作台大多采取了工作站形式(Workstation Type Console),使用更方便、快捷。
(三)探测器聽 新一代固态探测器如Ygd:EuO、Gd2O2S、UFC、Clear View等的使用,适应了螺旋CT扫描的长覆盖面以及减少病人的X射线照射剂量的需要,且又不影响图像质量。
(四)X线球管和高压发生器聽 为满足长覆盖面的螺旋扫描的需要,大功率的X射线发生器、高热容量和散热率的CT球管被广泛采用。
(五)新型CT的简介
螺旋CT(Spiral CT)
螺旋CT是指X线焦点相对病人作螺旋运动,数据采集为容积采集的CT。1989年用于临床后得到广泛认可,并可用于人体各部位,克服了传统CT的限制,使CT诊断向前推进一步,可进行多层面重建、动态造影剂增强、CT血管造影和仿真内窥镜检查等。
滑环技术引入CT以前,CT扫描机是用电缆使X线管与机架外的高压发生器相连接。由于电缆长度限制,致使X线管必需反复来回旋转,每次扫描必需重新起动X线管及探测器,这样不停地重复摆动,在每两层扫描之间的需间隔5~10秒。采用滑环技术后,X线管及探测器可以连续旋转,减少了扫描间隔时间,提供了发展容积CT扫描的途径。
螺旋CT的优点有:(1)提高病变检出率;(2)提高了扫描速度;(3)减少X线照射剂量;(4)重建扫描层面可任意设定;(5)可建立重叠扫描层面;(6)可引多层面及三维重建。
螺旋CT的缺点有:(1)影像噪声增加;(2)纵向分辨率下降;(3)螺旋伪影;(4)螺旋曝光时间受限制;(5)图像处理时间延长;(6)数据存储量增加。
螺旋CT的临床应用:螺旋CT几乎可用于人体各个部位的检查。(1)头颈部:一或两次屏气的螺旋CT可获得头颈部高质量CT图像,减少吞咽或呼吸运动伪影,无需增加扫描次数便可提供高分辨率三维重建及多方位重建图像。可显示颈动脉狭窄及斑块的钙化;(2)胸部:胸部是螺旋CT应用最广泛的部位之一,全胸或部分胸部可在一次屏气期完成的扫描,由于无间隔的连续获取数据,从而避免了由于呼吸运动所致的跳层即所谓“盲区”现象,能够发现常规CT易遗漏的小病灶。而且回顾性重建使其密度测量更准确;(3)腹部:螺旋CT不仅能使扫描在门静脉期前完成扫描,而且可在肝动脉期及门静脉期分别扫描以观察病灶的强化动态过程。多方位的重建图像方便对血管和肝胆管结构的观察,提高病变的检出率。螺旋CT同样增强了胰腺、肾脏等腹部脏器与周围结构以及病变与正常组织的对比,对提高小肿瘤发现率,肿瘤分期及术前评价均很有帮助;(4)CT血管成像(CTA):有两种三维显示方法,表面遮盖法可显示血管表面结构,最大密度投影法可显示重建范围内最大密度的结构。螺旋CT血管造影可用于Willis环,颅内颈动脉、主动脉、肾动脉及内脏血管的成像;(5)仿真内窥镜(CT virtual Endoscop, CTVE):CTVE是利用计算机软件功能,将螺旋CT容积扫描获得的数据进行后处理,重建出空腔器官内表面的立体图像,类似纤维内窥镜所见。目前主要应用于结肠、血管、胆管、支气管、膀胱、输尿管、副鼻窦等腔内成像,也可用于真纤维内窥镜不能到达的器官如内耳等部位的成像,且均为非侵入性。
电子束CT(Electron Bean CT,EBCT)
电子束CT又称超高速CT(Ultrafast CT,UFCT)因其设备结构及临床应用方面与普通CT及螺旋CT有根本区别,故又有第五代CT之称。EBCT通过应用电子束扫描技术代替X线管机械运动,使扫描速度(1/20秒)得到极大提高,从而缩短了扫描时间,提高了对运动性脏器的时间和空间分辨率,同时,通过先进的计算机工作站及软件技术可进行脏器的运动功能评价和三维重建。因此,除了可进行常规CT的各项检查外,EBCT在心脏、大血管、呼吸道、关节运动等检查上具有独特的优越性。
EBCT的主要优点为:(1)成像速度快,无移动伪影,图像清晰;(2)可获得血管结构三维信息,原始数据可以重叠方法重建,不遗漏解剖结构,保证整个扫描范围的血管图像的连续性;(3)造影剂用量少,可用较高流速;(4)检查时间短,适合老人、小儿及外伤急症患者;(5)操作简单、安全系数高;(6)新的软件具有消除血管内造影剂影像的功能,仅显示血管壁结构。
EBCT的临床应用:(1)心脏和大血管聽 冠状动脉钙化测定是EBCT特有的功能。冠状动脉钙化是冠状动脉粥样硬化的标志,目前资料证实其特异性几乎为100%;EBCT血流检查可以了解局部心肌灌注状态,电影检查有助于发现心室壁运动功能异常及评价心功能情况如射血分数,对诊断心肌缺血、室壁瘤、腔内血栓有重要价值;EBCT可以分析瓣膜钙化、左房血栓及房壁钙化以利于分析瓣膜疾病;可以观察各心室壁的厚度、形态及心腔大小,测定心肌收缩力和增厚率及心功能,对心肌病分型诊断有重要意义;EBCT平扫可清楚显示心包结构,诊断心包积液积钙化;清晰显示心脏肿瘤与整体心腔的关系,有利于制定手术方案;可以清晰显示心脏解剖以及大血管、各房室及各室瓣之间的关系,有利于复杂先天性心脏病的阶段分析;进行叠层扫描可以很好地显示肺血管,能观察到第四级肺动脉,对发现肺动脉血栓有独到之处;对大血管病变如夹层动脉瘤等的诊断价值已明显优于常规CTA和MRI;……对于大部分病人可代替常规心血管造影。并对有创伤性的心血管造影—以往的“金标准”提出了挑战;(2)胸腹部脏器:由于EBCT扫描速度快,图像不受器官运动影响,很适合于作CT导向穿刺活检;可行高分辨率肺检查,发现肺内微小病变;多层血流序列可用于研究呼吸周期和睡眠呼吸暂停的气道运动和气道狭窄;通过多层血流序列,可了解腹部实质性脏器(肝脏、脾脏、肾脏等)的血流灌注情况,对肾动脉病变和其所致的肾脏缺血性改变有较高的诊断价值;肝脏的双期扫描提供了肝血管瘤和其它病变的最佳增强方式。快速的双期扫描和双期注射,可充分显示肝脏的动脉期和门静脉期,对肝脏肿瘤的诊断和鉴别诊断有很大的帮助;(3)关节运动聽 通过电影扫描序列,可以对颞颌关节、膝关节等运动器官进行功能性检查。
二、CT检查与诊断技术进展
(一)动态CT扫描聽 分为床动和同层两种方式,随着CT扫描速度的不断提高而发展和完善的,其优点有:(1)对血管解剖结构显示清晰,有利于鉴别血管性和非血管性病变;(2)对血管性病变,如夹层动脉瘤、血管畸形等其诊断准确性可以和MRI媲美;(3)对小病灶的检出及病灶的定性能力都优于常规增强扫描。
(二)血管造影CT聽 通过选择性动脉插管进行CT增强扫描,增强效果优于常规和动态CT。目前主要用于肝脏肿瘤的检查,根据插管位置和增强原理不同,又分CTA(CT Anteriography)和CTAP(CT Arterial Portography)两种,两种对小病灶的检出率均很高。
(三)胃肠道CT检查聽 随着CT扫描速度的不断提高和软件功能的不断丰富,胃肠道的CT检查日益增加。
(四)高分辨率CT检查聽 高分辨率CT(High Resolution CT,HRCT)为近年来广泛开展的一项技术,主要应用于肺部弥漫性间质性病变以及结节病变等的检查,对肺部病变的良、恶性鉴别诊断有重要意义。
(五)三维图像重建聽 CT三维图像(Three Dimensional Imaging,3D-CT)较常规CT的二维图像有更高的定位价值。对复杂解剖部位意义更大。血管旋转成像、仿真内窥镜、模拟手术刀等技术均是在三维图像重建基础上完成。
(六)实时动态显像聽 CT透视和实时螺旋CT扫描为CT技术的进一步革新,在接近0.6s的延迟时间后,CT图像以6~8帧/秒的速度显示,达到实时观察的目的。CT透视能监视穿刺及活检操作过程,实是螺旋扫描能在扫描期间评价造影增强的程度、选择扫描时机并估计扫描范围。

第三节聽 MR成像进展

MRI技术和CT技术的发展相仿,无论是硬件还是软件一直处于不断发展、不断完善的进程之中。
一、MRI设备的进展
(一)磁体聽 采用短磁体技术减轻磁体重量、减少液氦消耗和减少病人的幽闭恐惧。
(二)场强聽 低场强磁共振机是MRI发展的一个方向,由于许多中、高场强磁共振机的功能向低场强机“移植”,低场磁共振机的功能增加,图像质量提高、操作性能改善,赢得了一定的市场。
(三)开放式设计聽 开放型的结构对磁共振介入手术尤为适合。实际上,开放式设备的功能在常规成像与介入操作两方面是兼容的。
(四)冷却剂低消耗与不使用冷却剂的技术聽 特别的磁体设计减少了冷却剂的消耗,甚至无需使用冷却剂,可降低运行成本并减少失超的危险。
(五)表面线圈聽 表面线圈是磁共振机的重要组成硬件,表面线圈的改进有利于提供全身各部位的图像质量。超导线圈和全相控阵线圈的使用可使MRI的功能更加丰富,如脑功能性成像技术。
(六)脉冲序列聽 快速成像序列一直是研究开发的重点。目前已有亚秒级的T1加权成像和亚秒级的T2加权成像。
二、MRI检查和诊断技术进展
(一)超高速实时重建显示聽 是用于完善MRI透视的技术,最快的重建显示速度已可达20帧/秒,可充分满足实时观察的需要。
(二)超高分辨率显示聽 目前MRI设备已可将图像显示的分辨率提高到微米水平,克服了以往MRI图像的空间分辨率不足的缺陷,加上其它的先进成像技术,有利于常规MRI不容易显示的结构,如内耳的显示。
(三)螺旋MRI聽聽 螺旋MRI是一种新的成像技术,和传统的MR成像原理不同,螺旋MRI是从K空间的中心呈螺旋状向外周充填,故可在较短的时间内获得最佳的、多层的图像,且不易产生运动伪影,尤其有利于作磁共振血管造影(MRA)。
(四)扫描参数优化技术聽聽 即当操作者调整某一个扫描参数时,设备可自动调整其它相应的参数,使操作过程简化,从而保证最佳的图像质量。
(五)心脏大血管成像聽 对冠状动脉的显示质量逐渐提高,导航内窥镜技术可以提高对心腔内结构的显示。
(六)床动血管成像聽 该技术是借鉴了数字减影血管造影(DSA)步进成像的某些原理,在成像中床位作步进移动,从而得到分段的血管影像,经过拼接,即可得到长段,如下肢的血管影像。
(七)肺成像聽 采用多层面T2加权快速自旋回波和短回波T1加权快速自旋回波技术可行肺实质成像;使用专门的灌注血管成像软件可行主动脉及肺血管成像;使用3H气体方式可行肺通气灌注成像。
(八)磁共振内窥镜聽 利用计算机软件功能进行扫描后处理而得到仿真内窥镜影像,较多地应用于胃肠道、胆道、副鼻窦等器官。
(九)乳腺成像聽 乳腺检查专用线圈和序列的开发,促进了MRI乳腺技术的普及。
(十)水成像技术的完善聽 “磁共振水成像”是MR胰胆管造影(MR Cholangio-Pancreatography, MRCP),MR泌尿系造影(MR Urography, MRU),MR脊髓成像(MR Mylegraphy, MRM),MR涎管造影(MR Sialography, MRS)等的总称。取此名词是依据上述各系统成像是利用重T2的效果,即长TR加特长的TE,使含水器官显影的原理。此技术对流速慢或停滞的液体(如脑脊液、胆汁、尿液、静脉血等)非常灵敏,呈高信号,而使实质性器官和流动液体(如动脉血)呈低信号,从而达到水成像效果。其优点有:(1)此技术为非侵入性的,不需要插管;(2)安全简便,不需用造影剂,无造影剂副反应的问题;(3)图像效果接近应用造影剂的X线造影,其影像分析的原则相同,易于被接受;(4)器官内的液体(水)是天然对比剂,即使完全性阻塞时也能观察阻塞远端的影像;(5)无侵入性检查的禁忌证;(6)对疑有管腔狭窄者,可在任何平面获得多层投影的影像。
三、两种MR技术简介
磁共振波谱分析(MR Spectroscopy,MRS)
磁共振波谱分析(MRS)是测定人体内化学物唯一的非损伤性技术。尽管MRI和MRS采用了类似的基本原理,但两者间仍有许多重要差异。比如MRI中得到的是一幅解剖图像,而从MRS中所获得的则是定量的化学信息,后者是用数值来表示的;MRI需要采用梯度场来获得信号,而MRS一定要在均匀的磁场条件下才能采集信号。
MRS的临床研究和应用:MRS较多应用于动物实验,迄今为止尚未普遍用于疾病的诊断和治疗。近年来开展较多的是脑部、横纹肌和心肌的研究。(1)脑部:正常脑的HMRS所显示的最高波峰为NAA(Nitrogen Acetyl-Aspartat,氮乙酰门冬氨酸,简称NAA),并常显相对较低的Cho(Choline-Containing Compounds,含胆碱化合物,简称Cho)和Cr(Phosphocreatine and Creatine,磷酸肌酸和肌酸,简称Cr)波;脑内肿瘤NAA减少或消失,脑外肿瘤内没有NAA;脑内、外肿瘤均常有不同程度的Cr减少;急性脑梗塞的梗塞区中央NAA完全消失,而梗塞边缘区仍存在一定的NAA、Cr和Cho也有所减少;脑白质病变Cho浓度明显增高,而NAA浓度显著下降,Cho/ Cr比值上升,NAA/ Cr比值下降;(2)肌肉骨骼系统:研究和应用较多者为31P的MRS,线粒体肌病的肌细胞内Pi(Inorganic Phosphate,无机磷酸盐,简称Pi)明显增高,其中少数还伴有PCr(磷酸肌酸,简称PCr)浓度降低;心力衰竭时横纹肌PCr耗竭迅速,且其PH降低对照组显著;(3)心肌:重度扩张性心肌病的PCr/ATP比值明显低于正常人;陈旧性无Q波心肌梗塞心肌的PCr和ATP均有降低。
MR灌注成像和弥散成像
MR灌注成像(MR Perfusion Imaging)和弥散成像或称为弥散加权成像(Diffusion-Weighted MR)是建立在MR成像要素之一—流动效应基础上的成像显示方法。与MRA不同的是MR灌注成像或弥散成像不是观察血液流动这种宏观的运动而是显示分子的流动,对流动和扩散过程的微观运动。
弥散成像是以图像来显示分子的微观运动(用微米来计算其活动范围),在临床上的重要作用是反映体内微循环的情况,目前主要用血管梗塞的早期诊断,在缺血后2小时显示缺血病灶。
灌注成像有两个内容,一种是利用磁共振造影剂的血管内注射和快速成成像程序相结合,来观察器官、组织和病灶微小的血管的灌注循环情况;另一种是用特殊的MR成像程序来观察微循环的灌注情况,后者所使用的是一些对水分子微量运动特别敏感的成像程序。临床上用Gd-DTPA血流灌注成像可以分析缺血区血容量、血流量下降及恢复情况。
MR灌注成像和弥散成像作为临床生理和病理研究的工具将有助于我们对正常和病变的人体组织功能状态有更深入的了解。聽聽聽聽聽聽聽聽聽聽聽聽聽聽 (李聽 澄聽 孙红光)


主办单位:扬州市第一人民医院影像科
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