现代医学物理技术_李亚琳主编.pdf

书书书21 世 纪 高 校 规 划 教 材现代医学物理技术彭友霖主审李亚琳主编周艳红周丽丽副主编江西高校出版社前言物理学是研究物质最普遍、最基本的运动规律和物质基本结构的一门学科，它是自然科学和当代技术发展的基础。物理学与医学的关系归结为两个主要方面:一方面物理学知识是了解生命现象所不可缺少的基础;物理学的迅速发展并应用于医学，已使基础医学和临床医学的研究在理论、方法和技术上有了突破性的进步，从细胞水平进入到超显微的分子水平。大量事实表明，物理学在医学领域中的应用已更为广阔，更为深入。核物理的成就，促成了核医学的建立和发展，分子生物学和生物医学工程学的建立和发展，是物理学和生物学、医学互相渗透、互相促进的产物。可以预期，随着医学科学的发展，物理学和医学的关系必将越来越密切;另一方面物理学所提供的方法和技术，为医学研究和医疗实践开辟了许多新的途径。物理学的技术和方法，在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛:光学显微镜和 x 射线对医学的巨大贡献是大家早已熟知的;光学纤维做成的各种内镜;已逐步淘汰了各种刚性导管内镜、电子计算机 X 射线断层扫描术(X CT)、超声波扫描仪和磁共振成像(MRl)等的制成和应用等。这些成就不仅大大地减少了病人的痛苦和创伤，提高了诊断的准确程度，而且直接促进了医学影像诊断学的建立和发展。激光、红外摄影技术、超声技术和射流、液晶，特别是电子技术和电子计算机等，这些近代物理学派生出来的新技术在医学上的广泛应用，已使临床诊断、治疗和护理技术发生了质的飞跃。物理学的每个新的发现或是技术发展到每一个新的阶段，都为医学研究和医疗实践提供更先进、更方便和更精密的仪器和方法。可以说，在现代的医学研究机构和医疗单位中，都离不开物理学方法和设备。本书是在多年医用物理学教学实践和教学改革的基础上，包含了医用物理学四部分的主要成果:一是现代医学影像技术，二是核医学技术，三是激光医学，四是电子显微镜。本书可作为临床、麻醉、预防和药学等专业的教材，也可作为医生和广大医学爱好者的参考资料。在编写的过程中，参考了大量的文献资料，在此表示衷心的感谢。由于编者的水平有限，希望各位同行和读者批评指正。编者2011 年 5 月目录第一章现代医学摄像技术第一节数字减影血管造影第二节超声成像技术第三节磁共振成像第四节计算机体层成像技术学习要点与思考第二章核医学技术第一节核医学技术概述第二节放射性探测仪器第三节核医学研究进展第四节核医学分子影像展望学习要点与思考第三章激光医学第一节激光的产生与激光器第二节激光在医学上的应用第三节激光与全息技术第四节损伤及防护学习要点与思考1第四章电子显微镜第一节电子显微镜基础第二节透射电子显微镜原理第三节透射电子显微镜标本制备第四节扫描电子显微镜原理第五节扫描电子显微镜标本制备第六节电子显微镜医学应用学习要点与思考参考文献2书书书第一章现代医学影像技术医学影像技术是医学物理学的重要组成部分，是医用物理学的概念和方法及物理原理发展起来的先进技术手段。是用来窥测人体内部组织、脏器的形态、功能及诊断疾病的重要方法。任何医学成像设备的有效使用以及影像的分析解释都要求对影像形成的物理原理有一定的了解。这是因为对具体解剖结构或病理情况成像的能力取决于医疗设备的固有特性和成像因素间的设定。可见度和成像因素之间的关系非常复杂，而且经常包含着要在图像质量各个方面之间进行兼顾和协调。医学影像是医学领域中知识更新最快的学科之一，从伦琴发现X 射线，到第一张手的 X 光片的诞生，随着计算机断层成像、磁共振成像(MRI)、介入放射学及正电子发射体层摄影术(PET)等新的影像诊断和治疗方法的相继问世，医学影像学从无到有、从小到大经历了一个飞速迅猛的发展过程。这里仅将主要医学影像技术作简要介绍:第一节数字减影血管造影数字减影血管造影技术(Digital Subtraction Angiography，DSA)是一种新的 X线成像系统，是常规血管造影术和电子计算机图像处理技术相结合的产物。普通血管造影图像具有很多的解剖结构信息，例如，骨骼、肌肉、血管及含气腔隙等，彼此相互重叠影响。若要想单纯对某一结构或组织进行细微观察就较为困难，而采用数字减影技术则可以轻松地解决这一难题。一、DSA 的成像基本原理与设备DSA 的成像基本原理是将受检部位没有注入造影剂和注入造影剂后的血管造影 X 线荧光图像，分别经影像增强器增益后，再用高分辨率的电视摄像管扫描，将图像分割成许多的小方格，做成矩阵化，形成由小方格中的像素所组成的视频图像，经对数增幅和模/数转换为不同数值的数字，形成数字图像并分别存储起来，然后输入电子计算机处理并将两幅图像的数字信息相减，获得的不同数值的差值信号，再经对比度增强和数/模转换成普通的模拟信号，获得了去除骨骼、肌肉和其他软组织，只留下单纯血管影像的减影图像，通过显示器显示出1来。DSA 是数字 X 线成像(digital radiography，DR)的一个组成部分。DR 是先使人体某部在影像增强器(IITV)影屏上成像，用高分辨力摄像管对 IITV 上的图像行序列扫描，把所得连续视频信号转为间断各自独立的信息，即，把 IITV 上的图像分成一定数量的水方块，即像素;再经模拟/数字转换器转成数字，并按序排成字矩阵。这样，图像就被像素化和数字化了(如图 1 1)。数字矩阵可为256 256、512 512 或1024 1024。像素越小、越多，则图像越清晰。如将数字矩阵的数字经数字/模拟转换器转换成模拟图像，并在影屏上显示，则这个图像就是经过数字化处理的图像。DR 设备包括 IITV、高分辨力摄像管、计算机、磁盘、阴极线管和操作台等部分。数字减影血管造影的方法主要有:时间减影法、能量减影法和混合减影。目前常用的是时间减影法(temporal subtraction method)，介绍如下:图 1 1像素转换为数字(数字化)经导管内快速注入有机碘水造影剂。在造影剂到达欲查血管之前，血管内造影剂浓度处于高峰和造影剂被廓清这段时间内，使检查部位连续成像，比如每秒成像一帧，共得图像 10 帧。在这系列图像中，取一帧血管内不含造影剂的图像和含造影剂最多的图像，用这同一部位的两帧图像的数字矩阵，经计算机行数2字减影处理，使两个数字矩阵中代表骨骼及软组织的数字被抵消，而代表血管的数字不被抵消。这样，这个经计算机减影处理的数字矩阵经数字/模拟转换器转换为图像，则没有骨骼和软组织影像，只有血管影像，达到减影目的。这两帧图像称为减影对，因是在不同时间所得，故称为时间减影法。时间减影法的各帧图像是在造影过程中所得，易因运动而不尽一致造成减影对的不能精确重合，即配准不良，致使血管影像模糊。二、DSA 检查技术根据将造影剂注入动脉或静脉而分为动脉 DSA(intraarterial DSA，IADSA)和静脉 DSA(intravenous DSA，IVDSA)两种。由于 IADSA 血管成像清楚，造影剂用量少，所以应用多。IADSA 的操作是将导管插入动脉后，经导管注入肝素 3000 5000u，行全身低肝素化，以防止导管凝血。将导管尖插入欲查动脉开口，导管尾端接压力注射器，快速注入造影剂。注入造影剂前将 IITV 影屏对准检查部位。在造影前及整个造影过程中，以每秒1 3 帧或更多的帧频，摄像7 10s，经操作台处理即可得减影的血管图像。IVDSA 可经导管或针刺静脉，向静脉内注入造影剂，再进行减影处理。三、DSA 的临床应用目前，IDASA 对动脉的显示已达到或超过常规选择性动脉造影的水平，应用选择性或超选择性插管。对直径 200m 以下的小血管及小病变，IADSA 也能很好显示。而观察较大动脉，则不作选择性插管。所用造影剂浓度低，剂量少。还可实时观察血流的动态图像，作为功能检查手段。DSA 可行数字化信息储存。IVDSA 经周围静脉注入造影剂，即可获得动脉造影，操作方便，但检查区的大血管同时显影，互相重叠，造影剂用量较多，故临床应用少，不过在动脉播管困难或不适于作 IADSA 时可以采用。DSA 有助于心、大血管的检查。对主动脉夹层、主动脉瘤、主动脉缩窄或主动脉发育异常和检查肺动脉可用 IVDSA。DSA 对显示冠状动脉亦较好。IADSA 对显示颈段和颅内动脉均较清楚，可用于诊断颈段动脉狭窄或闭塞、颅内动脉瘤、血管发育异常和动脉闭塞以及颅内及颅内肿瘤的供血动脉和肿瘤染色等。(图 1 2)。对腹主动脉及其大分支以及肢体大血管的检查，DSA 也很有帮助(图1 2)。DSA 技术发展很快，现已达到三维立体实时成像，更有利于病变的显示。3图 1 2DAS 图像图中:A、B、C 分别为颈动脉造影、椎动脉造影、和动静脉畸形;D 左锁骨下动脉狭窄;E 肾动脉狭窄，为 PTA 前;F 为 PTA 后，狭窄段被扩张。所有照片只有血管影像而无骨及软组织影像。第二节超声成像技术超声(Ultrasound，简称 US)医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程，所以超声医学具有医、理、工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。超声诊断技术于 20 世纪 50 年代建立，70 年代广泛发展应用，总的发展趋势是从静态向动态图像(快速成像)发展，从黑白向彩色图像过渡，从二维图像向三维图像迈进，从反射法向透射法探索，以求得到专一性、特异性的超声信号，达到定量化、特异性诊断的目的。近三十年来，医学超声诊断技术发生了一次又一次革命性的飞跃，80 年代介入性超声逐渐普及，体腔探头和术中探头的应用扩大了诊断范围，也提高了诊断水平，90 年代的血管内超声、三维成像、新型声学造影剂的应用使超声诊断又上了一个新台阶。其发展速度令人惊叹，目前已成为临床多种疾病诊断的首选方法，并成为一种非常重要的多种参数的系列诊断技术。4一、USG 成像的基本原理1 超声的物理特性(1)声波。能够在听觉器官引起声音感觉的波动称为声波。人类能够感觉的声波频率范围约在20 20000Hz。频率超过20000Hz，人的感觉器官感觉不到的声波，叫做超声波。声波的频率、周期和速度。声源振动产生声波，声波有纵波、横波和表面波三种形式。而纵波是一种疏密波，就像一根弹簧上产生的波。用于人体诊断的超声波是声源振动在弹性介质中产生的纵波。声波在介质中传播，介质中质点在平衡位置来回振动一次，就完成一次全振动，一次全振动所需要的时间称为振动周期(T)。在单位时间内全振动的次数称为频率(f)，频率的单位是赫兹(Hz)。f=1/T，声波在介质中以一定速度传播，质点振动一周，波动就前进一个波长()。波速(C)=/T 或 C=f。声阻抗。声波在媒介中传播，其传播速度与媒质密度有关。在密度较大介质中的声速比密度较小介质中的声速要快。在弹性较大的介质中声速比弹性较小的介质中要快。这就引出了声阻抗的定义，声阻抗为介质密度()和声速(C)的乘积。用字母 Z 表示，Z=C。(2)超声波。超声波就是频率大于 20kHz、人耳感觉不到的声波，它也是纵波，可以在固体、液体和气体中传播，并且具有与声波相同的物理性质。但是由于超声波频率高，波长短，因此，在人体中传播时还具有一些自身的特性。束射性或指向性。超声波与一般的声波不同，由于频率极高，波长很短，在介质中呈直线传播具有良好的束射性或指向性。这便是超声波可用于对人体器官进行定向探测的基础。但超声声束在远场区则有一定的扩散，远场区开始点(即与声源距离 L)与声源半径 r 及波长有关，即 L=r2/。扩散声场的两侧边缘所形成的角度即扩散角()、扩散角与声源直径(D)及波长()有关:sin=1 22/D。超声成像中多使用聚焦式声束，以提高像质，如图 1 3 所示。图 1 3超声波的束射性与扩散角示意图图中:D生源直径;扩散角。5反射和折射。超声在介质中传播时与介质的声阻抗密切相关。声阻抗(Z)为声波传递介质中某点的声压和该点速度的比值，它等于密度与声速(C)的乘积，即 Z=