医学成像技术（考研笔记）

引言

（一）医学与医学成像技术

医学成像技术：研究并实施如何将人体有关的各种信息变成可视性图像的科学技术。

信息包括：物理、化学、生理、生化、新陈代谢等。

应用目的：为医学提供研究手段或为临床提供诊断依据。

（二）医学成像技术基本任务

形态学方面：将人体复杂多变的内部解剖结构，从平面到立体，从静态到动态，从局部到整体显示为直观图像；

功能性方面：将人体瞬息万变的生理病理过程，从定性到定量，从量变到质变，从微观到宏观显示为活动图像。

（三）医学成像技术过程

大致包括：人体信息的拾取，成像元素的获得，图像重建与处理，成像画面的显示等。

人体信息：涉及声、光、电、热、磁和放射性、磁共振等一系列物理现象；关系到细胞能量运输、分子价键结构和新陈代谢差异等一系列生理变化。

成像元素：从人体信息中提炼出能直接或间接反应人体解剖、生理生化，并能显示成像的信号。

图像重建算法：主要有直接反投影重建、卷积滤波反投影重建、迭代重建算法等及解析法和数值法。

图像信号输出：主要是图像的显示、打印、压缩、传输等计算机软、硬件技术的应用。

（四）医学成像技术分类

1.按成像来源：

主动成像：利用人体自身产生的信息成像

被动成像：利用外来物理能量与人体生物组织相互作用所产生的信息成像

2.按图像处理方式：

模拟方式：以光学系统、电视技术为基础（整幅处理，同时显示，速度快，精度差）

数字方式：以数字电路、计算机技术为基础（数据量大，处理速度快，更有前途）

3.按临床诊断应用：

解剖形态图像：着眼于重建解剖结构，获得器质性病变信息（多用于晚期诊断）

组织功能图像：不限于解剖形态再现，更注重生理、生化、新陈代谢等组织机能方面变化 (期望于疾病的早期诊断)

第一章X射线摄影

1.1 考研点睛

1.2 知识框架

（一）X射线物理性质

（二）X射线透射成像

（三）X线影像质量评价

（四）经典X射线断层成像（X线断层成像的基本原理）

（五）数字减影

（六）数字化X线摄影

1.3考点总结

X射线成像：利用人体组织对X射线的吸收或衰减特性，测量其透射强度相对变化，获得人体内部解剖结构图像。

诊断用X线的产生效率只有 0.4%~ 1.3%。

（一）X射线物理基础

1.X线产生条件（选择、填空考点）：电子源、高速电子流、靶物质

2.X线的本质（23年填空题考点）：一种电磁波，具有一定的波长和频率，具有波粒二重性，X线成像利用了它与物质相互作用发生能量转换，突出了微粒性。

3.X线性质（23年填空题考点）

知识点一：

(1)物理性质：

a.穿透作用：穿透能力与X线光子的能量成正比，波长短的X线光子能量大、穿透能力强，另外还与被照物体的密度有关。

b.荧光作用：当X线照射某些荧光物质（如钨酸钙）时能激发产生荧光。

c.电离作用：物体受到X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，即电离作用。

d.热作用。

e.干涉、衍射、折射、反射作用。

（2）化学特性：

a.感光作用：X线摄影的基础。胶片感光强弱正比于辐照射线剂量。

b.着色作用：使某些物质（如铂氰化钡）的结晶体脱水而改变颜色。

（3）生物效应：生物细胞经一定剂量X线的照射会受到抑制、损伤、坏死。

知识点二：

（1）穿透作用：穿透能力与X线光子的能量成正比，波长短的X线光子能量大、穿透能力强，另外还与被照物体的密度有关。

（2）荧光作用：当X线照射某些荧光物质（如钨酸钙）时能激发产生荧光。

（3）电离作用：物体受到X线照射时，使核外电子脱离原子轨道，即电离作用。

（4）感光作用：X线摄影的基础。胶片感光强弱正比于辐照涉线剂量。

（5）生物效应：生物细胞经一定剂量X线的照射会受到抑制、损伤、坏死。

补充：在X线诊断中主要利用穿透、荧光、感光等特性。治疗中主要利用X线的电离、生物等特性。

4.韧致辐射（连续谱）

高速带电粒子与物质撞击时受原子电场阻尼作用（散射）而减少动能并产生相应波长的X射线。X线波长随机分布形成连续谱带又称韧致辐射。

5.特征辐射（线状谱）（23年名词解释）

当入射高速粒子能量足以激发靶原子的内层轨道电子，使之跃迁至高能激发态，其返回基态时辐射出特定波长的X射线即为特征辐射。

6.影响X射线强度的主要因素包括

管电压、毫安秒、距离、靶物质。

7.X射线谱

X射线是一束波长不等的混合线谱，包括从最长波长到最短波长的连续分布（由韧致辐射产生）以及在连续分布上重合着的一些突出的峰值（反映靶物质电子能级特性的特征辐射）。

图1.1X射线谱（图中标注：连续谱由韧致辐射产生，特征谱为叠加其上的峰值；横轴为波长 λ、纵轴为强度 N）

8.X射线管的技术参数（23年选择题考点）

管电压：可加于阴阳极间的最大电压。

管电流：阴极至阳极的电流。

管容量：管电压×最大阳极电流。

曝光时间：输入电功率时间（ms）。

9.X线与物质的相互作用

（1）不变散射：低能量X线光子与物质作用时发生不变散射，约占百分之几。

相干散射，又称瑞利散射。一个低能量的X射线光子撞击原子轨道上的电子后，被击电子虽未脱落，但光子自身被吸收了。此后，被击原子立即又放出与入射光子能量相同，但传播方向不同的光子。这种只改变传播方向而无能量消耗的冲击就是所说的相干散射。

（2）康普顿效应（23年名词解释）：入射光子与原子的外层轨道电子(或自由电子)

相互作用时，光子的能量部分交给轨道电子，光子的频率改变后发生偏转以新的方向散射出去即散射光子，获得足够能量的轨道电子形成反跳电子。

（3）光电效应（23年名词解释）：入射光子与原子的内层电子作用时，将全部能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子(光电子)，而X光子本身整个被原子吸收的过程称为光电效应。

（4）电子对效应：当入射光子的能量大于等于1.02MeV时，在核力场的作用下X线光子变为一个正电子和一个负电子，即电子对效应。

（5）光蜕变：能量在10MeV以上的X线光子发生光蜕变。

10.诊断用X线中各种作用发生的概率

康普顿效应约占25%光电效应约占70%不变散射约占5%

11.X线强度与硬度

强度：单位时间内垂直于X线束的单位面积上通过的光子数/能量的总和叫做X线的强度。

硬度：X线穿透物体的能力，即光子能量的大小称为X线的质，又称为硬度。

12.X线的硬化

混合波长X线束经物质衰减后短波长成分增加。

由于高能量X射线的穿透力强，低能量X线的穿透力差，使得X射线穿过人体组织时，较多的低能量射线被衰减，而较多的高能量射线则可穿过人体。这就使入射X射线的谱与透射后的X线谱发生了变化。透射后的X射线谱峰向高能量方向位移，这一现象称为硬化。

13.X线透射与衰减

X射线→物质内一吸收或散射→强度衰减

吸收的指数衰减律：I=Iexp(-μx)I。：入射强度；I：透射强度；x:物质厚度

线性衰减系数μ：μ=-；X射线通过单位物质厚度时辐射强度的衰减值，/dxμ与光子能量有关，与物质种类有关。

质量衰减系数μm：μm="。；X 射线通过物质单位质量厚度时的衰减值，μm与物质密度及状态无关。

物质对不同波长X射线的衰减有选择性，应用在X线影像、造影剂和防护材料。

（二）X射线透射成像

1.传统X射线成像原理、系统及方式

（1）成像原理X射线照射人体，在人体内部，各组织对X线吸收衰减后X线穿过人体，不同X线的强度分布记录在感光胶片上（或是显示在荧光屏上），反映为灰度变化。

（2）成像系统X射线源—产生适当强度的X射线束;检测元件—接收透射X线并转换成便于显示或记录的信号；

显示记录装置一显示或记录透射X线强度，提供诊断影像。

（3）成像方式扫描投影方式一利用准直的X点光束或线光束进行逐点或逐线扫描。

曝光投影方式一—利用X线面光束同时曝射整个成像面积，并用同面积传感器检测和显示记录影像。

2.影响X线成像质量的主要因素（21考研简答题）（高频重要考点）

（1）X射线源（焦点尺寸、点源放大失真、面源失真）

①焦点尺寸一实际焦点、有效焦点。

实际焦点：灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上的瞬间轰击面积。

有效焦点：是指实际焦点在X线投照方向上的投影。

实际焦点越大，受轰击的靶面积越大，可承受功率值相应增加，X线管的容量就越大，曝光时间就可以缩短。有效焦点尺寸越小，影像清晰度越高。减小有效焦点，势必减小实际焦点，X线管的功率随之减小，曝光时间需增加，这将会引起运动模糊。由此

可见：减小焦点面积以减小几何模糊、改善影像清晰度与增大X线管的功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。

②点源放大失真一一几何放大失真、相对位置失真。

③面源失真一—实际上的X线源不是严格的点源，而是具有一定尺寸造成。

相对位置失真、移动失真、吸收失真。

（2）物体与成像面相对位置：（3）显示、记录器件特性（荧光屏、乳胶片、增感屏、影像增强器）：滤线器一吸收二次射线，提高影像对比度。

描述密度（胶片黑度）D和辐射强度E之间的关系：曲线中线性段（H-D曲线段）斜率为胶片反差系数，线性段斜率直接决定X线成像的分辨率。线性区域的宽窄反映胶片可以测多少X光能量范围，区域越宽，可测范围越大，效果越好。

（5）X射线对比度：

原发对比度：X线从X源焦点直线前进到影像转换装置前的对比度。

客观对比度：X射线束在成像转换装置中的对比度。

主观对比度：观察者眼中的对比度。

3.典型H-D曲线形态，其横纵坐标及各参数含义

横坐标反应衰减系数变化（logE），纵坐标反应灰度变化（△D）；H-D曲线描述密度D（胶片黑度）和辐射强度E之间的关系；曲线中线性段斜率为胶片反差系数：D=ylog(E)，线性区域的宽窄反映胶片可以测多少X光能量范围，区域越宽，可测范围越大，效果越好。

logE.logE:图1.2H-D 曲线（图中标注：D₁ 为饱和段，线性段斜率为反差系数 γ，纵轴灰度变化 ΔD、横轴 logE）

4.原发/客观/主观对比度概念、定义公式、相关性推导

（1）原发对比度：X射线在从X线源焦点直线前进到影像转换装置过程中的对比度。

定义公式：$C_p = \ln(I_b/I_o)$；$I_b$：被检测物体在图像中的强度；$I_o$：物体以外的背景在图像中的强度。

（2）客观对比度：两个区域密度上的不同，X射线束在成像转换装置中的对比度。

定义公式：△D。

（3）主观对比度：诊断时在医生眼中出现的对比度。

（4）相关性推导：根据 H-D 曲线得到线性区 D=ylog(E)，设E为肿块处辐照度,E。为周围正常组织辐照度，则密度差△D（X摄影对比度，客观对比度）：

$$\Delta D = \gamma(\log E - \log E_0) = \gamma\log\dfrac{E}{E_0} = \dfrac{\gamma\ln(E/E_0)}{\ln 10}$$

而C,=ln(l)（X 射线对比度，原发对比度）即推出客观对比度正比尹原发对比度，比例系数为（起放大作用）。

5.传统X线成像缺点 影像重迭密度分辨率低，不能分辨软组织细节；X射线剂量大，暗室操作不方便; ?

胶片存储，检索信息后处理困难。

（三）X线影像质量评价

1.像素一组成影像的最小单元

每幅影像所含信息内容=像素数x每像素亮度或灰度；物理意义上影像可见信息和评价影像质量的主要因素。

2.分辨率一决定影像可视见及可再现像素的最小尺寸

空间分辨率：对最小被成像物的分辨能力。

密度分辨率：不同密度被成像物的分辨能力。

3.对比度——决定使任一像素强度可视见及可再现的精确性

原发对比度、客观对比度、主观对比度

4.噪声背景—决定局部对比度和信噪比

局部对比度：$C = \Delta I / I_b$；$I_b$：背景强度均值；$\Delta I$：观察区强度与背景差。

信噪比（评价信号的基本指标）：$SNR = S/\sigma$；$\sigma$：背景强度变化的标准差。

5.调制传递函数（MTF）

系统的分辨率可以在空域中描述，也可以在频域中描述。在空域中用每毫米的线对数来描述系统的分辨率。从本质上看，每毫米线对数就是空间频率的概念。每毫米线对数愈大等效于空间频率愈高。可见，系统的频率特性同样可用来描述系统的分辨率。

实际上，在空域中分析成像系统的不锐度是不容易做得很严格的，人们往往喜欢在频域中用系统的调制传递函数来讨论成像系统的不锐度。

／时域或空域信号f(s)经线性系统L(s)后变成函数g(s)；设系统冲击响应函数为h(s)；则 g(s)= f(s)*h(s)：其对应频域关系为G(fs)=F(fs)·H(fs)，G(fs)、F(fs)和H(fs)分别为g(s)、f(s)和h(s)的富式变换，则H(fs)= G(fs)/F(fs)’H(fs)称为调制传递函数（MTF）。

6.点扩散函数（PSF）

狄拉克函数作用于二维线性系统时，所得响应为该系统的点扩散函数（点扩散函数为狄拉克函数的成像系统为理想系统）。

7.线扩散函数（LSF）

线扩散函数LSF可通过点扩散函数PSF沿线质量所在轴进行线积分而求得，直接求解PSF困难时可由LSF来重建PSF。

（四）经典X射线断层成像（X线断层成像的基本原理）

利用运动模糊效应，调节控制X线源、成像物、胶片三者之间相对位置关系，使光源和胶片保持反向协调运动（二者移动速度满足一定比例关系），以使欲成像断面在运影像则在运动曝光中被模糊而淡化。

（五）数字减影（DSA）（22年考研论述题）

1.数字减影原理（23年简答题考点）

人体X射线影像是体内组织的空间分布、照射时间变化和射线能量组成等参数的函数。

当图像重点表现组织的空间分布信息时，所得图像为解剖结构图；当着重比较不同时刻影像的变化时，则得到影像随时间变化的信息差异图；而当注重观察不同能量X线曝射下的影像时，则可了解随射线硬度变化的差异图像。

数字减影主要对随时间或能量变化前后的图像作减法处理。利用时间变化信息作减法处理为时序减影；利用能量变化信息做减法处理为能量减影；既利用时间又利用能量变化信息做减法处理为混合减影。

变化前图像称为原基像；变化后图像称为造影像。

从造影图像中减去原基像中对应部分，使图像中随参数变化了的部分图像增强称为减影。

减影操作相当于高通滤波，能增加图像中对参数变化较敏感部分的对比度，也相应地增大了图像的随机噪声。

在获取原基像和造影像进行曝光期间，组织器官的移动会在DSA影像中产生配准不良伪影。这样的伪影在影像边缘较为突出，在DSA影像中表现为黑、白亮度偏移，干扰造影血管的检测，可降低影像质量。由于影像线性放大不能提供均匀的DSA信号，会受重叠的原基像的结构干扰，故通常在减影前对影像进行对数放大以使DSA信号线性化和改善其均匀性。

2.数字减影方法

（1）时间减影法：目前常规临床中主要应用方法。使用最多的是时序减影。

①时序减影（时标减影）（23年简答题考点）：在X射线源间歇曝射工作条件下，按时序逐幅摄取原基像和各时刻造影像，再将造影像与原基像相减。原基像与造影像均采取两幅图像迭加以降低噪声背景。摄影时间间隔及减影图像帧数要根据摄影部位、造影器官和血流情况而定。

时序减影法多用于活动较少部位（脑血管、颈动脉、腹动脉及四肢动脉等）。为减少器官运动引起伪差，需用大容量X射线管，采取高速超短脉冲方式曝射。

②时间间隔差值减影法（TID）：采用快速摄影方法（每秒30帧），获得一系列造影像，然后每隔一定帧数将造影像做反复减影，得到一系列差值图像。

由于两幅图像的时间间隔很短，降低了可能的运动伪差（低频影响）；而减法处理则增强了高频分量。TID方法可改善减影图像质量，适合于如心脏等活动器官的影像检查。

（2）能量减影法（23年简答题考点）：采用不同能量的X射线获得图像，经数字化后作综合处理，以抑制某种组织材料引起的信号，而放大由感兴趣部位组织引起的信号。

①K吸收边缘法利用能量在K吸收带附近的X射线进行曝射时，某些造影剂的吸收系数（如碘在 33.17KeV 处的吸收）能有较大幅度变化，从而使减影图像产生较显著的对比度变化。

K吸收边缘法的主要困难在于难于获得足够能量的单色X射线。

例：（基于K吸收边缘法的能量减影原理分离血管、软组织和骨骼信息的技术方案）

对于同时含骨骼、血管和软组织的X射线影像来说，可采用在血管加造影剂碘的方法，然后分别用碘K吸收带上边沿和下边沿能量的X射线摄取影像。由于骨骼和软组织对于这两种能量的X射线吸收特性相近，故两幅造影像基本相同；而对于充了造影剂碘的血管组织则两幅影像有较大差别（K吸收边缘特性）。因此，其减影结果将消除骨骼和软组织图像，而仅保留血管影像。

②双能量减影法（22、23年论述、简答考点，重要知识点）

采用两种能量的X射线对同一物体进行透射成像，再通过减影处理可把物体分解为两种材料，即可从原图像中消除某一种材料。

例：/（用框图法说明采用双能量减影法进行肺部软组织和骨骼影像增强、提升信噪比的技术方案）

设物体由食盐（NaCl）和钙盐（GaCl2）组成；若用两个单能量X射线（60KeV和100KeV）分别成像；再分别用同一X射线源对两个已知的分别仅由食盐和钙盐组成的试样进行成像。由于钙比钠的原子序数大很多，故对X射线的衰减也比钠大很多。因此，若前述双能X射线对未知物体成像之间的衰减差距很大，则可认为物体中含有大量的钙；否则物体中主要成分应是食盐。此后再利用各种标准试样的数据就可以测定未知物体中两种成分的含量。

公式过程：设被照物体由骨骼（μ）和软组织（μ）组成，厚度分别为tp和t；入射强度I，透射强度I，则 $I = I_0\,e^{-(\mu_B t_B + \mu_r t_r)}$。

将 X射线强度相对衰减量经对数变换得到图像 S：$S = \ln(I/I_0) = -(\mu_B t_B + \mu_r t_r)$。

图像中包括骨骼和软组织两部分，再分别用能量X射线源（低能量L和高能量H）

成像（S和SH）：$S_L = -\mu_{BL}t_B - \mu_{rL}t_r + C_L$、$S_H = -\mu_{BH}t_B - \mu_{rH}t_r + C_H$（注：C 为初始强度，$-\mu_{BL}t_B - \mu_{rL}t_r$ 为衰减强度，高能量同理）

对两幅图像分别用加权系数K和KH进行减影，得到减影图像

++YY

/μTH 和

/μBH（3）混合减影法（23年简答题考点）：在注入造影剂前后，以短时间间隔做低能量和高能量曝射摄影，然后把易于活动而产生伪迹的软组织影像用能量减影法除去，得到只有骨组织和血管的原基像和造影像，再对这两幅图像做时间减影处理，可得到既不含软组织活动又不含骨组织的血管造影像。 注：由于时间减影对运动的软组织会产生运动伪迹，所以先用能量减影消去软组织。

而能量减影则无法消去物质成分相似的物体，尽管血管与软组织成分相近，与骨成分相差甚远，但会导致能量减影保留部分软组织，因此先用能量减影消去差异较小的血管和软组织，只留下骨，再用这幅只含骨的图像作为目标图像，消去含骨和碘中的骨。

3.K吸收带及K吸收边缘法概念

K吸收边缘法：利用能量在K吸收带附近的X射线进行曝射时，某些造影剂的吸收系数（如碘在33.17KeV处的吸收）能有较大幅度变化，从而使减影图像产生较显著的对比度变化。

K吸收边缘法的主要困难在于难于获得足够能量的单色X射线。

K吸收带：吸收带即吸收峰在吸收光谱中的波带位置，波长连续分布的辐射通过物质时，辐射能量被物质吸收的一部分波长范围。吸收带分为R、K、B、E吸收带。

（六）数字化X线摄影

1.CR成像原理（直接成像方式）

直接成像方式不以X胶片为记录和显示信息的载体，而是使用可记录并可由激光读出X线影像信息的成像板（IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片影像。

2.DR成像原理（间接成像方式）

间接成像方式沿用了影像增强管一电视链。首先，经X线曝光在影像增强管上形成视频影像，再使视频影像数字化，形成数字式平片影像。

3.二者区别与成像优点

区别：（1）间接成像方式需用专用设备（DR系统），与系统的X线摄影设备不兼容；设备的结构不能适用于各种X线摄影（尤其是较复杂的摄影）要求，设备配置与远行成本不适于高通量的X线摄影部门，故推广的局限性较大。

（2）直接成像方式则仅以IP代替X线胶片，与常规X线摄影设备匹配运行，也不需要操作者进行特殊培训，故推广较广。

优点：（1）与胶片/增感屏相比：具有很宽的线性成像动态范围。

（2）数字化图像使用、处理、保存等皆方便、可靠，有利于医院实现无纸片、无胶片化和信息管理现代化。

第二章 计算机断层成像

2.1考研点睛

2.2知识框架

（一）X-CT 定义、成像参数和扫描方式

（二）CT重建原理和方法

（三）CT图像显示和质量评价方法

（四）CT装置结构

2.3考点总结

（一）X-CT定义、成像参数和扫描方式

1.CT成像概念

CT成像是测定沿各个方向射线投影时X射线强度的衰减量，通过运算求得断层内各体积元（像素）的衰减系数相对变化值，并将该值赋予各体元所对应像素的灰度变化量，从而得到人体内部组织结构图像。

2.像素与体元概念

将扫描成像断层划为许多小立方体，称之为体积元，简称体元。

每个体积元对应于成像画面中的一个小正方形，成为像素。

3.衰减系数与CT值定义

(1) CT值: CTvalu(Hvater)=μeμE ipater -×1000

（2）衰减系数：X射线透过人体时，其强度衰减服从指数衰减率，又称Beer定律：I=Iexp(-μx)，其中的μ为衰减系数。

4.CT与胶片分辨率差异及原因

一般CT 值的分辨率为△H=5，能区分相当于5/10000的u"αter密度差异，这是靠 5 / 1000

/10° 。显然CT分辨率远高于胶片，并且胶片分辨率受H-D曲线斜率的限制（不可调），而CT分辨率的斜率可通过窗口技术来调整和设定。

（a）H-D曲线 （b）CT显示曲线图2.1CT与胶片成像曲线（1）利用乳胶片作X线摄影时，要努力使曝光量处于H-D曲线的“线性段”，以利用此段反差系数最大特点。（图 2.1(b) 中 CT 显示曲线横轴为 CT 值（−1024～+1023），M、N 为线性段两端对应的组织）

（2）如将M组织和N组织对应的CT显示为全部64阶灰度影像，其灰度显示如图2.1（b）所示。由于M值和N值在横轴位置可调（计算机设定），即曲线中线性段斜率（相当于胶片反差系数）可调：改变横坐标截距点M的位置可调整成像的CT值动态范围，使感兴趣组织的CT值落入成像范围，保证该部分组织图像具有高分辨率。

5.窗口技术与窗宽、窗位定义

窗口技术：用全部灰度尺表示某一CT值范围的方法。把某一CT值信号放大到亮度信号调节的满幅度，局部放大。

窗宽：灰度尺所表示的CT值范围。

窗位：灰度尺中心所对应的CT值。

6.五代CT特点（21考研论述题）（高频重要简答、论述题考点）

（1）第一代一平移+旋转扫描（细直X线束）：

X线源：单个固定阳极X线管，笔束X射线；探测器：单个，碘化纳（NaI）晶体；

扫描方式：平移+旋转；特点：扫描时间长，不宜对运动器官（心、肺）成像。

（2）第二代一平移+旋转扫描（小扇形束）：

X线源：单个X线管，小扇形束X射线；探测器：多个，每次可监测多组数据，相同晶体；扫描方式：平移+旋转；特点：提高了采样速度，增加了数据总量，缩短了扫描时间，可在病人屏气时作肺、胸部扫描成像。第二代为高速型头部CT，进一步提高扫描速度可朝全身CT发展。

（3）第三代一旋转扫描（大扇形束）一全身CT：

X线源：单个X线管（旋转阳极），大扇形束（30~45°），脉冲投照；探测器：几百~上千个，氙气电离室探头；扫描方式：旋转扫描，连续采样；特点：扫描时间短（几秒钟），改进高速算法处理数据，全身CT的主流设计方案。

（4）第四代一仅X线源旋转（大扇形束）：

X线源：单个X线源，大扇形束；探测器：多个，布满圆周，探头阵列不动；扫

描方式：仅X线源旋转扫描，总扫描角度可大于360°；特点：仅比第三代增加了探测器数目，加大了扫描范围，但在成像质量和扫描速度方面并无实质性突破。

（5）第五代一动态空间图像重建扫描一螺旋CT（超高速CT）：

X线源：多个（28）X线源，固定放置在半圆周上，锥形束；探测器：多个探头阵列，布满半圆周；扫描方式：无机械旋转，靠电子开关控制动态扫描，角度大于360°；

特点：可一次采集大量数据，扫描时间极短（10ms，足以凝视跳跃的心脏！）。前四代扫描是每次获得二维平面的一维投影数据；而第五代扫描是获得三维物体的二维投影数据，故数据量大，处理也复杂。

（二）CT重建原理和方式

1.投影概念与实质

（1）概念：CT扫描过程中，每次平移扫描，采集一个方向的投影数据，转过一个角度，再进行平移扫描，获得另一方向的投影数据，连续平移和旋转扫描后获得一组各个方位的投影数据，CT图像重建的数学问题归结为从这些投影数据中求解衰减系数的分布函数，成像函数沿某路径的线积分称为沿该方向上的投影。

（2）实质：投影过程中，将N维成像函数通过对函数沿某一方向的积分而变换为N-1维函数。

2.正弦图概念及公式

（1）概念：过任意点（r，θ）的所有投影的位置坐标（x,，Φ）将形成一条轨迹，即为正弦图。

（2）公式：过（r，θ）的（x,，Φ）满足方程：x=rcos(θ-Φ)。

3.CT图像重建方法分类及典型代表算法比较（新增重要考点，23年论述题）

（1）方法分类：①代数法以求解代数方程组为基础，将成像物离散为大量体积元后，投影函数由线性衰减系数的线积分形式简化为线性求和的代数方程式。求解基本方法是解联立方程组，其次可用逐步逼近迭代方法重建图像。最简单的方法是直接反投影。

②解析法以富氏变换为基础，依据投影定理，或称中心切片定理，利用反投影思想，借助富氏变换工具。实际应用方法为卷积滤波反投影。

（2）典型算法：①直接反投影重建法②滤波反投影重建法③迭代重建算法（直接重建、代数重建（ART）、联立迭代重建技术（SIRT））

（3）典型算法比较（卷积反投影、ART、SIRT）：

①重建速度：卷积反投影>ART、SIRT，SIRT收敛较慢；

②存储容量：卷积反投影与ART相当，SIRT比ART多一倍；

③图像质量：当数据较完整时，卷积反投影图像质量令人满意，此时ART图像质量也与之相当。但在投影数据较少，或密度变化较剧烈（高对比度）或有较强噪声干扰时，ART图像质量优于反投影重建。但ART存在最佳迭代次数，过多次迭代反而图像质量下降，且不收敛。SIRT 方法总能收敛，只有在测量误差特别大时才显出优越性，胜过ART或卷积反投影方法。

④先验条件：迭代重建算法可应用一些先验条件以加速收敛。可用的先验条件有：像素值非负、根据经验选择初始图像。而卷积反投影一般无先验条件可用。

③应用范围：卷积滤波反投影法适用于扫描投影数据完整条件，尤其在重建对象形状固定的场合（头部和全身CT）；但在数据缺损、噪声偏大、射线弯曲的场合或重建对象无固定形状时，则以迭代重建算法为宜。

③硬件实现：卷积滤波反投影算法中有多处运算可采用硬件来实现，重建速度可以加快，而迭代重建算法尚未有硬件取代算法的使用报道。

4.直接反投影重建法原理、计算及“灰雾”成因

（1）直接反投影重建法原理所谓“反投影”，相当于用某一方向投影值均匀的反方向分配到投影路径的每个体元（像素）上。

经典断层摄影中，把每次曝光看成一次获得射线投影的过程p(i=1、2·…、n)；在胶片上，多次曝光引起的黑度变化叠加在一起产生该 A 点的影像 $x_k = \sum\limits_{i=1}^{n_p} P_{ik}$。此即：直接反投影重建思想。

CT断层成像中，投影只限于断层内，按直接反投影重建思想，断层平面内某一点密度值可看作是该平面内所有经过该点的射线投影之和，整个断层图像可视为所有方向下反投影的累加（总和）。

$x_k = \sum\limits_{i=1}^{n_p} P_{ik}$

$x_k$—像素 k 的值；$P_{ik}$—经过像素 k 的第 i 条射线投影；$n_p$—可能经过像素的最多射线数。

（3）“灰雾"成因：（“灰雾"又名星状伪迹）星状伪迹是由于被检测部分某一块密度明显大于其它部分的密度所造成的。

可以根据下图进行理解：（这个图不用背，根据图能理解上面这句话就行）

结果：x;≠0处像素值相对较高；x=0处像素值不再为0；（“灰雾"或称星状伪迹或称伪迹噪声）

（a）原图像素值：（b）反投影重建后图像：（c）、（b）中像素值除以投影线数后得到的平均值

（三）CT图像显示和质量评价方式

1.CT图像重建显示的代表性图像处理技术

（1）图像放大显示为使图像局部易于观察，可以对该局部进行放大。方法有：①对该部分图像进行插值处理以增加显示像素数目，虽不增加信息量，但能改善图像分辨率；

②针对指定区域重新按高分辨要求采集数据，或是在原有数据基础上以更高分辨率标准进行图像重建，这需取得更多数据。

（2）图像增强与平滑

为适合观察需要：①对重建图像作二维滤波；

②修改卷积运算中的加权函数，作图像重建。

（3）图像辅助显示

显示方式：①增添纵坐标便于确定图像区域位置；

②按指定CT值作闪烁标志显示；

③黑白反转显示，便于特殊部位观察；

④以函数曲线形式显示任意两点间CT值（密度）变化，以便了解感兴趣区域的细微变化。

（4）断面变换通常CT所得是与体轴垂直的横断面，而有时临床需要观察与体轴平行的纵断面，为此需要从各个横断面数据重建纵断面图像，其分辨率往往会差一些。

（5）图像测量对指定区域进行面积、容积、平均密度、密度标准差、密度分布直方图及任意两点间实物空间距离等参量的测算。

2.CT图像特点，与X射线透视影像的区别（23年简答题）

（1）CT图像消除了影像重迭的现象一一由CT成像原理所决定。

（2）CT成像消除了二次散射影响一使用了高光子探测效率、大动态范围和小孔径的X射线探测器，滤除了所有散射线，提高了真实信息利用率。

（3）CT图像分辨率与X射线透视影像相比，各有长短：CT图像密度分辨率远优于X射线透视影像（因其消除了重影和散射，使图像噪声被抑制到较低水平）；CT图像空间分辨率因受X射线探测器尺寸和采样间距限制而使之略低于X射线透视影像。

只有增加探测器数目和减少采样间距才能进一步提高CT图像空间分辨率。

3.CT图像的质量参数（23年简答题）

（1）CT值随机涨落（图像本底噪声）

CT成像时，即使是均匀材料（如水）体模，其CT值也不完全相同，总在平均值上下随机分布，亦称为噪声；

（2）线性度一说明CT值与μ值是否成正比例关系的量度。

线性度测量不仅要知道CT图像对应部位组织的u值，而且要知道有效X射线束能量（考虑硬化效应），通常要使用特制的检测体模。

（3）均匀性一对均匀物质是否得到均匀CT图像。

即使均匀水模，其中心部位CT值也可能较边沿低3~4%，因此要考虑修正和图像重建软件。

（4）精度一CT值反映物质密度和原子成分变化的准确度。

通常分为绝对精度和相对精度。绝对精度受个体差异影响较大，相对精度则受影响较小，故普遍使用相对精度，仅在某些特定场合才使用绝对精度。

（5）分辨率一空间分辨率、密度分辨率、对比度分辨率

①空间分辨率：高对比度下能分辨的最小空间尺寸，与X射线源聚焦状况、探测器孔径大小、数据采样间距、卷积滤波方式及显示像素大小等因素有关，可用成像系统的点扩散函数（PSF）的半宽度表示，或用调制传递函数（MTF）的截止频率表示，或用对比度一细节关系曲线的渐近值表示。

②密度分辨率：低对比度情况下能分辨不同密度组织的能力。

③对比度分辨率：低对比度时将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力。与密度分辨率是同一问题的不同考察角度。

以上三种分辨率相互制约，为此用综合参数一CT的解象能力：分辨CT图像中细节的定量参数一来说明图像质量。

（6）灰尺一图像亮度变化由全白到全黑分为若干区间（CT图像分为64级），表示+1000~-1000的CT值，一般人眼只能分辨8~12个灰度区间。

（7）伪彩色一根据人眼对色彩分辨率远高于黑白灰度分辨率的特点，将色谱中各颜色与CT值相对应进行编码，可有效提高图像分辨率。

（8）窗口技术一用全部灰度尺表示某一CT值范围的方法。把某一CT值信号放大到亮度信号调节的满幅度，局部放大。

4.三种评价参数公式及表征（23年填空题考点）

（1）归一化均方距离判据（d）

$$d = \left[\dfrac{\sum\limits_{u=1}^{N}\sum\limits_{v=1}^{N}(t_{uv} - Y_{uv})^2}{N \cdot N \cdot \bar{t}^2}\right]^{1/2}$$

（$t_{uv}$：像素密度，$Y_{uv}$：重建图像，$\bar{t}$：测试密度均值）

$d=0$ 时完全再现；$d$ 越大，代表偏差越大。

（2）归一化平均绝对距离判据（$e$）

$$e = \dfrac{\sum\limits_{u=1}^{N}\sum\limits_{v=1}^{N}|t_{uv} - Y_{uv}|}{N \cdot N \cdot \bar{t}}$$

（$t_{uv}$：像素密度，$Y_{uv}$：重建图像）。$e=0$ 时无误差；$e$ 越大，误差越大。（3）最坏情况距离判据

$$r = \dfrac{\sum\limits_{i=1}^{N^2}|t_i - Y_i|}{N^2 \cdot \bar{t}} \times 100\%$$

表征：上述三个判据中，$d$ 较敏感反映某几点产生较大误差情况；$e$ 较敏感反映许多点均有一些小误差情况；$r$ 反映最大 N 点平均差（对肿瘤密度变异更为敏感）。

例：原图（1，2，3，4，5，6，7，8，9），重建图像（6，2，3，4，5，6，7，8，9）

1．计算d、2．若重建图像改为每一点均有1.5 的误差，则计算d2、Y2。

3．分析d、d,和、的大小，感受判据的表征。

(2) d=0.58, Y2=0.23

答案：（1）d=0.83，%=0.2

（四）CT装置结构

1．CT 装置组成

（1）扫描和测量系统：扫描床：病人摆位、定位用，可作水平、垂直运动；扫描架：完成扫描动作，获取投影数据。架上装有X线管、准直器、断层厚度控制器、投影检测器、参考检测器、光学位置编码信号发生器、水平和旋转运动电机及机械传动部件，等。

（2）电子计算机系统：通用机或专用机，要求容量大、速度快、精度高。外围设备：显示器（黑白或彩色），记录用波拉胶片、多幅照相机、打印机、磁带机、磁盘机等。

（3）中央控制系统（中央控制台）一-CT操作中心：各种开关：电源、X线扫描；

与设键：时间（年、月、日）、病人资料、窗位、窗宽等数据；指示仪表（扫描运动状态）、计算机工作状态等。

（4）供电系统：X线管电源、扫描机架供电、图像处理系统供电、中央控制台供电。

2.CT机房要求

（1）面积：45~60平米

（2）环境：温度15℃~25℃，湿度25%~80%，通风。

（3）防尘地板：扫描机架、扫描床机房四壁需用2mm铅版防护。

（4）良好接地

第三章 放射性核素成像

3.1考研点睛

3.2知识框架

（一）放射性同位素及射线检测物理基础

（二）放射性同位素扫描与照相机

（三）ECT成像

3.3考点总结

（一）放射性同位素及射线检测的物理基础

1.放射性核素成像：检测能被人体组织吸收并为某些器官浓集且具有放射活性的药物，通过放射性示踪分布获得人体内部组织结构和病理变化图像。

2.放射性同位素

（1）概念：原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子在元素周期表中占有同一位置。

穿透能力非常强.

（2）性质：①放射性（能自发地放射出某种射线，如α、β、）

②原子核放出射线后转化为另一种核（原子核的衰变）

③射线性质：A.使气体电离B.能激发荧光物质发光C.能使胶片感光D.具有穿透物质的本领E.当射线足够强时，能破坏生物组织细胞F.伴随放射性有能量放出

（3）衰变规律：

①指数衰减率：无论天然还是人工放射性元素，其衰变规律皆按时间指数函数衰减。

$I_0$：$T=0$ 时放射性强度；$\lambda$：表示原子核衰变快慢的常数，用半衰期 $T$ 表示。

$$I = I_0\,e^{-\lambda t}$$

②半衰期T：放射性物质的原子核衰变到原质量一半时所需经过的时间（核素固有镭：1590年.特性，不受外界因素影响）

（4）在医学中的应用：

1.示踪原子（示踪元素）：

利用放射性作为特殊“标记”，以显示元素在体内参与生理、生化及新陈代谢过程的“踪迹”，故称为“示踪原子”。可用于脏器显象（扫描）、功能测定、微量检测、代谢追踪等。示踪原子的特殊优点：灵敏度高；简便易行（无创、用量极微）

2.放射治疗：利用射线对组织破坏作用，常用I-131，Co-60。

3.选用时须考虑：同位素放射线的能量和性质；半衰期长短；能否排出体外；控制剂量。

严格选择和控制剂量

3.粒子探测器各部分组成、定义、分类、特性等（23年填空题考点）

（1）定义：粒子探测器又称核探测器，是将射线粒子的辐射能转换成电能的换能器（装置）。常用的是将射线转换为电压脉冲信号，其幅值与光子能量成正比，计数率与射线强度成正比。

（2）分类：①气体探测器一脉冲电离室，累计电离室，正比计数管，盖革-弥勒计数管；②固体、液体探测器一固、液闪烁计数器，半导体探测器。

（3）各部分组成、特性：

①准直器：类似光学聚焦器，用作空间定位，仅使局限于某一空间单元的射线进入探测器内，而其它部分射线被遮断，如此可对被测区域做逐点扫描，以获得放射性核素空间分布信息。

②闪烁晶体：在高能粒子作用下能产生短暂荧光脉冲（称为闪烁）的物体。

主要特性：A.发光光谱（波长在-定范围，其中有1~2种波长为主，称最强波长，需与光电倍增管配用）

B．发光衰减时间（10-~10-9秒，希望衰减时间短，但发光量大）

C.能量分辨率（8~20%，与晶体尺寸、形状有关）

D.探测效率和灵敏度（与射线种类有关，常指对或X射线）

分类：按组成可分为无机、有机晶体两大类；按形态可分为固体、液体或固溶体等。无机体大多为固态，少量为情性气体形态；有机体则为固、液和固溶三种形态。

③光电倍增管（PMT）：真空光电器件。利用光电效应、二次电子发射和电子光学理论，使光子能量转化为光电子能量，再经倍增级把光电子倍增放大，最后经阳极把电子收集起来，形成放大的电脉冲信号。（21考研选择）

主要特性：A.光电转换性能（光阴极的光谱响应和灵敏度），该特性需与闪烁晶体匹配；

B.放大倍数M=各级倍增系数乘积

C.暗电流和本底脉冲：无光入射时的阳极电流称为暗电流，因热电子发射的不连续性，在阳极形成的一个个小电流脉冲，称为本底脉冲，或噪声脉冲。

④前置放大器一—射极跟随器：

作用：A.阻抗变换（避免后级放大器输入端大电容和小输入阻抗对探头工作的影响）；

B.当探测器输出信号较小时给予放大，以增大输出脉冲幅度，提高信噪比。

（4）闪烁计数器（23年选择题考点）：由准直器、NaI晶体、光电倍增管、前置放大器及屏蔽部件组成。

3.放射线检测前置放大器的作用

作用：A.阻抗变换（避免后级放大器输入端大电容和小输入阻抗对探头工作的影响）；

B.当探测器输出信号较小时给予放大，以增大输出脉冲幅度，提高信噪比。

同上2.（3）.④

（二）放射性同位素扫描与照相机

1.放射性同位素扫描原理、结构

（1）原理：将含有放射性核素标记的药物引入人体，然后从体外探测这些核素所发出的射线，进行逐点扫描、探测并记录放射性药物在体内的分布，并用闪烁图显示。

简言之，借助于对射线的扫描探测，实现脏器显影。

由于各种脏器对药物有选择性吸收，正常组织与病变组织存在吸收差异，可根据扫描所得核素分布图形诊断某些脏器（如肺、脑、肝、胰、甲状腺、骨骼等）的占位病变（如癌）和功能变化。

（2）结构：①闪烁探头一一接收射线，将其能量E线性转换为电压脉冲信号；

②脉冲放大与幅度分析-通过脉冲高度（与粒子能量E对应）分析，可对信号进行能量选择，以去除幅度较小的本底信号、散射光子信号，保留反映核素密度分布的射线强度信号（反映初始射线能量的粒子信号）；

③计数和定标器一一计算各种能量的粒子数（对应于不同脉冲幅度的信号个数），并给予标定，以准确记录或显示其平均计数率；

④显示或记录一一I显示：将标定计数后的射线计数率信号经处理后对显示器（CRT）进行与探头直线扫描同步的辉度调制，从而显示放射性核素密度分布的影像（灰度或彩色）；ⅡI记录：将射线计数率信号经频率-电压（f-v）或频率-频率（f-f）变换用以控制打点记录系统（黑白或彩色），从而得到放射性强度分布的扫描图形。

2.照相机结构、工作原理

（1）结构：照相机主要由探头、电子线路和显示装置三个基本部分组成。

探头主要由准直器、闪烁晶体、光导、光电倍增管、前置放大器和定位网络电路（位置模拟计算电路或电阻矩阵电路）构成。

①准直器：校准投射到闪烁晶体上的射线方位，阻挡杂散射线的照射。分为平行孔型、扩散型、针孔型和斜孔型等几种类型；

②闪烁晶体：多使用大尺寸Nal晶体，密封在具有玻璃窗口和氧化镁反射层的铝壳内；

③光电倍增管：多个光电倍增管排列成正六角形平面阵。闪烁晶体与光电倍增管间用光导材料及硅油作光耦合；

④定位网络：光电倍增管的输出放大器按其几何平面位置（x，y坐标）以电阻网络形式连接，网络输出反映入射光子在晶体产生闪烁光点的位置信号。

着重背诵照相机和探头的组成（即画线部分），其他①至④的扩展简单看看理解即可，无需特别背诵。准直器、闪烁晶体、光电倍增管的定义背前面的，不背这里写的，理解一下定位网络。

（2）工作原理：射线经准直器某孔投射到晶体上，与闪烁晶体相互作用后能产生可见光。之后，其光强同时传输到附近各个光电倍增管的光阴极上，由光电倍增光阵列有效地将光学图像转换为电脉冲图像。各管接收光强大小与该管距闪烁点的距离有关，近则光电流大，远则光电流小。将各管光电流大小输入电阻矩阵电路，经一定数学运算即可得到该光点所产生的位置信息。

（三）ECT成像

1.ECT成像原理与分类

（1）原理：与X-CT类似，用探测器在人体外做多角度直线扫描，记录每个方向射线投影数据，经计算机重建得到反映体内某个断层的放射性密度分布图像。与X-CT不同之处在于 ECT 为发射型，而 X-CT 为透射型。因此 X-CT 扫描一般只能获得一个或数个横断面图像，而ECT则可改变扫描方位，获得不仅是横向，还可是纵向或其它方位断层图像。

（2）分类：按所用核物理探测方法，分两大类：单光子ECT（SPECT）；正电子ECT（PECT,_PET）。

2.SPECT分类、原理、组成、特点

SPECT可分为旋转型ECT和X-CT型ECT两种。

（1）旋转型ECT（23年选择题考点）-检4累一：

①原理：将相机所用大型探测器装在可旋转扫描机架上，使相机探测性能与CT技术的数据处理功能相结合并一体化，既可作普通相机应用，又具有CT扫描图像重建功能。 采用富氏变换法作图像重建

②组成：由检测器系统、扫描机架、诊断床及计算机系统组成。

③特点：将相机和数据处理功能一体化，实现一机多能。

（2）X-CT型单光子ECT（22年简答题考点）

①结构：由多个（32）探测器分组排列成以床面中心轴为对称，可连续旋转方式。

每个探头有各自的准直器、晶体、光电倍增管和脉冲幅度分析器等。采用单光子计数方法探测。

②原理：探头围绕病人旋转，连续采集体内射线数据；每转动一个角间距，获得一组数据；旋转一周后将累积数据按CT成像方法进行图像重建。

③特点：与X-CT类似，只能重建横断面图像，不易改建其它方位图像，也不便做功能检查。

（3）ECT与X-CT显著不同点：在X-CT中用于成像的基本信息是人体对X射线的衰减。而在ECT中，辐射源在人体内部，想得到放射性核素在体内分布浓度的图像，因此所成像希望是体内辐射源未经衰减强度分布。

3.PET原理

（1）质量湮灭现象：有一类放射性核素在衰变过程中释放正电子。在衰变过程中，当一个质子转变为中子时发射出正电子。正电子很快就会与周围环境中的电子相结合发生质量湮灭，并由此转化成两个能量为511kev且传播方向几乎完全相反的射线光子。

（2）符合检测电路：利用两个射线光子向相反方向传播的这一特征，可以通过一种称为“符合检测"的技术来实现投影数据的采集，并由此实现断层成像。在PET系统中，检测器阵列被安置在一个环形结构上，各个检测器的输出分别连到一系列符合检测电路中。如果符合检测电路在一个很小的时间间隔（通常称为时间窗，窗宽时间为8~12ns）内，同时获得两个检测器输出的信号，则认为在这两个检测器的空间连线上有释放正电子的核素存在（这条连线称为响应线）。响应线上的计数信息将送到计算机中作进一步处理，以获得核素在体内分布浓度的断面像。

·出正电子，正电子与通常的负电子相遇产生湮灭，放出一对光子（当有零相对动量时，两光子发射方向相反，能量相等，皆为511keV）；为此做光子对的符合测量可确定产生湮灭效应的放射性核素位置在探测器“对"连线上；连接同时纪录到符合测量信号的数条探测器“对"连线，其交叉点即精确指示放射性核素的空间位置。

（4）PECT最大特点是使用“电子准直"方法，而不是靠铅直器来确定放射性核素位置。这种“电子准直"方法视野均匀，分辨率不受深度影响，而且探测效率高；而用铅准直器方法探测效率低（大量光子被准直器挡在外面）。（PET优于ECT的特点）

这块知识点大纲的标题是“PET原理”，但在PPT中这一块涵盖了很多内容。

除了简答会问到PET成像原理（答案只写（3）即可），也可能会涉及到名词解释，如符合测量、质量湮灭效应的名词解释。另外（4）是PECT优于ECT的最重要点，因此这四点都需要仔细背诵。

4.符合湮灭测量与飞行时间差作用

差异来精确定位放射性核素，不仅可提高空间分辨率，还可以利用“飞行时间"因素成像。

5.探测器类型

单环PET按其探测器分布方式分为三类：平行块型、六角形阵列、环形阵列。

一多环

6.成像过程

（1）灭符合测量：获得一系列反映正电子衰变核素位置的符合测量直线；

（2）投影数据：将符合测量信息整理为核素放射性在不同角度的投影；

（3）滤波处理：将投影数据进行卷积滤波处理；

（4）反投影重建：将卷积滤波处理后的投影数据作反投影重建图像。

7.PET成像优缺点及主要应用（23年简答题）

（1）优点：A.PET所用核素"C、13N、"O、1F等是人体组织基本元素，易于标记各种生命必需的化合物及代谢产物，故其影像可反映人体生理、病理及功能状况。此外，这些核素的半衰期皆非常短，可以给较大剂量而人体受辐射剂量相对较小，因而可大大提高图像对比度和分辨率。

B.PET使用“电子准直"技术，具有视野均匀、探测效率高、不受探测深度影响的优点，解决了普通单光子ECT成像质量主要取决于准直器性能的技术难题。

C.图像比清晰，可提供多种生理、生化、新陈代谢功能信息，誉为“生理断层成像技术”。

（2）缺点：设备昂贵，运行费用高，必须同时设置小型回旋加速器以生产所需要的放射性同位素。

（3）主要应用：含有放射性同位素的药物聚集在体内器官后，将按其半衰期衰变并逐渐消失，此期间，射线强度分布将随器官运动（心脏搏动、血液流变、肺的呼吸）

变化，还将随器官的代谢功能变化。因此，放射性核素成像可比X射线成像有更广的使用价值。主要应用在肿瘤检测、神经和精神疾病、心血管疾病、健康体检方面。

第四章 超声波成像

4.1考研点睛

4.2知识框架

（一）超声波物理性质

（二）医用超声换能器

（三）超声诊断仪原理

（四）超声Doppler诊断技术

4.3考点总结

超声波成像：向人体内发射超声波束，测量其反射或透射声波强度变化，获得人体内部组织图像。

（一）超声波物理性质

1.超声波产生及各种物理参数定义、公式

（1）产生：物体的机械振动是产生声波的源泉，这种媒质质点的机械振动由近及远的传播就是声振动的传播或声波。声波是介质中传输声能的机械扰动。

（2）物理参数：

①周期（T）：波在媒质中传播时，质点完成一次全振动所需的时间。

频率（f）：质点在单位时间完成全振动的次数。

振幅：质点最大振动位移。

波长（入）：一个周期内质点振动所传播的距离。相邻两波阵面之间的垂直距离。

周期（T）、频率（f）、波长（）、波速（v）之间关系：T=yf =y=v.T=² 2π @=2πfk

②波数（k）：2π长度内所包含的波动数目。

圆频率（∞）：2π时间内所振动数目，又称角频率

(v)波速：单位时间内波动所传播的距离

③波能：波动既是振动的传播过程，又是能量的传播过程。

媒质因振动而产生形变有势能：E，= kx²;

2

总能量=动能+势能：E=E+E。= kA²2

④波能密度：单位体积中波动能量。

声场中体积元V。，静止时声压P，密度P。；声波作用时声压P=P+P，密度p=Po+P，获振速u，体积元V。

$$\varepsilon = \dfrac{1}{2}\rho_0 u^2 + \dfrac{p^2}{2\rho_0 v^2}$$

获势能：$W_p = -\tfrac{1}{2}\Delta p\,\Delta v \approx \tfrac{p^2}{2\rho_0 v^2}\,a$（介质压缩形变 $\Delta v \propto p$，负号表示压缩）

声能密度：$\varepsilon = (W_k + W_p)/a$

③能流密度（23年名词解释）：单位时间通过与传播方向垂直的单位面积波动能量，=P正比于声压增量和振速乘积。

③波强：波在一个周期内的平均能流密度。$I = \dfrac{1}{T}\int_0^T \varepsilon\,dt$

声强：声波平均能流密度大小。$I = \dfrac{1}{T}\int_0^T p u\,dt = \tfrac{1}{2}p_0 u_0\cos\phi$

（$p_0$：声压振幅值；$u_0$：振速振幅值；$\phi$：p、u 之间相位差）

③波阻抗：媒质中某点有效声压与振动速度之比：$Z = p/u$，称为波阻抗，或声阻抗。

（注：一般，声压与声速不一定同相位，故声阻抗不一定是恒量。对于小振幅声波，声压与声速同相位，声阻抗为恒量，可写为：$Z_0 = \rho_0 v$，只决定于媒质密度（$\rho_0$）和声速（v）的乘积，即决定于媒质的特性，故称为特性阻抗。类比于电路：p-电压，u-电流，Z-电阻）

2.超声波传播和衰减特性

（1）传播速度

声速：v=入f,声速在决定声阻抗和回声测距方面是主要因素。

人体组织（软组织）平均声速1540m/s,骨骼声速4080m/s。

（2）声波传播的指数衰减规律

声压：P=P exp(-αx)P：x处声压P：x处声压α：衰减系数

声强：I=I。exp(-αx)Io：x处声强I：x处声强（3）衰减原因（23年填空题考点）：

①扩衰减：波束扩散，声场面积增大，单位面积声能减小。

②散射减：媒质中存在外径远小于波长的粒子时，引起散射，使沿原方向的声强减弱；

③吸收衰减：振动引起媒质的弹性摩擦而吸收声能。被吸收的声能不可逆地转换成其它能量（如热能）。对流体煤质，吸收主要由于流体的粘滞性、导热性及弹性滞后引起，对固体介质，吸收则因摩擦和热传导引起；

④弛豫吸收：声频很高时，媒质质点的振动将滞后波动一个时间，造成弛豫吸收（类似于电容器充电过程）。

半值层：声强衰减一半的距离(但织厚度)

（4）衰减情况：（软组织的声阻抗最大）

①水对超声的吸收系数很小，骨质的吸收系数最大，空气中衰减也很厉害；

②软组织对频率为1~15MHz范围的超声波的吸收衰减几乎与频率成比例；

③超声频率越高，吸收越厉害，探测深部组织或厚度较大的脏器，不宜用高频率，浅层组织可用较高频率的超声（眼科10~20MHz，心脏、腹部2~3MHz，这里涉及选择题，记住组织越浅频率越高也就理解为什么眼科超声频率最高）；

④正常组织与病变组织对超声波的吸收衰减不同，癌变组织吸收最大，炎症组织次之，正常组织最小。（23年选择题考点）

3.超声辐射声场特性（超声波在人体组织内的反射、折射、透射）

超声波在人体组织内传播随组织媒质特性不同而变化，对均质媒质：沿原方向前进，对非均质媒质或遇组织分界面则由于声阻抗变化而有部分超声反射，部分折射或透射：①只要存在声阻抗差异，就会发生反射。

②当超声波长与组织细微结构相近时，产生声衍射现象；

③当组织结构尺寸小于波长时，产生声散射现象。

如果题目中问“超声波在生物组织中的传播特性”，答案组成为3.超声辐射声场特性+2.（3）衰减情况

4.超声对生物媒质作用（对生物的效应）

①机械效应：超声波能量作用于媒质引起质点的高频振动，产生随其振动位移、速度、加速度、声压、声强等变化引起的各种机械效应，可用于对物质作凝聚、击碎、研磨、切割、钻孔、搅拌、焊接等机械加工；

②热效应：超声波能量被媒质吸收时，因媒质粘滞性引起分子内摩擦，产生大量热，并使之温度升高，超声频率越高，吸收越厉害，热效应越显著；

③空化效应（高频考点）：超声波作用于液体时，疏密波使液体内部压力变化，液体时而受到压缩（正压），时而受到拉伸（负压），随声能增大，当液体承受不住过大的伸缩力时，可能发生断裂，形成近真空的空穴，当其再次受到压缩时（空穴闭合），内部产生强烈的冲击波，这种由于声能在液体媒质中迅速产生空穴并很快塌陷，使其周围产生剧烈摩擦，以致电离的过程，称为空化效应。

利用空化效应可以对液体进行清洗、絮化、乳化、氧化、催化、聚合及促进化学反应等加工。

④生物效应：高能超声作用于生物组织产生上述机械、发热、空化等效应导致生物组织特性变化。

（二）医用超声换能器

1.超声辐射声场指向性、近场与远场特性

（1）指向性数，其图形称为指向性图案，用极坐标表示。

指向性图案中有一系列波束，其中辐射能量集中或接收灵敏度最高的波束称为主波

束（主瓣：半径远大于波长，方向性锐利），旁侧波束称为次波束（副瓣：半径远小于波长，近似球面波）。

如果圆片上各点的振幅不相同，例如愈近边缘愈小，则指向性将更尖锐，副瓣被抑制得更小，这也是一种增加指向性的常用办法。

（2）近场与远场特性物理上，近场指声源在自由场（可忽略边界影响的无限大均匀各向同性媒质中的声场）辐射时，靠近声源的声场，其瞬时声压和质点振动速度不同相位。

在近场区，由于声波相互干涉和衍射的结果，沿传播方向各点声能（声压或声强）

会时而出现极大或极小，同时在垂直传播方向上也可能出现声能微弱变化，即近场衍射现象。近场区声束基本不扩散。

远场指自由辐射时，远离声源部分的声场，其瞬时声压和质点振速同相位。

远场区声压不均匀性减弱，对圆盘振子，远场为圆锥体，声束开始扩散，声压随距离增加而单调衰减，近似球面波扩散。

2.超声换能器的压电效应原理

（1）正向压电效应：当沿某些天然晶体或人造压电陶瓷材料的一定方向施加外部应力（拉力或压力）使材料发生形变时，则会在物体两个受力界面上引起内部介质正负电荷中心相对位移，产生符号相反的束缚电荷。这种由机械力作用引起晶体表面电荷的效应，称为正向压电效应。

（2）逆向压电效应（23年名词解释）：若在上述晶体或压电陶瓷体表面沿着能产生压电效应的电轴方向施加电压，则由于电场作用也会引起电介质内部电荷中心产生位移，并由这一极化位移又导致物体的几何形变。这种由电场力作用而引起电介质几何应变的压电效应，称为逆向压电效应。

3.超声换能器结构

（1）单元换能器：主体（压电振子、吸收块）：发射、接收超声波的功能部分，诊断多为收发两用型（输出强度低、接收灵敏度高）；

壳体（外壳、保护层、接插件、电缆线）：支撑、容纳、密封、绝缘、承压、屏蔽和保护主体部分。

压电振子：产生压电效应，其几何形状、尺寸应根据需要确定（如厚度由振动模式、工作频率而定，面积由辐射能量、近场长度、指向性要求和许可空间来定）。

吸收块：声阻抗与压电振子相反，要求既能尽量吸收背向辐射超声，又能尽量衰减所吸收的能量。基料为环氧树脂，填料为声阻抗很大的铝粉。

保护层：作为层间插入的声阻抗渐变层（声阻抗匹配层），要求低衰减、高耐磨、声阻抗接近人体组织，厚度为1/4波长。

（2）多元换能器：若干单元振子（阵元）组合为阵列，应用电子技术控制声束在不同空间方位按预定程序扫描，根据其空间排列方式和声束形式分为线列阵、相控阵和方阵等；

（3）聚焦换能器：可在一定范围内使声束会聚、能量集中，增加声束穿透能力和回波强度，改善分辨率，聚焦方法分为几何聚焦（类似光学形式的声聚焦，声透镜：声束通过透镜产生折射而聚焦）、电子聚焦（电子相控阵技术）。

（三）超声诊断仪原理

1.超声脉冲反射法/脉冲回波法原理 接收反射回波<

将高频（几~十几MHz）超声波脉冲发射到生物体内，然后接收体内反射回波，以获得有关生理信息。大部分超声诊断仪使用脉冲回波法。

2.脉冲工作频率（波长）选取考虑因素，与脉冲重复频率间的区别

（1）图像清晰度与信号波长关系：分辨率随波长减短而增加，波能衰减随频率增高而增加，工作频率选择应兼顾获得良好清晰度和使波束有足够穿透能力。

（2）脉冲重复频率：依据所需最大探测深度和回扫时间，通常50~2000Hz，频率不宜过高，以免造成多次回波干扰。

3.超声相控阵扫描原理

实现扇形扫描可用机械扫描方式，也可用电子扫描方式.

电子相控阵扫描原理：相控阵探头构成一个换能器阵列，各阵元使用不同的激励时间（或相位），从而达到声波的聚焦、调焦（动态聚焦）和波束偏转扫描等。

（1）当各元件同时受激时（用各引线上脉冲位置一致来表示），此时各子波结合产生的合成波波前直接向阵列前方移动。 合成彼阵面（2）各元件顺序受激时，声束就偏离中心轴。

（3）当采用球面时间参差时，声束被聚焦。

（4）如果时间参差既有线性分布又有球面分布，声束就既被偏离，又被聚焦。

4.超声成像基本类型

（1）反射法：①回声图：A型（单探头、双探头）；M型。

②声象图：B型

（2）透射法：全息成像；超声CT（3）Doppler 法：连续Doppler、脉冲 Doppler

5.超声成像回波信号e(t)公式及TGC原理

2a

1.公式：$$e(t) = K\left\|\iiint s(x,y,z)\,S(x,y)\,p\!\left(t-\tfrac{2z}{c}\right)\,dx\,dy\,dz\right\|$$

$S(x,y)$：声束横向分布，$e^{-2\alpha z}$：经过来回距离 2z 后的衰减；在深度 z 处由各

信号，表示接收来自深度z处的回波信息，丨：包络检波，表示所显示的信号是经过包络检测后的信号，与相位无关。

假设 $p\!\left(t-\tfrac{2z}{c}\right)$ 为窄脉冲，表明它在传播过程中所占据的深度范围很小，即系统有很好的轴向分辨率，故 $p\!\left(t-\tfrac{2z}{c}\right)$ 等价于 $\delta$ 函数，有近似：

$$e(t) \approx k\left\|\iiint s(x,y,z)\,S(x,y)\,dx\,dy\,dz\right\|$$

视为常数，移到积分号外。

在所有的超声成像系统中，信号处理单元多含有时间增益控制电路（TGC）以补偿由于衰减和衍射造成的信号损失。设补偿后回波信号为 $e_c(t) = e(t)\cdot g(t)$。这里 $g(t) = v t\,e^{\alpha v t}$ 为 TGC 信号。

6.A超、B超、M超在显示方面的区别（高频重要考点）

A 型一一最基本显示方式：x轴：超声传播时间，反映病灶在组织中深度Z位置、大小、脏器厚度；y轴：回波脉冲幅度，幅度、形态反映病灶物理性质（性、实质性、含气性）。A型只能提供一维信息，依靠回波位置和形状诊断病变，用于脑部测量，幅

度调制性。$e_c(t) = k\left\|\iint s(x,y,z)\,S(x,y)\,p\!\left(t-\tfrac{2z}{c}\right)\,dz\right\|dx\,dy$

B型一一声像图的显示方式：x轴：x方向位置，扫描位置；y轴：回波时间，深度信息；z轴：回波幅度，调制灰度，反映回波强度。关键点：回波信号作用于乙轴，亮度调制，成像反映某一断面反射率的分布。声像图：回波强度随深度和扫描位置的变化

$$e_c(t) = k\left\|\int R(x,y_0,z)\,s(x-ut,y)\,p\!\left(t - nT - \tfrac{2z}{c}\right)\,dx\,dz\right\|$$

（$n = 0, 1, 2, \cdots$）

M型一超声心动图：运动器官检查，回波处理功能，运动参数测量，同时显示心音、心电、多普勒信号，实时拍照。与A型区别：深度（Z）—y轴（非x轴），回波信号—z轴（非y轴）。与B型区别：时间扫描信号—x轴（非位置扫描信号）。

（1）优点：无损伤、无痛苦、无电离辐射，可反复进行，尤其适合软组织诊断，有较高灵敏度和分辨率，是目前唯一能实时观察心脏内部结构的临床检查方法。

（2）缺点：影响对比度低，不能实现功能成像。

（四）超声Doppler诊断技术

1.Doppler效应原理及公式（23年名词解释）

（1）当波的振动源与接收器（或观察者）之间有相对运动时，接收器所感受波的频率不等于波源的振动频率

（2）设f：波源振动频率u：波源绝对运动速度f：接收器感受频率u,：接收器绝对运动速度v：波在媒质中的传播速度①波源运动（u,≠0），接收器静止（u,=0）：

$$f = \dfrac{v}{v \mp u_s}\,f_s$$

相对靠近时，$u_s$ 取「−」；相对远离时，$u_s$ 取「+」

②波源静止（u,=0），接收器运动（u,≠0）：③波源和接收器皆运动（u≠0，u,≠0）：

$f = \dfrac{v \pm u_r}{v \mp u_s}\,f_s$

2.超声Doppler血流速度测量主要方法

超声Doppler诊断技术基础在于运动流体速度测量。典型例为血流速度测量，主要

方法：连续波多普勒速度测量，脉冲波多普勒速度测量和彩色血流速度成像。

3.连续波Doppler速度测量基本原理

血流测量有两种基本的模式，即连续波方式和脉冲波方式。连续波方式是指探头发射连续的超声波，只要被声束照射到的血流都能对回波信号产生影响。换句话说，连续波血流测量不能提供距离信息。（因为是连续发射所以会重叠）

声源接收器

原理：连续波（CW）发射频率f，回波频率f（1）发射声束→血流（血球作为接收器，接收频率f，相当于声源静止，接收器运动）

$$f' = \dfrac{c + v\cos\theta}{c}\,f$$

c：声波速度；v：血流速度；θ：c 与 v 夹角（声速与流速夹角）

C（2）产生回声→探头接收声束（接收频率f；血球为发射器，频率f；相当于接收器静止，声源运动）

$$f' = \dfrac{c + v\cos\theta}{c}\,f$$

$$f = \dfrac{c}{c - v\cos\theta}\,f'$$

$$f_d = f - f' = \left[\dfrac{2v\cos\theta}{c - v\cos\theta}\right] f$$

（当 $c \gg v$ 时，$f_d \approx \dfrac{2v\cos\theta}{c}\,f$，通过测量 $f_d$ 得到 v）

4.脉冲波Doppler速度测量基本原理及特点

（1）原理：脉冲波一持续有限时间（）的片断正弦（余弦）波动（脉冲波包）。

在脉冲波超声波血流测量系统中，发射的信号不是连续的正弦波，而是按照一定频率重复的短脉冲群。它在体内形成一个小小的采样体积。只要在接收电路中设计一个延时后短暂开启的“距离选通"环节，就可以接收指定深度处的血流信息。

（2）特点：

①体积采样作用：采样体积=轴向厚度（脉冲宽度）×横截面积（探头直径）

通过时间门控技术可以控制接收回波时间，有选择地接收某一深度回波信号，以取得深度距离（空间）分辨能力。

f为中心，具有一定频宽的波群（相应的功率谱为）

②具有一定频宽：脉冲波是以S。(f)。其回波则是以f,为中心，具有Doppler频移的波群（相应的功率谱为S,（f））。

在流速远小于声速（c>v）条件下，可认为S(f)与S,(f)谱形状相似。只差一个频率尺度2y%和比例系数k。具有关系：$S_r(f)\,df = k\,S_s\!\left(\dfrac{2v}{c}f\right)d\!\left(\dfrac{2v}{c}f\right)$

含义：DopPler频移频谱 f～f+△f 间功率正比于发射频谱中(2)f~(2)f+△f 的CC功率。从FT分析来看，两个频谱之间的各频率项是一一对应的，且强度相对不变。

5.超声Doppler测量获得血流方向信息

（1）血流方向信息在回波功率谱中形成两个边带：f>f部分→上边带，反映正向血流信息；f<f部分←下边带，反映反向血流信息。

f±200HZ，内部分为由血管壁运动引起（不含血流信息，应在检测中去掉）。提取血流方向信息即是要把频偏f≥200HZ的上、下边带部分分别检测出来。

（2）血流方向信息蕴含在回波频率（f）与发射频率（f）的相对大小之中。

当血流朝向探头时，f>f，f>0，称为正向流。当血流远离探头时，f<f,f<0，称为反向流。

θ<90°，f>0，f>f→正向流；θ>90°，f<0，f<f←反向流例（天津大学 2014 级期末考试题）、超声Doppler通流方向信息蕴含在HZ的上下边带部分检测与的相对大小中，需要把频偏大于等于出来。

6.彩色血流映射主要技术思路（23年简答题考点）

（1）静止目标对消：发射相干超声脉冲，借助雷达技术中“运动目标显示（MTI）”，通过静止目标对消来提取运动目标信息。

度剖面，同时取得血管剖面上各点血流速度分布。

7.运动目标显示技术相位检测基本知识

原理：每隔一定时间（T秒）发射脉冲超声波，各次发射相位一致，其在静止目标的回波保持相同相位关系，但对于运动目标，其各次回波的相位因目标运动而不同。

方法：将前次回波信号（含静、动两类回波）存储下来，与下次回波信号（亦含动、静两类目标回波）相减，即可消除静止目标回波，而保留运动目标回波信号。

实际应用时，因静止目标回波较强，且有随机起伏，为此先做正交相位检测得到低频信号后再存储，不但可降低采样率，还可检测血流方向信息。

（2）相位检测-—设声束沿Z轴发射，P点处在Z轴上为探头与P点沿Z轴距离

设发射波：e(t)= Asin α(t-t)（第一次发射）

②间隔时间T后发射第二次声波,发射波：e(t)=Asino(t-t)(周期性平移时间T);CdP－dP=vTcosθ（v是运动目标速度，θ为声速与流速夹角）

而 $(dp_2 - dp_1) = vT\cos\theta$，

$$\Delta p = \dfrac{2v\cos\theta}{c}\,T$$

可见，$\Delta p$ 正比于 v，即通过相位检测可以区分不同速度。

归纳：在用MTI技术获得声束路径上各个动目标的回波信号后，再用相位检测方法计算出各个动目标的运动速度，即可得到声束路径上血管内流速剖面分布图（速度轴的分量vcosθ），上述测量可由单通道扩展到多通道。

第五章 磁共振成像

5.1考研点睛

5.2知识框架

（一）核磁共振现象（NMR）及其物理基础

（二）核磁共振（NMR）信号产生与检测

（三）NMR成像方法

（四）MRI装置

（五）MRI应用

5.3考点总结

（一）核磁共振现象（NMR）及其物理基础

1.原子核磁矩、核磁子、自旋量子数定义

（1）原子核磁矩：所有原子核（除氢核外）均含质子和中子；实验证明，大多数原子核围绕自身某轴作旋转运动；原子核对外可简化为具有一定质量与体积、均匀带电

目旋

的球体，原子核自旋即等效于该球体的旋转。如此自旋的原子核将引起沿旋转方向、围

（2）核磁子：核磁矩的单位。

（3）自旋量子数：是描述电子自旋运动的量子数，用ms表示。除了量子力学直接给出的描述原子轨道特征的三个量子数n，1和m外，还有一个描述轨道电子特征的量

核磁矩与自旋角动量的关系：子数，即自旋量子数。

Mm=rP称为旋磁比/磁旋心

2.拉莫尔进动概念与进动频率公式

（1）拉莫尔进动概念（23年名词解释）：原子核既有磁矩又有动量矩，其在外磁场中，两者皆与磁场相互作用；若只有核磁矩，没有角动量，原子核因磁场与磁矩作用，使之顺着外磁场取向。当既有磁矩又有角动量，则原子不仅仍要顺着外磁场取向，同时还要围绕外磁场转动，称之为进动。进动时，自旋轴描绘出圆锥形轨迹，称为拉莫尔进动。

y：旋磁比，B：磁感应强度

（2）公式：(@=yB)

3.核磁共振现象原理

原子核由一个能态变到另一个能态称为能级跃迁，跃迁时将发射或吸收能量，其能量值须恰好等于两个能级的能量差值，称为共振条件。对于处于外磁场中的核磁矩而言，其吸收外磁场能量的共振条件为0=yB，即共振频率等于核磁矩在外磁场中的拉莫尔进动频率。此时原子核将从外磁场吸收能量而由低能态激发到高能态。这一现象称为核磁共振。

（二）核磁共振（NMR）信号产生与检测

SR

①纵向弛豫时间测量：反转恢复法、饱和恢复法

②横向弛豫时间测量：自旋回波法

（三）NMR成像方法

1.磁共振成像的基本原理

将人体组织置于梯度磁场及射频脉冲作用下，当射频与检测核素磁共振频率相同时产生共振信号，利用参数(信号幅值、弛豫时间)可描绘共振核密度分布及化学结构变化图像。核磁共振是利用原子核磁矩与外磁场相互作用产生核磁共振现象(NMR)，通过共振吸收所产生的自由感应衰减信号(FID)的特征参数（幅值，延时）进行图像重建，不仅可以获得清晰的人体解剖结构图像，而且能得到反映人体生理生化信息的功能图像，是又一重大医学成像新技术突破。

2.MRI图像重建方法：投影重建法、二维Fourier变换重建法射频伐圈

（四）MRI装置（23年填空题考点）

主磁体.

梯度伐圈.

1.磁体系统

（1）主磁体：主要基本部件，用以产生均匀磁场。要求在能够容纳样品的空间内产生均匀度达10-4～10-6 的高度均匀磁场。工艺要求高、技术难度大。所用材料分：永久磁体、常规磁体、超导磁体三种。

a.永久磁体：稀土永磁材料；用料量正比于磁场强度的平方，体积、重量受限，磁场强度约几个Gauss（高斯）～0.几个Tesla（特斯拉）。该方案操作简单、维修简便。

b.常规磁体：高质铜、铝线圈制成。主要有电阻损耗，耗电量大，需水冷，运转费高，电力不发达国家推广困难。产生磁场强度约1500～3000GausS。

c.超导磁体：锯-钴合金线圈在超导状态下呈低电阻，可在大电流、低欧姆热状况下运行。设备昂贵、运转费高。需液氢冷却，维护复杂，难以技术推广。为防止外界电磁场干扰需加装电磁屏蔽。优点是可产生高强度磁场（达1.5～7.0Tesla），由此产生高质量成像画面。

（2）梯度线圈：在主磁体内x，y，z三个方向分别叠加微弱的梯度磁场，严格相互垂直，采用脉冲工作方式。例如，在z方向放置两个与z垂直的环形线圈，并通以反

$B = B_0 + G_z z$

向电流即可产生Gz。类似地，在y方向加上两对马鞍形线圈，则可得到y方向梯度场。

（3）射频线圈：安装在主磁体内用以产生旋转磁场的高频脉冲线圈。旋转磁场与主磁体的静磁场正交；脉冲频率与主磁场强度匹配，脉冲宽度约微秒级。射频线圈既是发射线圈，又是接收线圈，由一组鞍形线圈呈圆环形至于人体周围。

2.NMR波谱仪：采集产生NMR后的自由感应衰减（FID）信号。

3.图像重建和显示系统：NMR信号数据采集、处理和显示。

（五）MRI应用（23年论述题）

1.临床诊断应用范围

（1）脑、脊髓、脑干首选成像；软组织成像质量好；脑灰质、白质鉴别优于X-CT；

MRI不受骨的阻碍，可直接显示脑干后窝区域和脑脊髓轴；用T1成像可精确测定脑垂体体积、位置和构形；MRI在生化测定方面能力为精神病诊断和研究提供了有力工具。

（2）可断层显示活动心脏，识别心肌梗塞。

（3）具有对肺水肿、栓塞、肿瘤等诊断功能；对肝硬化、胆硬化的诊断比超声和放射性核素检查更为敏感，T1值可以监测肾功能好坏。

（4）肿瘤诊断：除可检查出肿瘤实体外，还可由T1和T2做出早期诊断。

2.MRI与其它成像方法比较

（1）与X-CT比较：优点：MRI无损，无大型机械运转、损坏率低；成像技术灵活，可用不同脉冲序列、任意方向扫描、多种参数（质子密度、弛豫时间）综合成像；

软组织分辨率高、密度层次丰富。缺点：空间分辨率低于X-CT，扫描时间长，单位病人吞吐量小，不能显示骨细节和小钙化区；装置投资大，价格昂贵，维修费用高。

（2）与E-CT比较：MRI图像清晰、分辨率高；但在器官组织功能变化研究方面，目前PET临床研究较多，MRI还有待于进一步研究开发应用。

（3）与超声成像比较：MRI在成本、维修、检查费用等方面显然不如B超；仅在脑、脊髓诊断方面有优势；在生理、生化和新陈代谢诊断方面，B超无能为力。