Transcript 现代影像物理学应用及其拓展

第十八次全国原子、原子核物理研讨会暨全国近代物理研究会第十一届学术年会
广西桂林 广西师范大学 2010·08 ·10
现代影像物理学应用及其拓展
上海理工大学医疗器械学院
上海医疗器械高等专科学校
张学龙
现代影像物理学应用及其拓展
一. X射线相衬成像
密度成像的另一面
二. 磁共振成像的非医学应用
医学应用的另一面
X射线
I  I 0e
nB x
 I 0e
 x
X射线透视和摄影
利用荧光作用
X-ray fluoroscopy
利用感光作用
X-ray roentgengram
基本原理：
X射线的吸收与物质的密度、厚度有关（正比）
从而荧光强弱不同、感光深浅不同
形成影像
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
I  I 0e
 x
传统X射线成像──吸收衬度──百余年
根据样品密度组成分布以及厚度的不同，对X射线吸收
不同，获得像的衬度（吸收衬度absorbing contrast）
不仅在医学方面获得了巨大的成功，而且在医学以外的领域
比如说信息科学以及工业领域，都得到了极其广泛的应用。
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
医学的研究逐渐深入到了微观领域，
在细胞甚至更小的层面讨论它的微观
临床医学的飞速
机制和病理也越来越重要。
发展对现代医学
影像学产生了巨
大影响，对所能
现有X-CT，MRI，超声成像等医疗
得到医学成像提
诊断设备的分辨率，基本在毫米量级，
出了极高要求。
不能满足医学进一步发展的要求，需
要研究新的成像技术。
医学影像的发展趋势就是从宏观影像学到微观影像学。
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
医用CT成像的空间分辨率已达到0.3～0.5mm
工业CT用微焦点X线束及CCD检测器，已达5～10ｍ
但本质上依然是吸收衬度成像，特别是
对于主要由碳、氢、氧、氮等轻元素组
成的软组织，其X射线吸收衬度很差，
相应的图像分辨率也不高。
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
(a) 当X 射线经过样品时X 射线波发生位相漂移；
(b) 位相漂移导致X 射线波前发生畸变。
如何使畸变波面能以可观察的强度变化显示出来
通过不同的相位衬度技术记录
F ( x)  e
i ( x )
(2)
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
1935年，德国科学家Frits Zernike相衬法，1953年诺贝尔物理学奖
把相位变化转换成强度分布（折射率略为不同可分辨）
物理：采用一种叫相衬观察的方法（附加一些光学装置来实现）
数学：通过傅立叶变换和卷积处理来得到
若相位差非常小，光栅透过函数近似表示
F ( x )  1  i
像平面上的强度正比于
I ( x )  G ( x )
2
 1  2 ( x )
F ( x)  e
i ( x )
(2)
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
人体胸部软组织不同X射线能量下δ与β的比较
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
干涉法
三
种
方
法
衍射增强法
类同轴全息法
具有光路简单、视场大以及图像
直观无赝像等特点，是极有可能
首先被用于临床医学成像的技术
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
推广的结果：
I 10
 R 2 u
2 R 2 u
~
2
2
I ( u )  2 cos(
)[ FT ( A ( x )) 
FT ( A ( x ) ( x ))]
M
M
M
2
2
M 代表放大因子
相位衬度函数与吸收衬度函数：
2 R 2 u
2
M
A( x 
R2u
M
cos(
 R 2 u
2
)
cos(
 R 2 u
 (x 
)
M
M
)  A( x)
2
 R2u
M
)   ( x )  1
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
二维情况下，相位效应滤波函数分布
黄蛉的相位吸收原始像的数据分布图
红色表示边缘数据被增强
X相衬成像实现的条件
1. 相干光源
2. 合适的距离（样品、光源、探测器）
3. 射线通量要求
关键——光源
一. X射线相衬成像拓展的新的成像方法
上海同步辐射装置(SSRF)
上海光源第三代的同步辐射装置，
能量高达3.5Gev，达到世界先进水平。
二. 磁共振成像的非医学应用
拓展的新的应
用领域
核磁共振对人体是如何成像的？
利用人体中的原子核。
什么样的原子核？哪些原子核？
为什么这样会成像呢？
——有个叫核磁共振的原理
激发
射频
磁场中的原子核
磁共振
射频无线电波波段
三个基本条件：
（1）能够产生共振跃迁的原子核；
（2）恒定的磁场；
“磁”
（3）一定频率的交变磁场。
当射频磁场的频率与原子核进动的
频率一致时，原子核吸收能量，发
生能级间的共振跃迁。
二. 磁共振成像的非医学应用
磁共振成像： MRI
利用射频(Radio Frequency，RF)电磁波对
置于磁场中的含有自旋不为零的原子核的物
质进行激发，发生核磁共振(NMR)，用感应
线圈采集共振信号，经处理，按一定数学方
法，建立的数字图像。
满足一定条件，共振跃迁（共振频率）
一旦撤除射频脉冲, 所有共振核将释放能量,
逐渐恢复到原状态。由于原子核各自“环境”
不同, 恢复时间不同。
驰豫时间, T1,T2(分为纵向和横向)。
(1) T1与组织分子的大小、
场强及温度、粘度有关
小分子，T1大（如水分子）
中等大小的
分子，T1小
大分子，T1大（如蛋白质分子）
显然，含水量不同，T1的大小不同。
(2)T2与环境温度、粘度无关, 与主磁场B0的
大小关系不大；与磁场均匀性关系密切.
进一步的问题:
RF脉冲激发
线圈收到MR信号
①生物体内所有质子的拉莫频率相同
②MR代表的是所有激发部位信号的总和
③没有空间位置区分
（不能区分组织结构）。
如何获得一幅具有空间位置信息的MR图像？
设法使不同位置处
具有不同的频率！
怎样才
能做到？
二. 磁共振成像的非医学应用
问题：
采集到的MR信号是断层内所有信号总和
需要分解到任一
（x，y）或（ x ,  ）上的信号强度
二维傅立叶变换图像重建工作
NMI-20台式核磁共振成像分析仪
二. 磁共振成像的非医学应用
拓展的新的应
用领域
 （化学位移）、J（偶极间接作用)
液体
 DD（偶极-偶极直接作用）  固体
 忽略分子信息，设法引起频率差异得到信号的二
维分布 成像
 T1（纵向弛豫时间）、T2（横向弛豫时间）、D
（扩散系数） 谱分析
 一般采用相对测量法
 利用含量与信号之间的比例关系,确定出刻
度曲线 A=kS+b
 弛豫时间与样品内含有磁性核分子的结构、
大小、均匀性程度、相互结合状态等参数相
关联。
 通过弛豫时间的测量，可以分析检测不同的
样品成分、状态分布、分子结合、分子铰链
等与之相关的应用信息。
CPMG序列测量T2
弛豫谱反演
 实际检测信号是由一系列满足单指数衰减规律的信号
叠加而成的，同时不可避免地混入了随机噪声;
反演常用算法
 1.
NNLS（非负最小二乘法）
 2. SVD（奇异值分解）
 3. SIRT（联合迭代法）
 4. GA（遗传算法）
 多孔介质，比如建筑材料、土壤、岩心
等），可以通过外部灌注磁性核样品,根
据磁性核样品所处孔隙环境差异导致的弛
豫时间差异或扩散差异来间接检测样品的
空隙情况，从而分析其性能。
 变温和变压系统用以改变样品测量环境。
扩散系数测量原理图:在基本SE序列的180射频脉冲的两侧沿某方向（或三
个方向同时）对称施加一对强的运动敏感脉冲梯度。
巧克力中的脂肪、油以及水的含量的测定
 准备样品：称重、预热
测试时间：每个样品20~30秒
 使用自旋回波脉冲序列，其波形对于样品的重量是归一的。
样品的重量需要的很少，仅仅需要放在一个电热盖物或铝块
中预热，60%样品需要此方法处理10~15分钟。每次仪器都要
进行校正，而且仪器的参数也会被定义，每个样品需要测试
的时间仅仅需要20秒。可以得到温度对结果的影响，温度是
40℃。
 样品%脂肪（索氏提取）40℃%核磁共振误差60℃%核磁共振
误差
玉米面筋含水量测试
 样品准备：称重
测试时间：20秒
 这是食品工业中测量含水量的一种方法，面筋中含有少量
的油和水，这类样品可通过一种脉冲方法对样品进行测试，
测试时刻在射频脉冲后70微秒处，下面是将传统方法与核
磁共振结果的比较
 细的玉米面筋%干燥的%核磁共振误差粗的玉米面筋%干燥
的%核磁共振误差10.29.9-0.39.9100.19.39.2-0.19.190.1109.8-0.21010.10.19.28.70.510.110.20.19.39.309.19.30.210.2100.210.410.409.99.7-0.29.89.90.19.39.40.19.69.50.15.45.60.25.65.608.98.909.39.40.1
相关应用
低分辨率脉冲傅立叶核磁共振分析仪NM22―Analysis用于食
品、农业、石化、化工、生化以及化纤等领域的应用的应用研究和
开发，具有的突出优点：
 速度： 大多数应用测量的时间在一分钟以内完成
 精度： 与化学分析法和常规方法结果几乎相同
 无需溶剂：直接测量原样品，不需任何处理，不用任何化学试剂
 无损：测量不对样品产生损伤，可重复测量，可被其它技术测量
 稳定可靠：满足质量检测的各种要求
 操作简单：在受严格训练的操作员操作下测量的结果几乎完全相同
 模块化的概念：很容易被设定成用户所需要的各种配置
分析测试领域,尚不断拓展…….
食品
农业
石油
化工
低场核磁
应用领域
地质
能源
生命
科学
材料
科学
测量食品和生物体系中的含水量
研究水分的分布和水分的流动性
研究果蔬的成熟度和损伤程度
研究食品中的油脂
货架期
保鲜、解冻、速冻过程水分迁徙
蒸煮过程动态监测
种子含水、含油率测试
种子育种、发育研究
种子水分分布、吸水过程研究
水泥凝固时间 、凝固性能研究
混凝土孔隙测定
燃料电池薄膜
木材干燥
橡胶、塑料老化程度研究，交联密度测试
聚合物结晶、融化的动力学研究
聚合物生产质量控制
聚合物水合与干燥
多孔材料孔隙度、渗透率等性质研究
土壤中未冻水含量研究
MRI造影剂研究
实验动物临床前药物试验
药物作用机制、毒性研究及药物研发
营养学动物实验研究
临床前病理动物实验研究（癌症、心脑血
管疾病等）
器官移植排斥反映检测
神经性疾病……
小动物成像、形态结构分析
宠物临床
岩心孔隙大小、孔隙分布、孔隙导通情况
岩心孔隙度、渗透率、饱和度测量
原油黏度预测
煤粉含水率、孔隙度分析
油砂油泥含油率
快速检测燃油中的氢含量
石蜡中的油含量
NM-5核磁共振岩心分析仪
科研、工业型
MicroMR
MiniMR
MiniMR-60
基于NMI-20台式核磁共振教学成像仪的实验开发
通过实际教学实验，
积累经验，最后编
写并出版《核磁共
振成像技术实验教
程》一书（2008.1
月，科学出版社）
主要内容与编排
 第一篇：核磁共振原理与设备结构概述。
 第二篇：核磁共振成像技术实验项目内容。
■ 第三章：原理性实验，共11个；
■ 第四章：成像技术实验，共8个；
■ 第五章：硬件结构实验，共7个；
■ 第六章：应用拓展实验，共5个。
设：实验目的、实验设备与器材、实验原理与方法、
实验步骤、实验结果、思考与讨论以及仿真设计等。
 第三篇：NMI-20台式核磁共振成像仪器描述。
第三章 原理性实验
第一节 机械匀场和电子匀场
第二节 硬脉冲FID序列测量拉莫尔频率
第三节
第四节
第五节
第六节
旋转坐标系下的FID信号
FID信号一维处理与增益调整
硬脉冲回波序列确定硬脉冲射频
软脉冲FID序列确定软脉冲射频
第七节 软脉冲回波序列
第八节 翻转恢复法测T1
第九节 饱和恢复法测T1
第十节 硬脉冲CPMG序列测量T2
第十一节 乙醇的化学位移测量
回波链长度为200时的T2拟
合效果
C1为8时的CPMG回波列
第四章 成像技术实验
第一节 自旋回波序列成像
第二节 自旋回波权重像
第三节 一维梯度编码成像
第四节 单脉冲双相位编码成像
第五节 反转恢复序列成像
第六节 二维梯度回波序列成像
第七节 采样参数对图像大小及形状的影响规律
第八节 三维梯度回波序列成像
第五章 硬件结构实验
第一节 射频线圈的调谐与匹配
第二节 射频开关与前置放大器
第三节 射频功率放大器与射频波形调制电路
第四节 数据处理过程(模拟部分)实验
第五节 梯度功率放大器
第六节 谱仪系统结构与控制信号
第七节 高频数字记忆示波器的使用
NE1=NE2=1
NE1=32；NE2=1
NE1=24；NE2=4
第六章 应用拓展实验
第一节 2D-FFT图像重建的仿真实验
第二节 核磁共振图像质量评价实验
第三节 3D-FFT图像重建的仿真实验
第四节 牙膏含氟量的测量
第五节 芝麻含油率的测定