医学图像处理与分析：现有的各种医学成像手段及其优缺点

现有的医学成像手段主要有X射线、电子计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、单光子发射计算机断层显像（SPECT）、正电子发射型计算机断层显像（PET）、超声成像（Ultrasound）等。

（1）X射线：

X光检查是传统的影像学检查手段，它是应用较早、最普遍，价格也相对便宜。主要用于一些疾病的初步检查，便于发现较明显病变的组织和结构，是疾病初筛的首选检查方式。

①优点：X光是观察骨骼简便的检查方式，价格也相对较便宜。

②缺点：X光检查只能提供平面影像，成像也容易受衣物、首饰甚至过厚的软组织影响，一般多用于粗看骨骼健康。过量的 X 射线照射到生物机体时，可能造成生物细胞受到破坏。

（2）电子计算机断层扫描（CT）：

CT图像是重建图像，是用X线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理，把数字矩阵中的每个数字转为不等灰度的象素，并按矩阵排列，即构成CT图像。

①优点：密度分辨率高，断面解剖关系清楚，病变细节显示良好，尤其平片显

示不了细小的钙化、液化、坏死等结构，对定性诊断很有帮助。相对便宜、安全和迅速，适合首选检查。检查速度快，尤其适合于急诊检查，如外伤、脑血管意外等。可获得不同组织感光区的CT值，以进行定量分析。增强扫描有助于病变更好地显示及定性诊断。可进行图像重建。

②缺点：有些部位骨骼伪影太多，影响其周围软组织结构的显示，如颅底部及椎管。成像受呼吸运动的影响，容易漏诊小的病状，如肺、肝脏等。X线辐射量大。重建图像伪影较多。

（3）磁共振成像（MRI）：

磁共振成像是断层成像的一种，基于核磁共振现象这一物理现象，它利用磁共振现象从人体中获得电磁信号,并重建出人体信息。它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像。磁共振与X光和CT检查最大的不同在于没有X线辐射，对机体的损害很小，主要用于发现软组织疾病。其中，功能性磁共振成像（fMRI，functional Magnetic Resonance Imaging）是一种新兴的神经影像学方式，其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发之血液动力的改变。由于fMRI的非侵入性、没有辐射暴露问题与其较为广泛的应用，从1990年代开始就在脑部功能定位领域占有一席之地。目前主要是运用在研究人及动物的脑或脊髓。目前 fMRI技术已广泛应用于脑的基础研究和临床治疗 ，可以对脑功能激活区进行准确的定位。利用静息 fMRI还可以研究不同脑区之间的功能相关性 (functional connectivity)，脑部在静息状态下自发的低频活动的同步化现象广泛存在于听觉、视觉和工作记忆系统内。

①优点：对疾病的早期诊断敏感，当病变早期出现生物化学变化时就可以显示

异常，早于同位素、CT及超声等所有影像检查。可多平面成像，弥补了CT不能直接多平面成像的缺点，对病变显示更为清楚。MRI的流空现像对大血管和循环较快的结构，不需要注射造影剂即能显示，即MRI-血管造影技术。无骨骼伪影干扰，对颅底，椎管内结构显示良好。

②缺点：价格昂贵、成像复杂、大多数情况下不适宜于首选。不适合急诊或特

别危重的病例，因心电监护等急救设备不能进入MRI室。显示病灶钙化及骨皮质差，不适合观察骨折，而特征性病灶内钙化常对定性诊断帮助很大。不能定量分析，T1、T2及质子密度测量运算麻烦、可比性差，故临床价值不大。

（4）核素影像（包括SPECT和PET）：

核素影像是新发展起来的核医学检查方法，扫描前先给病人注射一种标记某种正电子的放射性制剂，从它们所参与的代谢过程来测定组织的代谢改变。作为一种反映分子代谢的显像，当疾病早期处于分子水平变化阶段，病变区的形态结构尚未呈现异常，MRI、CT检查还不能明确诊断时，核素影像检查即可发现病灶所在，并可获得三维影像，还能进行定量分析，达到早期诊断。

（4.1）单光子发射计算机断层显像（SPECT）：

SPECT属于核医学的一种CT技术，从病人体内发射的γ射线成像，与PET统称发射型计算机断层成像术(EmissionComputedTomography，ECT)。

①优点：作为三维图像可以进行水平、矢状及冠状图像重建。能了解机体物质的代谢变化的信息如短暂性脑缺血发作、癫痫、老年性痴呆等ECT能准确显示出局部的功能和代谢情况在这一方面明显优于CT。亲骨性很强的放射性药物经静脉注射后用ECT摄影数分钟内显示全身骨像是探测骨肿瘤和转移癌的最佳方法优于CT和MRI。血流、血池快速成像能观察病变部位的血供情况及进行血流分析对鉴别良性及恶性病变有帮助特别是肝血管瘤等。

②缺点：对人体组织结构及解剖学的变化的分辨不如CT和MRI，如临床上脑出血性疾病的解剖定位。对肺、肝、胃肠道肿瘤探査诊断不如CT和MRI。

（4.2）正电子发射型计算机断层显像（PET）：

PET 采用湮没辐射和正电子准直(或光子准直)技术，从体外无损伤地、定量地、动态地测定 PET显像剂或其代谢物分子在活体内的空间分布、数量及其动态变化，从分子水平上获得活体内 PET 显像剂与靶点(如受体、酶、离子通道、抗原决定簇和核酸)相互作用所产生的生化、生理及功能代谢变化的影像信息。

①优点：所用的放射性核素都是人体组织的基本元素易标记各种生命必须的化合物及其代谢产物且参加人体生理生化代谢过程。图像能反应人体生理、病理异常生化代谢情况比SPECT更清晰、更真实对疾病的早期诊断、确定治疗方案、监测疗效、判断愈后等等都有很大的实用价值。

②缺点：PET设备和检查费高昂。放射性核素半衰期短且都是加速器产生故使用PET的单位或其附近的机构必须有生产短半衰期放射性核素的医用回旋加速器。

（5）超声成像（Ultrasound）：

超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得图像，常用来判断脏器的位置、大小、形态，确定病灶的范围和物理性质，提供一些腺体组织的解剖图，鉴别胎儿的正常与异常，在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。

①优点：价廉、简便、迅速、无创、无辐射性、准确、可连续动态及重复扫描，因此易于推广应用，常作为实质脏器及含液器官的首选方法。成像速度快，可适时观察运动脏器，非常适合于心脏，大血管及胆囊的显示和测量；无辐射性。

②缺点：超声术受气体与骨骼的阻碍，不适合于含气脏器如肺、消化道及骨骼的检查，但随着体腔探头的开发及消化道声学造影剂的应用，已使胃部超声检查应用于临床。除此，超声诊断的准确性受操作者的经验、检查技巧和认真程度影响。