基本介紹
- 中文名：生物醫學成像
- 外文名：biomedical imaging
- 起源時間：1895年
- 關鍵技術：磁共振成像、核與超音波成像等
- 套用：醫學診斷
- 涉及領域：圖像處理、醫學等
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發展歷史
1895年威廉姆·倫琴無意中發現陰極射線管可以使一 張塗有鉑氰化鋇的紙發光 ,即使把管子和紙分放在兩間隔開的房間裡也是一樣。倫琴認為管子一定放射出 某種具有穿透力的射線 ，他把這種未知射線命名為X射線。不 久 ，他又發現如果讓X射線穿過人手，射向一個塗有化學物質的螢幕，裡面的骨胳就會清晰地顯現在幕上。事實上，有史以來第一張X射線人體解剖照 片上照的正是倫琴夫人的左手。
半個多世紀中，醫學成像科學一直是隨X射線技術的進步而穩定但又緩慢地發展著。可是在70年代初期，由於新技術——計算機X射線層析成像法，即CT(computerized tomography)的出現，這門科學一下子進入了高速發展時期。
80年代初，磁共振成像，即MRI(magnetic resonance imaging)的出現提供了另一種完全不同的拍攝體內照片的方法.不同於讓X射線穿過體內，MRI基於強磁場和高頻信號導致體內原子發放出它們自身的信息。
隨著生命科學的進展，分子生物學、生物和基因工程(人類基因組/疾病基因組學)等，將深入和影響基礎醫學與臨床醫學(含影像學)的進程及發展。實際上，生理、功能和代謝成像以及基因診斷和治療已經並將進一步影響影像學的診治及基礎研究。
關鍵技術
磁共振成像
人體中不同的組成器官都包含相當可觀的水分和脂肪，並且在我們身體組織中有大量的氫。MRI信號從這些氫核發出，當它們由磁性刺激激發時，這些信號可用於成像。在1946年，著名的物理學家Bloch和Purcell首先構思了MRI的概念，一種先進的成像技術類型。基本原理包括刺激物質磁性的問題和通過物質基本屬性的改變來獲得成像信號，以回響這種磁性刺激。
MRI(也叫核磁共振)利用線斷層照片成像技術並以切片的形式獲取圖像。每個在充足氫中的身體切片可以視為體素集，它是容量細胞元素，這裡每個氫核表示一個體素。當完全興奮時，這些核由容量細胞發出的核磁共振的信號表示，並且圖像像素的強度與對應的體素的核磁共振信號強度成比例。因此從單獨的組織映射可以累積以獲得整個器官的映射。
目前，MRI已經廣泛套用於內臟成像、腫瘤檢測和其他在脊椎、脖子、大腦中的相關套用。除了是準確成像系統之外，它最大的優勢在於，在套用中它是很安全的。它並不採用常規的想法——成像使用的頻率應該比對象的頻率低。它使用在RF範圍內的相位和頻率變化，因此無其他內臟成像技術的危害作用，例如X光。
計算軸斷層攝影術
計算軸斷層攝影術通常稱為CT掃描或CAT掃描，它是醫療成像的另一種強有力的技術。可用於軟組織系統的成像，如硬骨和血管。
這種成像技術套用X光攝影基本原理。它傳送不同強度的X光，這取決於表面障礙物的類型，X光光束根據這些回響進行描述。這使用斷層攝影成像技術，即繼續以切片進行成像。
CAT掃描器結構上包含X光管和檢測器。射線管沿螺旋式/spiral/圓形路徑旋轉，而切片的圖像由X光檢測器獲取。在完全旋轉期間，檢測器記錄大量(幾乎旋轉1000次)的快照。圖像進一步分解成一些獨立的數據集，並且在一些並行通道中進行進一步處理。在這個處理期間，外形被投影，給出了斷層攝影術切片的實際圖像。
核與超音波成像
在核醫學中，放射性材料通常通過靜脈注射(intravenous，IV)，或吞咽或吸氣來獲得人體器官的圖像。放射性物質的運動轉變由檢測器跟蹤。可通過身體內的某些物質標記放射性核素。它放射gamma射線，在gamma照相機由感測器捕獲。這些圖像的解析度很差，但它們視覺化了生理功能，例如能以清楚的方式來見到新陳代謝的過程。
在超音波圖像中，超音波脈衝從安置在患者皮膚上的變換裝置傳播。反向散射的超聲回波信號將被記錄以用於圖像重建。超音波通過水進行傳播。囊腫是含水的可變結構，它不會傳送任何回波到記錄器。另一方面，骨頭、硬化組織和脂肪吸收並反射超音波射線(在很小範圍)，並且產生聲影區。因此使用超音波圖像可能查出在任何一種器官中的囊腫。
套用
下面介紹一些生物醫學成像的套用。
(1)肺病識別：在胸部X光片中，黑色部分代表空氣，而固體組織看上去更亮一些。骨頭比軟組織具有更高的輻射不透明度。在正常胸部X光片中，可清晰地看見肋骨、胸部脊椎、胸腔和腹腔的橫隔膜。通過分析相應部分，這些在胸腔x光片中的區域可以用於病變的診斷。
(2)心臟病識別：定量測量(例如心臟大小和形狀)是對心臟病分類的重要診斷特徵。圖像分析技術可以被用於x光圖像用來改善心臟病的診斷。
(3)數字乳腺x光片：為了診斷乳腺腫瘤，數字乳腺X光片對查出特徵(例如微鈣化)是非常有用的。圖像處理技術，例如對比度增強、分割、特徵提取、形狀分析等，可以用於乳腺x光片的分析。腫瘤形狀的規律性被用來確定腫瘤為良性還是惡性。
