医学成像技术（精选9篇）
医学成像技术 篇1
超宽带技术—一个热门话题
全球经济的恶化已经使发展中的医疗器械公司在研发上的经费暂时停了下来, 但是, 尽管存在经济危机, 有一项技术还是在快速发展, 那就是超宽带技术 (UWB) 。在过去两年中, UWB已经是一个热门话题, 不仅因为UWB已经进入病人监测和医学图像领域, 还因为一些新的供应商进入了这一市场。随着新的管理法规的出台以确保该技术能系统和平稳的使用, 这一技术的利基市场 (niche market) 的逐步产生将是必然的。当一些小公司带着他们的创新产品进入UWB医疗器械市场时, 在未来几年中, 是否会有更多的兼并和收购呢?UWB技术是否会接管远程放射和重要生命信息监测的角色?
UWB技术和它在医疗上的应用
UWB这一名称来源于可在非常宽的带宽, 即超宽的带宽上传输信号。所谓超宽的带宽, 美国联邦通信委员会 (FCC) 给的定义是:比中心频率高25%或者是大于500 MHz的带宽。举个例子来说, 一个中心频率在4GHz的信号将跨越从3.5 GHz (或更低) 至4.5 GHz (或更高) , 如图1所示, 能达到这个范围的才能称得上是UWB信号。UWB信号的传输和接收采用的是短脉冲或短脉冲群形式 (在时域上) , 而现在的无线技术用的是连续正弦波 (在频域上) 。UWB的关键技术主要包括:产生脉冲信号串 (发送源) 的方法, 脉冲串的调制方法, 适用于UWB有效的天线设计方法及接收机的设计方法等。
有关UWB技术, 读者可从网络或相关书刊上查阅其细节。总的来说, 它是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术, 与现有的无线通信技术有着本质的区别, 这种原来专属军方使用的技术随着2002年2月美国联邦通信委员会 (FCC) 正式批准民用而备受世人关注。
UWB技术在医疗上的应用早在上世纪90年代后期起就在对其作出评估。在过去两年中, 考虑到商业上的可行性, 这一技术的潜能已经有效地得到应用。UWB在医疗器械领域中的主要应用是无创地测定生命信息, 感受运动以及无线感受其它医学信号。近些年来, 许多研究机构以及商业性的医疗器械供应商一直在开发基于UWB技术的医学图像技术。研究人员一直在试图利用这样一个事实, 即活性组织的电介质特性差异是很大的, 因此在以UWB为基础的图像中就会给出一个很大的反差, 最明显的是, 通过观察电介质反差和射频电导可以看到乳癌, 和健康组织相比, 这些量要高出5倍。UWB在医疗领域中其它可能的应用包括水下和空间医学测量和医学存储器的监测。
基于UWB的医疗器械在商业上的进展
医疗器械商业领域中风险投资投向UWB现在正在成为现实。一些UWB供应商一直为开发高价值产品在努力工作, 瞄准的目标是低端和中端病人监测市场和医学图像市场。进入这一市场的新成员如Micro Impulse公司、Kai Sensors公司和Wireless 2000公司, 已经开发出了重要生命信息监测器械, 可以无需接触地感受呼吸和呼吸率。美国Life Wave公司是一家医疗器械供应商, 现在也在开发相似的以UWB为基础的传感器, 可以测量心率, 逐拍心输出量和偏移数据。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的工程师们也在用UWB传感技术开发低成本便携式器械用于急救监护。这些器械可以用于军事人员, 作为穿戴的头盔来感受重要生命信号, 并把这些信号中转给医疗指挥机构。
是否会对现在的市场造成冲击?
一些潜在的在医学上的应用以及基于UWB技术的监护和医学图像产品的蓄势待发, 医疗器械业可能看到了会有重大变化。UWB医疗传感产品的最大优点之一是成本低。长期以来, 欧美医疗器械市场的发展受制于预算, 因此, 低成本的产品很可能被接受。
然而, UWB技术是否能够逐步吞噬传统的生命信息监测器械市场, 这一点仍有待确定。大多数使用UWB技术的市场新进人员把目标定在非传统的终端用户群, 而不是传统的高端医院市场。主要的终端用户群包括家庭医护, 医院中的低危重病区, 以及用于军事部门。眼下看来, 应用UWB技术的医疗产品开辟的还只是一个利基市场 (niche market, 缝隙市场/小众市场) , 而不是打进传统市场。但是, 当更多的新公司带着更有价值的产品——特别是在医学图像和远程放射学方面——进入市场时, 这些器械可能很快在医院中与传统产品形成竞争。
管理法规是否对UWB市场潜力的发挥带来困难?
与一些成像和病人监测技术相比, 欧洲政府管理法规对于基于UWB技术的医疗器械的影响是积极的。在美国, 联邦通讯委员会已经颁布, 使用UWB技术时带宽在3.1到10.6 GHz内, 功率电平为-41 d B/MHz。另一方面, 在医疗中使用UWB技术时, 没有严格的强制使用某个带宽的规定。2007年2月, 欧洲委员会 (EC) 建议, 使用UWB技术时的带宽在4.2 to 4.8 GHz之内。此外, 由于大多数医院中的器械的工作频率远低于UWB, 所以由这些器械产生的电磁干扰的可能性也是最小的。这就为供应商说服最终用户提供方便, 最终用户相信这些器械是安全的, 经济实惠的, 从而也就比较容易接受。
对未来的预测和结论
在所有使用UWB技术的医疗器械中, 用于生命信息监测的器械看来将首先投放市场, 预计这类器械将于2009年年底起开始销售。世界上其它销售生命信息测量和病人监测仪的供应商会关切地注意到这一利基市场的进展。看来许多新进入这一市场的企业可能会被病人监护仪的主要供应商兼并, 后者在家用和低危病区用监护仪器方面没有现成的产品。兼并有助于它们产品的多样化, 确保他们现有的市场份额即使不能增加也可以达到维持。在医学成像方面, UWB的商业化应用至少还得2年。这包括远程放射学以及各种器官的成像。现在已经有一些开发3维UWB摄像机的研究项目, 用以检测心脏的活动。在其它应用UWB技术的医学成像方面也有重大进步, 例如肺成像, 产科用成像, 耳鼻喉成像。由于在管理法规方面没有直接的威胁, UWB可能很快成为成本效益上最好的医疗技术之一, 从而为它打造出一个独特的市场。 (本文内容主要部分载于2008年12月29日美国弗若斯特公司网站, 作者为该公司医疗技术分析师Krishanu Bhattacharjee) ■
计算机在医学超声成像中的应用 篇2
关键词：医学超声成像；计算机应用；图像处理；医学图像存档及通信系统
中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2010) 13-0000-01
The Computer Applications in Medical Ultrasound Imaging
Zheng Jing
(Disabled Rehabilitation Center of Liaoning,Shenyang110015.China)
Abstract:This paper describes the application of computers in the field of ultrasound to explore the field of medical ultrasound image processing method and medical picture archiving and communications system (PACS).
Keywords:Ultrasound imaging;Computer application;Image Proce-
ssing;Medical picture archiving and communication system
一、计算机在超声图像处理中的应用
超声数字图像处理包括超声图像的图像增强，图像的恢复，图像编码，图像的分析和图像的重建等内容。本文仅从图像的视觉效果进行探讨计算机在超声数字图像处理中的应用。
（一）平滑处理图像。对图像进行平滑处理，主要是为了尽量减少噪声对其造成的影响，理论上讲，B超探头所获得的同一个部位的静态脏器图像都具有形似的灰度值，但是，在现实应用中，其会不可避免的受到噪声的干扰，噪声对某帧图像和任意像素的影响是一定的，其一般也被看作是孤立的。为了尽可能的减少或者避免这种干扰造成的影响，通常采用领域平均法和帧平均法这两种图像空域处理方法。所谓领域平均法，不论像素内是否包含噪声，总是使用和相邻行的像素的灰度平均值对当前行进行赋值。也即是当前显示灰度值的像素，是已扫描的前一行和当前行的相应色素的平均值。这主要是因为噪声干扰的非相关性和行间图像信息的相关性，经过平滑处理后噪声干扰会减少一半。帧平均法，是让相邻帧图像之间进行这种平滑。
（二）伪色彩处理。由于人眼分辨灰度的能力是很有限的，而对于彩色图像人眼可以分辨上千种，但是对于B超诊断仪得到的是灰度图像，如果不同等级的灰度差被不同的色彩替换掉，图像的增强效果则会更加明显，从而灰度差较小的像素也很容易识别，提高了观察者识别B超信息的能力，这种使用色彩差代替灰度差的方法称为伪彩色处理。
灰度切割法的色彩变换，就是按照灰度等级将一幅图像的切割着色的方法。以取4位字长的像素灰度值为例，从高到低将其4位码进行排序，并分别传送到B，G，R，Y这4个通道，这样就能够得到这4中颜色的变化。
（三）对比度增强处理图像。将图像的分散密集的灰度变的相对稀疏采用的就是图像的对比增强处理技术，这样可以使得在图像中原本不易被察觉的细节能够很清楚的顯示出来，达到明显的增强效果。图像中的亮的部分和暗的部分关系着图像中的对比度。图像显示对比度低的情况是图片中大部分是亮点或者是大部分都很暗淡，图像的对比度高指的是图像中的亮点部分和图像中的暗淡部分比例相当。图像的对比度低，是有限范围的灰度造成的。从图像的直方图上可以很清晰的看见图像的像素比较集中于某一部分，并且是可利用像素占的比例少，动态范围相应的也小。在对B超图像进行处理前，首先要确定检查的范围，然后再利用图像的直方图判断像素比较集中的部分，对此可以拉伸整个图像，使图像的灰度范围动态范围变宽，以此将B超图像中存在的但是看不到的重要信息显示出来。
二、计算机在超声图像管理中的应用
除对B超的图像具有处理应用之外，计算机在医学领域还有更重要的应用，那就是B超图像的管理。超声图像中计算机对图像的管理主要包括：B超图像的存储，信息的检索，传输和编辑等。
（一）对图像的存储。在计算机硬盘中将数字图像以文件格式存储，计算机的硬盘80G已经是非常普遍了，80G硬盘就可以存储上万张的灰度图像和彩色图像。
（二）检索。图像既然以成为文件被存储在硬盘中，因此计算机的多种文件处理方法也将会使用图像文件。图像的检索也就可以按照患者的姓名，日期，病变类型等多种方法进行。
（三）编辑。图像既然已经存储那就可以打开，并在计算机屏幕上显示，还可以同时打开多张图片进行对比分析，还可以同时对图片进行拼接，编辑，制作教学节目等。
（四）传输。可以将图片经过互联网在医院内部不同的科室之间传输。比如，可以将B超计算机上的图片传输到手术室的计算机屏幕上，指导手术操作。也可以将图片进行异地传输。
伴随着计算机技术在医学影像应用中的不断深入和现代医学的不断发展，几年来正逐步形成数字化医院。为医院实现数字化的平台是PACS系统和HIS系统，PACS集成信息系统指的是经过网络获取，存储，管理和显示放射医学图像。PACS主要提供的功能有4个：在会诊，诊断，报告和远程观察医学图像；依据图像的性质找出合适的介质用于存储；通过网络互联将图片用于会诊，诊断，报告和远程的工作站；向用户提供一个集成信息系统。
下面是一个B超影像高速PC工作站，其具有多种功能，主要有：影像的采集和处理功能，诊断报告书写功能，远程调用功能，专家会诊功能等。经过集线器将工作站可以和存储服务器和部门以太网双绞线直接相连。存储服务器同时也预留了一个DICOM功能，以便和医院的HIS系统相连进行信息之间的交换。B超图像采集工作站的基本系统结构见图1。
图1 B超图像采集工作站的基本系统结构
三、计算机在医院超声成像领域的发展趋势
随着计算机技术和图像处理技术的不断发展，在医学领域中计算机的超声成像技术将会被广泛的深入。其应用也主要体现在以下几个方面：三维成像技术，B超全数字化技术，B超图像处理软件开发，基于计算机的B超诊断仪，超声图像的管理和通信技术。总之，在医学领域中计算机对图像的处理已经成为重要的发展方向。
参考文献：
[1]张德俊.医学超声成像新技术的物理声学基础[J].中国超声医学杂志,1999,11
[2]汪源源.医学超声技术──疾病无损诊断的好帮手[J].世界科学,2000,8
[3]余薇.医学超声成像技术方法学进展[J].北京生物医学工程,2001,3
医学成像的未来 篇3
对于医疗保健提供商及患者,技术进步使得医疗保健个性化逐渐在下面几个方面成为现实:控制慢性病、预测大病,让患者在舒适的家中渡过其生命的最后时间。这些先进的技术也使得医疗保健成为我们日常生活的一部分。下面是具体的例子。
●具有嵌入式装置且能够探测出潜在身体问题的卫生间设备。例如:一个能够对尿液进行分析并发现肾传染病或诸如糖尿病和高血压等慢性病发展情况的马桶。另一个例子是能够探测体重或身体脂肪突然变化的卫生间体重磅秤。这些设备可以自动将数据上传给患者的医生,并根据医生事先的设定来为患者安排就诊预约。
●视网膜扫描仪的诊断设备可以和患者现有的消费类电子产品(如数码相机等)结合,发现视网膜病或者重要疾病的前兆,并把这种信息提供给相关医务人员。
●闹钟能够提醒某人起床和按计划到医院就诊,也许就是基于家庭中其他医疗保健设备收集起来的信息,例如:嵌入到卫生间镜子中的视网膜扫描仪。该例子赋予了“个人局域网(PAN)”新的含义,在该局域网中的多种家庭设备会定期和无创伤地监控和记录一个人的生命特征。
●可以将设备安装到家庭中,并远程连接至医疗保健提供商的网络。一种老年患者佩戴的产品正在开发中,它基于陀螺仪,可以探测到老年患者是否摔倒。这种设备可连接至患者的PAN,发送求助信息。还可以对类似摔倒和长时间久坐(这可能是一种身体或精神问题的症状)归档并向医生报告。
●在远程手术中,世界知名的专家可以利用全息图像指挥远在千里之外的手术机器人进行手术。
●在虚拟地点呼叫中,医生使用了视频会议以及面向家庭的诊断设备(例如:便携式超声波系统)。对于那些无法看医生(也许因为卧床不起,患有医生恐惧症,或者交通条件较为有限)的患者来说,虚拟地点呼叫也让他们能够享受到医疗保健。
医学成像的发展
医学成像技术的目标是想让患者享受到更好的治疗和关怀。下面是一些例子。
●X射线由胶片发展为数字文件。在印度,心脏病专家Devi Prasad Shetty博士的门诊部每24小时便可处理3000张X射线照片。由于DSP的广泛使用,现在在采集点就可将X射线信号转换成数字图像,并且不会降低方进(Gene Frantz)图像的清晰度。
●MRI(磁共振成像)从慢、模糊到快速、高清晰度的发展过程。今天的MRI能够在极短的时间内提供高质量的图像,同时还具有高度的灵活性。
●超声波设备的便携性。在过去的几年中,随着手推车式超声波系统日渐被便携式或手持式超声波设备所代替,超声波设备变得更加小型化。
●视网膜植入成为现实。南加州大学Doheny眼科研究所的研究人员正在研究人工视网膜技术,这种技术可以恢复那些患有色素性视网膜炎和视网膜黄斑变性人群的视力。
贯穿于所有这些例子的一个共同主题是:DSP的运用。DSP被用于那些对医学界和我们的生活产生影响的许多应用领域。更为重要的是,这种技术仍然处于对医学和医疗保健影响的初期阶段。
远程通信助力医学成像
远程医疗是医学成像和远程通信技术之间相辅相成的一个例子。视频会议和被称为临场感的新型网真(telepresence)技术越来越多地被用于发达国家和发展中国家的医疗保健行业。视频会议和网真技术通常和超声波设备等医学成像系统配套使用来实现远程医疗应用。
DSP在远程医疗中扮演一个关键角色。例如,DSP可提供支持视频会议和远程呈现系统的各种编解码器所需的处理能力和灵活性。某些编解码器可以将视频压缩,使TV质量的图像能够在低带宽有线或无线网络上传输。DSP还可提供支持医学成像所需的无损编解码器必需具有的处理能力,低压缩或无压缩会影响图像质量,进而影响诊断结果。DSP的可编程特点可以让其获得升级,以支持新的编解码器。
医疗保健的未来
有大量正在进行中的研究可能会在未来十年进一步提高医疗保健的服务质量。例如,一家名为CNOGA的以色列公司,其产品运用视频摄像头来无创伤地测量生命特征,如血压、脉率、血氧及二氧化碳水平,只需将摄像头对焦在人的皮肤上便可。这种技术的未来应用可以带来疾病的无创生物标志识别,例如:癌症和慢性阻塞性肺病等。
其他研究包括以下几方面。
●单片机超声波设备。将一个八通道超声波接收机体积压缩成一个单片机实现了便携式设计,但这一般会降低图像质量,这就限制了这种器件作为一种诊断工具的有效性。集成技术的最新发展通过减小信号路径尺寸以及噪声水平避免这种图像质量下降。其目的是创建一款使探测、接收、传输和处理链实现集成的单片机设计。反过来又让所有超声波设备类电子产品能够安装于探头中,可以使用一种无线链路向显示器传输信息。单片机设计还弥补了3-D探针的不足,拥有更多的变送器元件,因而需要更多连接至设备的接线。
●高强度聚焦超声波(HIFU)。医疗保健的发展趋势是降低医疗过程中的负面影响,例如缩小切口尺寸、缩短愈合时间、住院时间和降低感染风险。但和这种趋势的其他方面不同(如机器人辅助手术等),HIFU向着许多目前有创医疗手术程序的无创操作又迈进了一步。在不破坏周围健康组织的情况下,使用直肠超声波来杀死前列腺癌细胞便是一个例子。HIFU亦可用于烧灼法止血及熔脂美体,因此它可能适合于众多的手术程序,包括美容手术。
●MRI以外的超声波。美国密苏里大学的研究人员将使用3D图像而非MRI切片成像来识别孩子面部特征和大脑结构之间的相关性。这些联系可能会让医生更早地诊断出自闭症,并结合遗传学进行诊断,以对这种病症进行深入的研究。这种研究同至少两种医疗保健发展趋势相吻合:无创诊断的选择和早期诊断的探索。后者特别重要,因为越早诊断自闭症,父母和医生也就能够越早开展治疗。
红外光谱成像目标识别技术综述 篇4
关键词： 红外成像；光谱识别；光谱成像；
中图分类号：o434 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00
1 引言
目标识别技术主要用于對目标的搜索、识别和跟踪，目标识别技术有着非常重要的作用，也成为各国发展的重点。目前广泛使用的手段和技术有：可见光电视识别、红外点源识别、红外成像识别、毫米波识别和复合识别等。目前研究的重点都在试图改善目标识别的抗干扰能力，同时寻求新的方法和技术。随着红外探测器技术的快速发展，红外成像由于具有高灵敏度、高帧频、抗干扰性好、可全天时工作等特点，在目标识别中已得到广泛应用。
红外光谱目标识别技术是通过红外光谱测量，揭示物质组成成分，利用光谱谱型来区分真假目标，尤其红外光谱成像既可测量红外光谱又可观测红外图像，具有红外成像识别和红外光谱识别的复合识别效果[1-3]。很多目标由于所使用动力的燃料和表面涂覆材料不同，通过红外光谱测量，确定其燃料和表面涂覆材料的物质组成成分，进行有效目标识别。红外光谱及成像为识别技术提供了一种新的手段和方法。
2 红外光谱成像目标识别技术
红外光谱成像技术是上个世纪80年代初，在多光谱扫描技术的基础上发展起来的先进的新一代技术。它把映射目标辐射属性的光谱特性与映射目标空间和几何关系的图像结合在一起，非常适合人们根据图像进行目标特性探测。光谱成像测量技术为当代遥感发展的前沿技术，在很多领域得到了广泛和重要的应用，如在地质勘探、大气遥感、真假目标及干扰物的揭示等。目前，发达国家都将光谱成像技术列为重点发展技术。
通过光谱成像测量对区分真假目标和识别技术得到广泛的关注。据报道，应用红外超光谱成像技术，建立目标的红外光谱特征数据库，根据目标的光谱特征来自动探测和识别目标。超光谱成像可得到大量的反映目标物质成分的光谱数据，通过对数据的处理、分析和比对，探测和识别真假目标。红外光谱成像能够全天时、全天候的实时探测、跟踪和识别目标，大幅度提高其效能。
光谱成像常用技术方式主要有滤光片分光型，色散分光型和傅立叶干涉型等。傅里叶变换成像光谱技术是利用红外探测器每个像素的干涉图与目标光谱图之间的对应关系，通过测量离散干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换计算，反演得到光谱图，从而获取二维空间目标的光谱信息。傅里叶变换成像光谱仪器在空间目标探测中具有：多频道、高通量、高信噪比、高光谱分辨率，探测灵敏度高，微弱信号探测能 力强，根据不同目标可实时调整光谱分辨率的优势，特别适合红外弱辐射光谱的探测。通过图像数据和光谱数据的融合，揭示各种目标的光谱特征及物质成份，区分同类目标的细微差异，对目标识别和分类具有重要意义，极大提高对目标的识别能力。
利用高光谱或超光谱遥感进行目标探测的特点主要表现在对目标探测识别的能力有较大提升，可以区分出相近类目标的微小差别，有效解决“异物同谱”和“同谱异物”现象，为目标精确光谱探测提供了数据量保障，使目标光谱探测由定性分析变成定量测量，为目标识别奠定了技术基础。研究一种采用高帧频、多波段红外焦平面的红外多光谱成像识别。采用多帧处理的超分辨率处理，实现较高分辨率，甚至超过物理分辨率，通过多帧频叠加处理方法来提高探测灵敏度 ，实现远距离分辨小间隔目标，同时完成目标光谱特征提取。
发达国家在光谱成像技术方面进行了大量研究， 在光学系统、分光器件、焦平面探测传器、数据融合技术、目标跟踪和识别算法等方面做了非常多的建设性的工作。一些研究成果已经得到了很好的应用。红外光谱成像技术在目标识别方面具有一定的优势和非常好的应用前景。可对低对比度目标进行探测且具有较高背景抑制能力；光谱加成像即光谱成像复合识别方式，使目标识别成功率有较大提高，尤其抗干扰效果非常好，使干扰难度增加甚至无法进行干扰。光谱成像识别方式缺点是光学系统较为复杂，数据量偏大，硬件成本高，实时性略差。有的系统对数据处理实时性要求较高和系统空间较小，因此红外光谱成像目标识别技术的应用还需进一步完善和提高。
3 结束语
红外光谱成像具有光谱和图像合二为一的特点，把目标红外几何图像和光谱识别技术有机的结合，在目标识别技术方面具有非常好的应用前景，能达到复合识别效果。
参考文献：
[1] 曾宪林. 红外成像导引头及其成像制导武器述评[J]. 航天电子对抗，2004，（5） ：45-48.
[2] 耿凡. 光谱识别技术在红外制导方面的应用展望与分析[J]. 红外与激光工程，2007，36（5）：602-606.
[3] 黄士科，张天序，李丽娟. 空空导弹多光谱红外成像制导技术研究[J]. 红外与激光工程，2006，36（1）：16-20.
[4] MAYERRR，SCRIBNERD，FLEETE，eta1.Spectral optimization studies and simulations of two-，three-，and four-bnad staring LWIR sensors inmissilede fensescenarios[C]. Proceedings of SPIE，Imaging Spectrometry X，2004，5546：84-95.
一定保留：
作者简介：孟庆华（1963-），男，吉林长春人，工学硕士，研究员，主要从事光谱仪器和光电经纬仪设计
多核处理器带来医学成像创新 篇5
基于一个硬连线、不可编程处理器或者一个专用图形处理器的成像系统, 无法满足下一代便携式医学成像设备对灵活性、可扩展性以及功率效率的要求。相反, 多核数字信号处理器 (DSP) , 不管是具有DSP内核和通用处理器 (GPP) 的异构片上系统, 还是使用多个类似DSP内核的同质片上系统, 均是一种两全其美的方法, 并能够克服医学成像面临的诸多挑战。新兴的医学成像系统反过来又会产生新的诊断方法和治疗方法, 最终不断提高医疗保健的服务质量。
迎接医疗保健挑战
医疗保健正处于快速发展之中, 而基于多核DSP的成像系统可有效地推动这种发展。
过去, 由于成本和规模问题, 高级医疗诊断系统的使用大多集中在人口密集的城市地区, 因为这些地区拥有专业诊断医生以及技术人员。而嵌入式处理器技术方面的进展, 让高质量和功能强大的医学成像系统变得更加便携并且具有更高性价比。如果偏远地区的小诊所里也配有高级医学成像设备, 当地技术人员可以把诊断图像传送给城市医疗中心, 由这些中心的专家给出诊断建议和实时远程支持, 则可直接将医疗诊断服务带给偏远地区的患者, 而不是将生命垂危的患者运送到某个医疗成像机构。
处理器能力的提高, 在医疗领域引发了许多讨论。在一些情况下, 这些问题看似相互矛盾。例如, 许多医学专家呼吁提高成像质量的同时, 又要求减少人体在来自于X光和核成像技术的有害辐射环境下暴露的时间。过去, 只能通过增加辐射或者利用一些侵入性技术才能提高成像质量。
多核DSP成像系统的使用则提供了另一种替代方案。利用多核DSP, 一些创新型高效成像增强技术 (如边缘检测、对比增强、噪声过滤等) 可以轻松地编程至一颗或者多颗DSP内核中, 从而在不增加辐射水平甚至帮助降低患者辐射暴露的情况下, 提高成像质量。
多核DSP强大的实时处理能力促进了诊断和治疗方法的创新。通过多核DSP的简单编程, 可以更快地完成研究实验, 并可开发和优化新的实时成像处理技术。例如, 研究人员正在探讨如何应用超声波来无创检测甲状腺癌、烧灼创口、杀死小肿瘤。光学相干断层成像术 (OCT) 领域正在研究使用光波来进行各种诊断, 包括耳部感染检测和一些更为复杂的诊断 (如通过描述眼睛对糖尿病进行早期检测等) 。这些传统成像技术的新应用, 让其迅速转向真正的多核DSP产品。
今天的多核DSP通过降低功耗以及使用更小的体积, 实现了高水平的系统集成。这就意味着, 电路板上的处理器更少、电源更小、冷却要求更低, 并且总系统成本更低。它让全世界更多的人受益于医疗保健, 手术室、急诊室和救护车里可以配置更多的高级医疗设备, 或许在某一天, 这些设备甚至会出现在家庭中。
多核的优势
如图1所示, 典型的医学成像处理链可以分为3个主要阶段:图像获取、图像调试和图像显示。
同质多核DSP可提供计算密集型应用所需的处理能力, 特别在图像获取后和图像显示前进行的图像调节和重建中。异构多核片上系统可分离GPP内核和DSP内核之间的系统管理/用户互动和图像显示准备功能。
图像获取
所有5种不同类型的模拟波形 (声音、光线、无线电、X光和核能) 都已被用于医学成像系统中。成像系统接收模拟波, 将其转换为数字信号, 然后使用一套预定义前端处理参数和算法, 基于事先确定的人体部位对原始数字数据进行解释。例如, 心脏超声波设备具有一套与心脏和胸腔有关的前端参数, 而OB/GYN超声波设备则使用参数和算法获取子宫胎儿的原始数据。
一般而言, 图像获取面临的挑战是如何实时管理和处理大量的图像数据。为了满足这些需求, 这一代多核DSP拥有几个高带宽I/O选项 (与智能DMA引擎一起使用) , 可以无缝地将来自模拟前端的图像数据存入片上或者片下内存进行处理。共用内存构架允许多颗内核对图像不同部分进行并行操作, 或者对图像数据的相同部分按顺序执行不同的处理功能。这让设计团队可以灵活地搭建系统, 并让使用相同图像获取系统完成多个成像应用变得更容易。
图像调节
获取图像数据后, 必须将之重建为一个或者多个可视图像。除此之外, 成像系统还要对图像进行增强处理, 以提高其清晰度。在以前的医学成像系统中, 图像获取过程的质量是重建图像质量的一个限制因素。然而现在, 高级信号调节算法可以过滤外来噪声和其他异常情况, 从而增强显示受检查的人体组织和其他相关结构, 帮助弥补这些局限性。实时完成这些信号调节算法, 是DSP的真正优势所在。
在医学成像系统中, 图像重建通常是最大的瓶颈。例如, 典型的CT扫描要获取检查部位的许多切片图像, 然后提交给系统, 通过这些切片图像重建一幅合成图像。多核DSP通过让多颗DSP内核并行执行图像重建任务, 大大缩短了图像重建所需的时间, 从而打破了这种瓶颈限制。
多核DSP还赋予了系统可扩展性, 可以在不影响图像处理和显示时间的情况下, 将处理任务分配给多颗同类内核, 从而或多或少地改进现有图像增强技术。
除此以外, 当出现更新、更先进的成像增强算法时, DSP内核的可编程属性使其更容易获得升级, 从而让设备可以在现有硬件平台通过软件升级。
图像显示
医学成像系统的后端处理包括实际用户图像报告以及系统所有的操作员界面要求。由一颗GPP内核和DSP内核组成的多核异构处理器可相互协作, 以提供不同功能所需的相应处理能力。图像在屏幕上显示之前, DSP内核可实现许多功能, 如数据添写、量值估计、日志压缩、扫描转换等。
与此同时, GPP内核 (如ARM产品) 可提供与PC处理器等价的功能, 但功耗却低得多。嵌入式ARM内核的平均功耗小于2 W, 而大多数PC处理器的功耗均大于50 W或60 W。对于功耗和温度敏感的医学成像系统而言, 节能是一个基本要求。GPP内核还可以运行拥有丰富功能的操作系统, 例如Linux或者Windows CE等, 它们构成系统操作员界面的基础, 并让系统设计人员能够轻松地开发出差异化创新功能。
今天的多核DSP都是一些具有丰富功能的片上系统, 片上已经集成了许多外围器件。这些外围器件通常包括以太网接口、存储器件、高清显示和其他连接。通过把这些外围接口的控制芯片集成到一个多核片上系统, 可以同时减少系统的空间使用和成本。便携式医学成像系统有一些特殊的限制。
顾名思义, 便携式系统体积要小。这样, 实际部件 (旋钮、开关和其他控制装置) 通常受到限制。可编程多核片上系统允许系统开发人员使用智能控制进行设计, 将操作员从设置大量成像和测量参数的工作中解脱出来。
例如, 心脏诊断时只需进行一次选择设置, 超声波成像系统便会自动加载参数、算法和其他处理资源, 实现具体的成像应用。系统会捕捉和显示血流速度和动力的测量结果。这种自动化还让高级医疗成像系统可以部署在偏远的地区。这些地方的诊所里, 专家技术人员很少。偏远诊所的技术人员可以利用这种智能系统获取图像和检查结果, 然后将其发送给诊断专家。
多核应用
开发任何精密、复杂的嵌入式系统 (如医学成像系统) , 都会给设计团队带来许多挑战。一般而言, 所有嵌入式系统都必须在严格控制功耗预算和体积的同时满足一些关键的性能需求。对现货硬件进行用户定制 (通常不可避免) , 存在成本限制。由于可视程度有限, 硬件和软件调试及测试常常很困难。
在多核处理器解决方案中资源更多, 特别是有一些特殊功能, 可以帮助缓解嵌入式系统设计面临的一些挑战。但也存在其他一些复杂性, 例如内核间的负载平衡、内核间通信和共用资源管理等。德州仪器拥有超过10年的开发经验, 提供开发与调试工具和软件构架, 它们可以简化多核处理器与嵌入式系统的集成, 特别是医学成像系统。
为了实现最佳性能, 设计人员需要谨慎地划分任务, 这样内核操作可实现对其他内核的最低依赖度。这种处理工作所要求的数据应存储于本地内存中, 并以一种全局方式 (即所有内核之间) 管理共享资源的使用。如果处理得当, 使用多核处理器的系统相比使用多个离散处理器的系统将拥有巨大的优势。如数据访问更迅速、单元之间的通信延迟时间更短, 及理论开销最小。
为了促进多核DSP开发, TI拥有几个多核软件构架和一套调试与描述工具, 如图2和图3所示。
为了让软件开发人员能够集中精力解决其应用中存在的一些重要问题, 可使用一种能够同时提供硬件抽象和常见支持任务 (如内核间通信、DMA资源分配、内存管理等) 的中间件。必须对这些软件层进行优化, 以用于具体硬件平台, 这样它们便不会阻碍用户应用。
在图2所示的简单软件构架中, 处理器内核编程被实时操作系统抽象化, 通常有非常小的内存、一个低延迟任务切换调度程序和高效中断服务程序。通过原始寄存器读/写功能芯片支持库或者支持标准驱动器接口结构 (如开、闭、读、写等) 的底层驱动器, 分两个层级抽象化外围器件。该构架中内核间利用TMS320C6472器件的共用内存构架实现快速、可预知通信;DMA资源管理通过软件库实现。这些服务对用户应用有效。
多核调试的一些重要需求包括所有内核间代码执行的系统级浏览;所有内存的相关可视性 (共用和内核专用都包括在内) ;可在对一颗内核进行代码调试时, 保持其余内核继续正常运行。当对应用进行优化时, 需要理解内核的平均和峰值负载, 知道数据传输瓶颈或者系统死锁, 并捕获事件或者I/O事务的时间戳统计。这些多核调试和系统执行描述功能在TI的Code Composer StudioTM开发工具和数据分析可视化工具中获得较好的支持。
多核DSP解决方案
十多年以来, 多核DSP已经在各行各业的各种应用中证明了它的价值。从无线基站到语音网关, 多核同质DSP都是理想的选择, 它可满足计算密集型信号处理要求, 并且功耗预算更低、物理体积更小。
在一些应用中, 有些任务的处理需求存在本质的不同, 对处理能力的要求也不一样, 而异构多核处理器让这种应用的实现成为可能。
这种方法并非提供解决现今嵌入式系统各种复杂信号处理需求的通用型办法, 但是它为广大医学成像系统设计人员提供了众多业内最佳属性的组合:低功耗、可预知实时信号与数据处理、降低系统尺寸和成本的高集成度以及缩短产品开发时间的可编程能力。
医学成像技术 篇6
“上海光源”发出的“光”覆盖从远红外线到硬X线的所有波段。在迄今全国78个科研单位向“上海光源”提交的301项课题中, X线成像及生物医学中的应用可谓是最热门的选择。自4月初获得首张溶菌酶蛋白质晶体衍射图后, 上海光源已陆续解析出20多个蛋白质的三维结构, 其中包括光合作用蛋白、药物靶标蛋白、信号通道蛋白等多个重要蛋白质晶体。相信这对于分子生物学的影像研究会提供有利的条件。
由于传统应用的X线成像对肿瘤、血管等软组织区别较小, 而能量升级后的X线却能使肿瘤边界及其内部血管清晰显示。因此, 在国际上, 已较普遍地利用同步辐射进行医学研究。
“上海光源”的首批用户之一, 上海交大生命科学技术学院教授庄天戈认为, “上海光源”在医学成像的应用前景广阔。因为其图像的空间分辨率是目前CT、MRI的1000倍, 而辐射剂量却远低于X线摄影和CT。
医学成像技术 篇7
关键词：超声换能器,医学超声成像,压电陶瓷
0 引言
医学超声成像技术具有无损伤、无电离辐射、无痛苦、实时性好、价格低廉等突出优点,已经在各级医疗机构普遍装备,广泛应用于人体肝胆肾脾胰、心脏、甲状腺、血管、皮肤、肌肉等全身实质性组织和脏器的疾病诊断。换能器作为超声成像装置的核心部件,对仪器的整体性能起着至关重要的作用。
1 临床应用需求新变化
近几年来,超声诊断仪器的临床需求变化有以下趋势:
1.1 专科应用需求
超声诊断仪器跳出专门的B超室,广泛应用于医院中其他科室,是近年来的一个重要发展趋势,如:
消化内科应用:超声内镜(EUS)检查是将超声探头和内镜技术相结合的新技术。即常规内镜检查发现粘膜表面病变后,用内镜中的超声探头进行实时超声扫描,观察消化道管壁各层组织结构及其邻近器官的超声图像,用于对消化道肿瘤、粘膜下肿瘤、胰腺病变等疾病的诊断和鉴别诊断。通过超声引导穿刺活检确定肿瘤类型,评估手术切除可能性及预后,并为患者制定最佳治疗方案提供了科学依据。
心脑血管科应用:血管内超声(IVUS)利用安装在心导管顶端的微型超声探头,可实时显示血管的截面图像,获取管壁结构的厚度、管腔大小和形状及截面积等信息,辨认钙化、纤维化和脂质池等病变,辅助并评价介入手术。
外科手术室应用:(1)术中探头探查,对病灶的探测,辅助手术的进行,如原发或继发性肝肿瘤、胆石诊断,比术前超声检查、CT及剖腹探查等具有更高的敏感性及特异性;(2)手术导航:将术前获得的CT、MRI等影像学资料与实时超声图像融合,获得手术部位的三维图像信息。手术过程中,通过手术器具上的定位装置精确定位病灶部位,避开重要结构或功能区,引导医生提高手术质量和手术成功率;(3)超声内镜引导下的微创手术:可以使切口和创伤非常小,手术风险小,病人的恢复期更短。
此外,还有眼科、妇产科、皮肤科等专科应用,这些应用呈现出应用专业化、宽频带、高频、高灵敏度、高分辨率和微型化等特点,对超声换能器带来新的、更高的要求。
1.2 重大疾病早期筛查需求
恶性肿瘤和心、脑血管疾病已成为严重影响人类健康的重大疾病,其死亡率呈逐年攀升及发病低龄化趋势。据卫生部统计,上述疾病已占我国居民因病死亡总人数的70%左右。这些疾病被发现并确诊时往往已经发展到了中晚期阶段,此时绝大多数已经不可逆转,即使勉强手术,也很难治愈,这也是这类疾病死亡率很高的主要原因。多数学者认为,早查、早诊、早治是未来相当长时期大幅度提高重大疾病治疗效果,提高病人生存质量,延长病人寿命的发展方向。
作为无辐射、病人无痛苦、低价普及的医学影像技术,高频、高分辨率的超声诊断系统及配套的超声换能器必将成为重大疾病早期筛查的有效手段。
1.3 环保法令
铅是已知毒性最大、累积性极强的重金属之一,对人体健康有百害而无一利,各国政府正设法通过立法来减少和限制铅污染。2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令并从2006~2008年起逐步实施,铅被列入其中。
以含铅的锆钛酸铅(PZT)系材料为主的传统铁电压电陶瓷,其主要成分是氧化铅(高达60%~70%以上),从其材料烧结到最终废弃的过程中不可避免地对环境带来铅污染,危害人类健康。尽管含铅压电陶瓷元器件的替代由于技术难度太大,暂未列入欧盟限制法令。但是毫无疑问,以无铅基的铁电压电陶瓷替代含铅压电陶瓷生产超声换能器,已经迫在眉睫。
2 研究和应用现状
针对临床上对超声换能器宽频带、高频化、高分辨率、微型化和高灵敏度等方面的需求,以及环境友好的需要,超声换能器材料的研究重点出现在驰豫铁电单晶材料、复合压电材料、无铅压电材料等方面,并出现了有别于传统换能器制作工艺制作的c MUT超声换能器。
2.1 换能器材料
2.1.1 驰豫铁电单晶材料
具有符合钙钛矿结构的(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(简称PMN-PT)和(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(简称PZN-PT)弛豫铁电单晶压电材料的成功制备,被认为是50年来铁电领域最激动人心的一次突破,成为最近十年压电材料领域的一个研究重点。PMN-PT的关键性能指标d33和k33分别高达2500pC/N和94%左右,明显高于传统PZT压电材料的700pC/N和70%左右,其电声能量转换效率更是提高了80%以上,频带宽度也有了大幅度的扩展,为新一代高性能医用超声诊断仪的实现提供了可能。
PMN-PT单晶的结构比较均匀,很少缺损和缺漏,也没有粒子界面,如图1所示。在进行任意方向的极化时,双极子的取向几乎完全一致(接近100%),极大地提高了机电特性。目前直径超过75mm的PMN-PT单晶的制备已获得成功,并在少数高端仪器上以“纯波探头”为名得到应用,使得其超声图像质量有了突破性提高。但由于PMN-PT单晶在晶体生长过程中易出现非铁电性的烧绿石相,制备难度大,尽管各大公司和组织投入了大量的人力物力开展研究,至今仍未突破规模化生产的瓶颈。
2.1.2 无铅压电材料
钙钛矿结构中的(Bi0.5Na0.5)TiO3(简称BNT)基、K1-xNaxNbO3(简称KNN)基和BaTiO3基,以及含铋层状结构、钨青铜结构是无铅压电陶瓷的主要研究对象。其中钙钛矿系特别是KNN和BNT无铅压电陶瓷因其压电性能明显优于含铋层状结构系和钨青铜结构系压电陶瓷,制备工艺也与传统的铅基压电陶瓷兼容等优点,得到了深入的研究,取得了一定的成果。任晓兵博士领导的团队已经在日本国家材料研究所成功制备了在压电性能上毫不逊色于传统PZT压电陶瓷的锆钛酸钡钙体系压电材料Ba Zr0.2Ti0.8O3-x Ba0.7Ca0.3Ti03(BZT-x BCT),证明了“大压电性能与铅没有必然的联系”,增强了人们以无铅压电陶瓷替代传统的铅基压电陶瓷的信心。
另外,无铅压电陶瓷的新体系构建、压电铁电性能强化以及相变机制等方面的研究,也取得了较大的进展。
无铅压电陶瓷要能够逐步替代传统的含铅压电材料,除了要求材料体系本身不含有对生态环境造成损害的物质,以及在制备、使用及废弃后处理过程中也不对人类及生态环境造成危害外,还需要在压电性能和制备成本上与传统材料相当。然而,与发展成熟的铅基压电陶瓷相比,无铅压电陶瓷的性能还存在着较大差距,再加上制备工艺要求高,目前还未进入产业化阶段,铅基压电陶瓷在实际应用中仍占主导地位。
2.1.3 铁电厚膜材料
由块体压电材料转向膜压电材料,是近年来压电材料领域研究的一个热点。压电厚膜是指厚度在数十微米级的压电膜,与块体材料相比,有工作电压低、工作频率高等突出优点。
由PZT厚膜制作的工作频率为80~200 MHz的超声换能器已经成功制备并已进入产品化,而块体压电材料制作的超声换能器工作频率通常在20MHz以下。除制备方法比较成熟的PZT厚膜外,KNN厚膜和0-3复合KNN厚膜等也已陆续制备成功。目前压电厚膜的研究重点开始转向对厚膜的掺杂改性研究,以进一步优化压电厚膜的结构和提高压电厚膜的压电性能。
2.2 高频换能器
近年来,新型高频换能器的研发受到世界各国的广泛重视。在高频超声换能器研发方面代表了国际最高水平的美国南加州大学NIH医学超声换能器技术中心,Shung K.K教授领导的团队设计并研制成功多种高频超声换能器及阵列,包括中心频率在67 MHz和100MHz的32阵元的超声换能器阵列。加拿大Sunnybrook研究中心S.Foster教授的小组,利用PZT压电陶瓷等制备出30~80 MHz高频超声换能器,在45MHz中心频率下的插入损耗为17.5 dB。美国TRS公司采用微加工工艺发展了压电单晶与聚合物的1-3复合材料,并制备出中心频率为40MHz,带宽为100%的复合材料超声换能器。工作频率在20MHz以上的高频超声成像换能器和系统的生产厂家主要集中在欧美几家大公司。美国波士顿科学公司(Boston Scientific)生产的iCross心血管内导管超声系统,采用了40MHz机械旋转超声换能器。美国火山公司(Volcano)生产的Revolution心血管内导管系统,采用了45MHz的相控阵超声换能器。
工作频率在20MHz以上的高频超声换能器,其横向和纵向分辨率均可达0.5mm以下,已广泛应用于眼科、皮肤科和浅表血管的疾病诊断,以及作为超声内镜、血管内探头通过人体各腔道或血管探查人体内部组织的病变情况,实现对重大疾病的早期检查是其重要发展方向。
2.3 cMUT技术
电容式微加工超声换能器cMUT(Capacitive micromachined ultrasonic transducers)是应用大规模集成电路技术制作的,最先是由美国斯坦福大学的B.T.Pierre Khuri-Yakub教授在上世纪90年代末提出。cMUT一经提出就备受关注,经过十几年的大量研究,目前已有部分高频cMUT换能器完成产品化。cMUT是利用半导体加工技术在硅片上通过纳米级空隙形成许多超微细振动膜,在硅片和振动膜里独立地埋入电极,在两电极间加电压,使空隙内产生静电场,其结构如图2所示。
cMUT超声换能器的制作工艺与传统的压电陶瓷换能器的制作工艺截然不同,具有灵敏度高、带宽宽、易于制造、尺寸小、一致性好、工作温度范围宽及易于实现电子集成等优点,明显优于传统压电材料换能器制作工艺,是一个十分值得关注的发展领域。
3 展望
宽频带、高频、高灵敏度、高分辨率和微型化等依然是未来超声换能器发展的主要方向。驰豫铁电单晶材料、压电复合材料、无铅压电材料和压电有机高分子聚合材料等压电材料的性能提升研究将不断深入。
cMUT技术的成功产品化,将使1.5D和2D探头的制造变得更加简单方便,性能更加优越。需要特别指出的是,cMUT的生产制作技术一旦成熟,将给传统的压电换能器制造业带来巨大的冲击。
参考文献
[1]万明习,宗瑜瑾,王素品.生物医学超声学(上册)[M].北京:科学出版社,2010.
[2]赁敦敏,郑荞佶,伍晓春,等.无铅压电陶瓷研究进展[J].四川师范大学学报(自然科学版).2010,33(1):117-128.
[3]赵亚,李全禄,王胜利,秦梅宝,张引红.无铅压电陶瓷的研究与应用进展[J].硅酸盐通报.2010,29(3):616-621.
[4]温建强,刘美丽.PZT厚膜及高频超声换能器的研究[J].应用声学.2010,29(1):74-80.
[5]Liu WF,Ren XB.Large piezoelectric effect in Pb-freeceramies[J].Phys Rev Lett,2009,103(25):257602.
[6]J.M.Cannata,J.Williams,Q.F.Zhou,T.A.Ritterand K.K.Shung.Development of a 35-MHz piezo-composite ultrasound array for medical imaging[J].IEEE Transactions on ultrasonics,Ferroelectrics,andFrequency Control.2006,53:224-236.
医学成像技术 篇8
磁微粒成像(Magnetic Particle Imaging,MPI)是一门年轻的磁影像技术,通过高灵敏度,高分辨率和高成像速度的三维图像进行医学诊断,2005年由设在汉堡的飞利浦公司的研究实验室首先研发成功,原型设备成像分辨率较目前最常用的磁成像技术有了很大的提高[4]。该项技术在诸如硬件升级、纳米磁性颗粒的设计和图像重建方法的优化等方面有了很大的进展。
本文首先介绍MPI的基本工作原理与创新点;其次介绍最近MPI研究的发展动态,分别从单侧检测、无磁场线增强灵敏度和磁性粒子优化三个角度展开。
1 MPI的原理
患者服用一种含有无害磁性颗粒的液体后,将其置于一个磁场中,注入体内的超顺磁性纳米颗粒成像的分布随外界振荡磁场而变化。为了得到纳米粒子分布的图像,整个样品需要置于一个强的静态磁场梯度环境中。梯度磁场是通过在线圈对中反向通入电流来实现的,中间就是无磁场点(FFP)如图1所示。选择磁场把除了FFP之外的所有粒子都磁化饱和。驱动线圈叠加了一个振荡磁场,通过一系列的接收线圈检测纳米粒子的反应。由于超顺磁性纳米粒子在振荡磁场中的非线性响应,通过傅里叶变换检测到的信号包含的高阶谐波可以用于成像功能。磁性纳米粒子响应的具体过程可以通过图2来展示。只有没有磁性响应饱和的粒子,即在FFP附近的粒子,在测试信号中存在明显的高阶谐波信号,如图2(a)所示,谐波信号的有效部分如图中灰色部分所示,基波频率f不作为有效信号。FFP以外的粒子由于已经饱和,振荡磁场将不会引起磁矩的大幅度变化,振荡磁场的谐波信号部分几乎没有,灰色区域信号很弱,如图2(b)所示。通过扫描全部样品的FFP,可以重建一个完整的粒度分布的图像。飞利浦公司通过测试在塑料基板上放置的由13个磁性颗粒组成的大“P”图案验证了他们装置的成像能力,水平方向达到0.5 mm分辨率,竖直方向达到0.3 mm的分辨率,信噪比比传统磁共振成像提高了两个数量级[4]。
2 MPI的发展
2.1 单侧的检测方法(single sided detection)
目前正在研究的MPI扫描仪由两对发射线圈和两对较小的接收线圈放置在一个方形对称的位置构成。在线圈之间的二维视域(FOV)限制了成像对象的大小。
在德国吕贝克大学的研究人员开发单侧MPI扫描仪,所有磁场发生线圈和接收纳米颗粒反应的线圈都放置在成像目标的一侧。这种集成方式意味着探测目标不需要足够小以适应扫描仪有限的尺寸[5]。
为创建单侧设备,研究人员重新设计了MPI扫描仪的几何架构,用两个同心发射线圈来实现。当同时将相反方向的电流通入相对方向的线圈中时,叠加的诱导磁场在线圈轴两侧产生一些FFP,其中某个可用于成像。将交流电接通到一个或两个发射线圈产生的驱动磁场中后可以得到轴向扫描的FFP。
为实现二维成像,FFP必须在和轴向正交的方向进行扫描,这需要额外的发射线圈。Buzug和他的同事们模拟了各种单侧线圈的几何形状,并发现一组两个D形线圈产生的磁场可以将FFP左右推动,引导FFP在两维空间内移动。目前穿透深度大约几厘米。
2.2 无磁场线(Field-Free-Line FFL)增强灵敏度
Buzug的团队还在致力于通过用无磁场线取代FFP来增加MPI的灵敏度。对某个区域用FFL扫描信噪比相对于用FFP扫描可以提高一个数量级[6]。
要实现这一点,研究者们必须研究一种方法可以产生、旋转和转换FFL。Buzug解释说在前期设计中使用了16个麦克斯韦线圈对围绕样品环形放置,实现了FFL的产生和旋转,外加两个额外的线圈实现FFL的平移。然而,这样一个系统不能作为实际应用因为其需要提供的能量太高。
随后,研究人员提出了仅用三个麦克斯韦线圈对产生一个可以旋转的FFL,而四个线圈对的设计实现了最高的磁场质量。该系统预计将显著增加成像灵敏度而电力损耗只有适当的升高(与同等的FFP扫描器相比)。该小组目前正在进一步改进FFL的设计,并已建立了一个用于初步测试的原型。
2.3 磁性粒子的优化
在M P I进程中一个重要组成部分就是纳米粒子本身。美国华盛顿大学Krishnan小组的Matthew Ferguson在SPIE会上提出了纳米颗粒设计的问题,有明确的证据显示颗粒自身能直接影响成像性能[6]。
虽然MPI的分辨率主要受到梯度磁场的限制,也同样取决于纳米磁芯的大小,分辨率一般随核心尺寸的增加而增加。同样,MPI的信号强度随纳米粒子增大而增加,针对每一个成像系统有一个最佳的最大尺寸。
除了在颗粒尺寸上进行优化,在MPI中使用的纳米粒子应该有最小的体积分布变化,而磁弛豫时间必须保证颗粒的响应速度足够更上激励磁场的变化。在上述这些限制条件下,Ferguson和他的同事们正在开发新型的具有生物相容性的氧化铁(Fe3O4)纳米粒子。该小组已经成功制备了性能优越的粒子,比Resovist效果更好。(Resovist是一个专业生产超顺磁性氧化铁纳米颗粒示踪粒子的公司)。
要制备更大的尺寸一致、大小可控的纳米粒子,华盛顿大学的研究人员在有机溶剂中合成了该粒子。然后粒子转移到水溶液中与生物相容性双亲聚合物官能化。
研究人员表征了两个磁铁矿纳米粒子样品的性质。其一是22.4 nm的有效磁核直径,尺寸分布在±7 nm,铁浓度为1.35 mg/ml。其二是20.1 nm的有效磁核直径,尺寸分布在±5 nm,铁浓度为6.1 mg/ml。Resovist公司相应的值是14 nm,±7 nm和1.99 mg/ml。
纳米粒子的MPI信号用一个定制的MPI谱仪测试,在25 k Hz传输下测量了高达40次谐波。较大颗粒呈现了比Resovist更好的性能,得到更多可探测的谐波,信号强度的幅度在各个磁场强度下有了近一个数量级的提高。
该小组还测量纳米粒子在直流偏置场下的本征空间分辨率。磁铁矿颗粒的本征分辨率在高次谐波上比Resovist超过25%。对于他们实验中测试使用信号最大的三次谐波,梯度强度为1.3 T/m,Resovist图像分辨率是12.7 mm,22 nm以及20 nm的粒子分辨率是分别是10.8 mm和7.7 mm。在2.6 T/m,相应的分辨率为6.3 mm、5.4 mm和3.8 mm。
Ferguson指出,这些初步的结果表明新的纳米粒子颗粒有望实现亚毫米的空间分辨率。比如22 nm磁性粒子在6 T/m(第37次谐波)下展出了0.4 mm的分辨率。
参考文献
[1]吴恩惠.医学影像学[M].北京:人民卫生出版社,2008
[2]胡洁,胡净,黄定君.脑磁图研究进展[J].生物医学工程与临床,2003,7(03):181–184.
[3]杨裕华,杨贞振,黄定君.功能性影像技术应用概况[J].医学影像学杂志,2004,14(01):71–73.
[4]Gleich,B.and Weizenecker,J.Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles[J].Nature,2005,435:1214–1217.
[5]Sattel T,Knopp T,Biederer S,et al.Single-sided device for magnetic particle imaging[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2009,42(2):1–5.
[6]Weizenecker J,Gleich B,Borgert J.Magnetic particle imaging using a field free line[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2008,41(10):1–3.
医学成像技术 篇9
1 医学影像成像原理课程教学面临的问题
1.1 多学科融为一体, 教学内容抽象难懂
医学影像成像原理这门课程专业性非常强, 内容涉及物理学、高等数学、医学、微电子技术、计算机技术、数字信号与图像处理等多学科, 但由于高职高专院校学生高等数学、计算机技术等知识基础薄弱, 使教学难度加大。如磁共振成像原理涉及原子核的自旋、磁矩、角动量及进动等物理概念, 都是微观的、抽象的知识, 是大学物理的教学难点;而磁共振图像重建则涉及脉冲、频谱分析、二维傅立叶变换、快速成像序列等物理知识。学生从来没有接触过这些物理知识, 在课时非常紧张的情况下, 绝大部分学生无法在短时间内理解并掌握, 也没有足够的课时让教师详细讲解。
1.2 高中课程学习不系统
机械波、电磁波、几何光学、原子和原子核等在高中阶段为选修内容, 许多学校为了追求高考升学率, 腾出更多时间备考, 对上述内容没有进行系统教学, 而这些知识正是学生学习医学影像成像原理的基础。电磁波与X线成像、X-CT及磁共振成像有关, 机械波中声波的性质就是超声成像的基础, 原子和原子核及核的衰变则是放射核素成像的基础。对于高中物理知识和专业基础知识, 在有限的教学时间内教师无法组织学生复习, 导致教师讲授医学影像成像原理时学生如听天书, 大部分学生在困难和压力面前表现出畏难情绪, 学习积极性和主动性受挫, 在教学各环节中与教师配合不够, 增加了教学难度。
2 基于工学结合, 优化医学影像成像原理教学内容
2.1 依据“必需、够用”原则调整教学内容
高职高专人才培养目标是培养高素质的应用型人才, 因此, 要在工学结合模式下, 根据学生现有知识及本门课程和后续课程的特点整合教学内容。我们通过调查高中选修模块的选修情况, 了解学生物理知识结构, 并与本门课程的学习内容相比较, 找出不足部分, 进行补充讲解。将教材中与高中物理教材内容重复且与医学联系不紧密的章节设为自学内容, 增加与医学联系较紧密且对学生今后工作有重要意义的内容;并与后续课程相比较, 多讲与后续课程学习联系紧密的内容, 与后续课程内容重复的, 留以后讲解。
2.2 把握教材深度, 灵活应用教学方法
讲解时尽可能深入浅出, 避免复杂的数学推导, 让学生学会应用前人总结和验证的结论。如在讲解MRI成像原理时, 对磁矩、角动量、进动等概念进行简单讲述, 对图像重建中用到的傅立叶变换、梯度磁场等物理概念以及高频脉冲、频谱分析、调制解调、A/D、D/A、滤波、显像、快速傅立叶变换等微电子技术基本知识采用定量与定性分析相结合、以定性分析为主的教学策略, 对磁共振信号的成因及磁共振信号的加权则要重点讲解。在讲解CT、MRI成像原理时, 采用联立方程法和反投影法, 因为这两种方法不需要复杂的高等数学知识, 学生能很好掌握。对必须具备而学生又一无所知的数学、物理、电子学等方面的基础知识、基本概念和基本理论, 采用定性分析的教学策略, 以达到在课程内容基本不被割裂的前提下, 绕开难度大的数学推导, 确保学生理解授课内容的目的。讲授放射性核素成像时, 由于目前许多医院该类设备还较少, 可以通过观看视频让学生了解其成像原理, 重点讲解原子核的放射性及衰变规律、放射性同位素与示踪原子、医用放射性核素的来源等。
3 改革课堂教学模式, 注重能力培养
3.1 采用多媒体教学
使学生在感性认识的基础上理解、掌握理论知识。多媒体技术能将高科技与丰富的教学资源联系起来, 有利于学生对知识的理解和掌握, 激发学生的学习兴趣, 提高教学质量。医学影像成像原理主要内容是X线成像 (包括X-CT) 、磁共振成像、超声成像和核医学成像4部分, 各部分的成像原理和控制因素完全不同, 理解难度大。为促进学生对知识的理解, 充分利用多媒体的优势。例如, 在核磁共振教学中, 在Tl加权、T2加权图像等概念讲解中引入T1、T2随TE、TR变化的动画, 在横向弛豫、纵向弛豫、磁场的衰减等理论讲授中用动画形象地反映磁场强弱的变化, 以陀螺的动画运动来演示射频脉冲的加入以及氢原子自旋角度的偏转等, 使学生理解三维空间的磁场理论。
3.2 结合临床经验, 注重实验教学
医学影像成像原理是物理学、信息科学和医学的交叉与融合。在教学中, 若只讲授医学影像技术的基本原理、基本理论则比较抽象, 学生不易理解和接受, 更谈不上应用, 而开设必要的实验则有助于学生能力和素质的培养。由于实验设备昂贵, 且具有放射性, 因此, 可以建立一套计算机仿真物理实验教学系统, 选取部分相关实验, 如电子自旋及仿真模拟、磁共振模拟、数字图像的获取和输出、超声声速的测量等实验。计算机仿真模拟实验能强化学生对医学影像成像原理的认识, 节约大量实验经费, 避免放射性污染, 培养学生的创新精神和实践能力。
3.3 利用周边资源, 让学生到放射科见习
由于医学影像设备价格昂贵, 一般高职高专院校实验室没有这些设备, 这样学生很难理解抽象的成像原理。我们通过多次对比实验发现:先让学生到附属医院相关科室参观影像设备, 请超声、CT、核磁共振等技术人员给学生讲解各种设备的工作原理、操作方法及诊断等, 让学生对各种诊断设备有一个感性认识, 然后再进行理论知识讲解, 可有效提高学生的学习积极性, 降低教学难度。另外, 由于高职高专院校学制短, 学生在校学习时间少, 让学生利用周末、节假日到医院见习, 可使其早日进入医生角色, 稳固专业思想, 调动学习积极性。
4 改进教学评价体系
在工学结合模式下, 为全面评价学生学习状况, 应改进原有评价体系, 采用试卷、小论文、实验操作、小测验等多种形式进行综合评价。评价结果由3部分组成, 即过程性评价 (主要依据为考勤、课堂表现、课后作业、小论文、小测验等, 占总成绩的30%) , 实验技能评价 (主要考查学生实验操作和实验数据的处理能力等, 占总成绩的30%) , 终结性评价 (主要通过闭卷考试形式考查学生基本理论知识掌握程度, 占总成绩的40%) 。采用上述评价体系能够对学生学习状况进行客观评价;同时, 通过过程性评价, 可有效激发学生学习积极性, 有利于高素质应用型人才的培养。
5 结语
针对高职高专医学影像成像原理教学情况, 围绕提高人才培养质量总目标, 从课程教学面临的问题、教学内容、教学模式和教学评价等方面进行了探讨, 涉及高中与大学教学内容的衔接、课程设置、教学方法改革等, 需要我们不断探索, 总结经验, 改进教学方法和手段, 提高学生的学习积极性, 以取得良好教学效果, 培养出满足社会需求的高素质应用型人才。
摘要：针对高职高专院校医学影像成像原理教学现状, 围绕提高人才培养质量总目标, 从课程教学面临的问题、教学内容、教学模式和学生评价等方面进行探讨, 为教学改革提供参考。