医学影像物理

医学影像物理（MIP）

医学影像物理涵盖的范围较广，包括X射线诊断学和临床核医学诊断以及超声成像和核磁共振成像MR(Magnetic Resonance Imaging)等。主要目的是获取生物组织结构信息以及生物功能、代谢和生理状况，为临床治疗提供信息。就核物理和核技术角度而言，主要关注的是X射线诊断和临床核医学诊断。

以减少生物照射剂量及快速、高效和准确的获取诊断信息为目的，医学影像物理正朝着多模复合成像方向不断更新进步，且还存在一些可以研究工作值得进一步推进，具体如图3所示。

X射线诊断技术

X射线诊断不同于临床核医学诊断，不需要在生物体内注射放射性核素，而是通过生物体外的X射线源发射X射线对生物组织结构进行精细成像。

常用的成像手段有CR(Computer Radiography)计算机摄影、DR(Digital Radiography)数字摄影和CT(Computer Tomography)计算机断层成像等。

1981年日本富士公司首先推出了商业CR设备。DR成像系统也几乎是在同一时期被提出，甚至早于CR。由于DR较昂贵，价格约为CR的3倍，CR得以率先推广。CR采用的存储荧光体（IP板）成像，也称为间接数学化X射线成像技术，类似于胶片成像过程需要洗片。而DR采用平板探测器或荧光板CCD摄像机直接将X射线光子转换成数字信号。成像转换环节少，减少了噪声、图像质量高，曝光剂量较低，甚至可以动态成像（DR采集一幅2kx2k的图像约10ms，5s成像；DR 的拍片速度快于 CR，拍片间隔为 5s，直接出片。CR 拍片间隔1 min 以上，从摄影到胶片显像需3 min。）。目前DR设备正朝着小型化、高分辨方向发展，故而半导体探测器的应用是其必然选择。随着半导体探测器技术的发展，DR设备越来越轻便可为不可移动病人进行检测。目前全国DR厂商130~150家，年新增整机总量达15000台。

CR和DR均只能获取二维图像。为获取生物组织三维信息，CT得以提出并迅速发展。X射线CT经历了40多年的发展, 从早期的单排往复式CT发展到螺旋CT, 直到目前最先进的多层螺旋CT。现今的亚秒（<0.2s）螺旋CT能达到640排；低剂量条件下的投影域能谱数据分解方法，能够进行单能量成像和物质化学组成鉴别，能够实现高速大容积 CT 的空间分辨率 14lp/cm，重建速度大于30 帧 /s。为克服CT技术对生物软组织成像不佳问题，采用多能X射线以获得更佳组织结构区分能力。图像重建方法由解析重建方法、迭代重建方法发展到基于深度学习的图像重建方法。低剂量、多能**CT**和基于深度学习的智能图像识别算法是目前的研究热点。目前国内CT设备保有量为2万多台，每百万人口CT设备拥有量约14.9台。国内的联影、东软公司和安科高科技公司等制作的多排螺旋CT设备已经达到国际先进水平并且远销海外，但国内主要市场大半仍被西门子、通用和东芝等的外国公司所垄断。

临床核医学诊断

临床核医学诊断以放射性核素(药物)在体内的分布作为成像依据反映人体代谢、组织功能和结构形态。上世纪50 年代初问世的直线型扫描机开创了核医学影像的历史，经历了半个多世纪的发展，伽玛相机(γ相机)、单光子发射计算机断层成像(SPECT，Single-photon Emission Tomography)和正电子发射计算机断层成像(PET，Positron Emission Tomography)等设备相继问世并在各大医院得到普及。

γ相机采用像素级的γ探测器对生物体内的核素分布进行成像，像素灰度值的大小反映探测到的γ射线的强度。γ相机的类型较多，可分为Anger相机、针孔相机、编码孔相机和康普顿相机等，分别基于电子准直技术和机械准直技术。编码孔相机成像速度比针孔相机成像速度快数十倍。由于采用机械准直技术的γ相机射线利用率低成像速度慢，目前研究热点集中在两个方面，一方面改进编码孔成像技术，另一方面研发高性能电子准直的康普顿成像技术。

二维成像的γ相机无法实现人体内三维核素分布的成像。SPECT和PET是核医学的两种CT技术，都是对人体内发射的γ射线进行成像，也统称为发射型计算机断层成像（ECT，Emission Computed Tomography）。只是SPECT和PET注射的核药种类不同。SPECT注射发射单个光子的核药（如，99Tc），而PET基于正电子湮灭原理，注射11C、13N、15O、18F等缺中子核素。由于11C、13N、15O、18F是生物有机组成的主要元素，故而PET可以检测人体的各种生理变化。单光子成像设备（SPECT和γ相机）全国装机总量625台左右。PET设备昂贵，检测费用高昂。一台PET设备价格1000~3000万不等，在享有医保的条件下一次检测费用8000元左右。目前，PET国内医院装机总量300台左右。PET采用符合采样方式，全身检测时间约2分钟。引起PET成像误差的因素较多：药物活度的快速衰变、高计数率造成的随机符合、人体吸收衰减和散射等。PET衰变、散射和随机符合等的校正方法均值得深入研究。

随着医学对疾病认识的深入，一个全面的临床诊断通常需要了解以下问题：（1）病变的形态学情况；（2）病变的生理功能情况；（3）病变的组织定征，如心肌组织是坏死还是冬眠；（4）病变组织的定性，如肺部阴影是否是肿瘤；（5）病变的分子生物学特征。要回答以上问题，不是一种显像设备能够解决，各种影像设备均有不足。CT能够对生物组织进行精细成像，但无法反映病人生理、代谢方面的情况。MR具有很高的软组织对比度分辨率，擅长脑、神经、血管等器官组织成像，能提供解剖学信息。PET能够观察病人的代谢和功能情况，然而图像空间分辨率比CT和MR均要差，解剖定位困难。故而，多模式复合成像系统是发展趋势，如PET-CT、PET-MR、SPECT-CT等。

核医学影像数字化和多模复合成像系统是必然趋势，主要研究内容包括：①低剂量成像方法；②稀疏采样图像重建算法；③基于深度学习的智能图像识别算法；④多模成像图像融合方法；⑤射线衰减校正和散射校正方法；⑥成像系统/设备/部件的研制等。