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当前位置:电子发烧友网 > 图书频道 > 仪器 > 《医学影像设备》 > 第1章 医学影像设备总论

第4节 相关学科的发展对影像设备的促进

一、相关学科的发展进程
    1.晶体管、集成电路与计算机
    进入21世纪,将是现代电子龙8娱乐城官网、计算机和网络通讯、信息共享的腾飞时代。晶体管发明于1947年,集成电路产生在1958年,第1篇激光经典论文发表在1966年。半个世纪来的电子科学世界已发生了天翻地覆的变化,如今世界上集成度最高的集成电路芯片上已集成了2000万个晶体管,最先进的微处理器上集成了1000万个器件。不久前加利福尼亚大学的科学家宣布研制出体积最小的晶体管FinFET,其栅极长18 nm,宽度仅为100个原子,采用这种龙8娱乐城官网制造集成电路,理论上还可使芯片上晶体管的数目再增加400倍。目前的中央微处理(CPU)的主频已至1GHz(每秒振荡10亿次);美国IBM公司的第6代巨型计算机G6,每秒钟可运算16.14亿次;日本理化研究所研制出的超级并行计算机WINE2的运算速度已达到10万亿次/秒。以上数字正被不断刷新!多年来的实践证明,集成电路一直遵循着著名的穆尔定律:“每隔18个月 ,芯片的集成度和性能都会增加1倍”。随着制造工艺的不断改进,使得集成电路芯片的线宽不断下降(即将低于100 nm的宽度),集成度和性能还将不断提高。电子专家们预见:“ 越过传统的半导体芯片,即将进入纳米(尺寸)、纳安(电流)、纳秒(反应时间)的纳米器件新时代”。集成电路芯片性能的提高、计算机运算速度的加快,都会给医学影像的数字化龙8娱乐城官网带来强有力的促进,每一帧医学影像都包含着大量的数据,随着对医学影像的解像力 、像素数目和精度需求的提高,要求计算机的影像处理速度更要大大增快,而新型影像后处理软件的开发应用,如螺旋CT、MRI中的3维、4维重建,动态实时显示和功能测定等龙8娱乐城官网软件,都必须籍借着高速计算机处理才能实现。而巨大的医学影像数据也对网络传输速度和存储介质的容量提出了更高的要求。
    2.网络通讯与信息龙8娱乐城官网
    自从克林顿在1992年竞选美国总统时提出建设信息高速公路的构想起,世界各国纷纷响应,掀起了构筑全球信息网络的巨浪热潮,也造就了信息龙8娱乐城官网(information  technology)的新产业。人们对以往“知识在于积累”的格言有了“知识在于查询”的新认识。网络给人们的认识和生活习惯带来了巨大的冲击,对社会经济带来的影响有如另一著名的梅特卡夫法则:“网络价值等于网络节点数的平方”。同时网络也使我们从事医学影像工作前辈们的梦想 变成了现实,远程诊断、影像信息共享,在数字化、信息化和long8龙8国际pt化的基础上,迅速地走近了我们,即将变成每个医生的日常工作内容。影像信息的数字化龙8娱乐城官网正逐步取代模拟龙8娱乐城官网,光纤网络也将全面更新电缆传输方式,而对全球每年2亿以上的上网人次(正在快速增加)和日益膨胀的信息数据量,光纤通讯网络从初始的窄带低效走进了现在的宽带高速化,并且将由多色(多种波长的激光复合)宽带网取代单色(单一激光波长,如1?310 nm红外激光)传输网。现代超级“密集波分复用”龙8娱乐城官网,可在几十种波长的复合激光中取某一个波长窗口,再划分成100个以上的波段,单波段分别以每秒几十个G(千兆,1G=1KM)比特的速率传输信息。目前光缆的最高实验传输速率已达到2.64 Tb/s(1 Tb/s=1 KGb/s或1 MMb/s ,即1012 b/s)以上,这样的一路光纤即可让2500万人同时交换信息或同时传输10万路高质量医学影像信息。现在最长的海底光缆是法国电信公司所建设,达40 000 km。已在建设中的“氧工程”海底越洋光缆将连接175个国家,总长度达320?000 km,耗资140亿美元,由30个国际电信组织和各国政府部门合作建设。未来的光缆网络,不仅可以让我们迅速地传输单幅医学影像,还可以输送高像质、连续活动的实时医学影像,如介入手术的数字减影(DSA)实时连续影像等。
    3.激光与存储龙8娱乐城官网
    激光龙8娱乐城官网在医学影像学中的应用是多方面的,除激光成像机、激光调制网络(光缆)通讯外 ,医学影像存储的重要介质��光盘的应用也离不开激光龙8娱乐城官网,光盘的存储容量,目前以650Mbit为基本标准,在光盘尺寸不变的情况下,增大存储容量的主要方法是提高存储密度,而实现这一目的的根本手段是降低所采用激光的波长数值。所使用激光的波长越短,光盘的凹坑便可以制作得越小,单位面积上便可以容纳更多的信息。前些年一些公司研制出蓝色激光器,使得光盘容量大增,日本索尼公司研制出单面信息容量达12 Gbit的数字光盘,这是现有的数字视盘(DVD)容量的4.6倍(现用DVD为2.6 Gbit)。利用这种光盘可存储高清晰医学影像达5 000幅以上,存储DSA连续活动影像2 h左右。而世界上各大巨头公司还在研制光盘的双面双层(甚至多层)的影像记录方式,这将使一张光盘的容量再增加4倍以上。近年日本又研制成功可以商业使用的紫外线激光器,由于其波长更短(低于390 nm),如应用在光盘存储龙8娱乐城官网上,更能够大大提高光盘的存储容量。此外,德国科隆大学晶体研究所研究出一种用激光在晶片上存储数据的龙8娱乐城官网,在1cm2晶片上可存入3 Tbit(KGbit)数据,存储能力远远高于硬盘或光盘,它在3 cm×4 cm的面积上可存储36 Tbit信息,相当于220万册百万汉字的巨著,也就是说,在一个比邮票面积稍大的芯片上,可存入一座大学图书馆的所有藏书。更令人惊奇的是,这种方式的存取时间仅为硬盘的10万分之一。20世纪末生产的X-CT机器中的影像存储硬盘组,是由4~8块2G硬盘合并而成,总共不足20 G,而现在我们普通个人计算机的一般配置所用硬盘便达20G的存储容量,试设想,如采用上述几Tbit级的存储容量,会给医学影像的应用带来多么巨大的影响?!
    4.超导与量子计算机
    前面提到的现代集成电路的集成度,正随着线路宽度的降低和晶体管尺寸的缩小而迅速提高,但是集成度的继续提高将面临一些严重的障碍:①随着芯片上晶体管的数量增加,金属连线的数量及长度大大增加,使得信号延迟和干扰更严重;②芯片散热问题更加严重;③严重的量子隧道效应使得晶体管关闭时仍有漏电。为此,科学家们正在探索提高计算机性能的新途径,如超导计算机、量子计算机等。超导计算机的实现取决于超导龙8娱乐城官网的改进,现在的材料学龙8娱乐城官网正在试验高温超导方法,使超导材料脱离液氦的工作温度,进入液氮或更高的工作温度。量子计算机的理论在20世纪90年代初开始研究,20世纪末期,量子计算机的先驱之一��Bennett在英国《自然》杂志上声称:量子计算机将进入工程时代。它涉及到物理学 、数学、化学、电子计算机等诸多学科,现在已经提出的实现量子计算机的方法主要有利用核磁共振龙8娱乐城官网、离子阱龙8娱乐城官网或光腔QED龙8娱乐城官网3种。量子计算机主要具有以下优点:①具有并行计算的功能,可进行超快速运算。量子计算机的超凡能力在于量子能够同时处在多个状态,即一种叠加状态。对量子叠加状态的操作,意味着对多个数字同时进行多路操作运算,这样量子计算机通过一个处理器就能同时进行多种运算,即具有量子并行计算的功能,从而大大提高了量子计算机的运算速度。如一个400位长的数字,要对其进行因子分解,即使采用目前世界上最快的巨型机也需要10亿年时间才能完成,而用量子计算机,则1年时间就能解决,其速度高出10亿倍;②用量子位存储信息,使存储能力大大提高。在现有的计算机中数据是用二进制位存储,每位只能存储一个数据,即“0”或“1”。量子计算机中数据是用量子位存储的,由于它具有量子叠加效应,一个量子位既可以是“0”或“1”,也可以是“0” 和“1”的叠加。因此,同样长度的存储位,量子计算机的存储量比普通计算机的存储量大许多;③可大幅度缩小体积。由于组成量子计算机的各元件是由一些很小的原子构成的,其 体积不到现有同类元件的1%,因此量子计算机的体积将大大减小。
    5.分子影像新探索
    尽管近20年以来,医学影像诊断出现了X-CT、MRI、SPECT、DSA、PET等新型成像手段,它们可以从不同角度去分辨人体内的形态结构,但诊断的基础仍然是人体解剖学和病理学,依然难以对人体细胞的良性与恶性病变作出早期的准确判断,往往还要通过光学显微镜(LM) 或电子显微镜(EM)做离体细胞学或病理学上的诊断才可能最后确认。目前的肿瘤治疗主要 有外科手术、介入手术、放射治疗和药物治疗,每种方法各有利弊,均不够完善。尤其在人 们所期望的早期诊断治疗方面,更大的希望寄托在基因的表达和治疗方法上,而分子影像的 尝试为基因表达建立了一条新的途径。所谓分子影像是采用某种分子探针插入人体细胞内, 在遇到特定分子或特定基因产物后,能发射出可以被PET、MRI或红外线探测器接收的特殊信号,间接地显示出分子影像、代谢影像或者基因转变影像。分子探针有多种形式,可以是某种酶或其他示踪标记物,目前尚处在实验研究阶段之中。如能走向成熟,有可能会对目前概念上的影像诊断学带来新的革命。
    二、现代影像设备的概况和发展趋势
    现代医学影像设备总的发展趋势是:在性能上继续提高;在功能上不断拓展;从整体上相互融合,于种类上各自分化拆细;在龙8娱乐城官网上向数字化发展;诊断与治疗双方彼此靠拢。
    1.性能方面的提高
    各类影像设备都在努力开发最新龙8娱乐城官网,提高成像质量,缩短成像时间。如X-CT设备已经普遍地采用了多层滑环螺旋扫描龙8娱乐城官网,从而提高了影像信噪比,改善了低对比度分辨率和空间分辨率,与原有的单层扫描CT机相比提高了1倍,最高可达到24LP(线对)/mm。与此同时又加快了扫 描采样时间,使每层扫描时间最快达到了300 ms,较单层扫描时间1~2 s大有提高。在X-CT 透视系统中,已可达到6~8幅/s的显示速度,向着实时显示连续成像逐渐迈进。而多层滑环扫描龙8娱乐城官网的运用还能在保证成像质量的情况下,有效地降低X线的剂量(达40%以上),这样既可以减少对患者的辐射损伤,又有利于延长X线球管的有效使用寿命。类似在US成像仪中,机械扫描探头在减少,相控阵电子扫描探头开始采用密集式晶阵龙8国际下载,使扫描线倍增,同时辅以动态扫描、动态聚焦等新龙8娱乐城官网,也使US的成像清晰度获得提高。目前MRI设备在提高成像与重建速度的努力下,MRI透视的最快重建显示速度已可达到20幅/s,接近于实时成像显示。新的机型则采用了大矩阵采集原始影像,这需要强大的计算机存储与处理能力,不少MRI已达到1024×1024甚至2048×2048矩阵,这意味着较之普通机型的512×512矩阵增加了4~16倍的像素信息。在ECT设备中SPECT开始采用以往只在PET中才应用的多探头龙8娱乐城官网,以2~3个探头采集单元的信息,从而将探测灵敏度和成像质量大大提高,信息采集时间大幅度缩短。常规X线机已经较普遍地对高压发生器改用了中、高频龙8娱乐城官网,以求产生X线的波谱愈加趋于狭窄(单色性好),提高影像质量。
    2.功能方面的拓展
    借助于各种新型软件的开发,影像设备的功能正在不断拓展,使之在临床及医学研究领域的应用愈加广泛,如X-CT机中的仿真内窥镜(virtual endosopy)、表面重建(surface rend ering)、容积再现(volume rendering)显示等龙8娱乐城官网,充分展示了影像信息后处理的强大功能。而专用软件包也成了现代影像设备的一大发展趋势,如X-CT机专用的血管成像(CTA )软件可使显示的血管实施减影、赋以伪影;肿瘤学专用软件包,可将诊断与放射治疗计划良好地匹配,还可进行放疗前后效果的定量比较;胆系成像(CTC)软件可使用导航龙8娱乐城官网,实施内窥镜观察和沿管径长轴的垂直方向重建;诸如冠状动脉成像、灌注成像、结肠成像、齿成像及组织容积与分段显示、3D、4D重建等专用软件包纷纷显现出各自的特色。在MRI设备中的各种专用软件包也陆续登场,如心大血管的MRI成像软件可以完善对冠状动脉的显示和实施导航内窥镜显示;床移血管成像可以在成像中让床位步进移动,从而得到分段的血管影像,经过拼凑即可得到整段血管影像;类似肺成像、水成像、乳腺成像、神经成像和心 成像,多维重建专用软件正在层出不穷,MRI显示信息的范畴已拓展到生物化学信息、代谢性信息 、分子生物学乃至基因信息。临床应用也有一些象肿瘤与炎症的鉴别、肿瘤复发的识别等自动分析软件推出。DSA应用旋转方式采集信息,经计算机处理后也可以显示血管的3维信息,实体立体透视,最新龙8娱乐城官网可以不采集“蒙片”,一次作出3维DSA成像,这种龙8娱乐城官网采用了“模糊成像”原理,既节省了成像过程的时间,又降低了检查时所需的辐射剂量。此外所有类别的影像设备在自动化、long8龙8国际pt化功能上都朝向一个方向发展:操作使用简易化。尽管性能提高,功能拓宽,但在操作者给出某个指令或设定出龙8娱乐城官网参数后,其余的自动检测、自动调整等执行过程,均可由设备中的软、硬件的紧密配合来协同完成。另一个方面给操作者提供的便利是考虑到医学影像设备升级换代频繁的特点,为使操作者尽量减少对新机型适应性的专业培训,现代化新型影像设备都形成一种龙8国际下载思想,即在不同档次的同类设备上使用一体化的操作界面,就象我们的个人计算机一直乐于使用的Windows操作系统一样,从Win3.X到Win2000,让人很顺适地过渡到高级产品。甚至某些生产厂家还将不同类型的影像设备如X-CT 和MRI都龙8国际下载成相近的操作界面,这无疑能使操作者可以更好地开发和利用设备的强大功能 。
    ⒊影像设备的相互融合趋势
    (1)不同类型设备间的融合 不同类型的影像设备,在龙8娱乐城官网进步的同时,有着相互渗透、相互融合的趋势,这主要表现在两个方面:①通过软件龙8娱乐城官网使不同类型的设备来完成相同的成像功能,这为医生诊断提供了对照性综合分析诊断的有利条件;②将不同类型的设备硬件组合在一起,实现两种或多种成像方式影像的同时建立(或及时切换),这给医生和患者都带来了方便,也给诊断与治疗的结合创造了机会。前者诸如:MRI和X-CT 都可以实施脑部灌注成像;MRI和正电子发射型断层成像(PET)均能实现脑部功能成像;螺 旋CT与电子束CT(EBCT)都能对冠状动脉钙化进行定量测量等;此外,不同设备对患者同一部位所成的影像,还可以在影像工作站上进行叠加比照,让医生充分施展综合诊断分析的能力。对于后者,不同类型设备的硬件组合,诸如:将SPECT或PET与X-CT、MRI相互组合,产生能做两种方式成像的复合型设备;将X-CT与X线C形臂透视系统一体化龙8国际下载,能让X-CT检查发现病变后,立即在原诊断床上进行C形臂透视导向,直接实施穿刺等介入治疗操作。
    (2)同类型影像设备中不同成像方式的融合 如在电子显微镜中将透射电镜(TEM)与扫描电镜(SEM)以及特征X线( characteristic  X-ray )的能谱分析(EDS )、波谱分析(WDS)等装置组合在一起。可以对同一区域做出内部结构、表面形貌、元素成分和含量的综合观察分析;在超声成像中将彩色多普勒血流成像与B型(brightness modu lation)、M型(motion time)显示特点组合在一起,可以结合形态显示表达出生理参数、运动状态及面积、周长和重量等方面的信息。为实现融合化功能,US成像中最多可通配有20多种探头以适用不同部位、不同信息的显示,当然这还需要设备软硬件的共同支持。
    4.专用化机型的拆细
    早期在常规X线机中,久已划分出专用机型,如胸片专用机、造影专用机、便携式专用机和床边C型臂等;US成像设备中有眼科、妇产科和心血管等专用机型的龙8国际下载。近年来在X-CT和MRI中也屡屡推出专用机型的龙8国际下载,如:X-CT机中专为不能仰卧病人龙8国际下载的水平方向扫描架机型,可容许病人保持坐位进行检查,体现出“以人为本”的现代龙8国际下载意识。MRI中已推广使用的头颅专用和心专用机采用高场强(达3.0甚至4.7T)龙8国际下载,以最优化的成像条件和机型结构,为获得复杂的神经系统和心血管系统的优质影像进一步作出努力;而骨与关节MRI 专用机型龙8国际下载为中、低开放型设备,为诊断与治疗的结合提供了最大的便利。
    5.数字化龙8娱乐城官网倾向
    当影像设备的硬件和软件都提高到一定水平之上时,数字化才能得到普遍的应用,从影像信息的后处理和信息传输通讯、记录存储的要求上看,数字化是医学影像龙8娱乐城官网发展的需要,也是未来的必然趋势。在各类典型影像设备中,X-CT、ECT、MRI和US在信息的采集处理之后, 已经是数字信息模式,可以很容易地进行信息间的处理与交流。其余设备由于成像方式的特殊性,影像建立的整个过程均为模拟形式(如X线、TEM和SEM),只有在信息采集或者采集后的再处理上加以“模拟-数字”方式的转换。但随着新材料、新方法和新装置的出现,各种条件正趋于成熟,X线机中已有CR(computed radiography)和DR(direct radiography )跃跃欲试,要替代100多年来沿用的感光胶片,使常规X线成像加入数字化阵营,随着其记录影像质量的不断改良,加之其数字化信号输出的先天优势,CR和DR在未来可能较有希望, 但是否还会有更新更佳的X线影像记录方法出现呢?让我们拭目以待。EM中的SEM近年来为实现影像数字化,从模拟影像信息的后处理上入手,借助现代计算机的强大处理能力,将高清晰度模拟影像经过采集处理和模/数(A/D)转换后,变成了数字信号。目前在新型的EM设备 上都装配有符合国际数字影像通讯标准协议(Dicom  3.0)的数字输出接口。
    6.为诊断与治疗的结合创造条件
    在结合诊断与治疗方面,医学影像设备也不断体现出积极的龙8国际下载思想,如前所述的常规X线机的床边专用机型、X-CT与C形臂结合的复合机型。US成像设备在近年来也推出了许多类型的专用探头,以充分发挥US的轻便、易操作、直观、连续和无损伤等众多特别优势,象适用于腹部、颅脑、静脉等穿刺手术的术中探头,辅以相应的软件支持,以最适合的影像显示和操作界面,让手术操作者在诊断和手术之间有机地结合、灵活地运用超声影像所提供的各种信息。再例如超声碎石治疗机与B型US设备的衔接,可在碎石的过程中非常清晰地显示出超声震波的声束在人体解剖断面上的轰击指向,以及碎石目标的细小变化,所以超声碎石的整个治疗过程都可以在US影像的监视下完成,且不会因US成像给患者带来丝毫不适或附加上不必要的辐射损伤。介入治疗手术的蓬勃开展,不仅在常规X线、X-CT和US成像中获得结合应用,近年来MRI成像设备也为其提供了新的施展场地,MRI制造厂商在机器龙8国际下载上采用了磁场开放型的龙8娱乐城官网方式,并在软硬件功能上更针对性地为介入手术谋求最大的便利,目前MRI设备在这一机型的制作中,正在不断积极地为拓展操作空间、完善MRI的实时透视功能而努力 。
    综上所述,医学影像设备在现代科学龙8娱乐城官网的推动下,业已获得长足的发展与进步,在诊断与治疗以至整个人类医学中占据着极其重要的地位,尽管它们价格昂贵,更新换代迅速,却仍然吸引着众多医疗机构不惜重金纷纷购置,不停地升级换代,足见其在临床应用中所体现的实用价值所在。