影像技术新进展 北京天坛医院 戴建平

影像技术新进展
北京天坛医院 戴建平
放射诊断学这个学科从创立到今天，也仅仅是100来年的历史，在这100年当中，X线的应用、成像技术不断变化更新，非X线的成像信号源，如核磁、PET、SPECT等，在临床中广泛应用，说明了放射诊断学的进展非常迅速。特别是近10—20年来，知识经济初露端倪，要对某些事情做出准确的预测是非常困难的。本文与其说讨论21世纪的发展趋势，倒不如说讨论10一20年来，或未来的10一20年内可能会出现的一些诊断方法。
常规X线技术的进展
在目前临床放射诊断学中，首诊选择的检查手段：X线约占48％，CT占11％，磁共振只占首选方法的3％，在我国透视检查可能多一些，而国外根据WHO建议，应用的比较少只占3％。还有3％是超声，再有就是核医学占8％。现代放射诊断学手段，如CT、磁共振、超声、同位素，基本上都是数字影像，而传统X线检查是模拟影像，因此如何使传统放射诊断影像数字化，是我们面临的一个挑战。
传统X线检查数字化，可分为使用传统X线胶片，然后进行扫描使之数字化的方法。也可先使用影像增强器得到模拟信号，进行模数转化后，再转变为模拟信号输出，如血管造影DSA的方法。近来，在传统X线检查数字化中涉及更多的是另外二种办法，CR(Computer
Radiology)和DR(Digital Radiology)技术的应用。
CR即影像板技术。它使用影像板取代传统X线胶片接受X线照射，影像板感光后，激光扫描感光的影像板可得到数字化X线图像。DR即电子成像板技术。电子成像板由大量微小的X线感光元件，排列而成，X线曝光后，可直接将X线曝光量变为数字信号，是直接的数字化图像。总的来讲．在传统X线胶片数字化中，包括使用光板技术的CR和使用电子成像板技术的DR。其优点：不仅图像清晰，而且可以进行图像后处理，例如调节图像的窗宽、窗位来显示特定的组织，它的另一个好处还大大减少了病人的放射线剂量。
DR技术近来还被应用在心血管检查中。但应用范围比较窄，DR可自动降低脊椎和肋骨密度值，而不影响血管造影中血管的显影，图像中保留的骨骼还有利于标记血管的位置。在血管造影中，显示的正位像和侧位像都是数字影像，所以很容易转化为三维的图像，在不同的角度显示血管结构。
传统X线检查方法的进展，就是使用了数字影像。就是在射线源不断改进的同时。如何更好的接收，并处理X线信息。传统方法使用X线胶片，今天使用了感光板，和电子板技术，即CR和DR技术。因此，X线图像由过去的模拟量显示，转变为数字化输出，这样，图像后处理方法更加丰富和多彩。
CT技术进展
CT的技术进展主要在从两个方面，一个是多层螺旋CT的进展，再有一个是常规CT的设备进展。
常规CT也应该说实际上低价位高档次，很多低价格常规CT拥有2—3年前高档CT功能。如GE航卫在北京年产的螺旋CT500台，扫描速度一秒一层CT，其中出口400台，所以应该说中国是世界生产CT的大国之一。中国的生产的CT在某种意义上是GE医疗低档化经
济型的CT产品。同时，国内已经研制出自已的CT，如东大阿尔派，扫描速度也是一秒一层的螺旋CT。同时，西门子也在今年四月投入市场，价位在160万人民币的CT新机型。现在的CT产品中，必须要具备完善的功能，同时还要强调它的性能价格比．必须具有较高的性能价格比。
多层螺旋CT是现代技术的结晶，或者说是代表着现代CT的最高水平。多层CT是通过横轴扫描三维采集数据，可以进行多种方向的重建。三维扫描技术目前应该说是非常成熟的．它主要的特点就是比较高的空间和时间分辨率．以及高质量的***重建图像。高质量的CT图像主要表现为各向同性。各向同性是指在横轴三维采集数据后，重建出的轴位像、冠状切面、和矢状切面都具有一致的空间分辨率。所以在任意方向重建出的图像质量都是一致的。多层CT的另外一个特点就是扫描覆盖范围大，可以一次完成胸腹部扫描。多层CT使用高分辨率各向同性三维数据，可以进行多种多样的后处理，如显示肿瘤与血管的关系。对一些大血管和器官进行三维的检查。
多层CT扫描速度较常规CT有大幅度提高，扫描机架旋转产生大约13G的离心率。由于扫描速度快，可以对搏动的心脏进行成像，对冠状动脉及其分支的钙化进行定量的诊断。判断冠心病程度和预后。使用图像后处理技术，对冠状动脉曲线重建，是它显示在同一个平面
上，这样可以清楚的看到冠状动脉的狭窄、管腔不规则和钙化。由于是无创伤性检查。病人更容易接受，可用于体检或筛查。我们不仅能够显示冠状动脉和冠状动脉钙化，还能通过三维重建中的虚拟内窥镜技术从冠状动脉管腔内观察血管的狭窄程度，不仅为诊断而且为治疗提供了一条非常好的、从血管内观察血管狭窄和血管钙化的方法。
多层螺旋CT在技术的出现了许多突破。我们希望CT能够更短时间内扫描更大的范围，换句话来讲，就是所能扫描的解剖范围越大越好，而且图像质量必须得到保证。因而对于CT技术的要求就是在最短的时间内，得到最清晰图像的同时，尽可能地加大检查范围。从扫
描时间，图像清晰度，和扫描范围三者之间的关系上讲，清晰度要求过高，扫描范围或扫描速度就会下降，反之提高扫描速度，扫描范围加大，清晰度就会降低。多层螺旋CT在快速薄层扫描的基础上进行图像重建。每次同时扫描2—16层，于常规扫描相比，在相同的扫描条件和图像质量的前提下，扫描速度提高了2一16倍，扫描范围可相应增大。多层螺旋CT扫描中，使高清晰度图像，快速扫描，最大扫描范围三者之间的矛盾得到解决。
螺旋CT在临床中具有薄层，大扫描范围，多时相的特点。扫描速度提高，在增强扫描中可以显示造影剂的动脉期、毛细血管期和静脉期增强，可以做到多时相扫描。在颅内脑膜瘤增强扫描中，显示动脉期增强的动脉血管和毛细血管期静脉期增强的脑膜瘤之间的关系，显示脑膜瘤的供血及血管的情况。
在今后10—20年之内，或者说是在10年内，CT技术会出现什么新进展哪? 我们一开始就提到．现在常规X线使用电子板技术取代X光胶片，那么，CT扫描系统也使用平板探测器。取代正在应用中的单排或多排探测器呢?如果使用平板探测器，CT每次扫描将不再是单层或多层扫描，而是某个特定解剖范围的整体扫描，这项技术称为容积CT扫描(Volume CT)。有些公司已经在这方面进行了开发，GE已经制造出的容积CT扫描的雏型机，日立公司也在使用影像增强器来进行同样的研究。在今后的一段时间内，CT主要发展方向就是容积CT扫描。
目前多层CT非常昂贵。目前正在开发二层CT．以便为医院所接受。同时还在进行8层和16层的研究，但并没有急于推向市场。我认为其中主要的原因是价格而非技术问题。日前的问题是要开发开发市场能够接受8—16层CT。
多层CT从下颌到踝骨的扫描可以显示700多张图像，对放射科医生的挑战是你如何阅读这批片子，分析图像。无论扫描出多少层图像，都要一张一张的去读片分析。过去lO毫米一层扫描中，头颅CT扫描包括12个层的图像。如果是l毫米一层就会有120个层面，每个层面都要仔细阅读，所以对临床来讲是挑战。有没有新读片的办法这也是一个挑战。另外，病人和临床医生如何得到并拥有这些图像，图像存储和传输必须也要有新的技术。
所以，容积CT必然要在这些方面来取代多层CT。虽然多层CT在技术上是成熟的，但价格．读片，图像传输和利用等方面存在一些问题。常规CT具有很好的性能价格比，低档CT机已经使用了螺旋技术，以及过去高档CT中使用的图像采集和后处理技术。螺旋技术越来越稳定，X线管球也是更加可靠。其他的一些新进展包括CT和介入、血管造影和透视的一体化设计的应用，低辐射剂量透视，智能化设订扫描参数等。
CT技术的新进展在现阶段和可以预见的未来，与磁共振一样，主要应用在两个临床领域：中枢神经系统和心血管系统。首先我们讨论CT的血管成像。在CT的血管成像中，可以三维动态显示，如动脉瘤蒂，观察动脉瘤和载瘤动脉的关系，肿瘤的富血管程度和周围血管的关系，观察颅骨结构的同时显示颅内血管。总之使用三维重建技术，可以从任意角度观察病变和组织结构。既可以透视，也可显示表面结构和深层架构及其关系。CT血管成像是有价值的。除了显示大血管之外，CT还可以显示毛细血管染色情况，即CT灌注成像。毛细血管结构主要通过团注造影剂后，显示毛细血管内造影剂通过时，引起的脑组织密度改变情况而显示的。造影剂到达毛细血管之前，脑组织的密度是一定的，团注的造影剂到达脑组织后，脑组织密度逐渐升高，并在达到密度峰值后逐渐下降，并恢复到造影剂到达之前的水平。将不同时间不同的密度值连成曲线，即可得到造影剂通过脑组织时的时间密度曲线。在临床上我们主要取四个点来评价这个曲线，一是峰值时间(PT)，是指造影剂从开始增强到脑组织密度最大时需要的时间。二是平均通过时间(MTT)，是指造影剂全部通过脑组织所需要的时间，可根据时间密度曲线计算得到。三是局部脑血容量(rCBV)，根据曲线下方封闭的面积计算出的。四是脑血流量(rCBF)，就等于脑血容量除以MTT。
CT灌注成像，它主要是通过PT，MTT，rCBV和rCBF等指标来观察毛细血管内的造影剂浓度的变化，通过这些变化评价病变。这些指标都是通过时间密度曲线计算出来的。是一种数字指标。如果我们根据图像中所有像素的时间密度曲线，计算出所有像素的上述四个指标，就可以得到脑组织的PT图，MTT图，rCBV图和rCBF图。灌注成像的基础就是评价造影剂通过脑组织时的时间密度曲线。
CT灌注成像与MR灌注成像比较，主要临床优势在于相对简单易行，且适于急诊检查。从临床角度来讲，在早期脑缺血病人中，常规CT主要用于显示脑内是否出现血肿，如果没有血肿，则按照脑缺血进行治疗，但实际上常规CT在缺血发作12小时之内并没有直接显示脑缺血的部位和范围。在CT早期诊断脑缺血上，CT灌注成像对临床是非常意义韵，可以证实缺血区域的灌注不足。
在目前临床CT检查应用中，近年来的新进展包括三维检查、多层CT、CT血管造影、CT灌注成像等技术，这些新技术将对目前和今后临床CT检查产生很大影响和变化，常规CT检查所占的比例将出现较大幅度的下降。CT血管造影技术将用于介入手术的监视，临床应用也将大幅度增加。
磁共振的新进展
磁共振在近年来技术进步最多最快。从市场角度看，最看好的是开放性磁体磁共振成像系统，它不仅可以扫描出高质量影像，也可以进行介入检查和治疗。
磁共振检查技术在未来数年内将有更进一步完善，如快速实时成像，磁共振功能性影像，显微磁共振成像，以及同质同性抑制技术。
实时成像就是人体进行功能活动的同时成像，通过实时成像可以显示出功能活动时体内组织结构的相应活动，从某种意义上讲是磁共振透视检查。通过实时成像技术，我们有可能进行磁共振实时血管造影，介入检查，和功能成像。例如，通过我们实时检查，可以观察动脉造影剂注射到动脉内，并逐渐到达静脉，这样，不仅可以通过解剖位置区别动脉和静脉，还可以使用实时成像中的时相来区别动脉和静脉。
实时的功能性磁共振检查也成为可能。功能磁共振目前临床中主要应用脑组织血氧水平依赖法(Blood—Oxygen—Level—Dependent，
BOLD)。脑组织内含有丰富的毛细血管，是脑组织与血液进行物质交换的部位。在脑组织毛细血管内含有含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白，脱氧血红蛋白在高场磁体中具有磁化敏感效应，可使脑组织的T2*信号下降，而含氧血红蛋白不具有磁化敏感效应，不使脑组织信号产生变化。这样，在含氧和缺氧血红蛋白之间造成了一个天然的信号对比。我们利用各种功能刺激，如手指运动，语言活动，声音刺激，视觉刺激．甚至疼痛刺激，相应功能区的动脉血供应就会相应增加，使功能区脑组织内内含氧血红蛋白增加，脱氧血红蛋白的磁化敏感效应下降，使功能区信号升高。换句话来讲，脑组织没有功能活动时，毛细血管内的脱氧血红蛋白是脑组织信号降低，功能刺激后，新鲜血液动脉血增加，含氧血红蛋白增加，脱氧血红蛋白含量相对减少，使功能区信号增高。我们把有无功能活动的脑组织信号进行比较．就可以得到脑功能图像。在功能扫描中使用对磁化敏感效应十分敏感的T2*加权像，在T2*加权像当中，利用了脱氧血红蛋白和含氧血红蛋白之间的磁化敏感差异，从而检出功能信号。然而我们得到的功能信号实际上并不直接来自功能区的功能活动．而是来自功能活动引起的毛细血管内甚至是小静脉内的血液供应的变化．并不是脑实质的变化和真正功能区。
BOLD法功能磁共振成像的临床应用应该说多种多样的，如标记肿瘤与功能区之间的关系，其临床意义在于在明确了功能区之后，可以最大程度的切除肿瘤的同时使功能区得到保护。使用功能成像可以显示出功能区的个体化差异。功能区脑肿瘤常常是功能区受压移位，
脑沟回的解剖出现变化，有时很难去确定某些沟回的位置。使用功能图像可以提示功能区的位置，为临床中个体化优化手术方法，尽可能地保护功能区，最大限度地切除肿瘤，提供了直接依据。针刺活检中，对于如何回避功能区也提供帮助。
核磁共振的弥散成像在临床中的应用。在临床中我们将脑水肿分为三类：血源性水肿，细胞毒性水肿和间质水肿。细胞毒性水肿，主要出现在急性脑缺血的脑组织中，主要表现在灰质细胞受累肿胀。当出现脱髓鞘病变时或脑内肿瘤引起的水肿，主要为血源性的水肿，这种水肿主要出现在白质纤维之间，换句话来讲，它并不累及灰质细胞或白质细胞，而是存在于白质纤维周围。渗出性水肿主要出现在脑室周围的白质纤维之间。根据水肿与细胞之间的关系，可将水肿分为两种：细胞内水肿和细胞间隙水肿。细胞内水肿也叫细胞肿胀，这时细胞内的水弥散运动由于细胞膜的存在而受限。细胞间隙水肿主要是细胞和细胞之间的间隙出现水肿，水分子弥散运动的自由度相对较大，基本没有不受限制。
在磁共振弥散加权像扫描可以鉴别弥散受限的细胞内水肿受限和弥散不受限的细胞间隙水肿。脑组织细胞内水肿表现为高信号，而间质水肿没有信号增高，而脑室内的自由水表现为低信号。急性脑缺血早期由于缺血部位细胞内水肿而在弥散加权像上表现为高信号，有利于脑缺血的早期诊断。在陈旧性梗塞中，由于陈旧的缺血组织软化液化，在弥散加权像上表现为与脑脊液信号相似的低信号。在鉴别蛛网膜囊肿和表皮样囊肿中，蛛网膜囊肿的信号与脑脊液相似，而表皮样囊肿者表现为高信号。弥散加权像可由于鉴别囊性病变的性质。
脑组织内的水分子倾向于沿着白质纤维的走向弥散，使用弥散加权像可以显示白质纤维的结构和走行方向，用来标志出是白质纤维的投射方向，这样就可以区分出左右走向的胼胝体纤维和上下走行的投射纤维放射冠。在弥散成像中显示白质纤维的结构和病变，在影像诊断学当中是一个飞跃。
磁共振脑灌注成像的原理与灌注CT成像一样，通过静脉团注造影剂，观察造影剂的磁化敏感效应导致的脑组织信号变化的过程可以绘制出的时间信号强度曲线，再根据这个曲线分析脑组织的灌注情况和灌注图像。
在早期脑缺血中我们可以使用多种MR检查手段。MRA可以显示脑供血动脉闭塞，T2像在缺血一段时间以后可以显示动脉供血分布区的高信号，弥散加权像和弥散系数像可以显示出相应的缺血改变，脑灌注成像显示出缺血区的灌注下降，表现为PT和MTT延长，rCBV和rCBF下降。
在诸多显示缺血的方法中，对于缺血的评价主要是从三个方面进行的，第一是局部脑血流的降低。血流下降的原因不论是血管狭窄或闭塞，不论是大脑中动脉或大脑后动脉闭塞，侧支循环存在与否，对于缺血区域来讲，毛细血管的灌注程度是降低，所以对急性脑缺血第一个观察应该说是血流。在评价血流中一是观察供血动脉，另一个是观察毛细血管血流量，可以做到半定量的诊断。在评价脑组织血流状态时，脑灌注MR扫描的时间密度曲线是非常重要的，反映出脑缺血是最早出现的改变，即脑血流量下降，MTT时反应脑缺血最灵敏的一个指标，在供血代偿状态下即可表现为MTT延长。第二是细胞肿胀，由于缺血造成的钾钠泵失调，ATP的下降，以及代谢产物改变引起。缺血早期的细胞肿胀时并没有发生细胞坏死。此时只能通过弥散图像显示细胞肿胀。在观察缺血组织带血产物变化中，MR波谱研究是非常重要的，可以发现某些异常物质的异常波峰。随着缺血时间的延长，细胞肿胀直至细胞破裂，出现血源性水肿，即细胞外水肿。第三就是评价血源性水肿，此时已经出现不可逆的缺血损伤，主要的影响观察方法是FLAIR。
早期脑梗塞中，最早出现和最重要的表现就是局部脑血流量的改变，脑血流量下降初期可能并没有细胞形态的改变，细胞主要通过无氧糖酵解维持细胞的形态和功能。而后随着缺血时间的延长或脑血流量进一步降低，就会出现细胞肿胀和某些代谢产物蓄积，最后细胞的坏死破裂。现有的手段可以在缺血的最早期显示相应的变化，使我们有可能正确判断早期的缺血可逆性。
正常人脑每分钟每百克脑组织脑血流量在60一lOOml。在脑组织血供下降到每分钟每百克脑脑血流量41ml时，弥散加权像可以显示出缺血改变。而MTT可能还早，即使脑血流量是正常的，只要出现脑毛细血管的缺血性代偿性扩张，就可以观察到MTT延长。缺血程度进一步加重，就会出现无氧糖酵解引起的乳酸盐蓄积，在MRS中可见到相应的波峰。
在缺血过程中。局部脑血流量和缺血时间在缺血损伤中是非常关键的，将决定缺血脑组织是否出现不可逆的缺血损伤。我们使用灌注MR观察血液动力学改变，弥散MR观察缺血细胞的肿胀。MRS观察的乳酸盐的异常，T2显示坏死的缺血组织。但在梗死核心和正常组织之同存在着半暗带。半暗带的神经元的正常活动园缺血已经停止，但还没有出现神经元坏死，它是可逆性的脑缺血损伤，如果不能及时恢复向半暗带的供血，将是半暗带缺血组织发生不可逆缺血损伤。评价的脑组织缺血损伤的可逆和不可逆和血流量有关缺血的时间有关。近年来，在灌注MR和弥散MR对脑缺血的评价中。弥散MR主要显示出已经发生梗死的部分，而灌注MR异常显示出梗死和缺血半暗带的总和。
使用MRS可以观察缺血区的乳酸盐的聚积，在MRS上表现出相应的波峰。如果我们每一个像素乳酸盐的波峰波谱的大小和幅度进行数模转换，使用数字信号表示，那么，我们就可以得到一张乳酸盐波谱图，这项技术就叫MRSI。我们不仅可以对乳酸盐，也可以对肌酐、胆碱等进行波谱成像。将渡谱图与常规MR图像叠加融合，我们就可以同时观察解剖信息和代谢产物信息。
磁共振的另外一个发展方向就是心脏和大血管成像。使用门控技术和快速MR实时成像，可以显示心脏的搏动状态。显示心脏和大血管的主动脉弓狭窄，左右侧冠状动脉和心肌运动，瓣膜开闭，血液的搏动，心肌病理状态下的反向运动。我们可以使用方格标记心肌的运动。观察心肌收缩时方格运动是否同步。也可以使用心肌的灌注成像观察心肌缺血情况。从1980年磁共振的开始应用在心血管系统直到今天，应该说，我们经历了一个单纯的形态学．电影快速成像，灌注成像的过程．但目前我们仍未能完全满足临床的要求，需要进一步完善各项技术。
磁共振成像脉冲序列的应用。应该说我们由过去单纯使用传统的经典磁共振检查技术和脉冲序列，分量级的成像，到现在已经了使用改良的磁共振技术和脉冲序列，毫秒量级的成像，根据临床的需要在扫描时间和扫描速度两方面对脉冲序列进行改进。这也说明磁共振成像系统的磁场强度固然重要，但射频场的应用和设计也是非常重要的。最新的一系列磁共振技术进步，主要都是通过射频场和与之相匹配的脉冲序列的改进而实现的。
血管成像上也出现了明显的进步。使用三维CT虚拟内窥镜重建出血管内影像，那么，我们能否直接对血管内结构的成像呢?新的磁共振接收线圈可以安放在导管顶端，将导管插入血管内就对邻近的血管结构成像，可以清楚显示血管内的结构和血管内膜。对早期观察血管内膜的改变，为预测整个血管今后的演变提供线索。同时也为MR介入治疗提供了一种手段。
西门子生产PET和CT一体机，在PET功能图像扫描的同时，进行CT的解剖图像扫描，然后将两种图像融合，即可观察解剖结构又能显示功能信息。融合技术广泛应用，如前列腺癌的治疗。将磁共振的解剖影像和磁共振波谱图像融合，来评价前列腺癌治疗的结果。在近些年来．磁共振不同检查技术的融合显示正在逐步推广应用。
脑磁图显示的是脑内的磁场状态。将MR解剖影像与脑磁渡谱像融合在一起。即可显示异常的脑磁波谱和相应的解剖位置。与脑电图比较，病变的脑磁改变要早于脑电改变，为我们提供了一个早期诊断颅内病变的方法。在过去很长的时间内，病人通常坐着进行脑磁检查，头部不易固定，轻微的移动将影响检查结果。新机型中病人仰卧接受检查，大大提高了检查的适应性。
在今后的5—10年，甚至下一个世纪当中，我们很难预测将出现哪些新的成像信号源，目前来讲我们已经认识到的信号源包括含氧血红蛋白，脱氧血红蛋白，温度等。
PACS系统
放射诊断学手段可以使我们用多种方法和手段观察显示病变，病人的图像和检查较一二十年前明显增多，因此．我们必须要有一种新方式来管理，传输和使用病人的影像检查结果。基于计算机网络技术的PACS系统，也就是图像的存贮和传输系统，在此方面为我们提供了帮助。PACS系统主要分成三大部分，一个是图像获取系统，一个是控制系统，还有一个是显示工作站。一般的PACS都与放射科的各种成像设备，医院的各临床科室之间联网。不仅能够通过现有的设备诊断并存贮检查结果，而且还能传送到分布在各个临床科室的终端上，并进行打印和后处理。PACS为医院中使用大数据量影像检查，如多层CT提供了基础。
如何使用PACS?如今影像诊断学的意义是诊断和鉴别诊断，还是为临床手术、模拟手术和手术入路设计服务的呢?这些三维显示技术主要是为了临床需要，并不是诊断需要。如何能使三维显示中的大量图像和数据应用于临床中呢?只能使用PACS。PACS从整体概念上讲，将改变现在放射科的组成。PACS关系到放射科在整个医院诊断链和治疗链当中的地位。PACS现在主要是为临床传输诊断和治疗必需的图像资料，将来可用于图像传输后的远程诊断。放射学会和中华医学会和东大阿尔派在天坛医院租用了卫星频道用于远程会诊。