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醫(yī)學(xué)影像技術(shù)已成為臨床診斷、治療和醫(yī)學(xué)研究的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，各種各樣的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，使疾病的診斷水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。近幾十年來(lái)，在醫(yī)院臨床應(yīng)用的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備主要是X射線斷層成像（X-ray Computed Tomography，X-CT）、超聲成像（Ultrasonic Tomography）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）等。它們的廣泛應(yīng)用，為廣大患者病情的診斷起到了舉世公認(rèn)的作用。與此同時(shí)，它們自身也不斷發(fā)展和完善，性能和功能不斷改進(jìn)和提高，使得醫(yī)學(xué)圖像從形態(tài)到功能，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從平面到立體，從局部到整體獲得了很快的發(fā)展。

 

世界上的事物總是一分為二的，任何成像技術(shù)都不是萬(wàn)能的，以上得以廣泛應(yīng)用的每一種成像技術(shù)在顯示其優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，都存在某些方面的缺陷和不足。特別是，對(duì)于早期的病變，當(dāng)組織形態(tài)尚未發(fā)生明顯變化時(shí)它們是無(wú)能為力的。近年來(lái)，科技人員通過(guò)不懈的探索和研究，發(fā)展了利用電、磁、聲、熱等多種物理場(chǎng)耦合的醫(yī)學(xué)成像的方法，可以彌補(bǔ)上述傳統(tǒng)成像方法對(duì)早期病變?cè)\斷能力的不足。本文對(duì)這些醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展?fàn)顩r及其前景進(jìn)行討論。

 

醫(yī)學(xué)影像診斷儀器的性能指標(biāo)

 

醫(yī)學(xué)影像診斷儀性能的指標(biāo)有2個(gè)，一個(gè)是分辨率，另一個(gè)是對(duì)比度。

 

01、分辨率

 

醫(yī)學(xué)影像儀器的分辨率有兩個(gè)含義：

 

（1）顯示屏幕的性能指標(biāo)：指儀器顯示屏幕單位長(zhǎng)度內(nèi)包含的像素點(diǎn)的數(shù)量，它的單位通常為像素/英寸（ppi）。分辨率決定了圖像細(xì)節(jié)的精細(xì)程 度。通常情況下，圖像的分辨率越高，所包含的像素就越多，圖像就越清晰。以分辨率為1024×768的屏幕來(lái)說(shuō)，即每一條水平線上包含有1024個(gè)像素點(diǎn)，共有768條線，即掃描列數(shù)為1024列，行數(shù)為768行。

 

（2）對(duì)人體組織最小尺寸的識(shí)別力：指用以成像的電磁波或超聲波對(duì)人體組織最小單元的識(shí)別力，分辨率越高，識(shí)別的最小單元越小，對(duì)人體組織疾病的識(shí)別力越高。儀器的實(shí)際分辨率取決于高頻電磁波或超聲波的波長(zhǎng)，所識(shí)別最小單元的尺寸等于所用波長(zhǎng)的1/2。根據(jù)醫(yī)學(xué)影像儀器所使用電磁波的波長(zhǎng)，就可以判斷對(duì)人體組織識(shí)別力的高低。

 

幾種常用醫(yī)學(xué)影像診斷儀器的分辨率如下：

 

X-射線成像儀：X-射線的頻率范圍是3×1016 至 3×1020 Hz, 波長(zhǎng)范圍為10nm至0.001nm。X-射線成像儀的最大波長(zhǎng)是10nm，則所識(shí)別人體組織最大的最小單元為5nm，其分辨率是相當(dāng)高的。

 

超聲影像診斷儀：超聲診斷儀的分辨率取決于所使用超聲波的波長(zhǎng)。醫(yī)用超聲診斷儀的頻率多為1.25MHz至20MHz，其波長(zhǎng)范圍為1.2mm至0.075mm，其分辨率的最小單元為0.075mm/2=0.00375mm=3.75μm，因此其分辨率也是相當(dāng)高的。從成像分辨率的角度看，超聲波極適用于醫(yī)用成像技術(shù)。

 

核磁共振成像儀（MRI）：核磁共振的分辨率主要取決于所使用外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度，不同的磁場(chǎng)梯度分辨率有所不同。不過(guò)，目前醫(yī)院所廣泛使用的核磁共振，在磁場(chǎng)梯度設(shè)計(jì)上都有一定的范圍，使其分辨率大都保持在1毫米左右。另外，核磁共振對(duì)患者病區(qū)的掃描視野也是與分辨率相關(guān)因素之一，再外加磁場(chǎng)梯度不變的情況下，掃描視野越小，其分辨率也就越高。例如，當(dāng)掃描視野為16cm*16cm時(shí)，若其分辨率為1mm，當(dāng)掃描視野為8cm*8cm時(shí)，則其分辨率可提高到0.5mm。

 

02、 對(duì)比度

 

對(duì)比度指的是屏幕上同一點(diǎn)最亮?xí)r（白色）與最暗時(shí)（黑色）的亮度的比值，對(duì)比度是顏色之間的對(duì)比程度，對(duì)比度越高，各顏色之間的分別越明顯。特別是黑與白之間對(duì)比越明顯。

 

醫(yī)學(xué)影像儀器的對(duì)比度也包含兩層意思：

 

（1）顯示屏幕的性能指標(biāo)：也就是顯示屏對(duì)圖像的顯示能力，它表示對(duì)不同顏色之間的分別和顯示能力，特別是對(duì)其明暗區(qū)域最亮的白色和最暗的黑色之間不同亮度的差異比值，能否達(dá)到所期望的數(shù)值。

 

（2）對(duì)人體組織顏色的識(shí)別力：人體內(nèi)部不同組織的顏色不同，組織正常與病變顏色也會(huì)不同。對(duì)比度高的影像設(shè)備的探測(cè)物質(zhì)，對(duì)人體組織的不同顏色會(huì)有高的識(shí)別能力，從而顯示在影像設(shè)備的顯示屏上。如果對(duì)比度低，則病變組織與正常組織混在一起，難以區(qū)分。對(duì)比度越高，越容易識(shí)別混在一起病變組織和正常組織。

 

目前幾種醫(yī)院廣泛應(yīng)用的幾種醫(yī)學(xué)影像診斷儀，X射線胸透儀和X-CT其對(duì)比度都比較高，超聲影像診斷儀對(duì)比度較低，核磁共振成像儀對(duì)比度比較高。

 

03、幾種常用醫(yī)學(xué)影像儀器的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)

 

 

 

其共同缺點(diǎn)是，它們均屬于形態(tài)解剖學(xué)成像技術(shù)，只有當(dāng)人體組織和器官發(fā)生形態(tài)病變后才能診斷出來(lái)，不能對(duì)患者的病情進(jìn)行早期診斷。

 

從病理學(xué)可知，人體組織和器官的病變其功能的病變先于形態(tài)上的病變。為了改變這種現(xiàn)狀，能夠使醫(yī)學(xué)影像儀器對(duì)人體疾病進(jìn)行早期診斷，為早期治療創(chuàng)造條件，具有功能成像特性的成像技術(shù)進(jìn)入了科學(xué)家的研究領(lǐng)域。

 

人物人體功能成像——電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）簡(jiǎn)介

 

功能成像技術(shù)首先進(jìn)入人們視野的是電阻抗成像技術(shù)。人體組織的電特性（電阻抗或電導(dǎo)率）與組織的結(jié)構(gòu)、功能、生理、病理等狀況息息相關(guān)，不同組織和器官具有不同的阻抗特性，更重要的是某些組織和器官的電阻抗特性隨其功能狀態(tài)而改變。電阻抗成像（EIT）技術(shù)就是以人體內(nèi)部電阻（電導(dǎo)）率的分布為成像目標(biāo)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。其基本原理是：在人體體表配置電極陣列，通過(guò)電極向人體施加電流（或電壓），并測(cè)量體表的電壓（或電流），通過(guò)一定的算法可以重建人體內(nèi)部組織電阻抗分布的圖像。

 

自上世紀(jì)70年代美國(guó)威斯康星大學(xué)的一位教授提出電阻抗成像的設(shè)想以來(lái)，美國(guó)多家大學(xué)先后開(kāi)展了這方面的研究，建立相應(yīng)的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)。英國(guó)、比利時(shí)等國(guó)也先后開(kāi)展了這方面的研究。我國(guó)的第四軍醫(yī)大學(xué)、重慶大學(xué)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院也于上世紀(jì)90年代開(kāi)始了這方面的研究，其中第四軍醫(yī)大學(xué)做得比較好，已做成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在醫(yī)院進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

 

電阻抗成像的優(yōu)勢(shì)在于，它可以對(duì)人體內(nèi)組織或器官進(jìn)行功能成像，以便對(duì)病情進(jìn)行早期診斷；無(wú)電離輻射，設(shè)備成本低廉、體積小、操作方便。但是這種技術(shù)也有明顯的缺點(diǎn)：由于可用電極數(shù)目有限，分辨率低，對(duì)人體疾病的識(shí)別力低；由于在成像時(shí)總需要通過(guò)電極對(duì)人體注入電流，如果控制不好，也存在安全隱患。這些缺點(diǎn)和不足，構(gòu)成了EIT成像技術(shù)遲遲不能實(shí)用化的重要障礙。

 

多物理場(chǎng)耦合成像技術(shù)

 

電阻抗成像具有對(duì)人體疾病早期診斷的性能，但分辨率低下，難以實(shí)用化。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合超聲成像高分辨率的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家們提出了電磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)相結(jié)合的磁聲成像技術(shù)。

 

傳感器技術(shù)、陣列式測(cè)量技術(shù)、信息處理技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也使多場(chǎng)耦合分析、逆問(wèn)題的快速求解成為可能，由此引發(fā)了多物理場(chǎng)成像技術(shù)的快速發(fā)展。目前已經(jīng)發(fā)展了一系列醫(yī)學(xué)多物理場(chǎng)耦合成像方法，如微波熱聲成像、磁聲成像、磁熱聲成像等。

 

01、微波熱聲成像

 

微波熱聲成像結(jié)合了超聲成像和微波成像二者的優(yōu)勢(shì)?？茖W(xué)家在1978年提出了微波成像的設(shè)想，它具有對(duì)比度高和無(wú)損成像安全的優(yōu)點(diǎn)，但是由于它的技術(shù)難度比較大，主要體現(xiàn)在微波信號(hào)的多通道檢測(cè)，穿透深度淺和空間分辨率低等三個(gè)方面，很難實(shí)用化。

 

微波激勵(lì)生物組織熱聲成像（即微波熱聲成像）技術(shù)是基于一種新的原理——微波激勵(lì)熱聲效應(yīng)。當(dāng)對(duì)生物體進(jìn)行微波輻射時(shí)，部分微波能量迅速被組織吸收并轉(zhuǎn)換成熱量，使組織內(nèi)部溫度升高，相對(duì)組織表面形成溫度梯度。由于電磁波傳播速度遠(yuǎn)大于聲波的傳播速度，微波照射導(dǎo)致的熱膨脹在瞬間發(fā)生，使生物組織產(chǎn)生應(yīng)變力，從而產(chǎn)生向外傳播的熱聲波。被激發(fā)出的熱聲波攜帶著關(guān)于被輻射組織微波吸收特性的信息。這種熱聲信號(hào)同熱聲波對(duì)生物組織作用的對(duì)比度緊密相關(guān)，它能真實(shí)地反映較寬范圍的電磁波的頻率。超聲傳感器對(duì)這些熱聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，供計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行量化和采集，采用成像算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重建出生物組織的圖像。

 

微波熱聲成像雖然實(shí)現(xiàn)了微波成像和超聲成像高對(duì)比度和高分辨率的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，但是穿透深度淺的缺點(diǎn)仍無(wú)法消除。因?yàn)槲⒉ㄊ?00MHz以上的電磁波，它對(duì)生物組織的熱效應(yīng)比較強(qiáng)，對(duì)含水量高的生物組織的穿透深度小于3.2cm，無(wú)法對(duì)深層次組織成像，這一缺點(diǎn)使其也很難實(shí)用化。

 

02、感應(yīng)式磁聲成像

 

感應(yīng)式磁聲成像技術(shù)是美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Bin He、Yuan Xu等人在2005年首先提出的。它是將傳統(tǒng)電阻抗成像技術(shù)、磁感應(yīng)成像技術(shù)、超聲成像技術(shù)三者相結(jié)合的一種新型成像技術(shù)。它以電導(dǎo)率為成像參數(shù)，兼具對(duì)比度好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。按照檢測(cè)方式，它還可以分為超聲檢測(cè)式和電磁檢測(cè)式兩類：

 

超聲檢測(cè)式磁聲成像的原理如圖1所示。對(duì)置于靜磁場(chǎng)中的物體施加交變電磁激勵(lì)，用電極向物體注入交變電流，或用線圈在物體內(nèi)部感應(yīng)電流。注入或感應(yīng)電流與靜磁場(chǎng)作用產(chǎn)生洛侖茲力，在物體內(nèi)形成聲源，向外輻射超聲。通過(guò)物體周圍的若干個(gè)換能器測(cè)量超聲信號(hào)，利用時(shí)間反演算法重建聲源圖像，進(jìn)一步利用電磁場(chǎng)逆問(wèn)題算法重建物體的電導(dǎo)率圖像。

 

電磁檢測(cè)式磁聲成像的原理如圖2所示。對(duì)置于靜磁場(chǎng)中的物體施加超聲激勵(lì)，用物體周圍的若干個(gè)換能器依次發(fā)射超聲。物體內(nèi)部離子隨超聲傳播而振動(dòng)，在靜磁場(chǎng)作用下，受到洛倫茲力發(fā)生正負(fù)電荷分離，形成局部的動(dòng)生電源，在物體內(nèi)產(chǎn)生電流分布。通過(guò)電極或線圈測(cè)量電信號(hào)，利用電磁場(chǎng)逆問(wèn)題算法重建物體的電導(dǎo)率圖像。

 

 

 

從成像原理看，兩類成像互為反模式。前者用靜磁場(chǎng)和交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生超聲信號(hào)，后者用靜磁場(chǎng)和超聲產(chǎn)生電信號(hào)。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，前者是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，可以看作廣義電動(dòng)機(jī)，后者是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，可以看作廣義發(fā)電機(jī)。

 

磁聲成像是聲學(xué)和電磁學(xué)在成像領(lǐng)域的交叉，作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于生物媒質(zhì)，可以近似為低電導(dǎo)率流體或準(zhǔn)流體，涉及到媒質(zhì)的導(dǎo)電特性和場(chǎng)耦合特性，聲場(chǎng)和電磁場(chǎng)為弱耦合，媒質(zhì)的流體屬性和導(dǎo)電特性分別決定了聲場(chǎng)傳播特性和電磁場(chǎng)分布特性。

 

磁聲成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。超聲檢測(cè)式磁聲成像，可獲取高分辨率的病變組織電導(dǎo)率圖像，實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷。電磁檢測(cè)式磁聲成像，可與超聲彈性成像聯(lián)合，形成同時(shí)獲取生物組織粘彈性系數(shù)和電導(dǎo)率參數(shù)的雙模成像方法。

 

磁聲成像的主要優(yōu)勢(shì)是：留了電阻抗成像的功能成像功能，能夠?qū)θ梭w疾病能進(jìn)行早期診斷；保留了超聲成像分辨率高特點(diǎn)和電阻抗成像對(duì)比度高的特點(diǎn)，對(duì)人體疾病有較高的識(shí)別力；采用感應(yīng)式對(duì)人體作用，具有較高的安全性；相對(duì)磁共振儀器，設(shè)備成本低廉、體積小、操作方便。

 

磁聲成像技術(shù)目前仍在研發(fā)過(guò)程中，還不能臨床應(yīng)用。

 

美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的Bin He、Yuan Xu等人在2005年提出感應(yīng)式磁聲成像技術(shù)之后，2006年，中國(guó)科學(xué)院電工研究所劉國(guó)強(qiáng)研究員就開(kāi)始了該項(xiàng)技術(shù)的研究。十年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金（包括1項(xiàng)重點(diǎn)基金、1項(xiàng)儀器專項(xiàng)）支持下，技術(shù)上取得了很大進(jìn)展，已處于國(guó)際先進(jìn)地位，目前正在致力于人體疾病早期診斷技術(shù)的實(shí)用化研究。此外，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院的醫(yī)學(xué)工程研究所和南京師范大學(xué)也先后開(kāi)展了研究，取得了不少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推動(dòng)了該技術(shù)研究的發(fā)展。

 

03、感應(yīng)式熱聲成像

 

為了解決微波熱聲成像穿透深度淺無(wú)法實(shí)用化的缺陷，新加坡南洋理工大學(xué)zheng研究小組于2013年提出了感應(yīng)式熱聲成像方法，將低于20MHz的射頻電磁場(chǎng)是加到高電導(dǎo)率的金屬銅上，研究了該方法對(duì)高電導(dǎo)率目標(biāo)題成像的可行性。該方法的原理圖如圖3所示。它也是一種基于熱聲效應(yīng)的電阻抗成像方法，熱聲效應(yīng)是利用電磁波輻射生物組織，生物組織吸收電磁能量而產(chǎn)生熱膨脹，伴隨著熱膨脹產(chǎn)生超聲信號(hào)，超聲信號(hào)的強(qiáng)度取決于生物組織所吸收電磁波能量的多少。由于正常組織與病變組織對(duì)電磁能量的吸收特性存在差異，進(jìn)而所產(chǎn)生的超聲信號(hào)的強(qiáng)度也是不同，因此它可以用來(lái)區(qū)分正常組織與病變組織。

圖3 感應(yīng)式熱聲成像原理圖

 

2014年，中科院電工所工程電磁場(chǎng)及其應(yīng)用研究部就開(kāi)始了感應(yīng)式熱聲成像方法的研究，在對(duì)其方法的原理進(jìn)行研究之后，隨之就搭建了圖4實(shí)驗(yàn)原理圖所表示的實(shí)驗(yàn)裝置（圖5），進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)工作，采用20MHz以下的脈沖激勵(lì)源對(duì)接近人體的生物目標(biāo)體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該實(shí)驗(yàn)對(duì)生物組織的穿透深度比微波熱聲成像大大加深，可達(dá)到15cm。該實(shí)驗(yàn)表明可實(shí)現(xiàn)生物組織深層內(nèi)部組織（如肺、肝臟）病變的早期診斷和檢測(cè)。磁熱聲成像技術(shù)融合了熱聲成像技術(shù)和電阻抗成像技術(shù)，兼具熱聲成像高分辨率和電阻抗成像高對(duì)比度的優(yōu)勢(shì)。所以磁熱聲成像在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域一旦實(shí)用化，其應(yīng)用前景非常好。

圖4 磁熱聲成像的實(shí)驗(yàn)原理圖

圖5 磁熱聲成像的實(shí)驗(yàn)照片

 

結(jié)束語(yǔ)

 

醫(yī)用多物理場(chǎng)耦合成像技術(shù)是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，具有功能成像的能力，彌補(bǔ)了X-射線成像、超聲成像和核磁共振成像等傳統(tǒng)形態(tài)解剖學(xué)成像技術(shù)的不足，能夠幫助對(duì)人體疾病進(jìn)行早期診斷。感應(yīng)式磁聲成像技術(shù)和熱聲成像技術(shù)，具有良好的發(fā)展前景。這兩種新技術(shù)一旦實(shí)用化，就能對(duì)人體疾病進(jìn)行早期診斷，為人體疾病的早期治療提供可靠的依據(jù)，給人類健康帶來(lái)極大的福祉。