数字医学装备

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数字医学影像核心装备

数字医学影像核心装备是以计算机可记录的数字形式作为输出量，用于疾病诊断和治

疗，在医院内广泛使用的医疗装备。其中数字化医学影像装备、放疗装备、热疗装备是这类装备的主要产品类型。其中可以分成电离辐射型物质波源的成像和放疗装备，例如X-射线成像用的装备，包括平面X-线机：CR和DR两种，以及断层X-CT装备，及目前正在发展的体成像X-射线成像装备，可以缩写为V-CT；还有核医学成像装备：单光子发射断层成像SPECT和正电子发射断层成像PET装备等。凡是X-射线和伽玛射线既可用于成像，也都可以用于对肿瘤放疗，而且是目前放疗市场的主流产品。另一类就是非电离辐射型的影像诊断和治疗装备。例如核磁共振成像装备和超声波成像装备。现在射频波段的物质波以及超声机械波也都可以用于肿瘤治疗。

医学影像设备的发明和发展是人类对自身疾病诊断具有革命性的进展，在世界各国都是最受重视的工业领域之一，其水平和国家的整体发展水平密切相关，按照人均消费水平来衡量，这个行业在中国的发展还远远满足不了需要，从人类健康的长远和巨大需求来看，这是一个朝阳产业。

数字医学影像装备涉及的关键技术和发展内容可以概括成如下10个方面的关键问题和4个应用领域。

数字医学影像装备涉及的10个关键技术：

(1)产生用于成像的物质波装备的原理和关键技术，即提高波源产生物质波的效率和改善物质波束流品质的方法和关键技术。

(2)对物质波和人体组织发生相互作用的规律建模，通过模型参数的最佳化，改善影像信息提取的数量、质量和速度。

(3)研究探测物质波的探测器、传感器或者换能器等探测部件，使得它们具有更好的灵敏度以及空间和时间分辨率。

(4)把探测到的信号放大，成形并实现数字化，在计算机记录的编码过程中防止失真，开展提高信号传输效率和保真度的方法研究。

(5)快速、高效地实现图像重建，在重建中减少噪声的方法学研究。 (6)减少噪声、伪影和畸变，提高图像质量的方法学研究。 (7)更符合人体视觉效果的医学图像显示方法和关键技术。

(8)设计为新的成像系统的性能指标进行测量和评估的方法学以及相应的软件。 (9)以高效和快速的医学图像的存贮、通讯管理、检索以及从海量数据中寻找规律的知

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识挖潜的方法学为主要内容的PACS(PictureAchievingCommunicationSystem)技术。

(10)分子和基因成像，在基因序列测定之后的后基因时代，为了搞清楚基因和人体内的

生物大分子之间的关系，疾病和基因以及生物大分子之间的关系，开展基因和分子成像成为医学成像的一个新的发展方向。其中核医学成像、功能磁共振成像是目前已经可以在临床开展诊疗的分子和基因配体水平上成像，而光学成像是一个非常有前途的正在开发中的成像模态。

但是由于空间分辨率差和受到放射性标记药物的限制，核医学成像用于分子水平成像的潜力还没有很好发挥出来。随着后基因时代的到来，核医学成像将越来越受到重视。MRI可以提供分子成像某种现实的技术手段，例如谱成像技术。分子成像工具都是新药开发的必要工具但是国内药物开发商使用这类工具的几乎没有。因为用放射性标记药物进行药物病理和毒性的研究是目前活体水平研究的最重要的工具。所以，我们把成像技术的最后一个重要方向归纳为：实现分子成像的新原理和新方法，以及对现有方法的改进技术。

医学影像的4个应用领域可以归纳为：

(1)在疾病的无创伤诊断中的应用，目前已经涉及到人的解剖和生理有关的几乎所有领域，但是最重要的还是肿瘤、心血管以及机械创伤后脏器损伤的检查，及所有脏器的器质性病变参数或者代谢功能参数的测量。

这里介绍的内容中还应该包括计算机辅助诊断。由于医院的放射科每天产生的图像太多，放射科医生的工作量太大，眼睛容易疲劳，加上个人的经验问题，漏诊或者误诊的问题时有发生。为了减少工作量和用于活检的人数，防止漏诊，减少误诊，发展基于医学影像的计算机辅助诊断MICAD(MedicalImagingbasedComputedAssistantDiagnosis)是非常必要的。 (2)在脑功能成像基础研究中的应用也是今后发展的一个重要内容。大脑的作用对人的重要性是不言而喻的。脑功能成像是目前无创伤研究人脑工作机制、诊断大脑疾病的唯一有效的方法。从基础研究看，它们是实验心理学的主要工具；从医学的角度看，主要用于诊断大脑的脑功能性疾病，并为大脑占位性病变提供的脑功能性疾病，并为大脑占位性病变提供功能模块重新分布的信息，从而为准确治疗提供依据，其实人脑的疾病，是常见病和多发病，诊断和治疗这些疾病都需要对大脑进行功能成像。解决这些问题是二十一世纪人类面临的挑战，也是科学和医学有可能有重大突破的地方，实际上脑认知功能成像已经完全可以用于临床诊断。

(3)成像设备还是疾病治疗时的辅助工具，其中主要包括用于手术或者肿瘤放疗计划设计、治疗时的影像监督技术、治疗后的验证和预后。同时，通过信息集成完成的虚拟内窥镜技术、外科手术计划、影像导引下的外科手术、以影像信息为基础制定的放疗计划、影像导引下的介入治疗是医学影像的重要应用领域，这方面的应用方兴未艾。

(4)医学图像的解剖学、生理学的教学当中也有非常广泛的应用。今后的医科学生都应该具备基本的医学图像产生机制、各种成像设备的设计原理以及检测标准等广泛的知识，为他成为正式医生之后选用合理的成像工具打下基础。

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综上所述，医学影像是人体的最大的信息源，通过无创伤的数据采集实现对人体在三维

空间的时间轴上的信息测量，通过对测量数据的分析，获得人体内部解剖学、生理功能和脑认知心理信息，是采集人体宏观和微观信息并具有非常广泛应用领域的一个产业群。围绕这个产业群工作的不仅是这类产品研发、生产、销售和售后服务人员，还包括使用这些装备的医务人员、医学物理师、临床工程师和技术员。

综上所述，医学影像是人体信息获取、分析和人类疾病诊疗的重要工具，这些行业的发展是一个国家整体实力和科技综合水平和体现。

但是，目前任何一种成像工具只能获取人体的部分信息。局部的或者部分的信息还不足于为准确诊断提供足够依据，所以肿瘤的活检还不能废除。加上各种原因，在图像中还夹带了伪影和噪声，所以正确使用成像工具，不断改进医学图像的质量，研究和发展新的成像工具，是我们今后发展中相当长一段时间内需要解决的问题。

2.医学成像领域的现状

2.1.临床广泛使用的四大成像系统 (1)X-射线成像\\r

自从伦琴发现X-射线以后，几乎世界上所有大学的物理系都建立了X-线产生和成像装备，并很快在医学上得到了广泛应用。110年之后的今天，估计每1000人中大约有700人每年要用X-线检查，现代人一生中要做几十次X-射线成像检查。所以，X-线成像及其应用可以称得上是世界科学史及医学发展史上最重要的一个里程碑。以人体不同器官和组织对X-射线的不同吸收特性为基础发展起来的X-射线透视和X-射线照相术，为人体骨骼和内脏器官疾病或损伤进行诊断、定位提供了强有力的手段，同时也把胶片带进了医学成像的领域，使之成为110多年来图像显示的主要工具。

在平面X-射线成像之后，显像增强剂得到了很大的发展，血管造影技术和其他脏器的专门化X-线机相继延生，大大扩大了X-线成像的应用范围。目前在所有血管造影技术中，X-射线的血管造影仍然是最经典的技术，可以作为其他成像技术的金标准。

平面X-射线成像的未来发展方向是数字化的X-线机技术。这种技术来自对传统X-线机的批判。统的X-线机照相技术的剂量有可能提高癌症的发病率，从而限制在妇幼保健体检中的应用；由于胶片显像使用的微粒的大小尺寸已经受到限制，而进一步克服颗粒不均匀性等因素已经非常困难，使得胶片图像质量的进一步提高受到了限制。用胶片作为成像媒介的最大问题是胶片图像不能用于计算机处理和存贮，不能在网上传送。

目前把传统的X-线机数字化已经是发展的潮流，其中包括直接数字化的X-线机(DR)和用图像版的X-线机(CR)两种。最终的目标当然是DR，但是DR的普及需要进一步提高产品的可行性并降低产品的价格。

(2)X-射线断层成像(X-CT)。这是平面X-射线成像得到充分发展之后进一步发展的必然结果。X-CT已经从二十世纪七十年代初简单的成像装备发展为今天以多层螺旋CT为主的技术。

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它是传统影像技术中发展中最为成熟的成像模式之一，其速度已经快到可以实现心脏的动态

显像。但是，如何在病人剂量和片厚之间进行选择，在临床上是经常需要考虑的问题；空间分辨率和对比度的进一步提高也受到很多制约。而多模态集成的成像装备，例如PET-CT、MRI-CT、子直线加速器/CT等相继问世，为用户提供了更多的选择和可能性。同时，各种专业化的CT发展技术也得到了很快的提高和发展。最近的设计理念去掉“层厚”的概念，实现真正意义上的三维空间X-射线成像(volumeCT)，也就是目前直接数字化平面X-射线在三维空间的数据采集和重建。这种volumeCT的实验室样机已经问世，图像的空间分辨率已经达到01mm的水平。

2.2.核磁共振成像(NMRI)

核磁共振成像也开始于二十世纪七十年代末，当时在美国纽约洲立大学石溪分校工作的P.C.Lauterbur教授，用三维空间的梯度场发展了核磁共振(NMR)的空间定位方法，并用X-CT的相同的图像重建技术实现了磁共振成像(MRI)。1983年MRI的商业化设备进入市场，并大量应用于无创伤疾病诊断、无创伤介入治疗等现代医疗活动中，之后该项技术越来越成熟，在影像诊断市场上所占的份额不断提高。由于这种成像设备具有在任意方向的多切片成像及多参数成像整个空间的真三维数据采集、结构和功能成像以及没有放射性等优点，MRI受到广泛重视，不断扩展用途，还在迅速发展过程中。

但是，相对而言，核磁共振成像也是所有成像模式中技术最为复杂的一种成像方法，研制和开发这样的装备涉及磁共振物理学、磁学、电子工程、计算机软件工程、信号处理等许多科学技术领域。目前各种各样的产品都已经大量地进入市场，其中包括高场超导系统，低场开放系统和快速成像系统。在技术上，多线圈并行采集已经成为当前技术的重要发展方向之一，而气体成像(3He，129Xe)已经成为肺部显像的商业选件。今后的发展有可能借助微电子技术实现在体素水平上的平行采集和不依赖于梯度的编码技术，但是，在商业上实现这一点，还需要很长的时间，MRI成像技术还在发展。

2.3.核医学成像(NMI)

单光子计算机机断层成像(SPECT)的发明过程比较难以说清楚，因为有很多家实验室几乎同时发展。其中需要提到的是Jaszczak等人和Keys等人，他们于1977年分别报告在实验室内得到了包括旋转支架在内的SPECT，而且得到了临床应用结果，是现代SPECT发展的关键性一步。

正电子发射断层成像(PET)的思想是Wrenn等人在1951年提出来的。但是在六十年代末才得到临床可以使用的PET图像。由于价格昂贵和产生同位素的困难，PET一直没有在临床得以广泛的应用。最近由于技术的可靠性增加，以18F为代表的放射性核素显像技术开始在临床广泛推广。从整个学科来说，平面通用的伽玛相机正在逐步被淘汰，专用的平面伽玛相机，例如甲状腺疾病诊断和治疗监督的专用小型伽玛相机等仍然是市场看好的产品。 核医学成像在最近的一个亮点是分子成像。目前分子水平的成像主要是指用放射性核素标记的放射性化合物分子在人体内分布的可视化。这些图像是人体内微观的分子甚至亚分子(例如基因配体)的宏观分布。在宏观水平上通过统计学分析后得到的关于该分布的分布，结合人类已经掌握的生化知识，分析这些生化过程，从而确定该生化分子在人体内的行为，并