21世纪医学影像技术的进展
21世纪医学影像技术的进展
——曹厚德（上海静安区中心医院）
自从 70年代 CT发明者 Hounsfield与图像处理发明者 Allan M Cormack联袂登上诺贝尔奖领奖台起，医学影像技术开始进入以数字化为基本特征的新的历史阶段。近年来，随着计算机、通讯、网络及图像处理等相关学科及技术的快速发展，影像技术取得空前的进展，兹择要简介。
一、原有的各种成像方式在延续与提高
（一）传统摄影技术仍不失其重要价值
传统X线摄影作为一种最古老的技术手段，至今仍是影像科室量大面广的检查项目，因此仍受到重视。这不仅因为数字化X线摄影不论在摄影体位、技术等方面与传统模式基本相同，更因为在相当长的时期内，传统与数字化方式将是并存的。正如大众传媒自1663年德国出版世界第一张日报--《莱比锡新闻》以来，经历了广播、电视、网络等三种传播形式。迄今为止，人类社会的四代传播工具一直在并用，并非出现一代淘汰一代。但是，在以人为本的新世纪中，对于X线检查中被检者辐射剂量的限制则更为重视。
（二）CT技术得到突破
由CT生成的横切面、断层、数字图像解决了传统影像中三维结构重叠、软组织分辨率差及信息效率低等主要缺陷，取得了划时代的革新。但是在多层CT开发成功之前，一度曾处于相对停滞的阶段。多层CT使CT技术进入峰回路转的新阶段。其主要突破在于：
① 采集速度（扫描速度）
② 成像质量（空间分辨率与密度分辨率）
③ 数据采集范围（扫描范围）
由于三者存在着相互制约的辩证关系，所以通过技术方法的改进将其协调在最佳值，成为 CT技术发展中的重要研究课题。迄今，8层、16层CT由于扫描速度快，扫描范围大及成像质量高，为三维成像、虚拟成像及血管成像等技术创造了条件。CT灌汪成像的血管显示其精细程度甚至可使毛细血管床清晰显示。其他如图像融合等又赋予CT技术以新的应用前景，对于颅脑、。心脏、腹部、血管等部位或脏器增加了影像学检查的占有份额。此外，在疾病的筛选方面，由于微小病灶的及时检出可使病灶发现于临床状出现之前，这对于因早期治疗而获得良好效果而言，至关重要。
（三）MR成像技术的发展
近年来MR在磁场强度方面的发展，趋向于向低场强（0.3T）及高场强（3.0T）发展，而中等场强（1T、0.5T）逐渐趋向淘汰。甚至更高场强（7.0T）的MR也在研制中。由于电子学方面的发展及梯度场、射频场方面的发展，特别是脉冲序列及实时成像技术的发展，使MR功能性成像也得到相应的发展。扩大了MR的使用范围。特别是双梯度MR进入实用阶段后，使MR技术步入高速、高清晰及大范围的新境界。
二、数字化摄影技术发展方兴未艾
自1986年在布鲁塞尔召开的第15届国际放射学术会议首次提出数字化X线成像技术的物理概念及临床应用以来，揭开了传统X线检查数字化的序幕。随着电子信息技术、传感器技术、光机电一体化及材料工业的发展，数字化摄影装置有长足进展。
传统X线摄影以胶片为介质，集图像采集、显示、存储和传递功能于一体，因此限制了其中某单一功能的改进。数字成像技术则将这些功能力解成不同的独立部分，从而可对每一功能进行单独优化，使x线摄影进入一个崭新的境界。迄今为止，以萤光物质成像板为探测器的计算机成像系统（CR），以非晶硒、非晶硅为探测器的各种直接数字摄影系统（DR），不论在性能提高方面、市场成熟程度方面及应用技术研究方面均取得了较大的进展。为解决影像科最量大面广的检查方法进入数字化大家庭提供了必要的条件。迄今为止传统X线检查数字化方式，如附表。
附表 数字化X线摄影以探测器／影像转换方式分类
影像／获取方式 影像转换过程 影像转换方式
IDR X线-荧光-潜影-影像-A／D转换-影像 间接
CR X线-潜影-荧光 间接
DR
直接转换平板
探测器（非晶硒） X线-影像 直接
间接转换平板
探测器（X线闪烁 X线-荧光-影像 间接
体或荧光体+非晶
硅二极管陈列）
CCD转换平板探测 X线-荧光-影像 间接
器（X线闪烁体或
荧光体+CCD二极管阵列）
CMOS转换平板探
测器（X线闪烁体 X线-荧光-影像 间接
或荧光体+非晶硅
二极管阵列）
多丝正比电离室 X线-影像 直接
三、图像质量评价体系在不断完善中
（一）影像质量评价是提高质量的先导 因此，上一世纪还未取得实质性进展的"综合评价法"将继续成为影像技术学及其它相关学科的主攻目标。因为可用物理量表征的图像光信息传至阅片者视网膜上成像时起；一个复杂的生理学过程开始，它涉及感知心理学等一系列内容，属于心理量的水平。显然，MTF等客观评价的物理量还需与主观"读影"的心理学相关学科的成果相结合。近年来，有些同道将欧洲共同体（CEC）颁布的纳入剂量管理的影像质量标准的工作文件误认为是"综合评价法"。实际上"综合评价法评价"图像质量是指主观评价方式与客观评价方式在更高水平上的结合，而并非将被检者剂量等限制因素纳入就成为"综合评价法"。换言之，综合评价法的确切含义是理论与技术层面上的，而不属于质量管理范畴。笔者认为此点必须澄清，以免影响影像评价研究工作的深入进行。
（二）数字化X线成像由于成像原理、显示介质及读取方式等与传统X线成像有本质上的不同，因此图像质量的评价与描述也不尽相同。此外，数字化成像过程中，引入噪声的环节较模拟成像为多。诸如：①由X线光子数的随机涨落而引入的量子噪声；①由扫描装置或其它数字化成像设备引入的噪声；③由模／数转换引入的量化噪声；④由显示器亮度涨落引入的噪声。（包括：阴极射线管CRT电子线路噪声、电子束散弹噪声以及电子束偏转电路噪声等。这些噪声常归之于时间噪声。另一类噪声则为空间噪声，这是由于CRT荧光材料的颗粒结构引起的）。显然用作评价传统模拟图像的参数：特性曲线梯度（γ）、调制传递函数（MTF）、 噪声均方根值（root mean square，RMS）＼噪声功率谱（NPS）及维纳频谱（Wiener spectrum,WS）等，由于这些相对独立的参数不能综合表述数字图像质量中各参数间存在的相互制约关系。 因此在表述数字化图像质量时，必须引进新的表达方式。20世纪80年代起，国外学者 Sandrik等用噪声等价量子数（noise equivalent quanta, NEQ）及量子检出效率（detective quantum efficiency，DQE）评价增感屏／胶片系统的成像质量。
1 NEO的定义 NEQ通常定义为：成像系统中输出侧的信噪声比（signal to noise ratio，SNR）；NEQ越大，成像系统的SNR就越大，影像信息也越多。
2 DQE的定义 DQE的定义为：输入信号噪声与输出信号噪声之比。
此外，DQE还可用于表征影像设备的剂量效率。最近，DQE还被定义为：数字化探测器将X线转换成输出影像的能力。DQE值越大，获取一幅图像所需的X线剂量越小。笔者注意到，自从DR系统获得FDA通过以来，关于DQE的争论就没有停止过。由于商业宣传的需要，各家厂商均给出了各自产品的DQE值，但均未提及测试条件。许多有识之士认为 既然DQE是评价数字化X线探测器的一个重要参数已得到公认，但是不建立标准的测量步骤，即意味着不同厂商提供的DQE值是一个没有任何条件信息的数值，因此无可比性。Hologic公司的主要科学家Brian Rodriicks认为：DOE值的测量方法太多，以致它们都能给你不同的结果。有鉴于上述，关于DQE标准测量步骤讨论的国际会议1996年6月在芬兰召开。继之，关于DQE测量标准化的工作一直在进行中，几经修改后的标准最终版本将在2002年中发布。虽然DQE这一参量能表征：①探测器灵敏度；②线性；③噪声；④剂量；⑤MTF等多项参数。但除上述因缺乏标准而导致不具备可比性外，尚有测试过程烦琐复杂、影响测量结果的因素较多（误差可达40％之多）等原因，所以作为公认的实用参量尚有待于进一步的努力。
3 受信者操作特性曲线（receiver operating analysis, ROC） 基于通讯工程中信号检测理论的ROC 曲线，20世纪60年代首先由Lusted应用放射诊断领域，并提出用ROC曲线评价图像质量。国内在80年代初也开始引入这种方法。近年来；由于数字成像技术在整个医学影像学中份额的不断增加，ROC曲线更凸现其实用价值。同时ROC曲线在国际范围内的研究与应用也更趋成熟与深入。
四、各种图像后处理技术成为重要的技术手段
迄今为止，几乎所有的数字化医学影像都具有"一次采集，多种显示"的后处理功能，这是医学影像信息显示发展进程中的必然。主要因为：
① 数字化成像不论在信息采集的速度、采集量及像质方面均有其独特的优越性。此处，还能采集形态学及／或功能方面的动态信息；
② 后处理技术可提供与大体解剖学近似的脏器动态影像，使信息更为直观；
③ 减少病人（参与）时问，在一次采集所得的信息，可以进行重复及多样化的处理，使信息的利用率得以大幅度提升。
（一） 用于数字X线摄影（CR、DR等）的图像后处理，就其技术方法而言，大致进展情况为：①窗宽／窗位（Look-up tables,1983年）； ②边缘增强（edge enhancement，1985年）；动态范围重建（dynamic range reconstruction，1994年）；无伪影处理（unified enhancement；2001年）
（二） 螺旋CT的图像后处理技术主要有：①多平面重建（multiplanar reformation，MPR）及曲面重建（curved planar reformation，CPR）技术；②遮蔽表面显示（shaded surface display，SSD）：SSD技术；③最大强度投影（maximum intensity Projection，MIP）技术；④最小强度投影（minimum intensity projection，MinIP）技术；⑤容积再现（volume rendering，VR）技术；⑥表面透视显示（ray sum display）技术；⑦CT导航仿真内窥镜（virtual endoscopy，VE）技术等。上述后处理技术，有效地扩展了CT的功能。
(三)磁共振成像（MRI）后处理技术有：①多平面重建（MPR）和曲面重建（CPR）；②最大强度投影（MIP）技术；③表面再现（surface rendering，SR）技术；④容积再现（V R）技术；⑤M R导航仿真内窥镜（V E）技术；⑥脑功能成像（FMRI）技术；⑦MR灌注(perfusion)成像技术；⑧MR波谱（MR spectroscopy,MRS）技术；⑨流动定量（Qflow）技术等。上述后处理技术，有效地扩展了磁共振成像的功能。
（四）数字减影血管造影（digital substraction angiography，DSA）DSA作为一种成熟的技术已得到广泛的应用，随着图像处理的进步，实时减影功能已经普及。其它如：①快速旋转的三维成像技术；② 4维导航仿真内窥镜显示技术；③能量减影技术等也在逐步进入实用阶段。
(五) 将多种成像方式生成的图像进行"融合"。这是综合应用图像信息的一种有效手段，20世纪90年代起就成为相关学科人士共同关注的热点。美国的Edidame研究小组开发了颅脑外科计算机虚拟可视化系统，将CT \MR 2种不同模态的图像进行配准融合，可以在同幅图像中提供可视化程度更高、信息更丰富有助于临床诊断与治疗中较精确的定位及作进一步的观察。图像融合后较之单纯观看CT、MR等某种图像对病变的发展趋势的分析以及治疗后效果的评价具有更大的优越性。图像融合的关键是图像的空间配准，在二维图像融合中首先要在两组图像中有一系列切面中确定出对应的层面。即找出配对的层面，然后对这些层面各对应点进行转换；将第1幅图像的层面映射到第2幅图像的对应层面上。
由于各种影像的成像机理不尽相同，无法以简单解释各种灰度的临床意义，因此，比较复杂的融合模型还在进一步探索中。
五、"软拷贝" 阅读显示出明显的优越性
由于成像方法的改进，除了在成像质量方面有明显改善外，图像数量也急剧增加。例如随着多层CT的问世，每次CT检查的图像可多达千幅以上，因此，无法想象用传统方法能读取这些图像中蕴含的信息。近年来，随着影像医学数字化图像的份额不断增加，在显示器屏幕上进行的"软阅读"正在逐渐显示出其无可比拟的优越性。
软拷贝阅读是指在工作站图像显示屏上观察影像，就X线摄影而言这种阅读方式能充分利用数字影像较模拟影像大得多的动态范围，获取丰富的诊断信息。
在CR的胸椎检查中，通过窗口技术的调整，在适合观察肺野的图像中发现肺癌病灶；在CR尿路检查中；通过窗口技术的调整发现与腰椎横突重叠的输尿管结石等；在脏器间密度差别悬殊的胸部影像，由于数字成像较宽的动态范围（达5个数量级），可在同一幅图像中清晰显示肺野、纵膈及脊柱；这在传统的模拟像（动态范围仅2个数量级）中是无法在同一幅图像中显示的。据此，笔者认为：在CR与DR中，不经软拷贝阅读及处理而直接打印一幅照片，会丧失数字化成像的优越性。
六、PASS功能的不断完善及外延不断扩大
（一） 技术概念及运行模式在发展
PACS技术概念的形成以1982年1月17日-21日在美国加州 New Port Beach召开的第一届PACS国际会议为标志。历经20年的不断发展，克服了不少的"瓶颈"使之更适应世界各国医疗事业发展的需求。近10年来 PACS发展特别迅速。甚至有些专家惊呼"PACS，PACS and more PACS"、"everyone\'s do it"。由此可见PACS已成为大家关注的热点。一般较为公认的看法是PACS经历下述三个阶段的发展：
1 第一阶段PACS的特点是："用户查找数据库"。因为在本阶段中，当数据库进入PACS后，作为用户的临床工作者必须给出查询条件，在系统中查询相应的图像及相关数据。本阶段的PACS需要大量的人工参与工作流才能发挥PACS的使用价值。
2 第二阶段PACS的特点是："数据查找设备"。由于本阶段的PACS具有"自动路由"、"预提取"等功能，所以PACS中的数据，可根据用户预先设定的规则或来自HIS/RIS等的外部信息，将图像自动送达指定的工作站点。这一阶段的PACS模式由被动检索改变成自动传输，以减少人工参与工作流。
3 第三阶段的PACS特点是："图像信息与文本信息主动寻找到用户"。这阶段的PACS，进入PACS的数据可根据用户预先设定的规则及来自医院信息系统（HIS）／放射信息系统（RIS）等外部信息，将图像及本文信息自动送达指定设备并分配给具体授权用户。这一阶段的PACS是迄今为止最为先进的模式。其难点为：不但图像信息要求严格遵循DICOM3.0标准，同时HIS/RIS的文本信息必须严格遵循HL7标准，这样才能达到无缝集成。只有这种高层次的集成才能真正实现PACS工作流的自动化。
（二） PACS的性能不断提高及外延不断扩大
1 DVD光盘库是一项应用视频标准及多样化产品得到的新技术。其中一部分适用于医学图像存储。这种技术的应用潜力可以改善CD-R技术的部分缺陷。并且更重要的是增加了存储容量而不降低读写能力。
2 Internet技术应用于PACS是近年来研究的热点之一，应用Web方式实施PACS部分功能（实施全部功能正在积极研发中）。
3 计算机辅助检测（computer assited detection CAD）长期以来受到医学界人士的注意，近年来已进入实用化阶段。最近用于乳腺癌及肺癌的产品已通过FDA认证，进入市场。CAD技术使PACS功能得到延伸。对数据的应用从低层次的简单查询提升为从数据库中挖掘有意义的知识、规律或深层信息，即所谓"知识发现"。这是电子信息技术最有发展前途的前沿学科之一。今年RSNA开幕式的主题学术报告即为CAD，其中一个报告是美国芝加哥 Heber MacMahon 的胸部成像，CAD另一个报告为纽约Robert A．Schmidt的乳腺成像CAD。 此外，MacMahon介绍了CAD的理论、人工神经网络（Artificial Neural Network , ANN）和在胸部病变的应用，特别是能量减影和时间减影的应用。
4 远程影像学是PACS功能的另一重要延伸，远程影像或远程医疗系统能充分发挥专家的作用，使广大远离城市的边远地区提高诊治水平。虽然目前网络传输速度不能达到实时传输的需要；但是全部由光纤构成的网络（全光网）正在研发中；全光网不但可降低传输成本70％左右，同时又大幅度提高传输速度，为远程影像诊断的实用化创造必要的条件。
（四）集成化、标准化的概念成为共识
由于一个完善的 PACS工作流中有大量的文本信息，因此要求PACS与HIS/RIS无缝集成。前者主要处理图像数据；后者则主要处理文本信息。所以两者得到集成是PACS发展进程中的必然。国内外先进的PACS产品有的直接集成进RIS，有的设置接口。前述图像自动路由技术及预提取技术均有赖于文本信息与图像信息的密切结合。此外，PACS的发展将成为HIS或电子病例系统中病人数据库中的一个组成部分。
七、学科交叉结合谋求创新发展
交叉学科、边缘学科的结合是当今科学发展的趋势。影像技术学最邻近的学科应为影像诊断学。前者致力于解决信息的获取、存储、传输、管理及研发新的技术方法；后者则将信息与知识、经验结合，着重于信息的内容，而根据影像做出正常解剖结构的辨认及病变的诊断。两者相辅相成，互为依托。因此，影像技术学的发展离不开影像诊断学的需求与导向。影像技术学与影像诊断学更密切地沟通与结合将为提高、拓展原有成像方式及开辟新的成像方式做出有益的贡献。
戴建平教授曾在"浅谈21世纪影像医学的主要发展趋势"（《GE医疗》2001, No.8）一文中精辟地指出："技术创新是学科创新的核心"。我们完全有理由期待，在21世纪中影像技术学的创新与发展会促进医学影像乃至临床医学的长足发展。