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租姜
7 years ago
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1 醫學影像 Medical Imaging 莊子肇副教授中山電機系

2 Outline X-ray Computed tomography Nuclear Medicine Ultrasound Magnetic Resonance Imaging

3 Reference Medical imaging signals and systems, Jerry Prince and Jonathan Links, Pearson Prentice Hall 2006 An Introduction to the Principles of Medical Imaging, Chris Guy and Dominic ffytche, Imperial College Press, 2005 (Revised Edition) 感謝以下教授提供相關資料台大電機系鍾孝文教授台大電機系李百祺教授台科大電機系黃騰毅教授

4 X 光相關技術 X-ray

5 講古 :X 光的發現侖琴 (Roentgen WC) : Nov, 1895 低壓游離氣體導電的偶然發現暗室中的螢光屏曝光肉體透明但骨骼不透明首座諾貝爾物理獎得主 (1901)

6 X 光的發現者侖琴 ( ) 侖琴夫人的手

7 什麼是 X 光? X : 表示未知極短波長的電磁波 (~ angstrom) 1 angstrom = m Angstrom (Å) : 大約原子大小等級

8 為什麼可以穿透多種物質? 在 angstrom (Å) 尺度等級下, 物質的大部分是空的原子 = 原子核 + 環繞電子大部分都會穿透, 除非與物質作用

9 簡單的原子模型 NaCl ( 氯化鈉 ) 物質的大部分都是空的

10 為什麼骨骼不透明? 人體組織成分 : H C O 骨骼 : P Ca 原子序高, 電子多, 與 X 光作用機會大, 因此 X 光穿透較少

11 X 光引起的革命性進展醫學診斷放射治療工業非破壞性檢測商品廣告宣傳

12 X 光所引起的廣告狂熱原始影像濾波後

13 X 光所引起的廣告狂熱

14 這個時代難道就沒有?

15 進入主題 : 如何產生 X 光? 只要使高速電子瞬間減速即可動能損失以電磁波形式釋出 Bremsstrahlung ( 煞車效應 ) (Braking radiation) 特性輻射 (characteristic radiation)

16 煞車效應 (Bremsstrahlung) 能量損失以輻射方式放出

17 Characteristic radiation - M - L K hν - Zero N M L α β L-lines K Tungsten ( 74 W) α β γ K-lines E [kev] K γ K β K α 產生固定能量的 X 光

18 Energy spectrum of X-ray 皆可為醫學放射影像的訊號來源

19 Hot Cathode X-ray Tube

20 X 光成像的原理 X 光穿透人體部分組織 ( 軟組織 ), 部分不穿透 ( 骨骼 ) 形成不同組織間的明暗對比就這樣而已? 影像品質如何控制?

21 X 光與物質的作用 Rayleigh 散射光電效應 Compton 散射 Pair production

22 Photoelectric Absorption X 光能量完全轉移至內層電子, 產生正離子與光電子主要發生於低能量 X 光 X 光全被吸收, 對比較高

23 Photoelectric Absorption 入射光子被吸收, 產生高衰減

24 Compton 散射 X 光能量部分轉移至外層, 產生正離子電子與長波長輻射主要發生於較高能量 X 光因產生散射 X 光, 對比較低

25 Compton 散射作用後散射出部分能量, 衰減程度較小

26 診斷用 X 光與物質的主要反應

27 X-ray attenuation X 光穿透距離越深, 衰減越多線性衰減係數 (μ, linear attenuation coefficient) I(x) = I 0 e -μx 與 X 光能量有關

28 X 光的偵測照相底片或螢光屏 ( 歷史 ) 透明膠片 + 感光乳劑 ( 溴化銀 ) 閃爍晶體 (Scintillator) + 光電倍增管 (Photomultiplier tube)

29 典型 X 光影像胸部 X 光乳房攝影 (Mammography)

30 典型 X 光影像腹部 X 光 ( 對比劑 ) 人工植入物

31 X 光影像參數能量 (kvp) 決定影像對比強度 (mas) 決定影像亮度與劑量 kvp mas

32 X 光影像參數能量 (kvp) 決定影像對比強度 (mas) 決定影像亮度與劑量如何得到一張漂亮的 X 光片? 根據組織特性決定 kvp 根據組織厚度決定 mas

33 Review: X-ray X 光的性質如何產生 X 光? X 光穿透人體的特性? X 光片的對比來源放射診斷應用

34 CT 斷層掃瞄 Computed (Axial) Tomography

35 X 光斷層掃瞄 Sir G. N. Hounsfield (1972) 侖琴之後放射線界最偉大的進展以細射束 X 光獲得局部投影多角度的投影計算原始影像

36 CT 原理

37 EMI-scanner The prototype 1972 EMI-scanner (Hounsfield)

38 最早期商品化的醫用 Tomography EMI CT1010 (1976) A head scan (80 80)

39 如今常用的醫用 Tomography A CT scanner A head scan

40 CT 的發明 Hounsfield & Cormack 1979 Nobel prize in Medicine Oldendorf 1961 : 仿體實驗 Radon 1917 : 由投影重建影像

41 如何重建影像? 解聯立方程式 ( 反矩陣 ) 疊代法 ( 仍有不同方法在研究中 ) 二維傅立葉轉換 (Central slice theorem) (Filtered) back projection

42 如何重建影像? 解聯立方程式 ( 反矩陣 ) 疊代法 ( 仍有不同方法在研究中 ) 二維傅立葉轉換 (Central slice theorem) (Filtered) back projection

43 Fourier Transform 重建 CT 影像原始物體影像二維傅立葉轉換

44 二維傅立葉轉換法影像與傅立葉轉換一對一對應只要能取得傅氏轉換數據, 就能由 inverse FT 計算到影像 CT 投影與傅氏轉換的關係?

45 投影定理 Central slice theorem 也稱為 Projection slice theorem, or Fourier slice theorem 影像沿著某一方向的投影, 經過 1D FT 之後, 對應 2D FT 平面的一條線

46 數學證明 F(0,v) = x 方向投影的 1D-FT

47 Fourier slice theorem y v FT x 方向投影 x u 2DFT 中的一條線

48 Fourier slice theorem y v FT x u 斜方向投影 2DFT 中的另一條線

49 Fourier slice theorem y v ift x u 計算回影像收集不同角度的投影

50 那就容易了啊 CT 掃瞄過程 = 收集各角度投影每一投影都計算 1D FT 彙整 = 極座標 2D FT 平面 Inverse 2D FT 算回影像

51 現今每張 CT 影像需要 750 rays, 600 views = 450,000 點影像解析度 : matrix ~ 1.7 data points/pixel Over-determined system

52 CT 影像的明暗直接反應該處的 X 光衰減程度 Hounsfield Units, CT number HU 與原子序與密度高度相關基本上還是 X-ray 影像對比 Substance HU Air 1000 Fat 120 Water 0 Muscle +40 Calculus +100 ~ +400 Bone +400 or more

53 CT 的進展 ( 取像速度 ) 第一代到第四代 CT Electron beam CT Spiral ( 螺旋式 ) CT Multi-slice spiral CT

54 CT 儀器的進展

55 CT 儀器內部

56 Electron Beam CT 原理 Imatron (Siemens) ultrafast CT

57 Electron Beam CT 的優勢 No moving parts at all! Fastest-ever scan (< 50 msec) Multiple targets = multi-slice 不怕持續運動的器官 ( 如心臟 )

58 Spiral (Helical) CT 的原理螺旋狀軌跡 ( 相對於病人 )

59 The Pitch 每 360 旋轉的 table 行進距離 / slice thickness Pitch > 1.0 : Data skipped Pitch < 1.0 : Over-sampled

60 Pitch and Spiral CT Pitch = 360 table 行進距離 / 切面厚度

61 Spiral CT 的影像重建不用說, 當然需要特殊內插方式但在目前商品化臨床 CT 中不太是個嚴重問題 Pitch 的適當選取

62 Multi-slice Spiral CT 的原理 Multi-detector 形成多重螺旋軌跡, 換取時間

63 如今的掃瞄速度 :360 in 10 sec

64 如今常見的 CT

65 CT 的持續發展更快掃瞄更高解析度更多張 slice 功能訊息基本上是形態方面最具優勢的技術但是還是考慮輻射劑量

66 Review: CT 影像重建原理 Central slice theorem CT 儀器的進展第一代到第四代 Electron Beam CT Spiral CT

67 核醫影像 Nuclear Medicine

68 什麼是核子醫學檢測? 人體原本不具放射性外加放射性物質送入人體放射線穿透人體至外界偵測器檢測局部放射性得知體內狀況

69 放射性的發現 Henri Becquerel ( ) : Uranium 鈾的 radioactivity (1896) Pierre/Marie Curie ( , ) : Radium 鐳 (1898)

70 Becquerel 的實驗螢光與磷光物質特性的偶然發現硫酸鈾經日曬引發螢光使底片曝光天氣好也只有一點點曝光天氣不好也可以曝光

71 貝克勒爾與鈾的放射性 Henri Becquerel 硫酸鈾的曝光照片

72 鐳射線的穿透性 (1907) 60 mg 溴化鐳鉛字曝光三天後

73 醫用鐳射線的衰退提煉不易, 製造昂貴難以隨意控制 (X 光可開可關 ) 曝光時間過久, 對比較差僅放射治療方面仍有持續研究

74 鐳影像與 X 光的比較 (1911) 鐳影像 ( 劑量高 ) X 光 ( 劑量低 )

75 穿透性射線的來源 Gamma ray (γ 射線 ) 來自不穩定原子核衰變原子核高能態轉至低能態, 能量差異以電磁波形式釋出

76 放射性元素的原子核衰變 Radioactive decay α ( 氦原子核 ) 衰變 β- ( 電子 ) 衰變 β+ ( 正子 ) 衰變, electron capture γ ( 射線 ) 衰變 ( 核醫中最重要者 )

77 粒子衰變 (α, β-) 蛻變成不同元素也經常伴有能量釋放帶電粒子穿透性低, 易為人體吸收, 因此核醫中儘量不使用

78 γ 衰變 γ ray : 能量高於紫外線之電磁波 X ray : 源自於電子產生 γ ray : 源自於原子核核醫多採用 metastable 核種產生核衰變過程中的中間產物原子核仍處於高能量不穩定狀態如 99 Mo 42 --> 99m Tc 43 --> 99 Tc 43

79 電磁波頻譜 X 光與 γ 射線基本上性質相同

80 核醫影像的要素放射性同位素的產生放射藥物化學標記器官功能診斷原理影像偵測儀器

81 適合的放射性同位素適當的半衰期長度 125 I: 半衰期 65 天 ; 81m Kr: 半衰期 13 秒射線能量與充足性無其他射線產生 ( 如 β-) 易於生產與標記

82 99m Tc (Technetium 鎝 ) 目前最廣泛使用於核醫的核種 6 hr 半衰期 ( 99m Tc 99 Tc) 適合十幾分鐘到小時的核醫影像回家也不會對家人亂放 γ ray 140 KeV 單一射源

83 99 Mo/ 99m Tc 的主要衰變途徑機率最高的衰變途徑

84 核醫影像的要素放射性同位素的產生放射藥物化學標記器官功能診斷原理影像偵測儀器

85 Gamma Camera Hal Anger, 1958 (Anger camera) 核醫影像目前最重要的儀器閃爍計數器 + 準直儀 + 光電倍增管 + 波高分析器 + 位置邏輯線路

86 Hal Anger 與 Gamma Camera 1958

87 Gamma Camera 功能構造簡圖

88 偵測之前還需準直儀 :Collimator γ ray : 各方向隨機射出接收器無從測知 source 位置不經過 collimator 得不到影像! 構造 : 平行鉛壁 (septa) ~ 1 in 5000 photons passes > 99.9% 的 γ ray 被浪費了!

89 其他部分光電倍增管 Photo multiplier tube 將可見光轉為電子, 並放大訊號波高分析儀 Pulse height analyzer 選擇性濾除低能量散射 γ ray 位置邏輯電路從有限的 PMT 通道計算影像

90 於是就組成了 Gamma Camera 1980 近代

91 典型的核醫影像 ( 什麼器官?) Planar scintigraphy

92 Gamma 斷層掃瞄沒什麼, 把 gamma camera 繞病人一圈, 其餘就和 CT 一樣單光子射出式斷層掃瞄 Single Photon Emission CT (SPECT) 影像重建 : 同 X-ray CT

93 核子醫學影像 Nuclear medicine? Unclear medicine? 沒那麼嚴重啦! 清不清晰不是醫學影像最重要的考量

94 核醫的重要目的功能性檢測, 不是只看器官形態能看到何種功能, 並非完全取決於影像清晰程度

95 核醫影像的要素放射性同位素的產生放射藥物化學標記器官功能診斷原理影像偵測儀器

96 化學標記的重要性不是有了放射性同位素就可以趕快注入人體! 你要看什麼? 適當選擇代謝物, 放上放射標記

97 許許多多的例子 99m Tc-HMPAO : 腦血流 99m Tc-MAA : 肺微灌流 99m Tc-RBC : 脾臟功能 99m Tc-DTPA : 腎功能 133 Xe : 肺部換氣功能

98 拿其中一個來說 :HMPAO for CBF Hexamethyl propylamineoxime 親脂性 (lypophilic), 迅速由血流帶入腦組織中, 並立刻轉為極性分子不再擴散出腦組織外 99m Tc-HMPAO : 大腦血流

99 Tc-99m HMPAO 大腦血流 SPECT Axial Coronal Sagittal SPECT with 99m Tc-HMPAO CT scan

100 正子放射斷層掃瞄 Positron emission tomography (PET) 利用正子衰變產生的 γ ray 作為訊號來源影像重建相同, 儀器大致類似什麼是正子 (positron)? 帶正電的粒子, β+ 衰變產生電子的反物質

101 會產生 β+ 衰變的核種 Neutron poor nuclei 自然界幾乎找不到 PET 中常用者 ( 半衰期 ): 18 F (~110 min), 15 O (~2 min), 11 C (~20 min), 13 N (~10 min), 產生這些核種的方式 : cyclotron

102 醫院中的 Cyclotron Siemens Gammasonics

103 但是 PET 並不偵測正子 PET 偵測正子下一步的反應正子在 1 mm 以內與電子產生互毀 Annihilation 質量完全消失, 轉化為能量 (γ ray)

104 Annihilation of Positron and Electron 動量守恆角度約呈 180 度

105 Coincidence Detection 偵測同時發生的兩個 events 表示正子發生源位於直線上 Projection! 已達到定位功能, 不需要準直儀 PET 劑量可低, 但影像仍能與 SPECT 同樣清晰的最重要原因!

106 Annihilation Coincidence Detection 原理 PET 內部構造

107 當然有 false coincidence Coincidence time window: 4~20 ns

108 腦部的葡萄糖代謝率 (PET) Pituitary Tumor: 18 F-FDG (Fludeoxyglucose) 標記

109 Review: Nuclear Medicine 核醫的訊號來源影像偵測儀器型態 vs. 功能核子醫學斷層掃瞄 SPECT vs. PET

Microsoft PowerPoint - Lecture02_Nuclear Medicine [相容模式]

Microsoft PowerPoint - Lecture02_Nuclear Medicine [相容模式] 核子醫學影像 Nuclear Medicine 莊子肇副教授中山電機系 1 什麼是核子醫學檢測? 人體原本不具放射性外加放射性物質送入人體放射線穿透人體至外界偵測器檢測局部放射性得知體內狀況 2 放射性的發現 Henri Becquerel (1852-1908)