生物医学工程基础四—生物医学图象2.ppt
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1、生物医学图象生物医学图象(Biomedical Imaging)(Biomedical Imaging)生物医学工程基础(四)生物医学工程基础(四)核磁共振成象核磁共振成象核磁共振成象核磁共振成象Lin Jiangli(Associate Prof.)Lin Jiangli(Associate Prof.)(2019.112019.11)Imaging technologies are changing the way science is done(R.P.Crease,Science,Vol.261,July 1993)5/6/20241四川大学材料学院生物医学工程系核磁共振成象核磁共振成
2、象(MRIMRI:Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging)MRIMRI完成于完成于完成于完成于8080年代,年代,年代,年代,对医学成像产生意义深远的影响对医学成像产生意义深远的影响对医学成像产生意义深远的影响对医学成像产生意义深远的影响5/6/20242四川大学材料学院生物医学工程系核磁共振成象核磁共振成象(MRIMRI:Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging)磁磁共共振振图图像像也也是是通通过过计计算算机机处处理理后后产产生生的的图图像像。与与CTCT不不同同
3、的的是是,CTCT图图中中每每个个像像素素的的数数值值代代表表的的是是人人体体组组织织中中某某一一个个体体素素对对X X线线的的衰衰减减;而而在在磁磁共共振振图图像像中中,每每个个像像素素的的值值代代表表的的是是从从某某个个体体素素来来的的磁磁共共振振信信号号的强度,它与共振核子的密度有关。的强度,它与共振核子的密度有关。5/6/20243四川大学材料学院生物医学工程系对人体无创伤、无电离辐射,安全;对人体无创伤、无电离辐射,安全;对人体无创伤、无电离辐射,安全;对人体无创伤、无电离辐射,安全;可以较容易地获得人体组织不同断面的图像可以较容易地获得人体组织不同断面的图像可以较容易地获得人体组织
4、不同断面的图像可以较容易地获得人体组织不同断面的图像图像分辨率高(分辨率可达图像分辨率高(分辨率可达图像分辨率高(分辨率可达图像分辨率高(分辨率可达0.5mm0.5mm)可以不注射造影剂可以不注射造影剂可以不注射造影剂可以不注射造影剂,对血管成像对血管成像对血管成像对血管成像对人体可以做出形态和功能两方面的诊断对人体可以做出形态和功能两方面的诊断对人体可以做出形态和功能两方面的诊断对人体可以做出形态和功能两方面的诊断(fMRIfMRI:磁共振功能成像):磁共振功能成像):磁共振功能成像):磁共振功能成像)MRI的突出优点的突出优点5/6/20244四川大学材料学院生物医学工程系主要内容主要内容
5、MRIMRI的历史与的历史与的历史与的历史与MRIMRI的概况的概况的概况的概况核磁共振现象核磁共振现象核磁共振现象核磁共振现象 驰豫时间驰豫时间驰豫时间驰豫时间 MRIMRI的信号检测核空间定位的信号检测核空间定位的信号检测核空间定位的信号检测核空间定位MRIMRI成像原理成像原理成像原理成像原理MRIMRI成像设备组成成像设备组成成像设备组成成像设备组成5/6/20245四川大学材料学院生物医学工程系一、一、History核磁共振现象的发现核磁共振现象的发现19461946年美国年美国年美国年美国StanfordStanford大学的大学的大学的大学的Felix BlochFelix Bl
6、och费利费利费利费利克斯克斯克斯克斯 布洛赫及哈佛大学布洛赫及哈佛大学布洛赫及哈佛大学布洛赫及哈佛大学Edward PurcellEdward Purcell爱德爱德爱德爱德华华华华 珀塞尔各自首次发现核磁共振现象,并因此于珀塞尔各自首次发现核磁共振现象,并因此于珀塞尔各自首次发现核磁共振现象,并因此于珀塞尔各自首次发现核磁共振现象,并因此于19521952获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。获得诺贝尔奖。1950197019501970,NMRNMR发展成为物理与化学的重要发展成为物理与化学的重要发展成为物理与化学的重要发展成为物理与化学的重要分析仪器。分析仪器。分析仪器。分析仪器。
7、到到到到7070年代后期,对人体的成像才获得成功年代后期,对人体的成像才获得成功年代后期,对人体的成像才获得成功年代后期,对人体的成像才获得成功5/6/20246四川大学材料学院生物医学工程系5/6/20247四川大学材料学院生物医学工程系5/6/20248四川大学材料学院生物医学工程系History:NMR诊断的想法19711971年,美国年,美国SUNY-BrooklynSUNY-Brooklyn的的医生医生Raymond DamadianRaymond Damadian利用磁利用磁共振波谱仪对小鼠研究,发现组织共振波谱仪对小鼠研究,发现组织与肿瘤的核磁共振与肿瘤的核磁共振T1T1、T2T
8、2弛豫时间弛豫时间不同,癌变组织的不同,癌变组织的T1T1,T2T2弛豫时间弛豫时间比正常组织长;而引发用比正常组织长;而引发用NMRNMR诊断诊断的想法。的想法。19691969,提出,提出,提出,提出MR scanner MR scanner 的设想;的设想;的设想;的设想;19711971,“tumor detecting “tumor detecting by MR”,T1,T2 by MR”,T1,T219771977,第一台,第一台,第一台,第一台MRIMRI,19781978,Fonar Fonar 公司公司公司公司19801980,上市,上市,上市,上市5/6/20249四川大
9、学材料学院生物医学工程系History:MRI出现1973-Paul Lauterbur1973-Paul Lauterbur(保罗(保罗 劳特布劳特布尔)首先以小试管样本示范尔)首先以小试管样本示范MRIMRI。他发表于他发表于3/16/1973 Nature3/16/1973 Nature的论文的论文 Image formation by induced local Image formation by induced local interaction;examples employing interaction;examples employing magnetic resonance
10、magnetic resonance。NatureNature的编辑的编辑原先将此文退稿,理由是不具有科学价值。原先将此文退稿,理由是不具有科学价值。在此文中,在此文中,LauterburLauterbur描述了如何用迭加描述了如何用迭加于强磁场上的弱梯度磁场来得到两支装水于强磁场上的弱梯度磁场来得到两支装水试管的空间位置。试管的空间位置。5/6/202410四川大学材料学院生物医学工程系History:FT MRI19751975年,瑞士年,瑞士ETH-ZurichETH-Zurich物理化物理化学教授学教授Richard Ernst Richard Ernst 建议应用相建议应用相位编码、
11、频率编码、位编码、频率编码、FourierFourier转换之转换之技术于技术于MRIMRI,而沿用至今。,而沿用至今。Richard Ernst:FT MRIRichard Ernst:FT MRINobel Prize,1991Nobel Prize,1991获得诺贝尔化学奖获得诺贝尔化学奖获得诺贝尔化学奖获得诺贝尔化学奖5/6/202411四川大学材料学院生物医学工程系History:EPI19771977年,年,Raymond Damadian Raymond Damadian 示范全身示范全身MRIMRI。19771977年,英国年,英国NottinghamNottingham大学物
12、大学物理教授理教授Peter MansfieldPeter Mansfield彼得彼得彼得彼得曼斯曼斯曼斯曼斯菲尔德菲尔德菲尔德菲尔德开发出回波平面成像开发出回波平面成像(echo-(echo-planar imaging,EPI)planar imaging,EPI)法,后来发法,后来发展到可达录像速率展到可达录像速率(30 ms/(30 ms/影像影像)的的成像法。成像法。5/6/202412四川大学材料学院生物医学工程系History:MRI走向临床走向临床19801980运用运用运用运用ErnstErnst的技术于人体成像,单一影像约需的技术于人体成像,单一影像约需的技术于人体成像,单
13、一影像约需的技术于人体成像,单一影像约需5 5 minmin取得。取得。取得。取得。19841984年年年年 美国美国美国美国FDAFDA批准核磁共振使用于临床;批准核磁共振使用于临床;批准核磁共振使用于临床;批准核磁共振使用于临床;1986 1986 中国成立安科公司中国成立安科公司中国成立安科公司中国成立安科公司19861986成像时间缩到约成像时间缩到约成像时间缩到约成像时间缩到约5 sec5 sec。19861986开发出开发出开发出开发出NMRNMR显微镜。显微镜。显微镜。显微镜。19871987用于制作一心脏周期的实时影片。用于制作一心脏周期的实时影片。用于制作一心脏周期的实时影片
14、。用于制作一心脏周期的实时影片。19871987美国美国美国美国GEGE公司完成核磁共振血管影像法公司完成核磁共振血管影像法公司完成核磁共振血管影像法公司完成核磁共振血管影像法(MRA)(MRA),不需,不需,不需,不需使用对比剂便可得到血液流动的影像。使用对比剂便可得到血液流动的影像。使用对比剂便可得到血液流动的影像。使用对比剂便可得到血液流动的影像。19931993开发出功能开发出功能开发出功能开发出功能MRI(fMRI)MRI(fMRI),用于观察人脑各部位的,用于观察人脑各部位的,用于观察人脑各部位的,用于观察人脑各部位的功能。功能。功能。功能。5/6/202413四川大学材料学院生物
15、医学工程系The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2019 Paul C.Lauterbur保罗劳特布尔University of Illinois Urbana,IL,USA Peter Mansfield 彼得曼斯菲尔德University of Nottingham,School of Physics and Astronomy Nottingham,United Kingdom 5/6/202414四川大学材料学院生物医学工程系Paul C.Lauterbur Prize Award Photo Sir Peter Mansfield Pri
16、ze Award Photo10/6,20195/6/202415四川大学材料学院生物医学工程系2019年诺贝尔生理学或医学奖成果年诺贝尔生理学或医学奖成果 正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的正确而及时的诊断对于患者而言至关重要。核磁共振成像技术的普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高,可以获得患者普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高,可以获得患者普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高,可以获得患者普及挽救了很多患者的生命。这种方法精确度高,可以获
17、得患者身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果,它对身体没有损身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果,它对身体没有损身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果,它对身体没有损身体内部结构的立体图像。根据现有实验结果,它对身体没有损害。害。害。害。2019201920192019年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性年诺贝尔生理学或医学奖表彰的就是这一领域的奠基性成果。成果。成果。成果。瑞典卡罗林斯卡医学院日决定,把瑞典卡罗林斯卡医学院日决定,把瑞典卡罗林斯卡医学院日决定,把瑞典卡罗林斯卡医
18、学院日决定,把2019201920192019年诺贝尔生理学或医学年诺贝尔生理学或医学年诺贝尔生理学或医学年诺贝尔生理学或医学奖授予现年奖授予现年奖授予现年奖授予现年74747474岁的美国科学家保罗岁的美国科学家保罗岁的美国科学家保罗岁的美国科学家保罗劳特布尔和现年劳特布尔和现年劳特布尔和现年劳特布尔和现年70707070岁的英国岁的英国岁的英国岁的英国科学家彼得科学家彼得科学家彼得科学家彼得曼斯菲尔德,以表彰他们在核磁共振成像技术领域曼斯菲尔德,以表彰他们在核磁共振成像技术领域曼斯菲尔德,以表彰他们在核磁共振成像技术领域曼斯菲尔德,以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。诺贝尔奖评选
19、委员会认为,用一种精确的、非入的突破性成就。诺贝尔奖评选委员会认为,用一种精确的、非入的突破性成就。诺贝尔奖评选委员会认为,用一种精确的、非入的突破性成就。诺贝尔奖评选委员会认为,用一种精确的、非入侵的方法对人体内部器官进行成像,对于医学诊断、治疗和康复侵的方法对人体内部器官进行成像,对于医学诊断、治疗和康复侵的方法对人体内部器官进行成像,对于医学诊断、治疗和康复侵的方法对人体内部器官进行成像,对于医学诊断、治疗和康复非常重要。这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到非常重要。这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到非常重要。这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到非常重要。
20、这两位科学家的成果对核磁共振成像技术的问世起到了奠基性的作用。了奠基性的作用。了奠基性的作用。了奠基性的作用。5/6/202416四川大学材料学院生物医学工程系2019年诺贝尔生理学或医学奖成果年诺贝尔生理学或医学奖成果原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电,它们可以在磁场原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电,它们可以在磁场原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电,它们可以在磁场原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电,它们可以在磁场中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率和方向。在磁中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率和方向。在磁中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率
21、和方向。在磁中旋转。磁场的强度和方向决定原子核旋转的频率和方向。在磁场中旋转的原子核有一个特点,即可以吸收频率与其旋转频率相场中旋转的原子核有一个特点,即可以吸收频率与其旋转频率相场中旋转的原子核有一个特点,即可以吸收频率与其旋转频率相场中旋转的原子核有一个特点,即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波,使原子核的能量增加,当原子核恢复原状时,就会同的电磁波,使原子核的能量增加,当原子核恢复原状时,就会同的电磁波,使原子核的能量增加,当原子核恢复原状时,就会同的电磁波,使原子核的能量增加,当原子核恢复原状时,就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一现象如同拉小提琴把多余的能量以电磁波的形式释
22、放出来。这一现象如同拉小提琴把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一现象如同拉小提琴把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一现象如同拉小提琴时琴弓与琴弦的共振一样,因而被成为核磁共振。时琴弓与琴弦的共振一样,因而被成为核磁共振。时琴弓与琴弦的共振一样,因而被成为核磁共振。时琴弓与琴弦的共振一样,因而被成为核磁共振。1946194619461946年美国科年美国科年美国科年美国科学家费利克斯学家费利克斯学家费利克斯学家费利克斯布洛赫和爱德华布洛赫和爱德华布洛赫和爱德华布洛赫和爱德华珀塞尔首先发现了核磁共振现珀塞尔首先发现了核磁共振现珀塞尔首先发现了核磁共振现珀塞尔首先发现了核磁共振现象,他们因此
23、获得了象,他们因此获得了象,他们因此获得了象,他们因此获得了1952195219521952年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为年的诺贝尔物理学奖。核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的,而原子的主成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的,而原子的主成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的,而原子的主成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的,而原子的主要部分是原子核。如果把物体放置在磁场中,用适当的电磁波照要部分是原子核。如果把物体放置在磁场中,用适当的电磁波照要部分是原子核。如果把物体放置在磁场
24、中,用适当的电磁波照要部分是原子核。如果把物体放置在磁场中,用适当的电磁波照射它,然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子射它,然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子射它,然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子射它,然后分析它释放的电磁波就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。如果把这种技术用于人体内部结构的成像,就可获得一种非常重要果把这种技术用于人体
25、内部结构的成像,就可获得一种非常重要果把这种技术用于人体内部结构的成像,就可获得一种非常重要果把这种技术用于人体内部结构的成像,就可获得一种非常重要的诊断工具。的诊断工具。的诊断工具。的诊断工具。5/6/202417四川大学材料学院生物医学工程系2019年诺贝尔生理学或医学奖成果年诺贝尔生理学或医学奖成果然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。然而从原理到实际应用往往有漫长的距离。20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代初期,年代初期,年代初期,年代初期,核磁共振成像技术研究才取得了突破。核磁共振成像技术研究
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