1、现代影像物理学应用及其拓展现代影像物理学应用及其拓展第十八次全国原子、原子核物理研讨会暨全国近代物理研究会第十一届学术年会第十八次全国原子、原子核物理研讨会暨全国近代物理研究会第十一届学术年会 广西广西 桂林桂林 广西师范大学广西师范大学 201008 10 上海理工大学医疗器械学院上海理工大学医疗器械学院 上海医疗器械高等专科学校上海医疗器械高等专科学校 张学龙张学龙 一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像 密度成像密度成像的另一面的另一面二二. . 磁共振成像的磁共振成像的非医学应用非医学应用 医学应用医学应用的另一面的另一面现代影像物理学应用及其拓展现代影像物理学应用及其拓展xxnII
2、IBee00X射线射线透视透视和和摄影摄影 利用荧光作用利用荧光作用X-ray fluoroscopy利用感光作用利用感光作用X-ray roentgengram基本原理：基本原理：X射线的吸收与物质的密度、厚度有关（正比）射线的吸收与物质的密度、厚度有关（正比）从而荧光强弱不同、感光深浅不同从而荧光强弱不同、感光深浅不同形成影像形成影像X射线射线一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法传统传统X X射线成像射线成像吸收衬度吸收衬度百余年百余年不仅在医学方面获得了巨大的成功，而且在医学以外的领域不仅在医学方面获得了巨大的成功，而且在医学以外的领域比如说信息科
3、学以及工业领域，都得到了极其广泛的应用。比如说信息科学以及工业领域，都得到了极其广泛的应用。 xIIe0根据样品密度组成分布以及厚度的不同，对根据样品密度组成分布以及厚度的不同，对X射线吸收射线吸收不同，获得像的衬度（不同，获得像的衬度（吸收衬度吸收衬度absorbing contrast） 临床医学的飞速发展对现代医学影像学产生了巨大影响，对所能得到医学成像提出了极高要求。医学的研究逐渐深入到了微观领域，医学的研究逐渐深入到了微观领域，在细胞甚至更小的层面讨论它的微观在细胞甚至更小的层面讨论它的微观机制和病理也越来越重要。机制和病理也越来越重要。 医学影像的发展趋势就是从宏观影像学到微观影像
4、学。现有现有X-CT，MRI，超声成像超声成像等医疗等医疗诊断设备的分辨率，基本在诊断设备的分辨率，基本在毫米量级毫米量级，不能满足医学进一步发展的要求，需不能满足医学进一步发展的要求，需要研究新的成像技术。要研究新的成像技术。一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法医用医用CT成像的空间分辨率已达到成像的空间分辨率已达到0.30.5mm工业工业CT用微焦点用微焦点X线束及线束及CCD检测器，已达检测器，已达510 但本质上依然是但本质上依然是吸收衬度吸收衬度成像，特别是成像，特别是对于主要由碳、氢、氧、氮等轻元素组对于主要由碳、氢、氧、氮等轻元素组成的成的
5、软组织软组织，其，其X射线吸收衬度很差，射线吸收衬度很差，相应的相应的图像分辨率也不高图像分辨率也不高。 一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法(a) 当当X 射线经过样品时射线经过样品时X 射线波发生位相漂移；射线波发生位相漂移；(b) 位相漂移导致位相漂移导致X 射线波前发生畸变。射线波前发生畸变。如何使如何使畸变波面能以可观察的强度变化显示畸变波面能以可观察的强度变化显示出来出来通过不同的相位衬度技术记录一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法1935年，德国科学家年，德国科学家Frits Zernike相衬法，相
6、衬法，1953年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖把相位变化转换成强度分布把相位变化转换成强度分布（折射率略为不同可分辨）（折射率略为不同可分辨） 物理：采用一种叫相衬观察的方法（附加一些光学装置来实现）数学：通过傅立叶变换和卷积处理来得到 )2(e)()(ixxFi1)(xF若相位差非常小，光栅透过函数近似表示若相位差非常小，光栅透过函数近似表示 像平面上的强度正比于像平面上的强度正比于 )(21)()(2xxGxI一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法)2(e)()(ixxF人体胸部软组织不同人体胸部软组织不同X射线能量下射线能量下与与的比较的比较 一一.
7、 X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法 三三种方法种方法干涉法衍射增强法 类同轴全息法具有光路简单、视场大以及图像具有光路简单、视场大以及图像直观无赝像等特点，是极有可能直观无赝像等特点，是极有可能首先被用于临床医学成像的技术首先被用于临床医学成像的技术 一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法推广的推广的结果结果： M 代表放大因子代表放大因子)()(FT2)(FT)cos()(222222210 xxAMuRxAMuRMIuI相位衬度函数与吸收衬度函数相位衬度函数与吸收衬度函数：)cos(22222MuRMuR)cos(2
8、2MuR1)()(2xMuRx)()(2xAMuRxA一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法二维情况下，相位效应滤波函数分布二维情况下，相位效应滤波函数分布 黄蛉的相位吸收原始像的数据分布图黄蛉的相位吸收原始像的数据分布图红色表示边缘数据被增强红色表示边缘数据被增强1. 相干光源相干光源2. 合适的距离（样品、光源、探测器合适的距离（样品、光源、探测器） 3. 射线通量要求射线通量要求 关键关键光源光源X相衬成像实现的条件相衬成像实现的条件上海同步辐射装置上海同步辐射装置( (SS
9、RF) )上海光源上海光源第三代的同步辐射装置，第三代的同步辐射装置，能量高达能量高达3.5Gev，达到世界先进水平。达到世界先进水平。 一一. X. X射线射线相衬成像相衬成像拓展的拓展的新的新的成像成像方法方法核磁共振对人体是如何成像的？核磁共振对人体是如何成像的？利用人体中的原子核。利用人体中的原子核。什么样的原子核？哪些原子核？什么样的原子核？哪些原子核？为什么这样会成像呢？为什么这样会成像呢？ 有个叫有个叫核磁共振的原理核磁共振的原理二二. . 磁共振成像的非医学应用磁共振成像的非医学应用 拓展的拓展的新的新的应用应用领域领域磁场中的原子核磁场中的原子核射频射频激发激发磁共振磁共振（
10、1 1）能够产生）能够产生共振共振跃迁的原子核；跃迁的原子核；（2 2）恒定的磁场；）恒定的磁场；（3 3）一定频率的交变磁场。）一定频率的交变磁场。MRI磁共振成像：磁共振成像：利用射频利用射频(Radio Frequency，RF)电磁波对电磁波对置于磁场中的含有置于磁场中的含有的原子核的物的原子核的物质进行激发，发生核磁共振质进行激发，发生核磁共振(NMR)，用感应用感应线圈采集共振信号，经处理，按一定数学方线圈采集共振信号，经处理，按一定数学方法，建立的数字图像。法，建立的数字图像。二二. . 磁共振成像的非医学应用磁共振成像的非医学应用 一旦撤除射频脉冲一旦撤除射频脉冲, 所有共振核
11、将释放能量所有共振核将释放能量,逐渐恢复到原状态。由于原子核各自逐渐恢复到原状态。由于原子核各自“环境环境”不同不同, 恢复时间恢复时间不同。不同。驰豫时间驰豫时间, T1,T2(分为纵向和横向分为纵向和横向)。（如水分子）（如水分子）（如蛋白质分子）（如蛋白质分子）进一步的问题进一步的问题: :线圈收到线圈收到MR信号信号生物体内所有质子的拉莫频率相同生物体内所有质子的拉莫频率相同MR代表的是所有激发部位信号的总和代表的是所有激发部位信号的总和没有空间位置区分没有空间位置区分 （不能区分组织结构）。（不能区分组织结构）。RF脉冲激发脉冲激发采集到的采集到的MR信号是断层内所有信号总和信号是断
12、层内所有信号总和二维傅立叶变换图像重建工作二维傅立叶变换图像重建工作需要分解到任一需要分解到任一（x，y）或（）或（ ）上的信号强度）上的信号强度,x二二. . 磁共振成像的非医学应用磁共振成像的非医学应用 NMI-20台式核磁共振成像台式核磁共振成像分析仪分析仪o （化学位移）、（化学位移）、J（偶极（偶极间接间接作用作用) 液体液体o DD（偶极（偶极-偶极偶极直接直接作用）作用） 固体固体o 忽略分子信息，设法引起忽略分子信息，设法引起频率差异频率差异得到信号的二得到信号的二维分布维分布 成像成像o T1（纵向弛豫时间）、（纵向弛豫时间）、T2（横向弛豫时间）、（横向弛豫时间）、D（扩散
13、系数）（扩散系数） 谱谱分析分析二二. . 磁共振成像的非医学应用磁共振成像的非医学应用 拓展的拓展的新的新的应用应用领域领域o 一般采用相对测量法一般采用相对测量法o 利用含量与信号之间的比例关系利用含量与信号之间的比例关系,确定出刻确定出刻度曲线度曲线 A=kS+b o 弛豫时间与样品内含有磁性核分子的结构、弛豫时间与样品内含有磁性核分子的结构、大小、均匀性程度、相互结合状态等参数相大小、均匀性程度、相互结合状态等参数相关联。关联。o 通过弛豫时间的测量，可以分析检测不同的通过弛豫时间的测量，可以分析检测不同的样品成分、状态分布、分子结合、分子铰链样品成分、状态分布、分子结合、分子铰链等与
14、之相关的应用信息。等与之相关的应用信息。 CPMG序列测量序列测量T2弛豫谱反演弛豫谱反演o 实际检测信号是由一系列满足单指数衰减规律的信号实际检测信号是由一系列满足单指数衰减规律的信号叠加而成的，同时不可避免地混入了随机噪声叠加而成的，同时不可避免地混入了随机噪声; ; 反演常用算法反演常用算法l1. NNLS（非负最小二乘法）l2. SVD（奇异值分解）l3. SIRT（联合迭代法）l4. GA（遗传算法）o 多孔介质，比如建筑材料、土壤、岩心多孔介质，比如建筑材料、土壤、岩心等），可以通过等），可以通过外部灌注磁性核样品外部灌注磁性核样品, ,根根据磁性核样品所处孔隙环境差异导致的据磁性
15、核样品所处孔隙环境差异导致的弛豫时间差异或扩散差异来间接检测样弛豫时间差异或扩散差异来间接检测样品的空隙情况，从而分析其性能。品的空隙情况，从而分析其性能。o 变温和变压系统用以改变样品测量环境变温和变压系统用以改变样品测量环境。 扩散系数测量原理图扩散系数测量原理图:在基本在基本SE序列的序列的180 射频脉冲的两侧沿某方向（或三射频脉冲的两侧沿某方向（或三个方向同时）对称施加一对强的运动敏感脉冲梯度。个方向同时）对称施加一对强的运动敏感脉冲梯度。 巧克力中的脂肪、油以及水的含量的测定o 准备样品：称重、预热准备样品：称重、预热 测试时间：每个样品测试时间：每个样品2030秒秒o 使用自旋回
16、波脉冲序列，其波形对于样品的重量是归一的。使用自旋回波脉冲序列，其波形对于样品的重量是归一的。样品的重量需要的很少，仅仅需要放在一个电热盖物或铝块样品的重量需要的很少，仅仅需要放在一个电热盖物或铝块中预热，中预热，60%样品需要此方法处理样品需要此方法处理1015分钟。每次仪器都要分钟。每次仪器都要进行校正，而且仪器的参数也会被定义，每个样品需要测试进行校正，而且仪器的参数也会被定义，每个样品需要测试的时间仅仅需要的时间仅仅需要20秒。可以得到秒。可以得到温度对结果的影响温度对结果的影响，温度是，温度是40。o 样品样品%脂肪（索氏提取）脂肪（索氏提取）40%核磁共振误差核磁共振误差60%核磁
17、共核磁共振误差振误差玉米面筋含水量测试o 样品准备：称重样品准备：称重 测试时间：测试时间：2020秒秒o 这是食品工业中测量含水量的一种方法，面筋中含有少量这是食品工业中测量含水量的一种方法，面筋中含有少量的油和水，这类样品可通过一种脉冲方法对样品进行测试，的油和水，这类样品可通过一种脉冲方法对样品进行测试，测试时刻在射频脉冲后测试时刻在射频脉冲后7070微秒处，下面是将传统方法与核微秒处，下面是将传统方法与核磁共振结果的比较磁共振结果的比较o 细的玉米面筋细的玉米面筋% %干燥的干燥的% %核磁共振误差粗的玉米面筋核磁共振误差粗的玉米面筋% %干燥的干燥的% %核磁共振误差核磁共振误差10
18、.29.9-0.39.9100.19.39.2-0.19.19-10.29.9-0.39.9100.19.39.2-0.19.19-0.1109.8-0.21010.10.19.28.7-0.1109.8-0.21010.10.19.28.7-0.510.110.20.19.39.309.19.30.210.210-0.510.110.20.19.39.309.19.30.210.210-0.210.410.409.99.7-0.29.89.90.19.39.40.19.69.5-0.210.410.409.99.7-0.29.89.90.19.39.40.19.69.5-0.15.45.60
19、.25.65.608.98.909.39.40.10.15.45.60.25.65.608.98.909.39.40.1相关应用 低分辨率脉冲傅立叶核磁共振分析仪低分辨率脉冲傅立叶核磁共振分析仪NM22Analysis用于食用于食品、农业、石化、化工、生化以及化纤等领域的应用的应用研究和品、农业、石化、化工、生化以及化纤等领域的应用的应用研究和开发，具有的突出优点：开发，具有的突出优点： o 速度：速度： 大多数应用测量的时间在一分钟以内完成大多数应用测量的时间在一分钟以内完成o 精度：精度： 与化学分析法和常规方法结果几乎相同与化学分析法和常规方法结果几乎相同o 无需溶剂：直接测量原样品，不
20、需任何处理，不用任何化学试剂无需溶剂：直接测量原样品，不需任何处理，不用任何化学试剂o 无损：测量不对样品产生损伤，可重复测量，可被其它技术测量无损：测量不对样品产生损伤，可重复测量，可被其它技术测量o 稳定可靠：满足质量检测的各种要求稳定可靠：满足质量检测的各种要求o 操作简单：在受严格训练的操作员操作下测量的结果几乎完全相同操作简单：在受严格训练的操作员操作下测量的结果几乎完全相同o 模块化的概念：很容易被设定成用户所需要的各种配置模块化的概念：很容易被设定成用户所需要的各种配置低场核磁低场核磁应用领域应用领域农业农业食品食品石油石油化工化工材料材料科学科学生命生命科学科学地质地质能源能源
21、分析测试领域分析测试领域, ,尚不断拓展尚不断拓展.种子含水、含油率测试种子含水、含油率测试种子育种、发育研究种子育种、发育研究种子水分分布、吸水过程研究种子水分分布、吸水过程研究货架期货架期保鲜、解冻、速冻过程水分迁徙保鲜、解冻、速冻过程水分迁徙蒸煮过程动态监测蒸煮过程动态监测 测量食品和生物体系中的含水量测量食品和生物体系中的含水量研究水分的分布和水分的流动性研究水分的分布和水分的流动性研究果蔬的成熟度和损伤程度研究果蔬的成熟度和损伤程度研究食品中的油脂研究食品中的油脂 多孔材料孔隙度、渗透率等性质研究多孔材料孔隙度、渗透率等性质研究土壤中未冻水含量研究土壤中未冻水含量研究橡胶、塑料老化程
22、度研究，交联密度测试橡胶、塑料老化程度研究，交联密度测试聚合物结晶、融化的动力学研究聚合物结晶、融化的动力学研究聚合物生产质量控制聚合物生产质量控制聚合物水合与干燥聚合物水合与干燥水泥凝固时间水泥凝固时间 、凝固性能研究凝固性能研究混凝土孔隙测定混凝土孔隙测定燃料电池薄膜燃料电池薄膜木材干燥木材干燥 小动物成像、形态结构分析小动物成像、形态结构分析宠物临床宠物临床MRI造影剂研究造影剂研究实验动物临床前药物试验实验动物临床前药物试验药物作用机制、毒性研究及药物研发药物作用机制、毒性研究及药物研发营养学动物实验研究营养学动物实验研究 临床前病理动物实验研究（癌症、心脑血临床前病理动物实验研究（癌
23、症、心脑血管疾病等）管疾病等）器官移植排斥反映检测器官移植排斥反映检测神经性疾病神经性疾病 快速检测燃油中的氢含量快速检测燃油中的氢含量石蜡中的油含量石蜡中的油含量煤粉含水率、孔隙度分析煤粉含水率、孔隙度分析油砂油泥含油率油砂油泥含油率岩心孔隙大小、孔隙分布、孔隙导通情况岩心孔隙大小、孔隙分布、孔隙导通情况岩心孔隙度、渗透率、饱和度测量岩心孔隙度、渗透率、饱和度测量原油黏度预测原油黏度预测NM-5核磁共振岩心分析仪核磁共振岩心分析仪MicroMRMiniMR科研、工业型科研、工业型MiniMR-60o通过实际教学实验，通过实际教学实验，积累经验，最后编积累经验，最后编写并出版核磁共写并出版核磁
24、共振成像技术实验教振成像技术实验教程一书（程一书（2008.12008.1月，科学出版社）月，科学出版社）基于基于NMI-20台式核磁共振教学成像仪的实验开发台式核磁共振教学成像仪的实验开发主要内容与编排主要内容与编排o 第一篇：核磁共振原理与设备结构概述。第一篇：核磁共振原理与设备结构概述。o 第二篇：核磁共振成像技术实验项目内容。第二篇：核磁共振成像技术实验项目内容。 第三章：第三章：原理性原理性实验实验，共，共11个；个； 第四章：第四章：成像技术成像技术实验实验，共，共8个；个； 第五章：第五章：硬件结构硬件结构实验实验，共，共7个；个； 第六章：第六章：应用拓展应用拓展实验实验，共，
25、共5个。个。 设：设：实验目的实验目的、实验设备与器材实验设备与器材、实验原理与方法实验原理与方法、 实验步骤实验步骤、实验结果实验结果、思考与讨论思考与讨论以及以及仿真设计仿真设计等。等。 o 第三篇：第三篇：NMI-20台式核磁共振成像仪器描述台式核磁共振成像仪器描述。 第三章第三章 原理性实验原理性实验第一节第一节 机械匀场和电子匀场机械匀场和电子匀场第二节第二节 硬脉冲硬脉冲FID序列测量拉莫尔频率序列测量拉莫尔频率第三节第三节 旋转坐标系下的旋转坐标系下的FID信号信号第四节第四节 FID信号一维处理与增益调整信号一维处理与增益调整第五节第五节 硬脉冲回波序列确定硬脉冲射频硬脉冲回波
26、序列确定硬脉冲射频第六节第六节 软脉冲软脉冲FID序列确定软脉冲射频序列确定软脉冲射频第七节第七节 软脉冲回波序列软脉冲回波序列第八节第八节 翻转恢复法测翻转恢复法测T1第九节第九节 饱和恢复法测饱和恢复法测T1第十节第十节 硬脉冲硬脉冲CPMG序列测量序列测量T2第十一节第十一节 乙醇的化学位移测量乙醇的化学位移测量 C1为为8时的时的CPMG回波列回波列 回波链长度为回波链长度为200时的时的T2拟拟合效果合效果 第四章第四章 成像技术实验成像技术实验第一节第一节 自旋回波序列成像自旋回波序列成像第二节第二节 自旋回波权重像自旋回波权重像第三节第三节 一维梯度编码成像一维梯度编码成像第四节
27、第四节 单脉冲双相位编码成像单脉冲双相位编码成像第五节第五节 反转恢复序列成像反转恢复序列成像第六节第六节 二维梯度回波序列成像二维梯度回波序列成像第七节第七节 采样参数对图像大小及形状的影响规律采样参数对图像大小及形状的影响规律第八节第八节 三维梯度回波序列成像三维梯度回波序列成像 第五章第五章 硬件结构实验硬件结构实验第一节第一节 射频线圈的调谐与匹配射频线圈的调谐与匹配第二节第二节 射频开关与前置放大器射频开关与前置放大器第三节第三节 射频功率放大器与射频波形调制电路射频功率放大器与射频波形调制电路第四节第四节 数据处理过程数据处理过程(模拟部分模拟部分)实验实验第五节第五节 梯度功率放大器梯度功率放大器第六节第六节 谱仪系统结构与控制信号谱仪系统结构与控制信号第七节第七节 高频数字记忆示波器的使用高频数字记忆示波器的使用NE1=NE2=1 NE1=32；NE2=1 NE1=24；NE2=4 第六章第六章 应用拓展实验应用拓展实验第一节第一节 2D-FFT图像重建的仿真实验图像重建的仿真实验第二节第二节 核磁共振图像质量评价实验核磁共振图像质量评价实验第三节第三节 3D-FFT图像重建的仿真实验图像重建的仿真实验第四节第四节 牙膏含氟量的测量牙膏含氟量的测量第五节第五节 芝麻含油率的测定芝麻含油率的测定
