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CT和MRI技术与诊断的进展

来源:  时间:2013-01-05 11:41:00 浏览量: 次【字体: 大  :中: : 小 
摘要: [作者]:吴恩惠 [单位]:天津医科大学总医院放射科 [摘要]:CT和MRI检查领域的拓宽、图像显示能力的改进、图像显示方式的开发以及诊断水   

[作者]:吴恩惠 
[单位]:天津医科大学总医院放射科 
[摘要]:CT和MRI检查领域的拓宽、图像显示能力的改进、图像显示方式的开发以及诊断水平的提高同设备与技术的更新密切相关。更新主要是围绕缩短成像时间和提高图像分辨力,改善图像质量,以便能清楚显示感兴趣器官及其病变为目标的。本文就近年来CT的设备、技术和诊断的进展概况加以介绍,着重描述了螺旋CT在临床应用上的优点以及近年来MRI的设备、技术和诊断的进展概况,并介绍了导向技术和应用影像学指导手术的某些发展。 

[关键字]:CT 螺旋CT MRI 导向技术   

[课程全文 ] 


CT和MRI检查领域的拓宽、图像显示能力的改进、图像显示方式的开发以及诊断水平的提高同设备与技术的更新密切相关。更新则主要是围绕缩短成像时间和提高图像分辨力,改善图像质量,以便能清楚显示感兴趣器官及其病变为目标的。 

一、CT 

CT扫描从平移/旋转式到旋转式的层面扫描,发展到在旋转式扫描基础上,采用滑环技术和连续进床的螺旋扫描是CT发展中的一个重要里程碑,也是今后发展的方向。1998年推出的多层面螺旋CT(multislice CT,MSCT)进一步提高了CT的性能,是又一重要发展。当前世界生产的CT几乎都是螺旋扫描方式。 
螺旋CT的突出优点是快速的容积数据采集,在短时间内对身体较长范围进行不间断扫描,可得到丰富的影像信息,为改善图像质量和提高CT的成像功能打下良好的基础。 

MSCT不同于单层螺旋CT,后者用扇形X线束、单排探测器,每旋转360°获得一个层面图像,而前者则用锥形X线束,对称或非对称的多排宽探测器,多个数据采集系统,大容量单台或多台计算机处理信息,球管每旋转360°可得2~16个层面的图像。探测器的宽度与排数决定着层厚的厚薄与扫描时间。MSCT的机架滑环设计、数据传输方式及图像重建方法均与单层螺旋CT不同。 

为检查大体型病人,还设计了大孔径CT,机架孔径可达72~85cm,在这种CT上可满足放疗定位与TPS的需要。受DR的启示,人们还将平板探测器代替一般CT上的单排或多排探测器直接采集某一解剖区域的容积信息,经计算机处理形成层面或三维图像,这种平板探测器CT可能是CT发展中的又一次突破。另外还有CT与其它成像设备的一体化设计,如CT与X线透视及CT与PET的一体化,后者可一次完成两种不同的检查,将CT的形态学信息与PET的功能信息准确地融合在一起,对病变的定性与肿瘤的分期有重要作用。 

(一)MSCT比单层螺旋CT的优势 

获得更薄的层厚,薄达0.5mm甚至0.5mm以下;以更快的速度行更长距离的扫描,全身扫描只需约20s,获得的容积信息更为丰富,可作不同方位断面的图像重建和图像后处理;减少层面间信息的重迭,降低噪音,改善图像的信噪比,提高图像质量;更快的数据采集速度,进一步提高时间分辩力,扫描时间缩短,如用16层MSCT作心脏扫描的时间可缩短为65ms,可行心脏实时成像。进一步提高图像的对比分辨力和空间分辨力。MSCT所得图像的空间分辨力可达到24线对/cm,可更好地显示微小结构;减少对比剂的用量,大致可减少60%。 

为了保证图像质量、长扫描时间和长扫描距离,螺旋CT需要配置高热容量球管,当前多用5.0兆热单位(MHU)的。探测器使用稳定性好、光输出高、余辉暂短的固体探测器,如稀土陶瓷钆酸钇(Ygd O),其转换率可达90%。高转换率可得高分辨力图像,又降低X线量。 

螺旋扫描带来的病人接受大的X线辐射量问题,可通过 

(1)X线滤过技术; 

(2)mA自动调制技术; 

(3)可变速扫描技术和 

(4)选择性期相扫描技术等加以解决。 

(二)螺旋CT在临床应用上的优点 

1. 实时成像与CT透视 

螺旋CT,特别是MSCT大大缩短了成像时间。一个层面的扫描时间已缩短到亚秒级,图像重建时间也短到1秒,几乎可达到实时成像的水平。 

短时间内完成长距离的连续扫描,给临床带来很大方便。对于不合作或难于制动的病人或运动器官的扫描,不难完成检查。病人检查时间的缩短,增加了病人的流通量,从而提高工作效率。连续扫描可获得连续层面图像,避免漏扫层面所致小病灶的漏诊。使用MSCT可在更短时间内完成长距离的连续扫描。用16层MSCT可在不到半分钟的时间内完成150cm的长距离扫描,可一次完成胸、腹部和盆部的扫描。实时成像有利于运动器官的成像和动态观察,易于得到感兴趣器官或结构的期相CT表现特征,例如对肝脏的动态CT扫描,不难得到肝动脉期等精确的期相图像。 

1秒或亚秒级采集的容积数据行连续成像(continuous imaging)于1秒内可显示6~8帧图像,达到近于透视的效果,即所谓CT透视(CT fluoroscopy),对开展CT介入技术很有帮助。  

2. CT图像显示 

螺旋CT除可快速提供大范围、薄层厚的横断面、冠状面、矢状面及任意斜面的同性高分辨力图像外,还使一些图像显示技术,如三维重建、容积再现、仿真内镜和CTA等图像显示技术进一步提高,使器官、结构及其病变的显示方式有所改变,显示能力有所提高。 

(1) 三维重建技术:MSCT所得三维立体CT图像更为清晰,对病灶的定位及其同邻近器官、结构的毗邻关系更为明确。 

(2) 容积再现技术:容积再现技术(volume rendering)利用全部体素CT值行深部及表面遮盖技术与旋转结合,加上假彩色编码和透明化技术(transparency)使表面与深部结构同时显示。例如在胸部,使支气管、肺、血管、胸壁的肌骨等结构显影,解剖结构明确而逼真,一目了然。 

(3) 容积分段显示技术:使用专用软件可对三维立体图像进行三维切割、拆分和假色处理,使各组织与结构及其病变显示更加清楚、明确。 

(4) 仿真内镜技术:计算机的仿真技术与CT相结合而开发的仿真内镜(virtual endoscopy,VE)功能,可模拟内镜的检查过程。由于具有无创、逼真等优点而得到大家的认同。当前几乎在所有管腔都可行仿真内镜显示,如仿真鼻咽及鼻窦镜、喉及下咽镜、气管、支气管镜、胃镜、结肠镜、尿路镜、血管镜和中耳镜等。仿真支气管镜可显示到5~6级的支气管,超过纤维支气管镜可观察的范围,可显露息肉样病变、气道狭窄、闭塞等。仿真胃镜与结肠镜也可检查出小的息肉样病变,可用为筛选检查。仿真血管镜可观察纤维血管镜无法检查到的部位,诊断血管狭窄、粥样斑和血栓,发现直径大于3mm的动脉瘤,观察到主动脉夹层的内膜瓣和开口等。 

(5) CTA:目前CTA显示血管较过去更为完美,对脑血管、肾动脉与肺动脉显示效果好,但对小血管的显示仍不够理想。与MRA相比,CTA所得信息较多,与DSA相比,CTA无需插管,创伤小。在进一步改善图像分辨力后可成为更加实用显示血管的方法。 

冠状动脉CTA一直是研究内容之一。MSCT可能显示血管狭窄、粥样斑及钙斑等。MSCT对冠状动脉钙化积分也可发挥作用。 

3. CT脑血流灌注成像 

CT脑血流灌注成像(brain perfusion imaging)原理与方法如脑CT动态扫描和MRI的灌注成像。静脉快速团注对比剂后对选定层面行连续扫描。使用专用软件,得时间密度曲线,再得峰值时间、平均通过时间、局部脑血容量、局部脑血流量等参数对急性或超急性脑缺血性疾病的诊断、局部脑缺血与脑梗死的鉴别和脑瘤微循环的观察提供一可行的新途径。灌注CT还应用于心脏、肺、肝、肾等器官的研究,观察正常与异常的毛细血管灌注情况,有助于病变的进一步定性诊断。 

二、MRI 

提高MRI设备的性能,缩短成像时间,实现实时成像和MR透视,改善图像分辨力和适应开发与完善新技术,如功能成像和微结构成像等是MRI研究的重点。 

(一)MRI设备 

1. 磁体 

磁体的小型化和开放式已经普及,超高场强MRI设备,如3.0T已开始应用。 
小型磁体易于实现磁体的开放式设计,减轻磁体重量,减少超导线和液氦消耗,对场地条件要求低,从而可降低设备成本。 

低场强MRI设备,不论是永磁型、常导型或超导型都已采用开放式。性能有很大提高,图像质量、成像功能都有很大改善。成像时间也有所缩短。对病人舒适、减少幽闭恐怖感,又便于操作,不仅适于开展介入技术,而且可以方便检查的需要。中场强开放式MRI设备也已应用。使用超导磁体和垂直磁场,有较高的场强(如1.0T),较高的梯度场强(如20mT/m)和较高的切换率,可行薄层采集,成像速度快,能得到高分辨力图像。用于MRA及功能性成像等有很好的效果。 

在低场强磁体上,已开发出具有中、高场强设备的效能,可完成FSE、MRA和MR水成像等技术,图像清晰,成像时间也短。但高场强,信噪比高,图像好,成像快,易行功能成像的MRI设备仍为用户所向往,也是开展科研所必需的。3.0T的设备已用于临床,7.0T的设备已开始研制。 

2. 梯度系统 

梯度系统关系到成像的定位、视野、矩阵、层厚与成像序列,尤其是快速成像序列等,所以是左右着MRI设备性能的关键。说明性能的参数是梯度场强(gradient strength)、爬升时间、切换率(slew rate)以及灵活性(flexibility)等。 

梯度场强:决定切换率和得到最短的TR与TE,图像矩阵的大小和成像速度等。 

梯度场强可达30~50mT/m。高梯度场强可得高分辨力图像,缩短成像时间,但使体内梯度噪音增高,并引起神经肌肉的刺激。因此,提高梯度场强要考虑病人的耐受性。为了病人的安全,美国FDA对梯度场强的参数有严格的限制。 

为了提高梯度场强,已开发出双梯度系统(twin gradient),在梯度系统内装一短的补充梯度线圈,将这个补充线圈放在扫描部位,由于场强迭加而提高了梯度场强。其切换率可达150mT/m/ms,可用以检查心脏和头部,有利于进行fMRI、DI、MRS等,图像的分辨力提高。 

切换率高,为实现EPI序列提供了硬件保证。由于缩短TE与回波间隔时间(spacing time),而可提高信号强度,使图像更为清晰。但切换率过高可引起肌肉抽搐,一般限定在150mT/m/ms以下。 

梯度场强的提高,磁体内噪音也增高,影响病人,为此而设计出降噪音技术。 

3. 功能性成像 

功能性MRI(fMRI)几年前就已开始应用。广义的fMRI包括弥散成像(diffusion imaging, DI)、灌注成像(perfusion imaging,PI)和脑皮质功能定位等。fMRI是指病变还没有引起足以由MRI发现的形态变化以前,根据其功能改变,就使病变显像以达到诊断目的MRI技术。 

例如脑缺血性疾病,在早期,CT与MRI均无所发现,但弥散成像或灌注成像就可发现变化,从而作出诊断。在弥散加权像(DWI)上,脑缺血区出现高信号病灶。这对早期或超早期诊断脑局部缺血有重要意义,及时治疗可改善予后。利用先进的MRI设备可获得分辨力更高的DWI图像。 

灌注成像是快速静脉团注高浓度的顺磁性钆对比剂进行快速成像(EPI序列)。通过描绘信号-时间曲线(signal-time,ST),从而得知对比剂的到达时间、峰值时间和通过时间,借以评价病灶的微血循环。EPI序列有运动伪影少,时间分辨力高,扫描层面多和时间短等优点。临床上用以诊断早期局部脑缺血、心肌缺血以及了解肿瘤的微血管结构,借以判断其良性及恶性。在脑灌注成像,应得到局部脑血容量图(rCBV像)、局部脑血流量图(rCBF像)和平均通过时间图(MTT像)。综合分析可了解脑微血循环的血流动力学变化。 

脑皮质功能定位是应用血氧依赖水平(blood oxygen level dependency,BOLD)效应的脑功能检查。正常时毛细血管内有合氧Hb及脱氧Hb,后者在高场强中有磁化敏感效应、使T2*信号减弱。功能刺激时,功能区脑细胞兴奋,氧需要量加大,合氧Hb增多、脱氧Hb减少,磁化敏感效应下降,表现为相应功能区信号增高,可在MRI上观察到这种变化。例如当视觉刺激后,fMRI可见视中枢皮质信号变化,其信号因刺激的图形、彩色不同而不同。临床上,可了解视觉通道有无病理变化。同样,听觉、痛觉、运动也有相同的效应。标记脑肿瘤与邻近的功能区,手术时可保护功能区并最大限度地切除肿瘤。这种研究要求场强高,数据处理复杂费时。 

静脉注射Gd连续进行T1WI扫描,测定Gd首次到达与通过心肌的情况,即MRI心肌灌注成像可以评价心肌梗死与心肌冬眠,如与心壁运动标记成像合并使用,可评估缺血心肌的存活与心肌收缩力。 

4. MRS 

磁共振波谱(MR spectroscopy,MRS)与MRI不同,是在身体利用磁共振波谱对组织代谢上的病理生理变化进行化学分析的一种技术。当前主要用1HMRS,行组织代谢的生物化学分析。可提供分子生物学的信息。 

在代谢检测中主要是检测脂肪、氨基酸和神经递质的代谢。在MRS检测时,例如行脑MRS,先选定兴趣区,同时选定对侧对称的相等容积区域行MRS检测。通过胆硷(Cho)、肌酸(Cr)肌醇、谷氨酸、乳酸(Lac)等化学物质的定量分析以帮助诊断和研究疾病。例如,脑瘤时其乳酸及胆硷均增高,脑缺血时乳酸波峰增高。近年来MRS技术有不少改进,目前已用于脑瘤、脑梗死、颞叶癫痫,新生儿缺血缺氧脑病等的研究。MRS的实施要有很高的场强、快的扫描速度和高的MRS灵敏度。当前,在3.0T设备上,可行如31P等多种核MRS的研究。 

5. 其它 

(1) 张量成像(tensor imaging):属弥散成像技术,利用不同方向的弥散参数可显示各个方向的脑白质纤维与传导束,用于研究脑白质病与弥漫性轴索损伤。 

(2) SENSE技术:属快速成像技术,可使成像时间减少一半,甚至更少。 

.(3) 心血管MRI:用监测右膈肌运动的导航技术代替呼吸门控,加上ECG或VCG门控心脏MRI,作心肌灌注成像更为有效。已可进行冠脉的实时/三维成像。螺旋采集能测量冠脉的血流量与血流储备。冠脉的MRVE空间分辩力提高,图像质量改善,能显示冠脉的内膜与非钙化性斑块。使用相阵列线圈、食管与血管内线圈、快速扫描序列可显示血管壁结构、动脉硬化斑块及斑块内出血。 

三、介入技术的影像设备与新技术 

这里只简介导向技术和应用影像学指导手术的某些发展。 

在中档CT与MRI机上,均考虑不同方式的导向技术,以利CT和MRI介入技术的操作。在高档设备上,可利用三维重建功能,行介入操作的导向。 

在中、高档CT机上可实现矩阵为512×512实时三维重建,用于CT导向。CT透视系统,可以每秒6~8帧的显示速度成像,达到实用的水平。血管造影机配置在CT扫描架旁,CT扫描后,只移动床,即可行血管造影与介入操作。 

开放式MR机扩大了操作空间。以每秒20帧的速度连续成像行实时MR透视,有利于MR介入技术的操作。 

微创与无创手术,γ刀与X刀的开展需要对病灶精确定位。对此影像学可发挥作用。影像学信息直接与TPS匹配有利于肿瘤治疗计划的实施。 

近年来已用影像引导系统指导神经外科手术的进行。应用精确的定位技术和影像处理与显示技术,脑外科医生可在手术中直接看到手术部位及器械前进路径上脑解剖结构图像,得以避开重要结构而切除肿瘤,亦可及时处理手术并发症,如控制出血等,从而减少手术的盲目性与危险,提高了疗效。例如,脑胶质瘤在手术时难于区分正常脑组织与脑瘤组织,而在MRI上,肿瘤显示信号异常。这样在MRI引导下可安全准确地切除肿瘤,即便肿瘤靠近功能区的边缘。这就有可能避免肿瘤切除不完全或过多切除正常脑组织而损害脑功能。针刺活检和囊肿引流等也可在MRI引导下进行。 

综观CT与MRI的发展,可以看出,不论在设备上,技术上,乃至临床应用上都有很大的进步,促进了临床医学的发展。但临床医学的进步又对医学影像学提出了更高更多的希望。例如肿瘤,不仅希望能做出肿瘤的定位、定量和定性诊断,还希望了解肿瘤局部侵犯的范围、区分肿瘤的良恶性,以及分级与分期等。更希望能早期作出诊断。CT与MRI对此能发挥不小的作用,但也还不能满足临床的要求。尽管CT与MRI有很好的病变显示能力(敏感性),但其特异性与准确性还有待提高。进一步提高CT、MRI的性能是必要的。此外,综合运用CT与MRI和其他影像学手段,密切结合临床与实验室检查,借以提高诊断水平仍是我们必须遵循的诊断原则。 

 来源 美迪医疗网