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[中图分类号]R445
[文献标识码]A
[文章编号]1006-1959(2009)11-0215-02
X线医学放射成像,一直是常规的内、外科检查诊断的主要手段,伴随计算机和电子技术的快速发展,包括计算机放射成像系统(CR)和数字放射成像系统(DR)数字X光线摄影替代胶片成像的屏――胶系统成为X线医学放射成像的主要技术手段,如何评价放射影像像的质量,建立客观、科学的放射医学影像质量检测评价方法,以期更好地应用于临床诊断,是放射医学影像专业领域的重要问题,本文将为此展开探讨。
1 材料与方法
选择乳腺肿瘤影像及掌指骨影像分别用主观评价法、方差、信息熵及拉普拉斯(8邻域微分)算子和方法分别进行计算。然后将结果进行比较、评价。采用的各种评价方法如下:
1.1 主观评价法:影像的观察者依据规定的评价尺度或自身经验对影像作质量判断,给出质量分数,之后对所有参与者给出的分数进行加权平均,所得结果为影像的主观质量评价。
表1为主观质量评分表,它含绝对性尺度和相对性尺度,绝对尺度是对影像给出绝对的质量评分,相对尺度是确定某影像在一批相比较的影像中的相对质量评分。评价流程是用原始标准影像建立起质量等级标准,而后由观察者观看被评价影像,与标准影像作质量等级比较,得出被评价影像的等级,最后对观察者的打分进行统一平均。
主观评价能较好地反映影像的直观质量,但没能用数学模型进行描述,此外易受观察者的知识背景、情绪和动机等因素影响,且费时费力,无法满足工程性的检测评价要求。
1.2 客观评价法:主要的客观评价方法有信息熵、方差法、平均梯度法等,其分别通过计算影像的信息熵、方差、和平均梯度的数值来评价影像的质量。列举如下:
1.2.1 信息熵:据香农信息论原理,一幅用8bit表示的影像的熵可表示为:
H(x)=-ΣLi=0Pilog2Pi
式中,L=255为影像的最大灰度等级, Pi为影像像素灰度值,i为出现的概率,信息熵有如下特点:①当像素在各个灰度级均匀分布,即各个灰度级所出现的频率均等时,Pi=1/L,则熵H(X)具有最大值log(L)。这时影像的信息量最丰富,灰度分布最均匀,层次最多。②影像中灰度级减少时,熵H(X)也减少。当影像中的所有像素只有某一灰度级,而没有其它灰度级时,熵H(X)具有最小值0。这时影像无信息。
1.2.2 方差:方差反映了影像整体灰度分布的统计量,方差越大,对比度越大;方差越小,对比度越小,其数学表达式为:
σ2=1M×N ΣM-1i=0ΣN-1j=0(f(i,j)-μ2
其中,M和N是影像的行、列数,f(i,j)是像点(i,j)处的灰度值,μ为整幅影像的灰度平均值。
1.2.3 拉普拉斯评价方法:拉普拉斯(8邻域微分)算子和方法是一种新的影像质量评价方法,它通过计算统计影像边缘的灰度变化情况来评价影像质量――即灰度变化越剧烈,边缘越清晰,影像也越清晰。
方法如下:①利用设计新边缘提取算法求出影像边缘。②把影像边缘的每一个像素在3*3领域内采用拉普拉斯梯度算子,得到8邻域微分值的统计值,其次为便于不同大小影像的对比,对第二步计算的结果按影像的大小进行规格化。具体算法如下:
P=Σ(M-1)*(N-1)i=1Σ8j=1df/dx(M-1)*(N-1)
上式中,M和N为影像的行数和列数,df为灰度变化幅值,dx为像素间的距离增量。公式可描述为:逐个对影像中的每点取8邻域点与之相减,求8个差值的加权和,再将所有点所得值相加除以像素总个数。
2 结果
三种评价方法的比较结果见表2。
表2 主观评价、客观评价和拉普拉斯评价比较表
影像
乳腺肿瘤 手骨
评价方法 Ma-1 Ma-2 Hand-1 Hand-2 Hand-3
主观评价(同类影像比较) 优 差 优 良 差
方差 1881.2 549.9618 4296.1 4660.8 5104.1
信息熵 4.3319 3.2417 3.7080 5.1870 5.3389
8邻域算子和算法 0.0902 0.2306 3.1779 2.1504 1.332
从表2中可以看出:①对于图1,客观方法(方差、信息熵)、8邻域算子和算法与主观评价是一致的;②对于图2,客观方法(方差、信息熵)与主观评价方法不一致,即不能反映视觉特性,只有8邻域算子和算法与主观评价一致。主观评价和客观评价是传统的医学影像评价方法,以上比较说明8邻域算子和算法综合了主观评价和客观方法特点,是比较有效、科学的医学影像质量检测评价方法。
物理学的很多新理论都为医学影像检查技术带来了革新,X射线、激光、电子显微镜、核磁共振等技术为医学研究及临床应用提供了新的方法和手段,对现代生命科学的发展作出了突出的贡献.借助于某种能量与生物体的相互作用,提取生物体内组织或器官的形态、结构以及某些生理功能的信息,为生物组织研究和临床诊断提供影像信息。
20世纪中叶,一批物理学工作者进入医学领域,从事肿瘤放射治疗及医学影像的研究.并于1958年成立了美国医学物理学家协会,1963年成立了国际医学物理学组织.并将具有定量特征的物理学思想和技术引入到临床的诊断和治疗中.物理学与医学的结合不仅促进了医学的发展,也对物理学的发展起了推动作用.
1 声学的应用
超声成像90年代以来,由于数字化处理的引入,高性能微电子器件及超声换能器的出现,以及各种图像处理技术的应用,超声成像的新技术、新设备层出不穷。超声不但能显示组织器官病变的解剖学改变,同时还可应用Dopper技术检查血流量、血流方向,从而辨别器官的病理生理受损性质与程度。超声诊断采用实时动态灰阶成像,在掌握正确剂量的前提下,可连续对器官的运动和功能实施动态观察,而不会产生像X射线成像那样的累积效应及危险的电离损害。由于超声诊断具有无损伤性、检查方便、诊断快速准确、价格便宜、适用范围广泛等优点,得以在临床中迅速推广。超声波成像的物理基础是超声医学的基础,超声成像是利用超声波遇到介质的不均匀界面时能发生发射的特性,根据检测到的回波信号的幅度、时问、频率、相位等,得到体内组织结构、血液流速等信息.
2 光学的应用X射线成像
X线实际上是一种波长极短、能量很大的电磁波。医学上应用的X线波长约在0.001--0.1nm之间。X射线穿透物质的能力与射线光子的能量有关,X线的 波长越短,光子的能量越大,穿透力越强。X显得穿透力也与物质密度有关,密度大的物质对X线的吸收多,透过少;密度小则吸收少,透过多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼与肌肉、脂肪等软组织区分开来,者正是X线透视和摄影的物理基础。X射线成像包括X射线透视和摄影、X射线计算机体层成像. X射线计算机体层成像是以测定人体内的衰减系数为基础,采用一定的数学方法,经计算机处理,重新建立断层图像的现代医学成像技术[1].X射线的几种特殊检查技术,分别是X射线的造影技术、X射线的断层摄影、数字减影.
3 电磁学的应用磁共振成像
MRI成像的先决条件MRI成像的先决条件是被成像样品中的原子核必须具有磁性,而这种磁性源于原子核本身的自旋运动.因此,对原子核等微观粒子的自旋属性进行的深入研究是量子力学取得的重要成果之一,客观上也是MRI得以产生的知识前提.磁共振成像利用了人体内水分子中的氢核在外磁场中产生核磁共振的原理.由于人体不同的正常组织、器官以及同一组织、器官的不同病理阶段氢核的弛豫时间有显著不同,利用梯度磁场进行层面选择和空间编码就可以获得以氢核的密度、纵向弛豫时间 、横向弛豫时间作为成像参数的体内各断层的结构图像.近年来产生很多新的成像序列和技术方法.如扩散加权成像是通过测量人脑中水分子扩散的特性来反映组织的生化特性及组织结构的改变,在临床上可用于急性脑梗塞的早期诊断[2].螺旋浆扫描技术,明显消除患者因运动或金属异物造成的伪影, 可生成高分辨率、无伪影、具有临床诊断意义的理想图像。
4 原子核物理学的应用放射性核素成像
放射性核素成像的物理基础放射性核素具有放射性,利用放射性核素作踪剂,结合药物在脏器选择性的聚集和参与生理、生化功能,达到诊断疾病的目的。检察方法 有4种:扫描机、照相机、单光子发射计算机体层和正电子发射计算机体层(PET).核素检查中产生的正电子只能存在极短的时间,当它被物质阻止而失去动能时,将和物质中的电子结合而转化成光子,即正负电子对湮没.转变为两个能量为0.551 MeV的光子,并反冲发出.放射性核素在正常组织和病变组织分布不同,产生的光子强弱也有不同,PET成像技术通过探测光子对的差别形成影像.
5 结语
影像物理学在影像检查技术中的意义非常重要,对影像检查技术的发展影像深远,随着影像物理学的不断发展,新的影像技术不断出现,必将对疾病的诊断总出更大的贡献。
参考文献
我院自2011年5月引进一款韩国MIS公司制造的DR1000型数字化X成像系统,随之应用于临床影像检查。通过一年多的使用,积累了一些使用经验,供同行参考。
1 严格机器操作规程 确保充分发挥机器的性能
MIS公司 DR1000 采用了尖端数字技术,动态范围广,有很宽的曝光宽容度。探测器采用的是碘化铯晶体加非晶硅层再加薄膜半导体列阵构成的17×17英寸平板探测器,其极限空间分辨达到3.5LP/mm,像素总值更是达到了900万之多,为显示人体组织细微结构提供了强大的保证。MIS公司 DR1000是多功能数字平板放射成像系统,其中最突出的体会就是它的一机多用,尤其是在胸片位和平床摄片位可一键自动切换,悬吊球管与平板自动跟踪设计便于患者快速定位,最大限度地改善了患者的摆位和检查舒适度,人可以舒适地进行各种的投照。整机采用的是计算机的标准键盘和中文选单式的操作来预选摄影条件。因此,随着操作模式的改变,我院规定每一位操纵者,在使用MIS公司DR前,务必详细阅读MIS 的使用手册,对简体中文操作系统的选单,充分掌握各个子选单功能。只有这样,我院作为一家综合性医院,在常常遇到的一个病人要进行多部位的投照(例如既要照胸片、又要照腰椎、还要照头颅)时,使用MIS投照得心应手,既保证了超高清晰度的1717×英寸平板探测器图像质量,又给病人带来了很大的便利。
2 严格控制影像质量,确保临床影像诊断需要
影像技术人员应认真熟练掌握机器的结构性能工作原理及各部件使用注意事项,以保证机器的正确使用及正常运转。根据临床要求摆放正确的摄影位置,正确使用滤线栅及缩光器设备,减少患者的辐射。虽然数字化摄影设备的摄影条件宽容度增宽,但不能随意选择摄影条件,应根据病人的体型部位及厂家提供的优质照片曝光指数,选择合适的摄影条件,这样再经过图形处理后,才能获得优质的照片。如果条件不合适过大过小,探测器获得的信息量受到影响,其清晰度对比度锐利度都会下降从而影响到图像质量。我院PACS工作站图像处理系统功能强大,窗宽窗位调整,图像的放大缩小及正反像处理等等,应认真处理充分利用其优越性,合理使用各种功能,最终提供一幅满足临床要求的图像。
3 严格机器维护保养制度,确保机器正常运转
关键词:PACS;临床应用;医院信息系统;数字化医院建设
中图分类号:TP29文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2011) 04-0000-02
Construction of PACS and Its Application Preparation
Zhang Xiangxing
(The Third Xiangya Hospital of Central South University,Information Center,Changsha410013,China)
Abstract:With the construction,implication,and development of the PACS system,how to build medical image PACS system has become the core duty of numerical construction of the modern large comprehensive hospitals.different norms of the hospitals,the constructions and demands of the PACS are different,and the preparations of the earlier stage are also different.This article will give you a good example of the introduction and knowledge of the PACS construction of our hospital about that.
Keywords:PACS;Clinical Application;Hospital Information System;Digital Hospital Building
一、PACS系统及其发展阶段
PACS是(Picture Archiving and Communications System)的缩写,全称为图像存储与传输系统。以医学影像领域数字化、网络化、信息化的趋势为要求,从而替代传统的胶片格式,以高效率、高性价比实现医学影像和病历信息的系统。按照不同的用户需求、实现目标可将PACS划分三个阶段:
(一)以影像设备之间的图像通讯和存储为系统建设目标而构建的PACS,即第一阶段PACS。它是从80年代末到94年,以工作站的方式出现,简单的把影像设备的图像通过采集或扫描方式储存在计算机,做一些图像数字化处理的功能.可以称之为Mini PACS(微型PACS),从而也就诞生了PACS系统。
(二)为实现影像科室的数字化诊断为建设目标而构建的PACS,即第二阶段PACS.它是从95年-99年,随着计算机网络的逐步普及,实现了医学影像的部分网络化。PACS系统是将病人信息、检查信息相结合起来,带有病人信息、检查部位、预约时间、查询、统计等功能。PACS系统将一个影像科室内所有影像设备连接,对其图像做集中存储,实现科室内部影像数字化诊断,实现不同设备的图像资源及病人相关信息的共享。
(三)为满足以数字化诊断为核心,将医院整个影像工作管理全过程而构建的PACS。即第三阶段PACS.从98年开始,全面走上数字化的阶段,并且将PACS应用到临床医学的阶段。这一层次的PACS人们称之为Full-PACS,又称为HospitalPACS(全院整体化PACS)。它涉及到放射科、超声科、内镜室、核医学科等相关影像科室,临床医生开具的电子申请单将涉及病人的基本信息、临床诊断、症状、体征、等等影像医生需要的资料,传递给影像医生。影像医生便能及时查看病人检查的图像,并出具精确的诊断报告给临床医生,从而实现诊治资源的共享。
二、建设PACS系统的前提条件
(一)为了保证FULL-PACS项目的顺利实施,医院成立了FULL-PACS项目管理与实施两个工作组,并由一位分管副院长来任组长,信息科及相关科室负责人为组员,负责项目的决策与管理工作。实施组由影像中心、临床科室、信息中心技术骨干组成。在管理组的领导下,负责项目的文档管理、技术支持及项目的实施与后期维护。为此,医院专门召开了各有关会议,并邀请PACS软件供应商作专题推介。同时在经费上,院领导也给予保证和大力支持。
(二)网络规划:首先要求它能完成从各种影像设备上获取图像,并能快速地在医院网络上传输图像,最终达到不失真地长时间地存储和方便快速地调阅图像.PACS数据的产生量不同于医院初期建设的HIS(Hospital information System)系统。在网络设备、网络综合布线、网络配置等等方面都要求较高,才能保证FULL-PACS系统的顺利传输,图像必须达到;清晰可见、色差对比、明暗对比等等条件。才能满足临床应用的要求。根据已实施PACS项目医院的经验。我院PACS采用千兆三层网络架构:核心层(提供网络的高速交换主干)、汇聚层(提供基于策略的连接)、接入层(提供工作站的衔接)。在楼栋之间、系统之间都划分VIAN进行管理,这样既解决了不同VIAN区域之间的数据交换,又解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。划分VIAN最大的好处就是准确找到发生网络故障的区域,而不影响其它VIAN段的信息传输。因此,FULL-PACS图像传输的质量优劣与网络规划有非常直接,密切的联系,同时也是衡量FULL-PACS项目好坏的基础环节。
(三)工作站的合理配置:可从显示分辨率和工作站配置构型选择考虑。显示分辨率是一个需要慎重考虑的问题。需要根据医院的实际投资水平确定一个既能满足基本诊断要求又不至于显著增加医院的投资压力的FULL-PACS工作站显示分辨率规划方案。尤其是影像检查的诊断工作站配置要求较高,需要高于1GHZ的双核CPU,高于1G的内存,带有双头显示的显示卡;用于接普通显示器与医用显示器。这主要是满足诊断医生的临床要求,给医生在阅片、审片准确定义病人病灶具有相当大的参考价值。影像诊断站是FULL-PACS系统应用的主要部分。影像诊断工作站除要包含影像显示和影像处理的各种常规手段,还要支持影像报告的书写、确认、打印等功能。依医院的具体情况而定。
(四)服务器及存储:一个全院级的PACS系统必须要配有专门的主服务器、备用服务器、磁盘阵列、光盘库、磁带库,以支持影像在线、近线和离线存储的媒介。是为医院实现无胶片化存储提供必备条件。我院服务器选用HP-DL580(配置为4个4核CPU,12G内存,146GSAS硬盘)作为影像服务器。HP-EVA4000磁盘阵列作为FULL-PACS在线数据存储,HP-MSA1500磁盘阵列作为FULL-PACS近线数据存储,HP-EML103E磁带库作为FULL-PACS的离线存储一起构成服务器集群,保证系统及硬件的冗余。每天进行数据库的在线数据备份。启用数据库的归档方式,归档日志同时保存在服务器硬盘和磁盘阵列中,保证日志的安全性。一旦数据库出现故障,确保恢复到故障发生的时间点。由于影像数据是海量数据,增长速度快,为方便容量的扩充,采用SAN存储结构,使用功能强大的群集软件lifekeeper来管理服务器,同时保证影像数据的安全性。通常情形,在线存储用磁盘阵列实现,一般采用RAID-5构型,以提供良好的容错能力、较高的数据读取速率及最大的磁盘空间利用率。近线存储目前多采用光盘库或磁带库实现,推荐采用前者。影像数据位于在线或近线存储位置可以执行不需人工介入的自动查询和影像自动迁移、转存、离线存储指影像数据存储媒质单元(如光盘、磁带等)被放置于与系统分离的存放位置,系统不能执行离线存储媒质上的影像数据的自动读取操作过程,需要人工介入操作。
三、PACS系统建设应注意的几个问题
(一)安全性问题:数据的安全在网络的使用中是第一位的,没有安全性的网络是没有意义的。医学图像的安全性应包括如何保护病人的隐私和医生自身的安全性.在医院信息服务集团应保持一个防火墙防止和控制所有内网的入口。FULL-PACS网和医院网络都由此防火墙防范。这样,尽管用影像服务器在二个网络间架桥,但没有涉及病人的秘密或影像安全。为了保护病人的秘密,在提取的影像区域内涉及病人姓名、X线号等。也避免用诸如身份信息命名无保证的影像文件。
(二)寻觅可靠的合作伙伴必须具备下列条件:1.必须有良好的企业资质及社会形象。2.对PACS的集成设计有一定的经验,可进行考察论证及比较。3.具有深厚的行业背景、技术积累及工程经验,对各种影像设备的连接驾轻就熟,对各种非医学数字成像通讯标准(DICOM)设备能够顺利地构成互联互通的完整系统。4.能充分了解我国的医疗模式及医院的运行机制,从而能提供全面的架构设计及提供解决、克服障碍因素的解决方案。5.对系统运行过程中出现的障碍及设备的故障,必须具有在第一时间内做出反应并能及时排除障碍,使系统及时恢复正常运行的能力。
(三)在实施过程中,首先应组建一支有丰富实施经验的团队,FULL―PACS的建设涉及的影像科室包括(放射、内镜、超声、核医学等),各个检查科室的登记、预约、病人检查的流程都不一样。谁先接入FULL-PACS,谁后接入都要进行整体的布局。一般遵循先难后易,先复杂再简单的原则进行实施。然后制定符合就诊病人就医流程,又符合经济效益的系统作业流程。这就涉及到HIS与PACS的融合问题:因流程的改变,就对HIS与FULL-PACS的接口处理提出了新的要求,接口的二次开发?两者信息如何共享、反馈信息如何传递?图片信息如何传递到医生工作站?等等在实际运作中遇到的问题将是程序研发者需要研讨的范畴。
四、建设PACS项目给医院带来的临床应用.
(一)从我院启动FULL-PACS系统建设以来,先后完成了放射、内镜、超声、核医学等医技信息与HIS的衔接,完成了与电子病历、检验系统、手术预约系统的接口与集成,实现了门诊与住院医生站实时访问PACS影像与报告信息。放射科的专家在规定的时间内也能查阅病人的病历资料,不用电话询问临床医生病人的病情。这使的技术员的效率提高20-40%左右,放射诊断人员的工作效率提高40%以上。提高了诊断率,给病人出具的诊断报告更加的准确。尤其是骨科、呼吸科、普外科的临床医生都指出由于改变了无胶片化科室管理的相关工作流程,一般他们一天节约4小时左右等待影像结果的时间。如:在没有FULL-PACS前,病人为了取到检查结果,需要在病室与放射科之间往返奔波。上了FULL-PACS后,病人在病房就可以看到诊断结果和影像资料。医生也能尽快的为病人服务做出临床诊断,使病人尽快得到适合病情的治疗方案,得到更多的治疗时间。
(二)病人就诊流程发生变化:我院的业务大致可分为门诊、住院、急诊、体检等,它们之间存在一定的区别又有一定的必然联系的。如:门诊病人做影像检查是需要先交费再进行登记和预约,检查时间、注意事项等信息直接反馈给患者。而住院病人已缴纳一定数额的住院预交金给医院,不涉及每次开医嘱交费的问题,由医生开完医嘱,申请单直接发送到影像登记预约,同时反馈预约时间、注意事项给病室。医生、护士在工作站就能及时查询到预约信息,并告知病人.在HIS与FULL-PACS信息共享后,影像登记室需要对每位拍片患者的基本信息、开单科室、开单医生、检查部位等等信息进行二次录入。不但耗时,数据的准确性也存在很大的隐患。不但未发挥FULL-PACS系统的优势,反而增添了很多麻烦.HIS与FULL-PACS信息共享后,也就实现了以患者为中心、医嘱为主干、收费为支干的过程。医生在开单时就完成了影像检查的划价、收费、检查部位的筛选等。节约了病人就诊时间,也避免操作员二次录入及错误的发生。这样,既提高了工作效率又更好的为患者提供优质服务.进而提高了医院的医疗水平。
我们是来自湖南衡阳的求医者。2006年8月,我母亲患了甲状腺结节病,经常感觉颈部僵硬胀痛。几年间,我们辗转看过很多医生,但疗效一直不理想。后经朋友介绍,我们来到了广东中山二院,找到了该医院核医学科的蒋宁一主任。蒋主任在给我母亲诊治的过程中是那样的细致体贴,很多我们没有想到的问题他都想到了,替病人考虑得非常到位。他和我们一起讨论分析我母亲的病情,并为我母亲制定了短期和长期的用药方案。蒋主任耐心地告诉我们,他对我母亲的治疗是怎么考虑的,为什么要这样用药,什么样的治疗方案更适合她。蒋主任没有只针对我母亲的甲状腺结节进行治疗,而是在认真看了我母亲以往和最新的检查结果后,结合我母亲更年期血脂高、睡眠差等情况进行全面的综合治疗。我觉得蒋主任的诊断和用药非常科学与合理,完全从病人的角度出发,选用了最安全、最稳妥的治疗方案。我母亲按照蒋主任的嘱咐用药1年后,所有不适的症状完全消失了。现在,我母亲停药已经快两年了,甲状腺上的结节再也没有出现。每当想起蒋主任的好处,我母亲都禁不住热泪盈眶。我们非常感谢蒋宁一主任,祝他好人一生平安!
湖南 衡阳 刘玉敏
蒋宁一医生简介:蒋宁一医生现为广东中山二院核医学科主任、主任医师、教授、博士生导师、中国医师协会核医学分会副会长、中华医学会核医学分会治疗组组长、中华医学会内分泌学会甲状腺学组副组长、中国核学会核医学分会副理事长、中国医学影像技术研究会副会长、广东省核医学分会主委、《国际放射医学核医学杂志》编委、《中国甲状腺结节与分化型甲状腺癌诊治指南》副主编。蒋宁一主任1973年从医,1982年毕业于苏州医学院,曾在上海医科大学、中国医学科学院、加拿大多伦多医院及印度新德里心血管病中心进修,曾先后应邀赴美国、法国、加拿大、日本、汉城、智利、欧洲等地参加国际性学术会议。蒋宁一主任擅长诊治甲亢、甲状腺癌、甲减、甲状腺炎、结节性甲状腺肿等疾病,尤其在应用碘-131治疗甲亢和甲状腺癌、应用核素治疗皮肤血管瘤和骨转移等方面有十分丰富的临床经验。