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出版者:

作者:Bushong, Stewart C.

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2009-4

价格:$ 308.96

装帧:

isbn号码:9780323064149

丛书系列:

图书标签:

• 放射物理学
• 医学物理
• 放射学
• X射线
• CT
• MRI
• 核医学
• 辐射剂量学
• 图像处理
• 物理学

医学影像原理与技术：从基础到前沿 本书旨在为对医学成像技术感兴趣的读者，提供一个全面、深入且实用的指南。它系统地阐述了现代医学影像设备和技术背后的基本物理学原理、工程实现、临床应用以及未来发展趋势。本书结构严谨，内容覆盖面广，适合医学生、放射技师、物理师、影像科医师以及相关领域的研究人员和工程师阅读。 --- 第一部分：成像的物理基础与信号采集 (The Physical Foundations and Signal Acquisition) 本部分奠定了理解所有现代医学影像技术所需的物理学基础，重点关注能量的产生、物质的相互作用以及信号的有效捕获。 第一章：电磁波谱与辐射生物学基础 1.1 电磁波谱概览： 详细探讨了电磁辐射的性质，包括波粒二象性、波长、频率和能量之间的关系。特别关注与医学成像直接相关的波段，如X射线、伽马射线、射频（RF）波以及光。 1.2 辐射与物质的相互作用： 深入分析了光子与原子或分子相互作用的机制，包括光电效应、康普顿散射和电子对效应。这些相互作用是生成可探测信号和图像对比度的根源。 1.3 辐射剂量与防护： 阐述了描述辐射暴露和对生物组织影响的关键量度，如吸收剂量（Gray）、等效剂量（Sievert）和有效剂量。详细介绍了辐射防护的基本原则（ALARA），包括时间、距离和屏蔽在临床实践中的应用，确保操作人员和患者的安全。 1.4 图像对比度的物理基础： 解释了为什么不同的组织（如骨骼、软组织、气体）在图像上会显示出不同的亮度（密度或衰减系数），这是成功诊断的前提。 第二章：基础成像系统与几何学 2.1 几何光学与成像系统： 讨论了射线束的衰减定律、点源与线源的几何结构，以及如何通过聚焦和准直来控制辐射的投射角度和范围。这对于理解早期成像和现代CT重建的几何基础至关重要。 2.2 探测器原理： 详细剖析了将物理事件（如X射线或光子）转化为可测量电信号的转换过程。介绍了不同类型的探测器技术： 闪烁体探测器： 晶体材料与光电倍增管/硅光电倍增管（PMT/SiPM）的耦合原理。 半导体探测器： 如CdTe或HPGe在能谱分析中的应用。 数字探测器阵列： 平板探测器（FPD）的工作原理，包括非晶硅（a-Si）和氧化物半导体（IGZO）的应用，以及它们在数字化成像中的效率和噪声特性。 2.3 图像的数字化与量化： 讲解了模/数转换（ADC）的过程，包括采样率、量化位数（位深）对最终图像质量（空间分辨率和灰度分辨率）的影响。 --- 第二部分：主要医学成像模态的技术深度解析 (In-Depth Analysis of Major Imaging Modalities) 本部分专注于当前临床上应用最广泛的三大主流成像技术，从其独特的物理机制出发，探究其技术实现和图像重建。 第三章：X射线成像与计算机断层扫描 (CT) 3.1 传统X射线成像： 复习了平片（Projection Radiography）的成像过程，包括曝光参数（kVp, mAs）对图像对比度和噪声的影响。讨论了胶片/屏系统向直接数字化X射线（DR）系统的演进。 3.2 计算机断层扫描（CT）的理论核心： 深入阐述了CT成像的数学基础——拉东变换（Radon Transform）和傅里叶变换（Fourier Transform）。解释了扇束、扇形束和螺旋（容积）CT的设计理念。 3.3 图像重建算法： 详细介绍了滤波反投影（FBP）的工作流程，并引入了迭代重建（Iterative Reconstruction, IR）方法，包括如何利用迭代方法降低噪声、提高图像质量并减少所需辐射剂量。 3.4 CT图像质量与伪影控制： 分析了影响CT图像质量的关键因素，如光子统计噪声、空间分辨率以及各种系统和患者相关的伪影（如硬化伪影、运动伪影、金属伪影）的成因和减轻策略。 第四章：磁共振成像（MRI）的量子力学与信号生成 4.1 核磁共振基础： 从量子力学角度解释了原子核自旋、拉莫尔进动频率、磁化矢量（M）的概念。强调了静磁场（B0）在产生信号中的核心作用。 4.2 射频（RF）脉冲与激发： 阐述了如何通过特定频率和持续时间的射频脉冲来翻转或改变平衡磁化矢量，从而激发目标组织发出信号。 4.3 弛豫过程与组织对比度： 这是MRI的关键。详细区分并分析了纵向弛豫（T1）和横向弛豫（T2）的物理机制，以及自旋密度（ρ）对信号强度的贡献。解释了T1加权、T2加权、PD加权图像的对比度差异来源。 4.4 空间编码：梯度场的作用： 系统讲解了如何通过精确控制梯度磁场（G）的施加，实现对信号的空间定位：频率编码（Frequency Encoding）、相位编码（Phase Encoding）和层选择（Slice Selection）。 4.5 图像重建：二维傅里叶变换（2D-FT）在K空间中的应用： 解释了K空间（频率空间）数据的采集过程，以及如何使用二维傅里叶逆变换（IFT）将K空间数据重建为空间域图像。 4.6 高级MRI技术简介： 简要介绍扩散加权成像（DWI）、灌注成像（PWI）和功能磁共振成像（fMRI）的物理基础和数据处理方法。 第五章：超声波成像的声学特性与多普勒效应 5.1 声波的产生与传播： 讨论了超声波的生成原理（逆压电效应），频率选择，以及声能在组织中的衰减、反射和折射定律（如声阻抗的概念）。 5.2 脉冲-回波成像原理： 解释了超声探头如何发射短暂的声波脉冲，并接收由组织界面反射的回波信号。重点讲解了时间增益补偿（TGC）在校正深度衰减中的作用。 5.3 图像形成与质量控制： 分析了轴向分辨率（与脉冲宽度相关）和横向分辨率（与声束聚焦相关）的决定因素。介绍了相控阵和线阵探头的工作方式。 5.4 多普勒超声： 深入解析多普勒效应在血流速度测量中的应用。介绍了连续波（CW）和脉冲波（PW）多普勒的工作原理，以及彩色多普勒成像的信号处理方式。 --- 第三部分：功能成像、图像质量与优化 (Functional Imaging, Image Quality, and Optimization) 本部分将目光投向先进的成像应用和决定诊断价值的关键因素。 第六章：核医学成像：放射性核素与分子显像 6.1 放射性衰变与伽马射线探测： 回顾了放射性核素的类型（阿尔法、贝塔、伽马发射体）及其在体内生物学行为。详细描述了伽马相机和单光子发射计算机断层成像（SPECT）中准直器和闪烁晶体的作用。 6.2 SPECT与PET成像原理： 重点分析了SPECT如何通过探测单个光子事件来重建二维或三维图像。对于PET，则详细阐述了正电子湮灭过程、符合计数（Coincidence Counting）原理，以及它们如何提供分子代谢信息。 6.3 图像质量与定量分析： 讨论了影响核医学图像质量的因素，如计数统计噪声、散射和衰减校正的必要性。介绍了放射性示踪剂动力学模型在功能定量中的应用。 第七章：图像质量的量化评估 7.1 空间分辨率的评价： 介绍了衡量系统捕捉细节能力的关键指标，如调制传递函数（MTF）和有效点扩散函数（PSF）。讨论了如何通过线对测试卡和线源来测量这些参数。 7.2 噪声分析： 将图像噪声建模为统计随机过程，重点关注泊松分布在X射线和PET成像中的适用性。解释了信噪比（SNR）和对比度噪声比（CNR）在评估诊断性能中的角色。 7.3 对比度与灰度： 探讨了图像灰度等级的设定，以及如何通过窗宽（Window Width）和窗位（Window Level）来优化人眼对特定组织对比度的识别能力。 第八章：图像处理与信息管理 8.1 图像增强与后处理技术： 介绍常用的图像空间域和频率域滤波技术（如高斯滤波、拉普拉斯算子、锐化滤波）在降噪和边缘增强中的应用。 8.2 数据压缩与传输： 讨论了DICOM标准在医学图像存储、传输和兼容性中的核心地位。简要介绍无损和有损压缩算法在影像数据管理中的选择与平衡。 8.3 质量保证与质量控制（QA/QC）： 强调了定期对成像设备进行系统性性能检测的重要性，包括剂量计的校准、图像均匀性检查和空间精度测试，以确保诊断结果的可靠性。 --- 第四部分：新兴技术与未来方向 (Emerging Technologies and Future Directions) 本部分展望了驱动下一代医学影像发展的创新领域。 第九章：融合成像与计算机辅助诊断（CAD） 9.1 图像配准与融合： 阐述了将来自不同模态（如PET/CT, SPECT/MRI）的结构信息与功能信息进行精确叠加（配准）的技术和算法，以及这种融合如何提高诊断的特异性和准确性。 9.2 机器智能在影像中的应用： 概述了深度学习和卷积神经网络（CNN）在自动图像分割、病灶检测（CADe）和诊断辅助（CADx）中的初步应用和挑战。 第十章：前沿技术探索 10.1 双能量/能谱成像： 分析了双能量CT（DECT）如何利用材料对不同能量X射线的敏感度差异，实现虚拟单能图像（VMI）和物质成分图的获取，显著提升了对比度和伪影抑制能力。 10.2 质子/重离子治疗中的成像需求： 讨论了粒子治疗（如质子治疗）对实时、高精度治疗中成像技术（如PET/MRI集成）提出的特殊要求。 10.3 计量学与剂量优化： 探讨了基于模型的迭代重建和剂量引导成像（DGI）如何推动个体化剂量优化，实现“以剂量为约束的图像质量”的新范式。 --- 本书的最终目标是提供一个坚实的理论框架，使读者能够深刻理解“屏幕上看到的图像”是如何由复杂的物理、数学和工程过程构建而成的，从而更好地操作、优化和解释现代医学影像数据。

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