[现代生物医学仪器]题目及参考答案

《现代生物医学仪器》课程考试安排

1.根据自己所感兴趣或结合专业背景选择现代医学影像技术进行实验研究设计（如选择靶向对比剂研发，分子影像研究，磁共振DTI或BOLD-fMRI的应用研究等）: 实验设计提纲式简洁包含研究目的，需解决的问题和解决的方法。

研究目的：要求设计出MRI与CT图像融合处理与分析程序。

(1) 处理对象：MRI与CT图像；(2) 内容：对给定图像做图像滤波、增强等预处理；选择相应配准算法进行两图像的配准；选择合理融合方法进行两图像的融合；确定评价参数，定量分析融合效果，采用Matlab编程，实现上述各过程。

需解决的问题：（1）确定图像滤波、增强等预处理算法并编程实现；（2）确定图像配准处理算法并编程实现；（3）确定图像融合处理算法并编程实现；（4）确定评价参数，定量分析融合效果。

解决的方法：CT/MRI是医学图像融合中最为常见的一种模式。CT图像的密度分辨率高,显示骨质清晰;而MRI的软组织分辨率好, 对颅脑结构显示得更好,两类图像融合后,可做到信息互补。同时在图像融合领域中, 有效实用的算法是融合的关键。

2. 请简述PET、MRI、CT的原理，并列举一个实际应用的例子说明多模医学影像的意义、必要性和关键问题（难点）。

CT 机的工作原理：CT机扫描部分主要由X线管和不同数目的控测器组成，用来收集信息。X线束对所选择的层面进行扫描，其强度因和不同密度的组织相互作用而产生相应的吸收和衰减。探测器将收集到X线信号转变为电信号，经模／数转换器（A／D converter）转换成数字，输入计算机储存和处理，从而得到该层面各单位容积的CT值（CT number），并排列成数字矩阵（Digital matrix）。这些数字可储存于硬磁盘（Hard disk）、软磁盘（Floppy）和磁带（Magnetic tape,MT）中，也可用打印机印用。数字矩阵经数／模（D/A）转换器在监视器上转为图像，即为该层的横断图像。

MRI的工作原理：当人体被置于一静电磁场(static magnetic field)时，组织内质子(proton)即吸收或释出放射波能(radiowave energy)，结果相应为组织磁化与非磁化，并相应以T1和T2衰减值表示。MR即基于这一原理产生扫描图像。由于不同组织有不同质子密度，在吸收和释出放射波能时有不同的可检测速率，故MR提供的软组织相差性也自然地优于其它任何一种影像方法。

PET的工作原理：PET-CT 是将 PET （功能代谢显像）、 CT （解剖结构显像）两个已经相当成熟的技术相融合，实现了 PET 、 CT 图像的同机融合。使 PET 的功能显像与螺旋 CT 的精细结构显像两种最高档显像技术的优点融于一体，形成优势互补，一次成像即可以获得 PET 图像，又可以获得相应部位的 CT 图像，既可准确地对病灶进行定性，又能准确定位，其诊断性能及临床实用价值更高。是当今最完美、最高档次的医学影像技术，被称之为近 20 年来在肿瘤诊断领域最重要的发展。

意义：计算机断层层析CT和磁共振成像MRI是临床用于颅脑疾病诊断最有效的方法。但两者的成像原理不同，突出显示的解剖结构也不同，MRI的软组织对比分辨率高，脑灰白质分界清楚，不受颅骨结构干扰，尤其适用于检查后颅凹和脑干的病灶；但是MRI对钙化不敏感，不利于疾病诊断。但CT显示钙化病灶敏感，而软组织对比度不佳，因此两种影像提供的诊断信息可以互相补充。结合CT、MRI的医学颅脑影像融合方法可以清晰地显示脑部骨组织和软组织信息。

医学图像的配准和融合有着非常密切的关系，特别是对于多模态图像而言，配准和融合是密不可分的。配准是融合的前提，也是决定图像融合技术发展的关键技术，若事先不对待融合图像进行空间上的对准，那么融合后的图像也是毫无意义的。融合是配准的目的，通过

来自不同影像设备的图像融合，可以得到更多的信息，提高影像数据的利用率。在多模态医学图像信息融合中，是要把相对应的组织结构融合在一起，而待融合的图像往往来自不同的成像设备，它们的成像方位、角度和分辨率等因素都是不同的，所以这些图像中相应组织的位置、大小等都是有差异的，必须先进行配准处理，才能实现准确地融合。

必要性：如果不采用多模融合的方法，只采用其中一种技术就会造成，诊断信息不全，出现漏诊误诊的情况。难点：在融合算法上如何处理，获得最优的融合权值，能够同时清晰显示软组织和骨组织的信息。

所以CT与MR图像融合为外科手术提供有力的证据。不同模态的医学图像都有各自的优缺点，如果我们能把它们之间的互补信息综合在一起，把它们作为一个整体来表达，那么就能为医学诊断，人体的功能和结构的研究提供更充分的信息，这就是医学图像信息融合的作用和意义。总之，医学图像配准为临床诊断、治疗、手术设计及手术效果评估等提供了更全面的来自不同图像之间的相互补充或变化的信息，它是目前医学图像处理的热点问题。

3. 简述DSA的成像方式

数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography ，DSA ）是80年代继CT之后出现的一项医学影像学新技术，是电子计算机与常规X线心血管造影相结合的一种新的检查方法。DSA的成像基本原理是将受检部位没有注入造影剂和注入造影剂后的血管造影X线荧光图像，分别经影像增强器增益后，再用高分辨率的电视摄像管扫描，将图像分割成许多的小方格，做成矩阵化，形成由小方格中的像素所组成的视频图像，经对数增幅和模/数转换为不同数值的数字，形成数字图像并分别存储起来，然后输入电子计算机处理并将两幅图像的数字信息相减，获得的不同数值的差值信号，再经对比度增强和数/模转换成普通的模拟信号，获得了去除骨骼、肌肉和其它软组织，只留下单纯血管影像的减影图像，通过显示器显示出来。通过DSA处理的图像，使血管的影像更为清晰，在进行介入手术时更为安全. DSA成像方式分静脉性DSA、动脉性DSA及动态DSA。

（1）动态DSA。在DSA成像过程中，球管、人体和检测器在规律运动曝光中采像，而获得清晰图像的方式，称之为动态DSA。常见的是旋转式血管造影减影和步进式血管造影减影或遥控对比剂跟踪技术。

（2）旋转式DSA。旋转ＤＳＡ是新型C型臂所具有的一种三维图像采集方法。具体方法是：注射对比剂前，C型臂两端的X线球管与探测器围绕造影部位作180º曝光，采集蒙片像数据；再在注射对比剂时又作180º曝光，采集造影像数据。在这个过程中，人体始终保持静止，X线球管与探测器同步运动。这样就可以显示造影部位血管的三维影像。适用于脑血管、冠状动脉DSA检查。

（3）步进式DSA。在注射对比剂前采集造影部位的蒙片，随即采集该部位的造影像，然后进行减影处理。在脉冲曝光中，球管与增强器保持静止，导管床携人体自动均速地向前移动，以此获得该血管的全程减影像。该方式一次注射造影而获得造影血管的全貌。主要用于四肢动脉DSA的检查。

（4）遥控对比剂跟踪技术。DSA一般对较长范围的血管分段进行检查，需要多次曝光序列才能完成全程血管像。对比剂跟踪摄制提供了一个观察全程血管结构的新方法，解决了以前的血流速度与摄影速度不一致，而出现血管显示不佳或不能显示的问题。该技术在不中断实时显示血管对比剂中进行数据采集，操作者可采用自动控制速度进行造影跟踪摄影，或由手柄速度控制器人工控制床面的移动速度，以适应于对比剂在血管内的流动速度。

静脉性DSA分外周静脉法和中心静脉法，动脉性DSA分选择性和超选择性方法。随介入放射学的发展及广泛的临床应用，目前以选择性和超选择性动脉DSA为主。

4. 简述DSA适应证

DSA适应证包括：（1）寻找脑血管病的病因，如出血性或闭塞性脑血管病变。（2）

怀疑血管本身病变，如动脉瘤，动脉夹层形成，动静脉瘘，外伤性脑血管损伤等。（3）怀疑有静脉性脑血管病者。（4）脑内或蛛网膜下腔出血病因检查。（5）头面部富血管性肿瘤术前了解血供状况。（6）观察颅内占位病变的血供与邻近血管的关系及某些肿瘤的定型。（7）实施血管介入或手术治疗前明确血管病变和周围解剖关系。（8）头面部及颅内血管性疾病治疗后复查。

(1)脑血管病：缺血性或出血性脑血管病，可寻找病因，确定治疗方案；(2)头面部富血管性肿瘤术前了解血供情况；(3)观察颅内占位性病变的血供与邻近血管的关系；(4)头面部及颅内血管性疾病治疗后复查；(5)明确血管病变和周围解剖关系。

5. 简述生物芯片及其在生物医学中的应用。

所谓生物芯片就是在微小的基片表面上( ～1cm2 ) 利用微加工技术( 光刻、湿法刻蚀、激光立体化学刻蚀等) 并结合有关的化学合成技术制造而成的具有一定分子生物学分析检验功能的微型器件。

（1）生物芯片在肿瘤诊断中的应用，目前的一些研究结果表明, 用DNA 芯片技术可以实现癌症的快速精确检测, 这表明DNA 芯片技术在肿瘤诊断中具有较好的应用前景, 有可能发展成为大规模筛选由基因突变引起的疾病的常规技术。

（2）在遗传病诊断中的应用，基因突变检测技术得到了快速的发展, 成为对多种遗传病进行诊断的常规手段。用结合在玻片上的探针阵列与从受检对象所得标本DNA 用PCR 荧光标记后进行杂交便能实现遣传病的检测。目前主要用于地中海贫血、异常血红蛋白病、血友病、苯酮尿症、杜氏肌营养不良症等几中常见遗传病的诊断。

（3）在炎症相关基因检测方面的应用，目前Heller 等人已将与炎症可能有关的细胞因子、趋化因子、DNA 结合蛋白和降解细胞基质的金属蛋白酶等相关的基因探针点分布在96 个位点上制成了炎症芯片。

（4）生物芯片在药物研究中的应用，①药物筛选和新药开发；②遗传药理学与合理用药；③毒理学研究。

（5）血气检测，Arquint 等研制了一种以硅为基底, 采用微加工技术制作的pO2、pCO2 和pH 传感器, 供血气检测用硅芯片, 其分析精度适合临床检测的需要。

（6）免疫性疾病的研究，疾病诊断, 特别是免疫性疾病如肝炎、爱滋病病毒的研究有了一定的发展。

总之，生物芯片技术在生物医学工程中的应用前景广阔, 在此仅抛砖引玉, 列出主要的一些应用以供生物医学工程研究人员作为参考。

6. 简述扫描探针显微镜的主要工作原理，超声扫描探针显微镜的主要特点及实现难点。

SPM（扫描探针显微镜）的工作原理当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面

超声波扫描显微镜，英文是：Scanning Acoustic Microscope，简称SAM。超声波显微镜的在失效分析中的优势：非破坏性、无损检测材料或IC芯片内部结构；可分层扫描、多层扫描；实施、直观的图像及分析；缺陷的测量及缺陷面积和数量统计；可显示材料内部的三维图像；对人体是没有伤害的；可检测各种缺陷（裂纹、分层、夹杂物、附着物、空洞、孔洞等）。

超声扫描显微镜利用高频的超声波(5MHz以上)检测器件、材料内部的缺陷位置、大小和分布状态等，对粘接层面非常敏感，能检测出气孔、裂纹、夹杂和分层等缺陷，是以波形、图形为显示方式的一种无损检测工具，可以保留在破坏性检测中被丢失的细微缺陷，样品通过检测后可以继续使用。主要应用于失效分析、可靠性分析、制程控制、品质控制，产品研

发、工艺提升等。

7. 基于图像的手术导引在微创手术中的作用与地位。

伴随着计算机技术的发展、普及和应用，医学图像处理技术也有了飞速的发展，计算机技术不仅使得所采集到的图像更加清晰，提高了图像的对比度，同时通过研究各种自动分割算法，使得从图像中自动或半自动提取人们感兴趣的图像特征成为可能。各种三维、四维图像采集与处理系统，进一步扩宽了医学图像处理的应用领域，它不仅可以辅助医生进行疾病的诊断与治疗，而且通过图像配准等技术手段，实时地为介入式无创或微创手术治疗提供手术导引，从而大大提高了治疗效果，缩短了病人住院以及康复的时间。

将医学影像与微创手术治疗结合，提供一种基于医学影像的手术导引方法，从而大大推动了微创手术的发展和应用。

8. 为什么说超声造影技术可以用于癌症的早期诊断？

超声造影又称声学造影，是利用造影剂使后散射回声增强，明显提高超声诊断的分辨力、敏感性和特异性的技术。造影剂通过外周静脉注入血液循环，微气泡到达并停留在毛细血管内，与其内红细胞充分接触，形成许多血液气泡界面，从而改变超声波与基本组织间的基本作用，即声波的吸收、反射、折射和增强后的散射等，使所在部位的回声信号增强，从周围组织弥散和渗透氧气和营养物质来维持其增生、进展、转移;超声造影能够增强对肿瘤微循环血管区域的显示，从而提高肿瘤的显示。

肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤,其中恶性肿瘤为癌症,恶性肿瘤的血供特征是滋养动脉扩张,血管增生,血供及其丰富.但是彩色多普勒因为仪器的局限性,对低速血流信号不敏感,因此对于癌症的早期诊断不准确.而超声造影技术通过造影剂微气泡的气液界面能极大地增强了多普勒散射信号,提高了超声诊断的特异性,兴造币.造影后原血供丰富者,彩色血流信号丰富;原血供不丰富者,彩色型号能够增强.而对于良性肿瘤,彩色信号争抢不明显,因此超声造影技术能通过提高彩色多普勒对低速血流的敏感性,用于癌症的早期诊断.

9. 制约我国基于面阵探头三维超声技术发展的原因有哪些？

由于二维面阵探头的阵元数激增，如何解决电子线路与每一个阵元的连接并为每一个阵元配置一个独立的通道就成了一个大问题。由于多维探头的阵元数成倍增加，对阵元连线等一系列加工工艺提出了更高的要求。由于制作工艺的限制，如复杂的二维面阵探头中传感器的并行处理技术、超声束的快速发射和接收技术等关键问题还未能解决，临床应用的二维换能器的阵元数还较少，对病变范围大的组织结构进行完整扫查还有一定困难，且仪器价格昂贵。成像技术的突破性往往要求彻底改变传统的方法。容积成像的优化和超声心动图的检查需提供高质量的心脏全容积扫描、高帧频图像和卓越的图像质量。

二维面阵探头发射金字塔形体积超声束从而获得实时的三维空间数据.然而复杂的二位面阵探头中传感器并行处理技术,超声束的极快速发射与接收技术,以及如何显示接收到的三维数据都是难题.而且投资风险大,不易被推广。