醫學影像學是利用X線、電磁場、超聲波等能量或成像媒介，研究人體組織器官的形態、結構、生理功能及病理變化，為臨床診斷提供影像信息的一門應用學科，主要包括X線檢查、計算機X線體層掃描成像（CT）、核磁共振成像（MRI）及超聲檢查等。由於醫學影像能以非常直觀的方式顯示人體內部組織結構的形態和功能等，含有極其豐富的信息，醫學影像學已成為當前醫學研究或臨床診斷中最為活躍的領域之一。
5.1影像技術概述
1895年，德國科學家倫琴發現X線，並將其應用於醫學，這是人類曆史上第一次科學地利用成像，放射診斷學隨之誕生。X線實際上是一種波長極短、能量很大的電磁波。X線具有穿透性，但人體組織間有密度和厚度的差異，當X線透過人體不同組織時，被吸收的程度不同，經過顯像處理後即可得到不同的影像。由於X線圖片簡便、經濟、安全，同時圖像清晰，其應用日益廣泛，目前已成為幾乎所有醫院必不可少的常規醫學檢查手段之一。
20世紀70年代，CT裝置的問世引起科技界的極大震動，這被譽為自倫琴發現X射線以後，放射診斷學上最重要的成就。CT利用X線對人體某部一定厚度的層麵進行掃描，不同組織器官對X線具有不同程度的衰減作用，接收處理信號形成CT圖像。CT成像密度分辨率高，圖像清晰，檢查方便迅速，目前經過多次升級換代，其結構和功能日益完善。
MRI成像是利用核磁共振原理實現影像重建的，利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場內，經射頻脈衝激發後產生共振信號，用探測器檢測並經過處理轉換在屏幕上顯示圖像。MRI是一種對人體無創、無損的成像方式，提供的信息量大於其他已有的成像技術，能夠反映出分子水平的人體生理、生化特性，因此對疾病的診斷具有很大的潛在優越性。
20世紀60年代出現的超聲成像技術也是常規醫學影像檢查手段之一，其主要原理是將超聲波發射到人體內，不同組織和器官對超聲波的反射能力不同，健康組織和病變組織的反射能力也不一樣，將超聲反射信息通過特殊的儀器接收處理後成像，醫務人員通過超聲波信息對疾病做出診斷。超聲成像是真正無創、無損的影像學檢查手段，具有信息量豐富、便於動態多次觀察、分辨率高等優點。
醫學成像技術日新月異，影像新技術不斷湧現，這些技術都在相當程度上改變了臨床醫學的進程。需要說明的是，上述影像技術各有優缺點，互相補充且不能互相替代，本章節僅列舉X線、CT、MRI和超聲檢查的內容，管中窺豹，供大家學習參考。
5.2神秘隱形的光線——X線及成像技術
5.2.1X線的發現
1895年11月8日，一個星期五的晚上，德國慕尼黑伍爾茨堡大學的整個校園靜悄悄的，大家都回家度周末去了。但是還有一個房間的燈依然亮著。燈光下，一位年過半百的學者，是的，他就是我們後來都很熟悉的倫琴，凝視著一疊灰黑色的照相底片在發呆，仿佛陷入了沉思……
他在思索什麼呢？原來，倫琴以前做過一次放電實驗，為了確保實驗的精確性，他事先用錫紙和硬紙板把各種實驗器材都包裹得嚴嚴實實，並且用一個沒有安裝鋁窗的陰極管讓陰極射線透出。可是現在，他卻驚奇地發現，對著陰極射線發射的一塊塗有氰亞鉑酸鋇的屏幕（這個屏幕用於另外一個實驗）發出了光，而放電管旁邊這疊原本嚴密封閉的底片，現在也變成了灰黑色，這說明它們已經曝光了！
這個一般人很快就會忽略的現象，卻引起了倫琴的注意，使他產生了濃厚的興趣。他想，底片的變化，恰恰說明放電管放出了一種穿透力極強的新射線，它甚至能夠穿透裝底片的袋子！一定要好好研究一下。不過，既然目前還不知道它是什麼射線，於是取名“X線”。於是，這位學者開始了對這種神秘的“X線”的研究。
他先把一個塗有磷光物質的屏幕放在放電管附近，結果發現屏幕馬上發出了亮光。接著，他嚐試著拿一些平時不透光的較輕的物質，比如書本、橡皮板和木板，放到放電管和屏幕之間去擋那束看不見的神秘射線，可是什麼也不能把它擋住，在屏幕上幾乎看不到任何陰影，它甚至能夠輕而易舉地穿透15毫米厚的鋁板！直到他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間，屏幕上才出現了金屬板的陰影。
看來這種射線還是沒有能力穿透太厚的物質。實驗還發現，隻有鉛板和鉑板才能使屏幕不發光，當陰極管被接通時，放在旁邊的照相底片也將被感光，即使用厚厚的黑紙將底片包起來也無濟於事。接下來更為神奇的現象發生了，一天晚上倫琴很晚也沒回家，他的妻子來實驗室看他，於是他的妻子便成了在那不明輻射作用下在照相底片上留下痕跡的第一人。
5.2.2X線的發展
X線是19世紀末20世紀初物理學的三大發現（X線發現於1895年，放射線發現於1896年，電子發現於1897年）之一，這一發現標誌著現代物理學的產生。
自倫琴發現X線後，許多物理學家都在積極地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先後發現X線的偏振現象，但對X線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國物理學家勞厄發現了X線通過晶體時產生衍射現象，證明了X線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了《X線的幹涉現象》一文。
勞厄的文章發表不久，就引起英國布拉格父子的關注，當時老布拉格（W.H．Bragg）已是利茲大學的物理學教授，而小布拉格（W.L．Bragg）則剛從劍橋大學畢業，在卡文迪許實驗室。由於都是X線微粒論者，兩人都試圖用X線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嚐試未能取得成功。
年輕的小布拉格經過反複研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式，清楚地解釋了X線晶體衍射的形成，並提出了著名的布拉格公式。這一結果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了X線能夠用來獲取關於晶體結構的信息。
1912年11月，年僅22歲的小布拉格以《晶體對短波長電磁波的衍射》為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格則於1913年元月設計出第一台X線分光計，並利用這台儀器，發現了特征X線。小布拉格在用特征X線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結構之後，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結構，並用勞厄法進行了驗證。金剛石結構的測定完美地證明了化學家長期以來認為的碳原子的四個鍵按正四麵體形狀排列的結論。這對尚處於新生階段的X線晶體學來說是一個非常重要的事件，它充分顯示了X線衍射用於分析晶體結構的有效性，使其開始為物理學家和化學家普遍接受。
5.2.3X線的成像原理
前麵已講，X線是德國物理學家倫琴於1895年11月8日發現的。當時由於不清楚這種肉眼看不見的射線本質，故稱為X線。1896年1月23日，倫琴在法國物理學大會上宣布了這一發現，並展示了用這種射線拍攝的第一張手的照片。以後不久，X線就應用於臨床，並逐漸成為一種重要的臨床診療手段。由於X線具有穿透性、熒光效應和攝影效應，所以X線診斷又稱為放射診斷。放射診斷還包括CT診斷和MRI診斷。
真空管內高速行進的電子流轟擊鎢靶時即產生X線。X線有以下特點：波長很短，為肉眼不可見的光線；具有穿透性，醫學上可用來檢查人體，工業上可用於進行對工業產品探傷，交通或安全部門可用於檢查旅客的行李；還可使膠片感光，因此可攝取X光照片；X線的熒光作用可用於透視等，即發射X線直接照射人體，由於穿過人體（人體各種組織成分不同）後的X線量的不同衰減，使得作為接受照射的膠片感光產生差異，就形成黑白不同的照片影像，如果穿過人體的射線由熒光屏接收，就形成透視下的影像。
根據X線的穿透力也不同，一般分為三部分：骨或含鈣化的組織，X線最不易穿透（照片上呈高密度，為白影）；肌肉、液體、軟組織髒器次之（呈中等密度，為灰影）；脂肪和空氣易穿透（呈低密度，為黑影）。相似的組織的薄厚不同也可造成密度的差異。因此，密度間差異大的組織、器官就為X線檢查提供了很好的自然條件，如胸部檢查、骨骼檢查。對於密度相似的腹部檢查就無能為力，有些髒器如胃腸道則采用向腔內引入（口服或灌注）造影劑（或稱對比劑）的方法進行檢查，稱為“造影”。
5.2.4X線檢查的圖像特點
X線檢查技術是最早應用於臨床進行影像診斷的檢查手段。X線圖片屬於重疊性的二維影像，比如胸片中，前、中、後的胸壁和肋骨及肺都重疊投影在圖像上。X線圖片密度分辨能力較低，對於密度（黑白）相差較小的病變不敏感。X線圖片反映的組織及其病理變化的信息不全麵，如胃腸道造影隻能觀察腔內的病變，腔外病變存在與否及程度不能看到。骨關節或脊柱的X線圖片隻能觀察到骨，而軟骨（如椎間盤、半月板）、肌肉、韌帶、脊髓等則不能看到。盡管如此，由於X線檢查簡便、經濟、安全，同時圖像清晰，目前仍是影像檢查中使用最多、最基本的方法。
5.2.5X線檢查方法
透視檢查主要應用於胸部檢查、胃腸道造影或血管造影時的實時觀察、骨折整複等。由於檢查時間較長，接受的輻射相對較多。因此，一般的胸部透視已被X線照像取代。
X線照像有兩種方式。一種是直接將檢查部位攝照到膠片上麵，目前使用較多的為胸部、四肢骨與關節、脊椎骨、乳腺（需要專用設備）、牙及牙槽骨以及腹部平片等。另一種方式是用於記錄下透視中的圖像，比如胃腸造影、結腸造影、T管造影、大劑量靜脈腎盂造影。
將上述傳統的X線技術數字化，可使X線圖像密度分辨率提高，同時可以對圖像做後處理，進行圖像的編輯和傳輸等。因此，出現了數字X線攝影（DR）和計算機X線攝影（CR）技術，這種對於X線技術的現代化改良，不僅提高了圖像質量，方便了圖像的編輯管理，更重要的是減少了病人接受輻射的劑量。
需要指出，X線檢查手段是醫學影像檢查和診斷的傳統方法，隨著其他影像檢查手段的問世和開發，一些方麵已經或正在為其他檢查手段所替代。但是，有些檢查仍然具有很大的臨床使用價值，如骨關節檢查、肺部檢查、胃腸道檢查等。
在女性懷孕期間，禁止進行X線檢查，以避免卵細胞或受精卵受到損傷，而引起胚胎發育不良，造成胎兒出生後先天異常、畸形、智力低下、肢體缺損等。
5.3.1CT的發展史
為了使醫生可以更清晰地對人體內髒器官的病灶和症狀進行觀察，更好地對症下藥，迅速、徹底地解除病人的痛楚，世界各國的科學家孜孜不倦地對醫療影像技術進行著研究和改進。20世紀70年代中期，電子計算機的應用為醫療影像技術帶來了第一次革命性的創新，結合了電子計算機技術的第一台醫療影像設備——CT掃描儀誕生了。
CT是一種功能齊全的病情探測儀器，它是電子計算機X線斷層掃描技術的簡稱。自從X線發現後，醫學上就開始用它來探測人體疾病。但是，由於人體內有些器官對X線的吸收差別極小，因此X線對那些前後重疊的組織的病變就難以發現。於是，美國與英國的科學家開始尋找一種新的手段來彌補用X線檢查人體病變的不足。
1963年，美國物理學家科馬克發現人體不同的組織對X線的透過率有所不同，在研究中還得出了一些有關的計算公式，這些公式為後來CT的應用奠定了理論基礎。
1967年，英國電子工程師亨斯費爾德在並不了解科馬克研究成果的情況下，也開始了開發一種新技術的工作。他首先研究了模式的識別，然後製作了一台能加強X線放射源的簡單的掃描裝置，即後來的CT，用於對人的頭部進行試驗性掃描測量。後來，他又用這種裝置去測量全身，獲得了同樣的效果。
1971年9月，亨斯費爾德又與一位神經放射學家合作，在倫敦郊外一家醫院安裝了他設計製造的這種裝置，開始用於頭部檢查。10月4日，醫院用該裝置檢查了第一個病人。患者在完全清醒的情況下朝天仰臥，X線管裝在患者的上方，繞檢查部位轉動，同時在患者下方裝一計數器，使人體各部位對X線吸收的多少反映在計數器上，再經過電子計算機的處理，使人體各部位的圖像從熒屏上顯示出來。這次試驗非常成功。
1972年4月，亨斯費爾德在英國放射學年會上首次公布了這一結果，正式宣告了CT的誕生。這一消息引起科技界的極大震動，CT的研製成功被譽為自倫琴發現X線以後，放射診斷學上最重要的成就。因此，亨斯費爾德和科馬克共同獲得1979年諾貝爾生理學或醫學獎。而今，CT已廣泛運用於醫療診斷的各個領域。
5.3.2CT成像的基本原理
CT是用X線對人體某部一定厚度的層麵進行掃描，由探測器接收透過該層麵的X線，轉變為可見光後，由光電轉換變為電信號，再經模擬/數字轉換器（analog/digital converter）轉為數字，輸入計算機處理。圖像形成的處理有如對選定層麵分成若幹個體積相同的長方體，稱之為體素（voxel）。掃描所得信息經計算而獲得每個體素的X線衰減係數或吸收係數，再排列成矩陣，即數字矩陣（digital matrix）。數字矩陣可存儲於光盤中。經模擬/數字轉換器把數字矩陣中的每個數字轉為由黑到白不等灰度的小方塊，即像素（pixel），並按矩陣排列，即構成CT圖像。所以，CT圖像是重建圖像。每個體素的X線吸收係數可以通過不同的數學方法算出。
5.3.3CT設備構成
CT設備主要有以下三部分：掃描部分由X線管、探測器和掃描架組成；計算機係統負責將掃描收集到的信息數據進行存儲運算；圖像顯示和存儲係統負責將經計算機處理、重建的圖像顯示在屏幕上或用多幅照相機中激光照相機將圖像攝下。
掃描部分有幾種不同的掃描方式。探測器也從原始的1個發展到現在的多達4800個。掃描方式也從平移/旋轉、旋轉/旋轉、旋轉/固定，發展到新近開發的螺旋CT掃描。現在的計算機容量大、運算快，可立即重建圖像。由於掃描時間短，可避免運動（如呼吸運動）的幹擾，提高圖像質量；而且層麵是連續的，所以不致於漏掉病變，而且可行三維重建。注射造影劑做血管造影可得CT血管造影。超高速CT掃描所用掃描方式與其他方式完全不同，掃描時間可達到40毫秒以下，每秒可獲得多幀圖像，由於掃描時間很短，可攝得電影圖像，能避免運動所造成的偽影，因此，適用於心血管造影檢查以及小兒和急性創傷等不能很好合作的患者的檢查。
5.3.4CT的主要用途
自從CT被發明後，已經變成一個醫學影像重要的工具，雖然價格昂貴，醫用X-CT至今依然是診斷多種疾病的黃金準則。現代工業的發展，使得CT在無損檢測和逆向工程中發揮著重大的作用。另外，CT還用於安保檢測、航空運輸、港灣運輸、大型貨物集裝箱案件裝置等。
5.3.5CT圖像的特點
CT圖像是由一定數目由黑到白不同灰度的像素按矩陣排列所構成。這些像素反映的是相應體素的X線吸收係數。不同CT裝置所得圖像的像素大小及數目不同。大小可以是1毫米×1毫米，或0.5毫米×0.5毫米不等；數目可以是256×256，或512×512不等。顯然，像素越小，數目越多，構成的圖像越細致，即空間分辨力越高。CT圖像的空間分辨力不如X線圖像。
CT圖像是以不同的灰度來表示，反映器官和組織對X線的吸收程度。因此，與X線圖像所示的黑白影像一樣，黑影表示低吸收區，即低密度區，如肺部；白影表示高吸收區，即高密度區，如骨骼。但是CT圖線與X線圖像相比，密度分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，人體軟組織的密度差別雖小，吸收係數雖多接近於水，也能形成對比而成像，CT可以更好地顯示由軟組織構成的器官，如腦、脊髓、縱隔、肺、肝、膽、胰以及盆部器官等，並在良好的解剖圖像背景上顯示出病變的影像。這是CT的突出優點。
X線圖像可反映正常與病變組織的密度，如高密度和低密度，但沒有量的概念。CT圖像不僅以不同灰度顯示其密度的高低，還可用組織對X線的吸收係數說明其密度高低的程度，具有量的概念。實際工作中，一般不用吸收係數，而將其換算成CT值，用CT值說明密度，單位為Hu（Hounsfield unit）。水的吸收係數為10，CT值定為0Hu。人體中密度最高的骨皮質吸收係數最高，CT值定為1000Hu，而空氣密度最低，定為-1000Hu。人體中密度不同的各種組織的CT值則居於-1000～1000Hu的2000個分度之間。CT值的使用，使在描述某一組織影像的密度時，不僅可用高密度或低密度形容，且可用它們的CT值來說明密度高低的程度。
（1）CT圖像是層麵圖像，常用的是橫斷麵。為了顯示整個器官，需要多個連續的層麵圖像。通過CT設備上圖像的重建程序的使用，還可重建冠狀麵和矢狀麵的層麵圖像。
5.3.6CT診斷的臨床應用
CT診斷由於它的特殊診斷價值，已廣泛應用於臨床。但CT設備比較昂貴，檢查費用偏高，對於某些部位的檢查，其診斷價值尤其是定性診斷，還不能完全體現。所以不宜將CT檢查視為常規診斷手段，應在了解其優勢的基礎上，合理地選擇應用。CT診斷應用於各係統疾病有以下特點及優勢。