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《传染病学史》札记:诊断技术创新与话语体系改变(3)

已有 679 次阅读 2021-3-2 17:46 |个人分类:医学史话|系统分类:科研笔记

三、医学影像学创新发展

(一)X线的发现及其命名

伟大的德国物理学家伦琴(1845-1923)于1895年11月8日下午,在黑暗的实验室里应用阴极射线管进行实验研究,偶然发现当阴极射线管放电时,放置在其旁边的荧光屏发出了可见光。实验中阴极射线管用不透光线的硬纸板遮挡,说明激发荧光屏发光的射线具有穿透性和荧光作用。为此,他又进行了深入的实验,发现该射线可使由不透光黑纸包裹的照相底片感光,为了验证其感光效应,伦琴为其夫人拍摄了佩戴结婚戒指手的照片,这就是人类第1张X线照片。经过多次重复实验后,他确信阴极射线管能发出一种肉眼看不见的射线.并用数学上未知数的最常用代号X,将其命名为X射线。

(二)X线的诊断应用

由于伦琴夫人手的X线照片清楚显示了骨骼结构,使人类首次在活体透过皮肤观察到人体的内部结构。此后,数家国际著名厂商很快就生产出医用X线机,将X线用于全身各部位疾病的诊断,因而形成了诊断放射学。X线的发现开创了一个医学的新时代,伦琴也因此获得首届诺贝尔物理学奖。

最初,X线诊断主要用于骨骼系统和胸部疾病的诊断。随后,人们发明向自然对比度不佳的部位引入对比剂,人为增加对比度的各种造影方法,进而能显示心血管系统、胃肠道、脊髓、脑室和脑池等结构,扩展了X线的临床应用领域,取得良好的诊断效果,为现代医学影像学奠定了坚实的基础。

(三)X线成像技术

1923年,Hevesy首先把核素示踪方法用于生物学研究;1925年,Blumgart第1次采用示踪方法测定了正常人及心脏病患者的血流速度。至20世纪50年代,出现伽玛闪烁成像(γ-scintigry)。1957年,HalAnger研制出第1台1闪烁照相机,使脏器动态显像和全身扫描一次成像成为可能。

1. 超声成像

20世纪50~60年代,超声成像开始在临床应用。首先是A型超声仪,用于对肝脏病灶的测距,然后是用于心脏的M型超声仪,继之出现适用于全身各部位的B型超声仪,最后是多普勒及彩色血流显像。目前,超声成像以其无创伤、无射线、普及率高、价格低廉、便于床旁检查等优点,成为多种疾病的首选和筛选检查手段。

2. 计算机体层摄影

1971年,X线计算机体层摄影(CT)问世,首次将传统X线检查的直接成像转变为利用探测器接收X线,再由计算机辅助技术间接成像。CT打破了人脑形态学的黑箱,使原来看不见的脑组织结构在活体得以显示,因而被公认为医学影像学发展的里程碑。20世纪80年代末出现的CT螺旋扫描技术,1998年发展为多层螺旋CT或者称多排螺旋CT,使数据采集加快。至2005年初,64排螺旋CT应用于临床,真正实现了容积数据采集,5s即可以完成心脏扫描,10s可获得整个人体的数据,所获图像的层厚更薄(亚毫米),一次扫描覆盖的范围更大(达4cm),可进行任意方位、层面的重建,加之具有强大的后处理功能,极大地扩展了CT在心血管领域的临床应用范围。MDCT促进了T血管造影(CTA)的发展,尤其冠状动脉CTA能清楚显示冠状动脉的3或4级分支.可进行大范围血管成像,已经被广泛应用于临床,并获好评。CTA图像可从多角度观察,无死角,经静脉注射对比剂创伤小,检查快速,观察心脏大血管整体情况清楚,除显示血管外,还能同时显示血管壁的钙化、动脉硬化斑块及其组成成分,结合CT图像能综合判断血管周围的情况。此外,MDCT还能进行实质性器官的灌注和空腔脏器的仿真内镜检查。目前,CT扫描已经成为最重要的影像学检查方法。受CT成像原理的启发,1975年第一台正电子发射计算机体层摄影(PET)仪问世,1979年发明单光子发射计算机体层摄影(SPECT)仪,使核医学(NM)在组织器官血流、灌注、受体和代谢显像方面形成完整体系,在影像诊断中发挥重要作用。

3. 磁共振成像

20世纪80年代初,磁共振成像(MRI)问世。经过20多年的发展,在传统MRI基础上,MRI已经有磁共振血管成像(MRA)、磁共振波谱(MRS)、磁共振弥散成像(MRDI)、磁共振灌注成像(MRPI)、功能磁共振成像(FMRI)、磁共振弥散张量成像(DTT)等新技术不断问世,使MRI成为重要的影像学检查方法之一。

4. 数字减影血管造影

值得一提的还有数字减影血管造影(DSA)。在20世纪70年代中期问世的DSA,使每次注入血管的对比剂用量大为减少,而血管显影的清晰度却有所提高,极大促进了介入放射学的发展,为介人影像学成为与传统内科化学药物治疗、外科手术治疗并列的第3大治疗方法奠定了坚实基础。

5. 计算机摄影

在20世纪末至21世纪初,计算机摄影(CR)和直接数字摄影(DDR)开始临床应用,使普通放射摄影检查实现数字化;后者又简称为数字化摄影(DR)。由于在此之前,其他影像学检查已经都是数字化图像,CR和DR的问世极大推动了图像传输与存储系统(PACS)的临床应用,应用PACS可以将各种成像技术获取的数字化图像在硬盘、光盘、磁带等不同存储介质上存储、传输,有利于图像的长期保存和远程调阅,可避免图像丢失,并消除了由使用胶片所带来的环境污染问题。

四、超声诊断的创新发展

(一)超声技术的医学应用

1915年,法国物理学家Langevin研究水下超声探测时,首先发现超声波对水中动物产生致命性的物理作用,此后,Harwey发表了超声生物学效应的论文。1939年,Pohlman将其用于神经痛成功,由此导致了超声医学这一新兴学科的诞生;1942年,奥地利 K.T Dussik 率先使用A型超声装置来穿透性探测颅脑,并于1949年成功地获得了头部(包括脑室)的超声图象;1949年,美国的George Döring Ludwig测量出超声在人体软组织中的传播速度平均值为1540m/s;1951年,Wild 和 Reid 首先应用A型超声对人体检测并报道了了乳腺癌的回声图象;1952年,Howry设计成功B型超声仪,并由Wild和和井用于乳腺扫描,因此三人被称为乳腺超声的开拓者;1954年,Donald 应用超声波作妇产科检查,随后开始用于腹部器官的超声检查;Edler又创超声心动图检查技术,为心脏的扫描开辟了新的方向;1955年,Wild介绍直肠内体腔探查的平面位置显示器;1956年,有人研制出超声直射垂体治疗仪;1957年,日本里村对光波频移规律进行应用研究,开发出连续式D型诊断装置;1958年,Baum报告眼球扇形扫描,Donald 用BP型超声检测盆腔肿物和妊娠子宫;1962年,Fujimoto对甲状腺肿瘤的超声表现作了详尽描述,被誉为甲状腺超声研究先驱;1963年,Knight又把超声用于术中结石、肿瘤的定位探查,首创术中超声的先河,随即双晶片旋转式探头和脉冲多普勒相继诞生;1965年,Lallagen首先应用多普勒法检测胎心及某些血管疾病;1968年,Gramiak将染料靛氰蓝绿(indocy anine green)注入心内作造影剂行心脏声学造影,为心脏疾患的检查提供了又一非创伤性手段。上世纪70年代后,A型超声报告日益减少,B型应用愈加广泛。1971年,Bom利用20晶片电子线阵方形扫查心脏和胎儿成功;1972年,Kossf首先制成全自动超声仪;1973年,临床使用机械扇形和电子相控阵扇形实时成像;同期Johason和Tome等还分别对选通门脉冲多普勒及双工型脉冲多普勒作了报道。这些频移诊断技术的崛起,不仅提高心血管疾病的诊疗水平,也为彩色多普勒的开发奠定了基础。

(二)超声技术的研究进展

继Cormack和Housfield于1969年发明X-CT后,1975年Greenleaf又研制出以衰减系数和声速为参量的超声CT,比普通超声的分辨率要高4个数量级以上,目前已达0.09μm,完全可以与光学显微镜相媲美。1980年,Chaussy报告的体外震波碎石术,被公认是80年代超声医学的最大成就,在治疗肾、胆结石方面有独特价值;1981年,Diamagno等将超声与内窥镜技术结合在一起,制造出超声内窥镜,使超声扫描由体表进入了内脏器官,为胃肠、肝胆胰疾病的诊断提供了直接信息;还有人将激光、超声内镜融为一体,开发了激光超声内窥镜,集三者功能和作用于一身;1982年,美国的Bommer和日本的Namekawa等又分别设计出不同型号的彩色多普勒,它是继连续波和脉冲波式多普勒谱系显示之后的第三代多普勒超声仪,因其能给人以直观的循环血流图像,展示心脏和血管内血流时间和空间信息,故有“无创伤性心血管造影术”之称,而被誉为上世纪四大影像学新装置之一的超声全息摄影术。它可以对肿瘤和软组织内的病变进行三维立体显像,且图像清晰,对比度高,失真小,易复制。与此同时,对超声参量测量的研究也取得突破性进展,快速富利叶变换及电子计算机处理系统相继与超声技术进行了偶联,1983年,Donnell报道了组织定征型B′型超声定量成像的数学修正模型及诊断价值。Ichida又研制出高精度断层显像的非线性参量B/A实时显像仪,Yokoi还应用C型超声(三维超声)探查乳腺肿瘤,能对1mm的微小癌瘤做出正确的判断。1986年,Landini介绍了超声散射回波频谱分析技术的临床意义,特别是数字扫描转换器及激光数字成像系统和激光全息储存技术的应用,将有可能导致超声仪器的更新换代。

(三)介入性诊断与治疗

目前,超声医学只能显示组织器官的形态学变化,不能从病因、病理、生化的免疫学角度进行定性诊断。上世纪70年代中期用于临床的介入性超声技术不但可以弥补这一不足,还可作液体抽吸、药物注射、置管引流等治疗。1961年,Berlyne首先在工业A型超声探伤机监视下施行经皮穿刺抽吸活检;此后Honnover等又应用A、B超声定位肾穿刺,成功率达97%;1967年,Joyner还在M型超声引导下开展胸腔活检。1972年,Holm首创有中心孔的特殊活检用单晶片探头,并和Rasmussen一起对13例肝脏转移瘤行NAB细胞学诊断;同期Goldberg等介绍了2.25MHz专用穿刺探头的临床应用,显著提高了确诊率。1974年,Pedersen等报道肾脓肿的超声导向NAB,同时经穿刺针注入抗生素,取得明显疗效,开辟了介入性治疗的新纪元。Holm也对肾后性尿毒症患者采用穿刺扩张肾盂和留置导管引流法进行治疗成功。1975年,Hancke用穿刺抽液法治愈胰腺囊肿。1976年,Makuuchi报道了胰胆管造影检查术。1978年胰胆管造影术、1979年胆道引流术又接连问世。进入上世纪80年代,介入性超声最大的进步是Isler研制的细长穿刺针,因既往NAB诊断是依赖细胞学检查,但它却获得了组织学变化的信息,使诊断精确度大大上升。1981年,Bean又对肾囊肿施行95%酒精注射,为其治疗提供了新方法。1982年,Suzan在超声监控下完成取卵术,从而结束了剖腹或腹腔镜下取卵的历史。1983年,Guarnicri用超声导入干扰素及化疗药物治疗前列腺癌,获得较好疗效。为了进一步提高NAB的安全系数和成功率,Gallaham和Mortense分别介绍了二维超声心动图下心包和心肌活检的经验。Livrgn对1969-1982年文献报道的11700例NAB患者进行系统总结后发现,NAB是死亡率仅0.08;成功率高达95%。

(四)超声技术的新进展

目前,随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科技的迅速发展和临床诊断和治疗的需求,使图像质量和分辨率越来越高,超声诊断范围和信息量不断扩充。当前超声诊断已从单一器官扩大到全身,从静态到动态,从定性到定量,从模拟到全数字化,从单参数到多参数,从二维到三维显示,多普勒彩色血液显示代替了创伤性导管检查,形成了一门新兴的科学——介人性超声学,大大扩充了超声诊断治疗范围,提高了诊断的特异性和信息量。由于其损伤性小,电离辐射轻,价格低廉,易被患者所接受,目前已成为发展最快的成像技术。世界上的超声诊断设备生产国有美国、日本、德国、澳大利亚、意大利、丹麦、韩国和中国。美国、日本生产的超声诊断设备占世界超声诊断设备的70%。超声成像设备大致可分为通用型、心脏科和小器官/血管用等三类。下面介绍几种超声诊断技术的最新进展。

1. 全数字化技术

全数字化技术带来了图像的高质量,使超声成像系统具有更高的可靠性和稳定性。1987年美国ATL公司研制出世界上第一台前端全数字化超声诊断系统以来,该技术已成为现今超声诊断系统最先进的平台。全数字化技术的关键是用计算机控制的数字声束形成及控制系统。这种系统再与工作在射频下的高采集率AjD变换器及高速数字信号处理技术结台起来形成数字化的核心。它包括有三个重要技术:(1)数字化声束形成技术;(2)前端数字化或射频信号模数变换技术;(3)宽频探头和宽频技术。

2. M维超声成像技术

三维超声成像目前有三种成像模式:表面成像、透明成像及多平面成像(或称断面成像)。三维超声成像的基本步骤是利用二维超声成像的探头,按一定的空间顺序采集一系列的二维图像存人二维重建工作站中,计算机对按照某一规律采集的二维图像进行空间定位,并对按照某一规律采集的空隙进行像素补差平滑,形成一个三维立体数据库,即图像的后处理,然后勾划感兴趣区,通过计算机进行三维重建,将重建好的三维图像在计算机屏幕上显示出来。三维成像起初是在妇科作胎儿成像的。目前已用于心脏、脑、肾、前列腺、眼科、腹部肿瘤和动脉硬化的诊断。

3. 对比谐波和组织谐波显像

利用人体回声信号的二次谐波成分构成人体器官的图像,称为谐波成像(Hazmonic Imaging,HI)。二次谐波的帧度接近基波,通过减去或脉冲及相这,获得血管内血流的二次谐波显像,称为脉冲及相谐波成像技术(bolselnversionH,PIH)。组织谐波成像(TissueHarmonic Imaging,THI)是利用超宽频探头,接受组织通过非线性产生的高频信号及组织细胞的谐波信号,对多频移信号进行实时平均处理,增强较深部组织的回声信号,改善图像质量,提高信噪比。因而能增强心肌和心内膜显示,增强微病变的显现力,增强肝内血流信号,帮助鉴别肝内血管和了解肝内细小血管病变。THI技术对肥胖、肋间隙狭窄、胸廓畸形、肺气肿及老年患者的心脏检查中,技术在显影困难患者的心内膜边界先是更加清晰,心室壁运动的评价更为准确。目前超声诊断仪不断进展,具有超宽的动态范围,窄的发射频率,尖锐的接收滤波器和数字化波未形成器的仪器,可接收来源于组织的微弱高频谐波信号,通过降低像素点大小提高了对比分辨力和轴向分辨力,明显减少了图像的伪像,更好的显示组织微细特征,便由体型或病理原因产生的显像困难大为减少。

4. 彩色多普勒血流成像技术(COIOf DOppl6fFIOWImasins.CDFI)及其展

CDFI显示人体的血流,二、三维超声成像显示人体的解剖结构,二者提供了完整的人体解剖信息。以CDFI为基础,由于CDFI 不需要方向分离、频域解调等处理,可降低检测阈值,便于显示小血管中的低速血流,但不能区分流向和流速。

90年代又发展了四种彩色多普勒技术:(1)多普勒能量图、能量多普勒和血管造影(Color DoPPer Efififigy lyygigg,Power DoPPerImaging Anglo)。(2)彩色多普勒能量图(CDE)。(3)彩色多普勒组织成像(CDT)又称为多普勒心肌显像(DMI)。(4)能量运动成像(PMI)。CCD(彩色多普勒速度能量图)是近年来开发的新技术对血流显像更简便、更敏感。尤其是可显示心肌内的冠脉穿插支,对冠心病的研究开拓了新领域。美国GEFIOW的专利技术得到更好的血管及血流图像的空间分辨率和时间分辨率,能动忘清晰地看到血流的运动和血管壁的不规则运动。是超声技术的新突破。QTV(定量组织速度成像)技术是近年兴起的新技术,是定量分析心肌存活性的新手段。以原始数据存储和超高帧频为基础,克服了传统多普勒心肌成像的局限性,因此临床上可广泛地应用于冠心病、高血压、心肌病、心脏电生理等方面的检查。Ge system Five型高档数字多普勒超声诊断仪推出的AMM(直线解剖M型)技术,发展了传统M型超声心动图技术。在360”范围内任意取样对心脏各室壁均能精确观察其厚度及增厚情况,也有利于射血分数的准确测量。CMM(曲线解剖M型)于二维彩色多普勒速度图像之上,将“M型曲线”放置于扫查切面内任意一段心肌,其取样线走向可为任意方向、任意形状,并可置于心肌壁中央,然后获得实时的二维彩色多普勒图像中扫查切面内所有心肌节段的舒缩运动时相信息,以及速度、运动幅度、加速度、能量及应力率等局域心肌功能指标。与定量组织速度成像(QTVI)技术结台,给心肌缺血、心肌激动顺序及多节段心肌运动分析带来了新的手段。近年开展的AQ(超声声学定量技术)、CK(彩色宝壁运动成像技术)技术可用于心内膜自动描记,方便的观察心脏室壁运动。心脏超声软件也十分丰富。有些高档次心脏彩超可以报告川多种心脏检测参数,对临床诊断各类心脏疾病极有价值。腹部彩超除作其它腹部脏器检查外都装有丰富的产科软件,可方便的检出胎龄,从而准确方便地判定胎儿发育状况及报告、羊水指数及多项胎儿发育参数。高档彩超,特别是三维彩超都装备了变频探头、宽频探头及超声CT软件,使图像更清晰更逼真,分辨率更强,临床应用更广泛。

5. 换能器技术的发展

高频超声波可以分辨更细微的病灶,提高图像的轴向分辨力。高档换能器是保证超声诊断图像分辨率和高清晰度的关键技术。制作振子的压电材料有单晶、多晶、压电聚合物复台压电材料、压电高分子材料(聚乙烯共聚物)等。90年代后,国外几个主要公司都研制出高水平的各种换能器,高密度线阵探头已做到196元,相对带宽达80%,超宽带换能器可以保证临床诊断所需要的探测深度并获得最佳的图像质量。工作频率从ZD MHZ可做到60 MHZ,在血管及内窥镜超声成像中,已采用频率为20-40 MHZ的换能器。适用于皮肤病变检查用的60-100 MHZ探头已研制成功,超高频和超声后向散射显微镜的频率范围也达到40—100 MHZ,被用于皮肤、眼前房、冠状动脉内成像。凸阵的曲率半径可小于10 nun。环阵换能器为一代扇扫探头,可实现二维全程动态聚焦,改善横向和切片分辨力,在焦区内波束能量集中,提高了穿透力和回波SIN比。德国超声电机编码传动机构的环阵探头的性能较佳。美国斯坦福大学BME中心多年来一直研究面阵探头,并已试用于临床,为三维成像创造一定条件。90年代初日本AIOka公司已开发出三维扫描用凸阵探头。90年代初,有人大胆提出液晶大面积声光换能器的制作。

多频(二颁、三颁)、多平面面(TEE),宽角(114-365)、微细(2—3 mm血管内探头)、扇扩线阵(两侧28”,单侧20“)、凸形相阵、小凸阵(R 10)环阵及各种腔内探头。由介人性超声的开展,各种腔内探头(直肠、膀胱、阴道、食道、管腔内、血管内及内窥镜探头)应运而生。微电子工艺使换能器的振子(阵元)数高度密集,声束扫描线密度高,令图像更加细腻。M维高密探头在Z轴方向的聚焦,改善了侧向短轴方向的分辨力。

总之,超声诊断技术发展迅速,已从形态学过渡到生物力学、生物物理学的分析阶段,即从静态到动态,从定性到定量,从模拟到全数字化,从单参数到多参数,从二维到三维显示,多普勒彩色血液显示代替了创伤性导管检查。使超声图像的质量和分辨率大幅度提高,能清晰显示出实质脏器内数毫米的肿瘤,显示手正中神经和手指韧带的纤维束,显示静脉瓣和眼前房结构等,充分证明了超声的空间分辨率达到理想的新阶段。



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1 郑永军

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