教学大纲

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教学大纲

供西安电子科技大学生物医学工程专业本科生使用

一、引言

本课程教学大纲是按照生物医学工程专业本科生培养方案制定的。本大纲既供教师备课使用,也供学生预习复习使用,以明确学习的基本要求及重点内容。本大纲提及的讲授内容与电子工业出版社出版的教材《医学成像的基本原理》(第1版,黄力宇编著)以及讲义《医学影像的数字处理》(黄力宇编著)相配合。

二、教学目的

本课程教学目的是使学生系统全面地了解和掌握现代医学成像设备的工作原理、技术和成像质量评价方法,掌握医学影像的常用处理方法,为实际工作打下坚实的专业技术基础。要求学生了解和熟悉X线摄影与透视、数字X线成像、CT成像、MRI成像和核医学成像的基本原理和理论,掌握获得优质影像的条件,掌握影像质量评价的理论与方法。

另外,通过本课程学习,使学生系统掌握医学图像的常见格式,了解影像增强、分割、配准与融合、特征提取、特征识别等的重要概念和方法,培养学生算法理解、设计及算法的程序实现方面的能力。

通过本课程的学习,学生应能够综合应用数学、计算机及解剖生理学知识,了解成像特点,恰当选择成像装置,能够改进或设计算法解决一般生物医学影像处理过程中存在的常见问题。

三、教学方法

本课程主要采用大班理论课教学及分组实验课教学方式实施,辅以多媒体教学、网络教学、教学录像、挂图等启发式、直观式教学手段,将教师讲授、课堂讨论、实验配合、学生自学相结合,形成教师授课与学生讨论良性互动的教学模式。

教师讲授主要体现为课堂授课方式。全部100个学时中,80个学时将用于教师课堂讲授和学生学习互动讨论;

实验教学时课堂教学的重要补充,教学计划中安排20学时用于实验教学。

在课堂教学之余,注意充分发挥学生的学习自主性,安排学生有计划地、系统地进行自学。自学过程中配有多媒体课件和教学录像片。在学生自学过程中,必须认真地系统地阅读教师指定的教材、教学参考书或国内外文献。

四、考试方法

本课程的考核采用闭卷笔试与平时成绩相结合的方式,以百分制计算,成绩达到60分以上者为合格。

闭卷笔试内容将注重考察学生的综合能力和素质,综合考察学生对基本知识的掌握程度和灵活运用情况;平时成绩根据作业、上课提问、课堂讨论、实验报告等情况确定。

五、 教学内容与基本要求

教学内容以我国大中医院中常见的四大成像系统为例,重点阐述成像的基本原理、成像技术、图像重建及医学图像质量的评价指标、伪像的产生原因及消除方法等,适当介绍一些最新的在理论上和临床应用中有重要意义的成像新技术,如分子成像和功能成像,放射治疗中的成像引导等。在教学内容的深度和广度上,既反映国外内医学影像的新进展,又符合我国的国情和我校的科研实际,在我校科研的强势方向上要重点展开讨论。

第0章 医学成像与影像处理概述

(一)目的

(1)了解现有影像成像技术和处理方法;

(2)了解本课程的内容、学习方法、学习要求、重点部分。

(二)教学内容

(1)医学成像技术的分类:X线成像,磁共振成像,超声成像,放射性核素成像,可见光成像,红外微波成像。

(2)医学影像处理的方法:边缘提取与图像分割,影像配准与融合,特征提取与识别。

(3)医学成像的新技术:分子成像与靶向探针,功能成像,造影与造影剂,数字系统与远程医疗。

(4)医学影像技术的展望:超高分辨率系统,安全性,小剂量,数字化与网络化,快速实时成像系统。

(三)学习要求

(1)掌握医学影像成像技术的分类和各种成像技术的特点;

(2)熟悉医学成像系统成像质量的影响因素和安全性;

(3)了解医学影像技术的发展趋势

第1章 物质的结构与性质

(一)目的

(1)复习与医学成像技术有关的原子物理学知识;

(2)概括相关知识备查。

(二)教学内容

(1)原子与原子核;电子;原子核的自旋与磁矩;核素。

(2)能量、功率、强度;辐射;标识辐射和俄歇电子。

(3)衰变指数规律和描述参数;典型衰变简介;衰变纲图;连续衰变;放射平衡。

(三)学习要求

(1)掌握原子的结构和物质稳定性根源;

(2)熟悉放射性物质的基本性质;

(3)了解物质结构、能量与辐射、放射性物质的相关参数、单位及其相互关系。

第2章 X射线的产生

(一)目的

(1)了解X射线的本质和剂量;

(2)X射线管的构成与主要参数。

(二)教学内容

(1)X射线管:高电压的产生;控制电路。

(2)X射线产生的物理机制;X射线的能量谱;X射线管的效率;X射线的滤过。X射线管的焦点与额定参数:X射线管的焦点;X射线管的额定参数;

(3)X射线的剂量;流量、通量与强度;照射量与吸收剂量;不同辐射源生物效应的比较。X射线的物理特征。

(三)学习要求

(1)掌握X射线管的构成;

(2)熟悉X射线射线管的主要参数及其对成像的影响;

(3)了解X射线剂量的测量与定量参数。

第3章 X射线与物质的相互作用

(一)目的

(1)了解X射线与物质特别是人体不同组织的交互作用机制;

(2)探讨影响成像的因素。

(二)教学内容

(1)X射线与物质作用的机制:作用参数;光电效应;康普顿散射;电子对效应;三种效应的总结。

(2)X射线在介质中的吸收:化合物与混合物的等效原子序数;X射线在介质中的边缘吸收现象;连续能谱X射线在介质中的衰减。X射线与人体组织的交互。

(三)学习要求

(1)掌握X射线与物质作用的三种主要机制;

(2)熟悉影响三种机制发生的主要指标;

(3)了解X射线在不同介质中的吸收差异。

第4章 X射线摄影与透视

(一)目的

(1)宏观了解X射线摄影与透视的核心机理;

(2)关注提高成像质量、降低剂量的方法与趋势。

(二)教学内容

(1)X射线摄影:胶片;增感屏;散射与滤线器;特殊X射线摄影。X射线透视。

(2)数字X射线成像:胶片的数字化;计算机X射线摄影术;直接数字摄影术——DR;线扫描直接数字摄影术——多丝正比法;数字减影技术。

(三)学习要求

(1)掌握摄影与透视的关键部件,包括胶片和荧光屏的特性;

(2)熟悉数字X射线成像技术,特别是DR和DSA;

(3)了解其他数字成像技术,包括CR和多丝正比数字化方法。

第5章 X射线计算机断层成像

(一)目的

(1)学习CT的成像机理;

(2)了解成像质量评价参数和伪像的产生于消除方法。

(二)教学内容

(1)X-CT的扫描方式;

(2)CT图像的重建算法:解方程组法;直接反投影;滤波反投影。CT图像的显示与后处理:灰度显示;窗口技术。

(3)CT的硬件组成。

(4)质量评价:对比度分辩率;空间分辩率;噪声;CT数的准确度;剂量;参数之间的制约关系。

(5)伪像的产生与原因:伪像的定义;与系统设计相关的伪像;与射线管相关的伪像;与射线探测器相关的伪像;受检人体引起的伪像。CT技术的趋势与典型应用。

(三)学习要求

(1)重点掌握CT的反投影图像重建方法;

(2)熟悉CT几代扫描方式与未来趋势,特别关注CT的主要构件的参数,比如球管和平板;

(3)了解成像质量的评价参数及其测量方法,伪像的形成于消除方法。

第6章 放射性核素成像基础

(一)目的

(1)学习核素成像相关的基础物理化学生物知识;

(2)大致了解核素成像的轮廓。

(二)教学内容

(1)放射性核素示踪技术;核素成像的分类和技术特点。

(2)医用核素的生产:回旋加速器法;核反应堆法;核素发生器法。

(3)放射性药物:放射性药物的标记;放射性药物的体内选择性聚集机制;典型显像剂简介。核辐射探测器;闪烁体;光的收集和光导;光电倍增管。

(4)放射性测量中的统计特征:放射性衰变与测量的统计涨落;放射性测量的误差估计;放射性测量的质量控制。

(三)学习要求

(1)重点掌握放射性核素示踪技术的原理;

(2)熟悉核辐射探测的装置与原理、主要指标;

(3)了解医用核素的生产方法、放射性测量中的统计特征。

第7章 放射性核素成像装置

(一)目的

(1)学习核素成像的三种主要方法;

(2)理解影像成像的因素和提高影像质量的途径。

(二)教学内容

(1) 照相机: 照相机的系统构成; 照相机的性能评价。

(2)单光子发射计算机断层成像:SPECT的成像原理;SPECT图像的特点与质量控制。

(3)正电子发射计算机断层PET成像。

(三)学习要求

(1)掌握三种核素成像的机理;

(2)熟悉核素成像系统的评价指标;

(3)了解核素成像系统的未来趋势,特别是与CT、MRI的复合应用。

第8章 医学超声的物理基础(若另开医学超声学课程,本章可不讲

(一)目的

(1)学习超声成像相关的声学物理知识;

(2)了解超声与生物组织的交互作用。

(二)教学内容

(1)超声波的性质:超声波的分类和特征量;声波在介质中的传播规律;声波在介质中的衰减。

(2)超声波的生物效应:生物效应的发生机制;超声医学成像的安全剂量。

(三)学习要求

(1)掌握超声波的性质与相关参数的相互关系;

(2)熟悉超声波的生物效应;

(3)了解超声影像与超声治疗的最新发展趋势。

第9章 超声成像系统(若另开医学超声学课程,本章可不讲)

(一)目的

(1)学习超声成像的多种模式;

(2)掌握每种模式下成像的原理与系统构成。

(二)教学内容

(1)超声波的发射与接收:压电效应与压电材料;超声换能器。

(2)超声成像的基本技术:脉冲回波检测技术;回波检测技术涉及的参数讨论;回波信号处理技术。

(3)超声成像的主要方式:A型超声诊断仪;M型超声诊断仪;B型超声诊断仪 。

(4)超声图像的质量评估:典型技术指标;伪像。

(三)学习要求

(1)重点掌握B型超声诊断仪的工作原理,探头的选择与核心参数;

(2)熟悉其他种类超声成像的方法与思路,不同用途的超声成像特点;

(3)了解超声成像的典型评价指标与伪像的消除方法。

第10章 超声多普勒血流测量与成像(若另开医学超声学课程,本章可不讲)

(一)目的

(1)学习多普勒血流测量与成像的方法与技术;

(2)熟悉成像系统的评价与未来趋势。

(二)教学内容

(1)多普勒效应;多普勒血流测量中的信号处理;

(2)超声多普勒血流测量系统;超声多普勒血流成像(彩超)。

(三)学习要求

(1)重点掌握彩超的工作原理;

(2)熟悉超声多普勒测量血流的基本原理;

(3)了解技术发展趋势;

第11章 磁共振成像基础

(一)目的

(1)学习磁共振成像相关的原子核物理知识;

(2)对磁共振成像有个大致了解。

(二)教学内容

(1)静磁场中的磁性核:拉莫尔进动;塞曼效应与磁共振现象。

(2)核磁共振的宏观描述:磁化强度矢量;驰豫和驰豫时间。

(3)脉冲序列与组织对比:部分饱和序列与 对比;组织的 对比与自旋回波技术。

(三)学习要求

(1)掌握磁性核在静磁场中的物理现象、宏观描述下的几个重要参数;

(2)熟悉序列形成于影像对比的产生理论;

(3)了解磁共振技术的过去与未来发展。

第12章 磁共振图像的建立

(一)目的

(1)全面学习磁共振成像技术的原理与系统构成;

(2)对提高成像质量和伪像消除由一定了解。

(二)教学内容

基于梯度场的断层选取;影响断层选取的因素。平面内信号源的定位:频率编码;相位编码。K空间与傅立叶变换图像重建。MRI成像扫描仪:磁体系统;梯度场系统;射频发射与接收系统。

(三)学习要求

(1)掌握磁共振成像中的断层选择和信号源定位;

(2)熟悉常见的几种激发序列及其与成像的关系;

(3)了解MRI成像扫描仪的构成。

第13章 功能成像与分子成像

(一)目的

(1)学习几种分子成像与功能成像的方式方法;

(2)对医学成像的最新发展趋势有宏观了解。

(二)教学内容

弥散加权与弥散张量成像;基于BOLD的脑功能成像;磁共振分子成像:磁共振造影剂;磁共振分子探针。超声分子成像:超声造影与造影剂;超声分子成像造影剂。

(三)学习要求

(1)掌握磁共振的弥散加权与弥散张量成像技术;

(2)熟悉磁共振造影剂和磁共振分子探针;

(3)了解超声分子成像中的探针和造影剂。