The Essential Physics of Medical Imaging（医学成像物理精要）

引用

Bushberg, J. T., Seibert, J. A., Leidholdt, E. M., Jr., & Boone, J. M. (2020). The Essential Physics of Medical Imaging (4th ed.). Wolters Kluwer.

章节概要

第四版是一部约1,030页的大部头著作，分四个部分和九个附录，由加州大学戴维斯分校的科学家和教育者撰写。出版社介绍说，它是一部连贯而全面的汇编，涵盖医学成像背后的物理学、辐射防护和辐射生物学，讲述非电离与电离辐射、磁场和超声的产生、特性及相互作用，以及使用它们的成像方式：放射摄影、乳腺摄影、荧光透视、计算机断层成像、磁共振、超声和核医学。全书全彩，有1,000多幅图像、图表和曲线。

第一部分 基本概念：第1–5章

第1章“Introduction to Medical Imaging”（医学成像导论）概述各种成像方式、数字成像基础和图像属性。第2章“Radiation and the Atom”（辐射与原子）和第3章“Interaction of Radiation with Matter”（辐射与物质的相互作用）提供物理基础：电磁辐射、原子与核结构、粒子与光子的相互作用、衰减，以及当量剂量和有效剂量等剂量量。第4章“Image Quality”（图像质量）涵盖空间分辨率、对比度分辨率、噪声与噪声纹理、比值度量和基于视觉表现的度量。第5章“Medical Imaging Informatics”（医学影像信息学）涵盖标准、网络、PACS、放射检查的生命周期、安全与隐私、大数据与分析算法，以及信息学的业务。

第二部分 诊断放射学：第6–9章

第6章“X-ray Production, Tubes, and Generators”（X射线的产生、球管与发生器）讲X射线源。第7章“Radiography”（放射摄影）涵盖投影几何、散射、技术因素，以及从增感屏和计算机放射摄影到平板探测器的各类探测器，还有曝光指数、伪影、儿科考虑和双能减影。第8章“Breast Imaging: Mammography”（乳腺成像：乳腺摄影）和第9章“Fluoroscopy”（荧光透视）完成投影类成像方式。第8章包括剂量学和监管要求，第9章包括图像质量以及对患者和工作人员的辐射管理。

第10–11章：Computed Tomography（计算机断层成像）；X-ray Dosimetry in Projection Imaging and Computed Tomography（投影成像和计算机断层成像中的X射线剂量学）

第10章涵盖CT的基本概念、系统设计、采集模式、重建、图像质量和伪影。第11章转向X射线剂量学：剂量沉积、蒙特卡罗模拟、剂量度量、放射摄影、荧光透视和CT中的剂量、剂量报告软件与登记系统，以及诊断参考水平。

第12–13章：磁共振

第12章“Magnetic Resonance Basics”（磁共振基础）涵盖磁场及其性质、MR系统、信号、组织磁化、基本脉冲序列、信号定位和k空间。第13章涵盖高级采集方法、快速成像、血流、灌注与扩散对比、伪影、波谱、质量控制、选址、生物效应与安全。

第14章：Ultrasound（超声）

声音及其与组织的相互作用、换能器与声束特性、数据采集与处理、图像质量、多普勒、伪影、性能与质量保证，以及声功率与生物效应。

第三部分 核医学：第15–19章

第15章涵盖放射性与核转变。第16章涵盖放射性核素的生产、放射性药物和内照射剂量学。第17章涵盖辐射探测与测量，包括计数统计。第18章讲伽马相机，第19章讲SPECT、PET以及PET/CT和PET/MRI双模态成像，包括PET成像的进展。

第四部分 辐射生物学与防护：第20–21章

第20章“Radiation Biology”（辐射生物学）从辐射与细胞和组织的相互作用，经急性放射综合征，讲到致癌、遗传效应、宫内效应和风险沟通。第21章“Radiation Protection”（辐射防护）涵盖照射来源、个人剂量学、屏蔽、X射线和核医学中的防护、监管限值、错误预防、项目管理、孕妇与可能怀孕的患者，以及辐射紧急医疗事件。

第五部分 附录 A–I

附录A回顾物理学基本原理；B给出单位、常数和换算系数；C和D给出放射学数据和质量衰减系数；E给出影像检查的有效剂量、器官剂量和胎儿剂量；F给出放射性药物的特性与剂量学；G讲卷积与傅里叶变换；H是辐射剂量的比较；I是放射性核素治疗的居家护理指南。

核心概念

第1–5章：基本概念

• 电离与非电离辐射：成像所用的辐射类型。
• 衰减与剂量：辐射如何被吸收，以及如何量化剂量。
• 图像质量度量：空间分辨率、对比度、噪声与视觉表现。
• 成像信息学：PACS、标准与安全。

第6–14章：诊断放射学

• X射线的产生：球管与发生器。
• 放射摄影、乳腺摄影和荧光透视成像：探测器、技术与剂量。
• CT重建与剂量学：CT中的图像形成与辐射剂量。
• MR信号、脉冲序列与k空间：磁共振图像如何形成。
• 超声与多普勒：基于声波的成像与血流测量。

第15–21章：核医学、生物学与防护

• 放射性与放射性药物：核成像信号的来源。
• 伽马相机、SPECT与PET：核成像系统。
• 辐射生物学与防护：生物效应、剂量限值与屏蔽。

评析

优点

• 对临床成像方式覆盖广泛。 放射摄影、乳腺摄影、荧光透视、CT、MR、超声和核医学各有专章，另有图像质量和信息学这些共同主题。
• 辐射安全是有机组成部分。 剂量学、生物学和防护占三章（第11、20、21章），各成像方式的章节也讨论剂量，因此适合必须管理照射的读者。
• 参考性配套。 九个附录提供数据表（衰减系数、剂量估计、放射性药物剂量学）以及关于卷积和傅里叶变换的数学附录。
• 第四版的更新。 出版社列出了关于信息学相关概念、多源X射线管、数字乳腺断层合成、专用乳腺CT、3T和7T磁共振、超声弹性成像、核心脏病学和全身PET的新内容，并彻底更新了放射性药物、内照射剂量学和辐射生物学各章。
• 为专业培训而写。 出版社称它是供影像专业人员、备考核心考试的放射科住院医师，以及医学物理和生物医学工程师生使用的资源。

局限

• 体量很大。 1,000多页，它既是教材也是参考书，一学期的课程必须有所取舍。
• 偏临床而非设计。 内容按成像方式和辐射主题组织，不是对图像形成的信号与系统式论述，卷积与傅里叶变换的数学仅限于一个附录。
• 随版本而定。 信息学、CT技术和PET等变化快的主题，描述的是2020年的情形。

在课程中的定位

在本课程的书目中，这是关于临床成像方式物理和辐射安全的综合参考书。Nadine Smith 和 Andrew Webb 的 Introduction to Medical Imaging 是对主要成像方式的物理、仪器和临床应用的简明入门，Wolbarst、Capasso 和 Wyant 的 Medical Imaging: Essentials for Physicians 则为将要使用图像的读者从概念上讲解物理。Paul Suetens 的 Fundamentals of Medical Imaging 是一部简明、插图丰富的图像形成与图像计算教材，Prince 和 Links 的 Medical Imaging Signals and Systems 把各种成像方式建立在共同的信号与系统框架之上。Barrett 和 Myers 的 Foundations of Image Science 是对成像系统和图像质量的数学与统计学的研究生层次论述。

宜把 Bushberg 作为主要参考书，与一本简明入门书并用或在其后阅读。图像形成的数学可配合 Prince 和 Links，严格的图像质量理论可配合 Barrett 和 Myers。

如何使用本书

本书面向影像专业人员、放射科住院医师以及医学物理和生物医学工程专业的学生，大学水平的物理和数学基础是合理的准备。

实用的阅读计划：

• 初读核心： 第1至4章（成像方式、辐射、相互作用、图像质量），再读与自己关注的成像方式相关的章节。
• 按成像方式： X射线（6–9）、CT（10–11）、MR（12–13）、超声（14）或核医学（15–19）。读完第1至4章之后，每种成像方式都可以作为独立的板块阅读。
• 安全： 凡是将操作或监督电离辐射设备的人，都应阅读第20、21章。
• 参考： 需要时查阅附录和第5章。

把本书当作按成像方式查阅的参考书，用其中的数据表做计算，而不是把附录从头读到尾。