The Essential Physics of Medical Imaging（醫學影像物理精要）

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.

章節概要

第四版是一部約1,030頁的大部頭著作，分四個部分和九個附錄，由加州大學戴維斯分校的科學家和教育者撰寫。出版社介紹說，它是一部連貫而全面的彙編，涵蓋醫學成像背後的物理學、輻射防護和輻射生物學，講述非電離與電離輻射、磁場和超音波的產生、特性及相互作用，以及使用它們的成像方式：放射攝影、乳腺攝影、熒光透視、電腦斷層成像、磁共振、超音波和核醫學。全書全綵，有1,000多幅影像、圖表和曲線。

第一部分 基本概念：第1–5章

第1章“Introduction to Medical Imaging”（醫學成像導論）概述各種成像方式、數字成像基礎和影像屬性。第2章“Radiation and the Atom”（輻射與原子）和第3章“Interaction of Radiation with Matter”（輻射與物質的相互作用）提供物理基礎：電磁輻射、原子與核結構、粒子與光子的相互作用、衰減，以及當量劑量和有效劑量等劑量量。第4章“Image Quality”（影像品質）涵蓋空間解析度、對比度解析度、噪聲與噪聲紋理、比值度量和基於視覺表現的度量。第5章“Medical Imaging Informatics”（醫學影像資訊學）涵蓋標準、網路、PACS、放射檢查的生命週期、安全與隱私、大資料與分析演算法，以及資訊學的業務。

第二部分 診斷放射學：第6–9章

第6章“X-ray Production, Tubes, and Generators”（X射線的產生、球管與發生器）講X射線源。第7章“Radiography”（放射攝影）涵蓋投影幾何、散射、技術因素，以及從增感屏和計算機放射攝影到平板探測器的各類探測器，還有曝光指數、假影、兒科考慮和雙能減影。第8章“Breast Imaging: Mammography”（乳腺成像：乳腺攝影）和第9章“Fluoroscopy”（熒光透視）完成投影類成像方式。第8章包括劑量學和監管要求，第9章包括影像品質以及對患者和工作人員的輻射管理。

第10–11章：Computed Tomography（電腦斷層成像）；X-ray Dosimetry in Projection Imaging and Computed Tomography（投影成像和電腦斷層成像中的X射線劑量學）

第10章涵蓋CT的基本概念、系統設計、採集模式、重建、影像品質和假影。第11章轉向X射線劑量學：劑量沉積、蒙特卡羅模擬、劑量度量、放射攝影、熒光透視和CT中的劑量、劑量報告軟體與登記系統，以及診斷參考水平。

第12–13章：磁共振

第12章“Magnetic Resonance Basics”（磁共振基礎）涵蓋磁場及其性質、MR系統、訊號、組織磁化、基本脈衝序列、訊號定位和k空間。第13章涵蓋高階採集方法、快速成像、血流、灌注與擴散對比、假影、波譜、品質管制、選址、生物效應與安全。

第14章：Ultrasound（超音波）

聲音及其與組織的相互作用、換能器與聲束特性、資料採集與處理、影像品質、都卜勒、假影、效能與品質保證，以及聲功率與生物效應。

第三部分 核醫學：第15–19章

第15章涵蓋放射性與核轉變。第16章涵蓋放射性核素的生產、放射性藥物和內照射劑量學。第17章涵蓋輻射探測與測量，包括計數統計。第18章講伽馬相機，第19章講SPECT、PET以及PET/CT和PET/MRI雙模態成像，包括PET成像的進展。

第四部分 輻射生物學與防護：第20–21章

第20章“Radiation Biology”（輻射生物學）從輻射與細胞和組織的相互作用，經急性放射綜合徵，講到致癌、遺傳效應、宮內效應和風險溝通。第21章“Radiation Protection”（輻射防護）涵蓋照射來源、個人劑量學、遮蔽、X射線和核醫學中的防護、監管限值、錯誤預防、專案管理、孕婦與可能懷孕的患者，以及輻射緊急醫療事件。

第五部分 附錄 A–I

附錄A回顧物理學基本原理；B給出單位、常數和換算係數；C和D給出放射學資料和質量衰減係數；E給出影像檢查的有效劑量、器官劑量和胎兒劑量；F給出放射性藥物的特性與劑量學；G講卷積與傅立葉變換；H是輻射劑量的比較；I是放射性核素治療的居家護理指南。

核心概念

第1–5章：基本概念

• 電離與非電離輻射：成像所用的輻射型別。
• 衰減與劑量：輻射如何被吸收，以及如何量化劑量。
• 影像品質度量：空間解析度、對比度、噪聲與視覺表現。
• 成像資訊學：PACS、標準與安全。

第6–14章：診斷放射學

• X射線的產生：球管與發生器。
• 放射攝影、乳腺攝影和熒光透視成像：探測器、技術與劑量。
• CT重建與劑量學：CT中的影像形成與輻射劑量。
• MR訊號、脈衝序列與k空間：磁共振影像如何形成。
• 超音波與都卜勒：基於聲波的成像與血流測量。

第15–21章：核醫學、生物學與防護

• 放射性與放射性藥物：核成像訊號的來源。
• 伽馬相機、SPECT與PET：核成像系統。
• 輻射生物學與防護：生物效應、劑量限值與遮蔽。

評析

優點

• 對臨床成像方式覆蓋廣泛。 放射攝影、乳腺攝影、熒光透視、CT、MR、超音波和核醫學各有專章，另有影像品質和資訊學這些共同主題。
• 輻射安全是有機組成部分。 劑量學、生物學和防護佔三章（第11、20、21章），各成像方式的章節也討論劑量，因此適合必須管理照射的讀者。
• 參考性配套。 九個附錄提供資料表（衰減係數、劑量估計、放射性藥物劑量學）以及關於卷積和傅立葉變換的數學附錄。
• 第四版的更新。 出版社列出了關於資訊學相關概念、多源X射線管、數字乳腺斷層合成、專用乳腺CT、3T和7T磁共振、超音波彈性成像、核心髒病學和全身PET的新內容，並徹底更新了放射性藥物、內照射劑量學和輻射生物學各章。
• 為專業培訓而寫。 出版社稱它是供影像專業人員、備考核心考試的放射科住院醫師，以及醫學物理和生物醫學工程師生使用的資源。

侷限

• 體量很大。 1,000多頁，它既是教材也是參考書，一學期的課程必須有所取捨。
• 偏臨床而非設計。 內容按成像方式和輻射主題組織，不是對影像形成的訊號與系統式論述，卷積與傅立葉變換的數學僅限於一個附錄。
• 隨版本而定。 資訊學、CT技術和PET等變化快的主題，描述的是2020年的情形。

在課程中的定位

在本課程的書目中，這是關於臨床成像方式物理和輻射安全的綜合參考書。Nadine Smith 和 Andrew Webb 的 Introduction to Medical Imaging 是對主要成像方式的物理、儀器和臨床應用的簡明入門，Wolbarst、Capasso 和 Wyant 的 Medical Imaging: Essentials for Physicians 則為將要使用影像的讀者從概念上講解物理。Paul Suetens 的 Fundamentals of Medical Imaging 是一部簡明、插圖豐富的影像形成與影像計算教材，Prince 和 Links 的 Medical Imaging Signals and Systems 把各種成像方式建立在共同的訊號與系統框架之上。Barrett 和 Myers 的 Foundations of Image Science 是對成像系統和影像品質的數學與統計學的研究生層次論述。

宜把 Bushberg 作為主要參考書，與一本簡明入門書並用或在其後閱讀。影像形成的數學可配合 Prince 和 Links，嚴格的影像品質理論可配合 Barrett 和 Myers。

如何使用本書

本書面向影像專業人員、放射科住院醫師以及醫學物理和生物醫學工程專業的學生，大學水平的物理和數學基礎是合理的準備。

實用的閱讀計劃：

• 初讀核心： 第1至4章（成像方式、輻射、相互作用、影像品質），再讀與自己關注的成像方式相關的章節。
• 按成像方式： X射線（6–9）、CT（10–11）、MR（12–13）、超音波（14）或核醫學（15–19）。讀完第1至4章之後，每種成像方式都可以作為獨立的板塊閱讀。
• 安全： 凡是將操作或監督電離輻射裝置的人，都應閱讀第20、21章。
• 參考： 需要時查閱附錄和第5章。

把本書當作按成像方式查閱的參考書，用其中的資料表做計算，而不是把附錄從頭讀到尾。