1、CMUCC 医学影像技术概论 医学影像系统成像的物理共性 医学影像技术发展历程1、CT机 CT机的分代机的分代:主要以其线管和探测器的关系、探测器的数主要以其线管和探测器的关系、探测器的数目、排列方式以及线管与探测器的运动方式来目、排列方式以及线管与探测器的运动方式来划分。划分。第第1代代CT：扫描方式为平移：扫描方式为平移+旋转方式。旋转方式。第第2代代CT：扫描方式为平移旋转方式。：扫描方式为平移旋转方式。第第3代代CT：扫描方式为旋转：扫描方式为旋转+旋转扫描方式。旋转扫描方式。第第4代代CT：扫描方式为静止旋转扫描方式。：扫描方式为静止旋转扫描方式。第第5代代CT：扫描方式为静止：扫描
2、方式为静止+静止电子束扫描静止电子束扫描方式。方式。 超声技术因为声波的无损伤性好、对软组织的超声技术因为声波的无损伤性好、对软组织的分辨率较高，用于医学诊断使患者在接受检查时，分辨率较高，用于医学诊断使患者在接受检查时，可以不受到可以不受到X线的照射损伤，很快被广泛的普及应线的照射损伤，很快被广泛的普及应用到人体的各大组织器官的检查中，尤其是腹部超用到人体的各大组织器官的检查中，尤其是腹部超声检查更是多用。声检查更是多用。超声检查(二尖瓣粘连)彩色超声检查(胎儿发育)1.1 医学影像技术发展历程 核磁共振成像也称磁共振成像（核磁共振成像也称磁共振成像（MRI），是，是利用核磁共振原理，通过外
3、加梯度磁场检测所发射利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像。超高场超高场MRI系统发展十分迅速。系统发展十分迅速。3T系统用于临系统用于临床。床。4T系统已得到无明显危险的许可。在系统已得到无明显危险的许可。在7T系统系统上，己对几百例健康志愿者完成无事故和无明显安上，己对几百例健康志愿者完成无事故和无明显安全危险纪录的测试。在全危险纪录的测试。在9.4T系统上，对成年兔及系统上，对成年兔及其后代未观察到不良的生物效应。其后代未观察到不良的生物效应。1.1 医学影像技术发展历程 医学影像技术发展历程
4、20世纪世纪90年代推出了更新、更强的核医学年代推出了更新、更强的核医学影像设备影像设备ECT，包括，包括PET、SPECT等设备。等设备。1.1 医学影像技术发展历程GE GE 全数字全数字PET-CTPET-CTGE GE 生产的生产的 SPECT SPECTPET PET 图像图像 源与目标的作用源与目标的作用医学影像系统成像主要包括以下医学影像系统成像主要包括以下4个共性：个共性：1.源源 源，这里是指能够获得医学影像信息的物理能源，这里是指能够获得医学影像信息的物理能源。可以是来至体外的源，如源。可以是来至体外的源，如X射线源、磁场源、射线源、磁场源、超声源、电磁波源、红外线源等，这
5、些人体外部的超声源、电磁波源、红外线源等，这些人体外部的能源称为外源。能源称为外源。另外的一种源是注入人体内的源，如注入人体另外的一种源是注入人体内的源，如注入人体内部的同位素辐射源，或人体自身的热辐射源等。内部的同位素辐射源，或人体自身的热辐射源等。2.检测器检测器 检测器的主要作用是在体外检测携带有体内信息检测器的主要作用是在体外检测携带有体内信息的信号。各种医学影像设备中信号检测器的种类、的信号。各种医学影像设备中信号检测器的种类、精度、灵敏度决定了医学影像成像的方式和清晰度精度、灵敏度决定了医学影像成像的方式和清晰度。1.2 医学影像系统成像的物理医学影像系统成像的物理共性共性 源的控
6、制与信号检测源的控制与信号检测 X光影像设备的性能指标主要有光影像设备的性能指标主要有5个：个：X线光源线光源尺寸、尺寸、X线剂量、图像分辨率、图像灰度级和信噪线剂量、图像分辨率、图像灰度级和信噪比。比。图像灰度级的数量由图像灰度级的数量由2N决定，决定，N是二进制数的是二进制数的位数，常称为位，用来表示每个像素的灰阶精度。位数，常称为位，用来表示每个像素的灰阶精度。如果如果N=8则有则有256个灰度级，图像灰度精度的范个灰度级，图像灰度精度的范围为灰度分辨力，也称为图像的对比度分辨力。位围为灰度分辨力，也称为图像的对比度分辨力。位数越大，图像的灰度分辨力越高。数越大，图像的灰度分辨力越高。信
7、噪比是有用的图像信息信噪比是有用的图像信息(信号信号)与无用信息与无用信息(噪噪声声)的数量之比。的数量之比。1.2 医学影像系统成像的物理医学影像系统成像的物理共性共性 点阵与矢量医学影像点阵与矢量医学影像 计算机图像分为点阵图计算机图像分为点阵图(又称位图或栅格图像又称位图或栅格图像)和矢量图形两大类，认识彼此的特色和差异，有和矢量图形两大类，认识彼此的特色和差异，有助于医学图像的采集、转换、存储、输出等编辑助于医学图像的采集、转换、存储、输出等编辑和分析与医学数字图像后处理。位图图像和矢量和分析与医学数字图像后处理。位图图像和矢量图形没有好坏之分，只是用途不同而已。因此，图形没有好坏之分
8、，只是用途不同而已。因此，整合位图图像和矢量图形的优点，才是处理数字整合位图图像和矢量图形的优点，才是处理数字图像的最佳方式。图像的最佳方式。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 点阵与矢量医学影点阵与矢量医学影像像1 点阵图像点阵图像(Bitmap)点阵图像，亦称为位图点阵图像，亦称为位图图像，是由称作像素的单个图像，是由称作像素的单个点按行列有序排列点阵组成点按行列有序排列点阵组成的。这些点以其不同的排列的。这些点以其不同的排列位置和染色（灰阶）程度构位置和染色（灰阶）程度构成图（形）像。当放大位图成图（形）像。当放大位图时，可以看见赖以构成整个时，可以看见赖以构成整个图像的无数单个不连续
9、的方图像的无数单个不连续的方块（点阵）。块（点阵）。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 NoI 点阵与矢量医学影像点阵与矢量医学影像1 点阵图像点阵图像(Bitmap)医学数字影像多数是二维平面的点阵图像，记医学数字影像多数是二维平面的点阵图像，记录和描述图像中信息的最小单元是像素点，一幅二录和描述图像中信息的最小单元是像素点，一幅二维的医学数字灰阶影像是由维的医学数字灰阶影像是由M行行*N列的像素点构列的像素点构成，其中每个像素点用成，其中每个像素点用28212个二进制数位来个二进制数位来记录该位像素的灰度值，即每个像素可以保存记录该位像素的灰度值，即每个像素可以保存2564096灰度值，
10、可见医学图像信息的清晰度之高灰度值，可见医学图像信息的清晰度之高和每个像素所包含及表达信息的内容之丰富。和每个像素所包含及表达信息的内容之丰富。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 点阵与矢量医学影像点阵与矢量医学影像2 点阵图的文件格式点阵图的文件格式 点阵图可以被保存成的文件类型很多，如点阵图可以被保存成的文件类型很多，如*.bmp、*.pcx、*.gif、*.jpg、*.tif、Photoshop的的*.psd等。等。点阵图文件大小的规律：点阵图文件大小的规律：图形面积越大，图形面积越大，文件的字节数越多，文件的字节数越多，文件的色彩越丰富，文件的文件的色彩越丰富，文件的字节数越多，这些
11、特征是所有点阵图文件所共有的字节数越多，这些特征是所有点阵图文件所共有的。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 点阵与矢量医学影像点阵与矢量医学影像3.矢量图矢量图(vector)（1）矢量图及矢量图的特性）矢量图及矢量图的特性 矢量图，也称为面向对象的图形或绘图图形，矢量图，也称为面向对象的图形或绘图图形，数学上定义矢量图为一系列由线连接的点。矢量图数学上定义矢量图为一系列由线连接的点。矢量图主要由线条和色块组成，这些图形可以分解为单个主要由线条和色块组成，这些图形可以分解为单个的线条、文字、圆、矩形、多边形等单个的图形元的线条、文字、圆、矩形、多边形等单个的图形元素。例如：一个矩形可以通过
12、指定左上角的坐标素。例如：一个矩形可以通过指定左上角的坐标(x1,y1)和右下角的坐标和右下角的坐标(x2,y2)的四边形来表的四边形来表示；我们还可以为每条边线元素加上一些属性，如示；我们还可以为每条边线元素加上一些属性，如边框线的宽度、边框线是实线还是虚线、中间填充边框线的宽度、边框线是实线还是虚线、中间填充什么颜色等等。然后把这些元素的代数式和它们的什么颜色等等。然后把这些元素的代数式和它们的属性作为文件存盘，就生成了所谓的矢量图（也叫属性作为文件存盘，就生成了所谓的矢量图（也叫向量图）。向量图）。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 点阵与矢量医学影像3.矢量图(vector)（1）矢
13、量图及矢量图的特性矢量图形最大的优点是无论放大、缩小或旋转等不会失真，矢量图形是文字（尤其是小字）和线条图形（比如医学线条图）的最佳选择；最大的缺点是难以表现色彩层次丰富的逼真图像效果。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 点阵与矢量医学影像点阵与矢量医学影像3.矢量图矢量图(vector)（2）矢量图的文件格式）矢量图的文件格式 矢量图形格式矢量图形格式Adobe Illustrator的的*.AI、*.EPS和和SVG、AutoCAD的的*.dwg和和dxf、Corel DRAW的的*.cdr、windows标准图元文标准图元文件件*.wmf和增强型图元文件和增强型图元文件*.emf等等。
14、当需要等等。当需要打开这种图形文件时，程序根据每个元素的代数式打开这种图形文件时，程序根据每个元素的代数式计算出这个元素的图形，并显示出来。就好象我们计算出这个元素的图形，并显示出来。就好象我们写出一个函数式，通过计算也能得出函数图形一样写出一个函数式，通过计算也能得出函数图形一样。编辑这样的图形的软件也叫矢量图形编辑器。如。编辑这样的图形的软件也叫矢量图形编辑器。如：AutoCAD、CorelDraw、Illustrator、Freehand等。等。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 数字医学影像的颜色或灰度数字医学影像的颜色或灰度 如果采集的是彩色图像信息，则每个像素至少如果采集的是彩色
15、图像信息，则每个像素至少需要用三个字节需要用三个字节24位二进制数来保存位二进制数来保存RGB（红、（红、绿、兰）信息，甚至有些彩色图像每个像素的信息绿、兰）信息，甚至有些彩色图像每个像素的信息量达到量达到32位位40位精度。总之图像的灰度或色彩位精度。总之图像的灰度或色彩的信息量越大，则医学图像的目视判读的区分性越的信息量越大，则医学图像的目视判读的区分性越好。好。NoImage1.3 计算机医学影像计算机医学影像 计算机医学图像的分辨率计算机医学图像的分辨率 评价医学图像分辨率的好坏，是由以下多种因评价医学图像分辨率的好坏，是由以下多种因素构成的，但最终还是看医学影像中有诊疗价值素构成的，
16、但最终还是看医学影像中有诊疗价值信息的利用率。信息的利用率。1图像分辨率图像分辨率 图像分辨率是指在单位面积上包含的像素点图像分辨率是指在单位面积上包含的像素点的多少，像素越多则图像清晰度越高。医学图像的多少，像素越多则图像清晰度越高。医学图像分辨率的高低是评价影像质量的综合指标之一。分辨率的高低是评价影像质量的综合指标之一。2时间分辨率时间分辨率 由于医学影像设备采集图像的速度不够快，或由于医学影像设备采集图像的速度不够快，或因为人体器官连续不停地运动致使图像产生伪影因为人体器官连续不停地运动致使图像产生伪影。解决此类问题的方法，就是要大大提高图像采。解决此类问题的方法，就是要大大提高图像采
17、集的时间分辨率。集的时间分辨率。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 计算机医学图像的分辨率计算机医学图像的分辨率3空间分辨率空间分辨率 由于由于CT、MRI等影像设备可以连续采集人体器等影像设备可以连续采集人体器官断层的体素信息，可以精确定位病变组织的形态官断层的体素信息，可以精确定位病变组织的形态大小、位置关系、功能指标等重要信息。这些体素大小、位置关系、功能指标等重要信息。这些体素信息其实就是空间分辨率的体现，经过计算机处理信息其实就是空间分辨率的体现，经过计算机处理后，可以完成人体器官的三维图像重建。后，可以完成人体器官的三维图像重建。4显示分辨率：显示分辨率：医学图像经过计算机处理后
18、，需要通过专业的医学图像经过计算机处理后，需要通过专业的医学图像显示屏（视窗）上显示出来，供影像诊疗医学图像显示屏（视窗）上显示出来，供影像诊疗医生使用。医生使用。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术 医学图像处理是指在完成医学影像学检查之后医学图像处理是指在完成医学影像学检查之后，对所获得的图像进行再加工的过程。目的是提，对所获得的图像进行再加工的过程。目的是提高医学图像目视判读的清晰度，进而提高诊断的高医学图像目视判读的清晰度，进而提高诊断的准确率，减少漏诊和误诊。准确率，减少漏诊和误诊。1、图像增强图像增强 图像增强的目的在于：采用一系列技术改善
19、图图像增强的目的在于：采用一系列技术改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度；或将图像转像的视觉效果，提高图像的清晰度；或将图像转换成一种更适合于人或机器进行解译和分析处理换成一种更适合于人或机器进行解译和分析处理的形式。的形式。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术2、图像分割、图像分割 所谓图像分割是指根据灰度、彩色、空间纹理所谓图像分割是指根据灰度、彩色、空间纹理、几何形状等特征把图像划分成若干个互不相交的、几何形状等特征把图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性区域，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性或相似性，而在不
20、同区域间表现出明显的不同简或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同简单的讲，就是在一幅图像中，把目标从背景中分离单的讲，就是在一幅图像中，把目标从背景中分离出来，便于进一步处理。出来，便于进一步处理。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术3、边缘检测、边缘检测 数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域的数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的基识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的基础，是图像识别中提取图像特征的一个重要属性，础，是图像识别中提取图像特征的一个重要属性，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测。图
21、像理解和分析的第一步往往就是边缘检测。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术4、纹理分析、纹理分析 诸多研究表明诸多研究表明:相同的组织在相同的成像条件相同的组织在相同的成像条件下每次都会产生相同的纹理模式下每次都会产生相同的纹理模式;不同组织其超声不同组织其超声图像纹理特征不同图像纹理特征不同;同一组织当其内部结构发生改同一组织当其内部结构发生改变后变后,其超声图像的纹理特征亦不相同其超声图像的纹理特征亦不相同.利用计算机利用计算机图像处理技术可对这种纹理特征进行数理模式分图像处理技术可对这种纹理特征进行数理模式分析析,寻找能反映纹理特征的数理参量寻找
22、能反映纹理特征的数理参量,从而达到对组从而达到对组织结构特征进行评价的目的。织结构特征进行评价的目的。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术5、配准与融合、配准与融合 医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种(或一系列或一系列)空间变换，使它与另一幅医学图像上的空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。医学影像的融合是影像信息的融合，即利用计医学影像
23、的融合是影像信息的融合，即利用计算机技术，将各种影像学检查如算机技术，将各种影像学检查如CT-MRI，PET-CT，MRI-PET、MRI-DSA等所得到的图像信等所得到的图像信息进行数字化综合处理，将多源数据协同应用，进息进行数字化综合处理，将多源数据协同应用，进行空间配准后，产生一种全新的信息影像，以获得行空间配准后，产生一种全新的信息影像，以获得研究对象的一致性描述，同时融合了各种检查的优研究对象的一致性描述，同时融合了各种检查的优势，从而达到计算机辅助诊断的目的。势，从而达到计算机辅助诊断的目的。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术6、图像压缩
24、、图像压缩 基本原理就是去除多余数据图像压缩，是指以基本原理就是去除多余数据图像压缩，是指以较少的比特有损或无损地表示原来的像素矩阵的技较少的比特有损或无损地表示原来的像素矩阵的技术术,也称图像编码。也称图像编码。数据压缩的目的就是通过去数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。医除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。医学图像是医学诊断和疾病治疗的重要依据，确保恢学图像是医学诊断和疾病治疗的重要依据，确保恢复图像的高保真度和真实性是医学图像压缩首要考复图像的高保真度和真实性是医学图像压缩首要考虑的因素。虑的因素。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 基于影像的计算机
25、辅助外科基于影像的计算机辅助外科(CAS)基于影像的计算机辅助外科包括手术模拟，术前基于影像的计算机辅助外科包括手术模拟，术前规划，手术导航。规划，手术导航。1、手术模拟、手术模拟 手术模拟是利用各种医学影像数据，利用虚拟手术模拟是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，也称虚拟虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，也称虚拟手术。虚拟手术系统能够使得医生能够依靠术前获手术。虚拟手术系统能够使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立得的医学影像信息，建立三维模型
26、，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度，提高手术的成功率，可以预演手术的整个过程以，提高手术的成功率，可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。便事先发现手术中问题。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 基于医学影像的计算机辅助诊断基于医学影像的计算机辅助诊断 1966年，年，Ledley首次提出首次提出“计算机辅助诊断计算机辅助诊断”(computer-aided diagnosis CAD)的概念的概念。计算机辅助诊断的过程包括病人一般资料和检计算机辅助诊断的过程包括病人一般资料和检查资料的搜集、医学信息的量化处理、统计学
27、分析查资料的搜集、医学信息的量化处理、统计学分析，直至最后得出诊断。，直至最后得出诊断。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 基于医学影像的计算机辅助诊断基于医学影像的计算机辅助诊断1、基于影像的计算机辅助诊断的实现过程、基于影像的计算机辅助诊断的实现过程 第一步是图像的处理过程，目的是把病变由正第一步是图像的处理过程，目的是把病变由正常结构中提取出来。常结构中提取出来。第二步是图像征象的提取，或图像特征的量化第二步是图像征象的提取，或图像特征的量化过程。目的是将第一步计算机提取的病变特征进一过程。目的是将第一步计算机提取的病变特征进一步量化，即病变的征象分析量化过程。步量化，即病变的征象分析
28、量化过程。第三步是数据处理过程。将第二步获得的图像第三步是数据处理过程。将第二步获得的图像征象的数据资料输入人工神经元网络等各种数学或征象的数据资料输入人工神经元网络等各种数学或统计算法中形成统计算法中形成CAD诊断系统，可以对病变进行诊断系统，可以对病变进行分类处理，进而区分各种病变，也即实现疾病的诊分类处理，进而区分各种病变，也即实现疾病的诊断。断。1.3 计算机医学影像计算机医学影像 对医学图像的评价产生影响包括成像质量对医学图像的评价产生影响包括成像质量的客观物理因素与人的视觉系统等主观因素。的客观物理因素与人的视觉系统等主观因素。 医学影像设备的分类与医学影像设备的分类与组成组成 现在医院里常用的各种医学影像设备种现在医院里常用的各种医学影像设备种类与型号很多，大致分为五种类型；类与型号很多，大致分为五种类型；X线摄线摄影系统、磁共振摄影系统、超声诊断系统、影系统、磁共振摄影系统、超声诊断系统、核医学图像系统、核医学图像系统、红外影核医学图像系统、核医学图像系统、红外影像系统与医用内窥镜检查系统。像系统与医用内窥镜检查系统。.
