1、1医学影像处理医学影像处理第一章第一章 医学影像的发展医学影像的发展2第一章第一章 绪论绪论v主要内容：主要内容：1.1 1.1 伦琴开创了人体图像的先河伦琴开创了人体图像的先河 1.2 CT1.2 CT技术与三维医学图像技术与三维医学图像 1.3 PET1.3 PET技术与功能医学图像技术与功能医学图像 1.4 1.4 分子成像技术分子成像技术 1.5 1.5 医学图像后处理医学图像后处理3医学影像学医学影像学是医学研究领域中的一个重要研究方向。是医学研究领域中的一个重要研究方向。医学影像由于含有极其丰富的人体信息，能以非常医学影像由于含有极其丰富的人体信息，能以非常直观的形式向人们展示人体
2、内部组织结构、形态或直观的形式向人们展示人体内部组织结构、形态或脏器的功能等。因此，医学影像已成为当前医学研脏器的功能等。因此，医学影像已成为当前医学研究及临床诊断中最活跃的领域之一。究及临床诊断中最活跃的领域之一。4v医学影像学医学影像学包括人体信息的获取以及图像的形成、包括人体信息的获取以及图像的形成、存储、处理、分析、传输、识别与应用等，主要内存储、处理、分析、传输、识别与应用等，主要内容可归纳为三大部分：容可归纳为三大部分：医学影像物理学医学影像物理学（成像原（成像原理）、理）、医学影像处理技术医学影像处理技术和和医学影像临床应用技术医学影像临床应用技术。v医学影像物理学医学影像物理学
3、是指图像形成过程的物理原理，主是指图像形成过程的物理原理，主要任务是根据临床的需求或医学研究的需要，对要任务是根据临床的需求或医学研究的需要，对成成像原理、成像系统像原理、成像系统的分析研究，将人体内感兴趣的的分析研究，将人体内感兴趣的信息提取出来，以图像的形式进行显示，并对各种信息提取出来，以图像的形式进行显示，并对各种医学图像的质量因素医学图像的质量因素进行分析。被提取的信息可以进行分析。被提取的信息可以是形态的、功能的或成分的等，信息载体可以是电是形态的、功能的或成分的等，信息载体可以是电磁波或机械波，所显示的形式可以是一维的、二维磁波或机械波，所显示的形式可以是一维的、二维的或三维的甚
4、至是四维的等不同层次的图像。的或三维的甚至是四维的等不同层次的图像。医学影像学的主要研究内容医学影像学的主要研究内容5v医学影像处理技术医学影像处理技术是指对已经获得的是指对已经获得的图像作进一步图像作进一步的处理的处理，如对其进行分析、识别、分割、分类等，如对其进行分析、识别、分割、分类等，确定哪些部分应增强或某些特征应被提取，其目的确定哪些部分应增强或某些特征应被提取，其目的是使原来不够清晰的图像变得清晰，或者是为了突是使原来不够清晰的图像变得清晰，或者是为了突出图像中的某些特征信息等。出图像中的某些特征信息等。v医学影像临床应用技术医学影像临床应用技术是在诊断和治疗过程中对于是在诊断和治
5、疗过程中对于需要解决的医学问题，根据各种医学影像的特点，需要解决的医学问题，根据各种医学影像的特点，在临床上以最敏感的信息、最快的速度和最经济的在临床上以最敏感的信息、最快的速度和最经济的手段获得最客观的诊断和最优治疗方案的选择、确手段获得最客观的诊断和最优治疗方案的选择、确定和实施。定和实施。医学影像学的主要研究内容医学影像学的主要研究内容6医学影像学医学影像学X线成像线成像可见光可见光成像成像X线线计算机计算机体层成像体层成像磁共振磁共振成像成像红外、红外、微波成像微波成像放射性放射性核素成像核素成像阻抗阻抗成像成像超声超声成像成像医学影像学的分类医学影像学的分类外源型X-ray Radi
6、ographyX-ray CTUltrasoundOptical:Reflection,Transillumination内源型vSPECTvPET混合型vMRI,fMRIvOptical FluorescencevElectrical Impedance9德国物理学家伦琴德国物理学家伦琴 伦琴夫人手的伦琴夫人手的X X光片光片18951895年德国物理学家伦琴（年德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad RntgenWilhelm Conrad Rntgen，），）发现一种未知的射线，称做发现一种未知的射线，称做“X”X”射线，并用射线，并用“X”X”射线射线给他夫人的手拍照。这就是人
7、类史上第一次科学技术医给他夫人的手拍照。这就是人类史上第一次科学技术医学成像。为了纪念他，人们将学成像。为了纪念他，人们将XX射线又叫做伦琴射线。射线又叫做伦琴射线。伦琴本人也因为这一重大贡献获得第一个诺贝尔物理学伦琴本人也因为这一重大贡献获得第一个诺贝尔物理学奖。奖。1.1 1.1 伦琴开创了人体图像的先河伦琴开创了人体图像的先河 10Chest Radiograph此后，此后，X X光片应用日益广泛，今天，已经成为几光片应用日益广泛，今天，已经成为几乎所有医院不可或缺的常规医学检验手段。乎所有医院不可或缺的常规医学检验手段。11 X射线成像原理 X X射线成像是基于待成像物体各组成部分的密
8、度不同，因射线成像是基于待成像物体各组成部分的密度不同，因而对而对X X射线的吸收不同，从而透射射线的吸收不同，从而透射X X射线强度差异，在乳胶片射线强度差异，在乳胶片上成像的（左图）。上成像的（左图）。X X光图片是光图片是X X射线通路上物体对射线吸收射线通路上物体对射线吸收的积分效果。一个大小和密度相同的肿瘤或病灶，无论在体内的积分效果。一个大小和密度相同的肿瘤或病灶，无论在体内前、中或后部，它在前、中或后部，它在X X光片上表现的图像是一样的（右图）。光片上表现的图像是一样的（右图）。也就是说，也就是说，X X光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。光图片不能反映组织或病灶的三维空间
9、位置。12如果我们设想将人体水平方向上的剖面划分为许多正方形或长方形的小单如果我们设想将人体水平方向上的剖面划分为许多正方形或长方形的小单元（称做象素），然后在人体周围沿园弧方向不断改变元（称做象素），然后在人体周围沿园弧方向不断改变X X光源及接收探测光源及接收探测器的位置。这样，每次器的位置。这样，每次X X射线通路上都有不同的象素组合，探测器会记录射线通路上都有不同的象素组合，探测器会记录响应的强度值。采用一定的数学方法，我们可以很容易从这些记录的探测响应的强度值。采用一定的数学方法，我们可以很容易从这些记录的探测器强度值倒推出各个象素的密度。这就是器强度值倒推出各个象素的密度。这就是反
10、投影图像重建技术反投影图像重建技术。1.2 CT1.2 CT技技术与三维术与三维医学图像医学图像13组织组织类别类别CT值值(Hu)水 0脑脊液38血液1332出血 6484脾脏5065肝脏5070钙化80300肺组织-600-800骨皮质 400脂肪-2080正常组织的正常组织的CTCT值值：该物质吸收系数；水的吸收系数；值mwwwmCT:1000单位：Hu，Hounsfield Unit14不同的CT扫描方式15不同的CT扫描方式Ring of DetectorsSourceSourceRotation PathX-raysObject163-D 数据结构yxzX-Y SlicesxzyI
11、in(x;y,z)Iout(x;y,z)(x,y;z)112292151242526272821718磁共振成像磁共振成像Magnetic Resonance Imagingn所有物质的原子核都由质子和中子组成，所有物质的原子核都由质子和中子组成，如果质子和中子的总数是奇数的话，原如果质子和中子的总数是奇数的话，原子核就有自旋并产生磁矩。子核就有自旋并产生磁矩。n大多数物质都是由数个具有磁矩的原子大多数物质都是由数个具有磁矩的原子核，例如核，例如 1 1H,H,2 2H,H,1313C,C,3131Na,Na,3131P,P,等构成。等构成。19MRMR成像原理简介成像原理简介20横向弛豫与纵
12、向弛豫横向弛豫与纵向弛豫自旋自旋-晶格弛豫晶格弛豫(spin-latticerelaxation)自旋自旋-自旋弛豫自旋弛豫(spin-spinrelaxation)21三种加权三种加权MRIMRI图像图像T1 WeightedSpin Density ImageT2 Weighted22三正交显示平面 3-view ImagingxzyyxxyzzSagitalCoronalAxial23功能磁共振图像功能磁共振图像 FunctionMRimaging242526美国伊利诺大学的劳特布尔（美国伊利诺大学的劳特布尔（PaulLauterbur）“核磁共振成像之父核磁共振成像之父”27超声成像系
13、统原理Ultrasound ImagingPiezoelectric crystalAcoustic absorbersBlockersImagingObjectTransmitter/Receiver CircuitControlCircuitPulseGeneration and TimingData-Acquisition Analog to Digital ConverterComputer Imaging Storage and ProcessingDisplay28心脏B-超图像B-Mode Imaging of Heart29心脏多普勒彩超图像Doppler Imaging of
14、 Beating Heart301.3 PET1.3 PET技术与功能医学图像技术与功能医学图像基本原理：将放射性标记的药物注射体内，基本原理：将放射性标记的药物注射体内，人体代谢选人体代谢选择的组织或介质，产生放射性发射（择的组织或介质，产生放射性发射（SPECTSPECT中的伽玛射中的伽玛射线或线或PETPET中的正电子中的正电子)。之后，这些发射的光子被体外的。之后，这些发射的光子被体外的探测器捕获，探测器捕获，生成放射性示踪剂的分布，得知人体的功生成放射性示踪剂的分布，得知人体的功能信息。能信息。31正电子发射断层扫描成像技术正电子发射断层扫描成像技术Positronemissiont
15、omography(PET)PETPET的基本原理是在人体感兴趣的部位注入经放射性的基本原理是在人体感兴趣的部位注入经放射性核素标记的核素标记的生物活性示踪剂生物活性示踪剂，例如脱氧葡萄糖、水、氨基，例如脱氧葡萄糖、水、氨基酸和多巴胺等。核素衰变过程中产生的正电子很快与人体酸和多巴胺等。核素衰变过程中产生的正电子很快与人体内的负电子结合。正负电子对湮灭时产生两个沿内的负电子结合。正负电子对湮灭时产生两个沿1801800 0发射发射的的 光子。在人体周围圆环形排列的探测器中某一对若在该光子。在人体周围圆环形排列的探测器中某一对若在该时刻同时接收到信号，就表明在这两个探测器连线上有一时刻同时接收到
16、信号，就表明在这两个探测器连线上有一次核素衰变。不同方向多个探测器的计数可以反映示踪剂次核素衰变。不同方向多个探测器的计数可以反映示踪剂的空间分布位置和浓度。常使用的核素如的空间分布位置和浓度。常使用的核素如1818F F、1313N N、1515O O、1111C C等。经过计算机对原始数据重建处理等。经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。官及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。32PET成像原理成像原理33单光子发射计算机断层成
17、像技术单光子发射计算机断层成像技术Single photon emission computed tomography(SPECT)n 放射性药物引入人体，经代谢后在脏器放射性药物引入人体，经代谢后在脏器内外或病变部位和正常组织之间形成放内外或病变部位和正常组织之间形成放射性浓度差异，体外的核射线（射性浓度差异，体外的核射线（射线）射线）探头阵列将探测并记录这些差异，经晶探头阵列将探测并记录这些差异，经晶体管放大体管放大,光电倍增管放大光电倍增管放大,通过计算机处通过计算机处理成像。理成像。34SPECT成像原理成像原理Object EmittingGamma PhotonsScintilla
18、tion Detector Arrays Coupled withPhotomultiplier Tubes35SPECT 图像361.4 1.4 分子成像分子成像 Molecularimaging源于放射药理学领域，需要以非介入方式很好地理解生物源于放射药理学领域，需要以非介入方式很好地理解生物体内基本分子通路。分子成像指对人体或其它生命体内分体内基本分子通路。分子成像指对人体或其它生命体内分子和细胞水平上的生物过程的可视化、特性化和测量。子和细胞水平上的生物过程的可视化、特性化和测量。成像模式：成像模式：磁共振成像（磁共振成像（MRIMRI）光学成像光学成像单光子发射计算机断层图像（单光子
19、发射计算机断层图像（SPECTSPECT）正电子发射断层图像（正电子发射断层图像（PETPET）超声图像超声图像探针和分子互作成像探针和分子互作成像37可视人项目可视人项目MRIMRICTCT组织切片组织切片382002年年“中国虚拟人男中国虚拟人男1号号”数据集在广州数据集在广州南方医科大学（原第一军医大）构建成功。南方医科大学（原第一军医大）构建成功。2003年初，被称为年初，被称为“中国虚拟人女中国虚拟人女1号号”的的我国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学我国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学构建成功。构建成功。39人体内部器官半人体内部器官半透明显示透明显示401.5 1.5 医学影像
20、后处理医学影像后处理 41医学图像处理与分析包括医学图像处理与分析包括：v图像增强技术图像增强技术v图像分割技术图像分割技术v图像配准技术图像配准技术v图像显示技术图像显示技术v图像指导治疗图像指导治疗v图像引导手术图像引导手术v医学虚拟环境医学虚拟环境42医学影像应用医学影像应用 43Medical Application放射线治疗44计算机辅助外科手术4546 47GE 1250MAGE 1250MA心血管造影机（心血管造影机（DSADSA）48GE 1250MAGE 1250MA心血管造影机（心血管造影机（DSADSA）49数字数字X X线影像设备线影像设备CR（ComputedRadi
21、ography)系统系统 50DRDR（Digital Radiography Digital Radiography）数字放射摄影系统）数字放射摄影系统 DirectRay XDirectRay X光直接数字成像采集系统光直接数字成像采集系统51TOSHIBATOSHIBA（东芝）（东芝）1616层多排螺旋层多排螺旋CTCT 52CT Scanner&Example of CT ImageCT Scanner&Example of CT Image53545556GE 1.5T GE 1.5T 高场强磁共振扫描系统高场强磁共振扫描系统(MRI(MRI）5758596061MRI Center
22、,University of Rochester Medical School62HeadS/I ProjectionMRI Center,University of Rochester Medical School631 Hz2 Hz 3 Hz%100755025Schlaug,et al,1995,Harvard Medical School and Beth Israel Hospital64Schlaug,et al,Science 267:699(1995)6566普及型普及型B B超超67便携式便携式B B超超686970Photo courtesy Philips Research 71Photo courtesy Philips Research 727374Benign lesion Fibroadenoma良性纤维性瘤良性纤维性瘤
