医学图像处理医学影像成像原理课件.ppt
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1、医学图像处理医学影像成像原理医学图像处理医学影像成像原理第一页,共69页。医学图像处理医学影像成像原理医学图像处理医学影像成像原理医学3.1 X线成像原理线成像原理X线的本质:电磁辐射线的本质:电磁辐射常用常用X线诊断设备:线诊断设备:X线机、数字线机、数字X线摄影设备线摄影设备DSA、CR、DR和和X线计算机体层线计算机体层 X线线CT等。等。3.1.1 X线的特征线的特征3.1.2 X射线成像原理射线成像原理3.1.3 计算机计算机X线摄影线摄影CR3.1.4 直接数字化直接数字化X线摄影系统线摄影系统DR第二页,共69页。3.1 X 线成像原理X 线的本质:电磁辐射第二页,共6 9 页。
2、3.1.1 X线的特征线的特征X射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波长短的射线的射线X射线的频率约在射线的频率约在3101631020 Hz之间,波之间,波长约在长约在1010-3nm之间之间 X线诊断常用的线诊断常用的X线波长范围为线波长范围为 第三页,共69页。3.1.1 X 线的特征X 射线在电磁辐射中的特点属于高频率、波3.1.1 X线的特征线的特征第四页,共69页。3.1.1 X 线的特征第四页,共6 9 页。3.1.1 X线的特征线的特征1.X射线的波粒二象性射线的波粒二象性X射线同时具有波动性和微粒性,统称为波粒二象性射线同时具有波动性和微
3、粒性,统称为波粒二象性。X射线在传播时,它的波动性占主导地位,具有频率射线在传播时,它的波动性占主导地位,具有频率和波长,且有干预、衍射等现象发生。和波长,且有干预、衍射等现象发生。X射线在与物质相互作用时,它的粒子特性占主导地射线在与物质相互作用时,它的粒子特性占主导地位,具有质量、能量和动量。位,具有质量、能量和动量。第五页,共69页。3.1.1 X 线的特征1.X 射线的波粒二象性第五页,共6 93.1.1 X线的特征线的特征2.X射线与物质间的相互作用射线与物质间的相互作用1X射线的穿透作用。射线的穿透作用。其贯穿本领的强弱与物质的性质有关其贯穿本领的强弱与物质的性质有关 第六页,共6
4、9页。3.1.1 X 线的特征2.X 射线与物质间的相互作用第六页,3.1.1 X线的特征线的特征2.X射线与物质间的相互作用射线与物质间的相互作用2X射线的荧光作用。射线的荧光作用。X射线是肉眼看不见的,但当它照射某些物质时,如磷、射线是肉眼看不见的,但当它照射某些物质时,如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙等,能够使这些物质的原子处铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙等,能够使这些物质的原子处于激发态,当它们回到基态时就能够发出荧光,这类物质于激发态,当它们回到基态时就能够发出荧光,这类物质称荧光物质。称荧光物质。医学中透视用的荧光屏、医学中透视用的荧光屏、X射线摄影用的增感屏、影像增强射线摄影用的增感屏、
5、影像增强器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。器中的输入屏和输出屏都是利用荧光特性做成的。3X射线的电离作用。射线的电离作用。X射线虽然不带电,但具有足够能量的射线虽然不带电,但具有足够能量的X光子能够撞击原子中轨光子能够撞击原子中轨道电子,使之脱离原子产生一次电离。道电子,使之脱离原子产生一次电离。电离作用也是电离作用也是X射线损伤和治疗的根底。射线损伤和治疗的根底。第七页,共69页。3.1.1 X 线的特征2.X 射线与物质间的相互作用第七页,3.1.1 X线的特征线的特征2.X射线与物质间的相互作用射线与物质间的相互作用4X射线的热作用。射线的热作用。X射线被物质吸收,绝大局部最终
6、都将变为热能,使物射线被物质吸收,绝大局部最终都将变为热能,使物体温升。体温升。5X射线的化学效应。射线的化学效应。X射线能使多种物质发生光化学反响。例如,射线能使多种物质发生光化学反响。例如,X射线能使照射线能使照相底片感光。相底片感光。6X射线的生物效应。射线的生物效应。生物组织经一定量的生物组织经一定量的X射线照射,会产生电离和激发,使细胞受射线照射,会产生电离和激发,使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代,这种现象称为到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代,这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗
7、中。第八页,共69页。3.1.1 X 线的特征2.X 射线与物质间的相互作用第八页,3.1.2 X射线成像原理射线成像原理当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时,能够产生当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时,能够产生X 射线。射线。医学影像诊断所用的医学影像诊断所用的X线产生设备是线产生设备是X线管线管X-ray tube,球,球管。管。1X射线的产生射线的产生X射线的产生需要的根本条件是:射线的产生需要的根本条件是:1有高速运动的电子流;有高速运动的电子流;2有阻碍带电粒子流运动的障碍物靶,用来阻止电子的运动,有阻碍带电粒子流运动的障碍物靶,用来阻止电子的运动,可以将电子的动能转变为可以将
8、电子的动能转变为X射线光子的能量。射线光子的能量。第九页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理当高速带电粒子撞击物质受阻而突3.1.2 X射线成像原理射线成像原理X射线的产生装置主要包括三局部:射线的产生装置主要包括三局部:X射线管、高压电源及射线管、高压电源及低压电源,如图低压电源,如图3.2所示。所示。第十页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理X 射线的产生装置主要包括三局部3.1.2 X射线成像原理射线成像原理2.X射线人体成像射线人体成像使用使用X射线对人体进展照射,并对透过人体的射线对人体进展照射,并对透过人体的X射线信息进展采射线信息进展采集、转换,并使之成为可见的影像,即为
9、集、转换,并使之成为可见的影像,即为X射线人体成像。射线人体成像。1X射线影像的形成射线影像的形成 当一束强度大致均匀的当一束强度大致均匀的X射线投照到人体上时,射线投照到人体上时,X 射线一局射线一局部被吸收和散射,另一局部透过人体沿原方向传播。由于部被吸收和散射,另一局部透过人体沿原方向传播。由于人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异,对投人体各种组织、器官在密度、厚度等方面存在差异,对投照在其上的照在其上的X射线的吸收量各不一样,从而使透过人体的射线的吸收量各不一样,从而使透过人体的X射线强度分布发生变化并携带人体信息,最终形成射线强度分布发生变化并携带人体信息,最终形成X射线信射
10、线信息影像。息影像。X射线信息影像不能为人眼识别,须通过一定的采射线信息影像不能为人眼识别,须通过一定的采集、转换、显示系统将集、转换、显示系统将X射线强度分布转换成可见光的强度射线强度分布转换成可见光的强度分布,形成人眼可见的分布,形成人眼可见的X 射线影像。射线影像。第十一页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理2.X 射线人体成像第十一页,3.1.2 X射线成像原理射线成像原理 人体不同密度组织与人体不同密度组织与X线成像的关系线成像的关系 第十二页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理 人体不同密度组织与X 线成像3.1.2 X射线成像原理射线成像原理 人体不同厚度组织与人体不同厚
11、度组织与X线成像的关系线成像的关系 密度和厚度的差异是产生影像比照的根底,是密度和厚度的差异是产生影像比照的根底,是X线线成像的根本条件成像的根本条件第十三页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理 人体不同厚度组织与X 线成像3.1.2 X射线成像原理射线成像原理2.X射线人体成像射线人体成像2X射线的采集与显示射线的采集与显示 医用医用X 射线胶片与增感屏射线胶片与增感屏 医用医用X射线胶片的主要特性是感光,即承受光照并产生化学反响,射线胶片的主要特性是感光,即承受光照并产生化学反响,形成潜影形成潜影latent image。经过对有潜影的胶片处理暗室处理:显影、定影等。使胶片经过对有潜影
12、的胶片处理暗室处理:显影、定影等。使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度上的潜影转变为可见的不同灰度gray分布像。胶片感光层中分布像。胶片感光层中的卤化银复原成金属银残留在胶片上,形成由金属银颗粒组成的的卤化银复原成金属银残留在胶片上,形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高,那么吸收黑色影像。人体组织的物质密度高,那么吸收X射线多,在射线多,在X射射线照片上呈白影;反之,如果组织的物质密度低,那么吸收线照片上呈白影;反之,如果组织的物质密度低,那么吸收X射射线少,在线少,在X射线照片上呈黑影。射线照片上呈黑影。第十四页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理2.X 射线人体成像第十
13、四页,3.1.2 X射线成像原理射线成像原理2.X射线人体成像射线人体成像2X射线的采集与显示射线的采集与显示 医用医用X 射线胶片与增感屏射线胶片与增感屏 医用医用X射线增感屏为荧光增感屏,其增感原理为增感屏上的荧射线增感屏为荧光增感屏,其增感原理为增感屏上的荧光物质受到光物质受到X射线激发后,发出易被胶片所接收的荧光,从而射线激发后,发出易被胶片所接收的荧光,从而增强对增强对X 射线胶片的感光作用。射线胶片的感光作用。主要目的是:在实际主要目的是:在实际X 射线摄影中,仅有不到射线摄影中,仅有不到10%的的X射线光子能直射线光子能直接被胶片吸收形成潜影,绝大局部接被胶片吸收形成潜影,绝大局
14、部X射线光子穿透胶片,得不到有射线光子穿透胶片,得不到有效的利用。因此需要利用一种增感方法来增加效的利用。因此需要利用一种增感方法来增加X射线对胶片的曝光,射线对胶片的曝光,以缩短摄影时间,降低以缩短摄影时间,降低X射线的辐射剂量。常采用的增感措施是在射线的辐射剂量。常采用的增感措施是在暗盒中将胶片夹在两片增感屏暗盒中将胶片夹在两片增感屏intensifying screen之间,然后之间,然后进展曝光。进展曝光。第十五页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理2.X 射线人体成像第十五页,3.1.2 X射线成像原理射线成像原理2.X射线人体成像射线人体成像2X射线的采集与显示射线的采集与显示
15、 X射线电视系统射线电视系统X射线电视系统主要包括射线电视系统主要包括X射线影像增强器、光学图像分配系统、射线影像增强器、光学图像分配系统、含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。含有摄像机与监视器的闭路视频系统与辅助电子设备。X射线影像增强管是影像增强器的核心部件。射线影像增强管是影像增强器的核心部件。第十六页,共69页。3.1.2 X 射线成像原理2.X 射线人体成像第十六页,3.1.3 计算机计算机X线摄影线摄影CR 计算机计算机X线摄影线摄影Computed Radiography,CR是将是将X线透线透过人体后的信息记录在成像板过人体后的信息记录在成像板Image Plate
16、,IP上,经读取装置上,经读取装置读取后,由计算机以数字化图像信息的形式储存,再经过数字读取后,由计算机以数字化图像信息的形式储存,再经过数字/模拟模拟D/A转换器将数字化信息转换成图像的组织密度灰度信息,转换器将数字化信息转换成图像的组织密度灰度信息,最后在荧光屏上显示。其中,成像板是最后在荧光屏上显示。其中,成像板是CR 成像技术的关键。成像技术的关键。第十七页,共69页。3.1.3 计算机X 线摄影C R 计算机X 线摄3.1.3 计算机计算机X线摄影线摄影CR1.成像板成像板IP成像板成像板IP是使用一种含有微量素铕是使用一种含有微量素铕Eu2+的钡氟溴化合物结的钡氟溴化合物结晶制作而
17、成能够采集记录影像信息的载体,可以代替晶制作而成能够采集记录影像信息的载体,可以代替X线胶片线胶片并重复使用并重复使用2-3万次。万次。当透过人体的当透过人体的X线照射到线照射到IP板上时可以使板上时可以使IP板感光并形成潜影以板感光并形成潜影以记录记录X线影像信息。线影像信息。成像板的构造:成像板的构造:1外表保护层。外表保护层。2辉尽性荧光体层。辉尽性荧光体层。3基板支持体。基板支持体。4反面保护层。反面保护层。第十八页,共69页。3.1.3 计算机X 线摄影C R 1.成像板I P 第十3.1.3 计算机计算机X线摄影线摄影CR2.CR 系统成像的根本过程系统成像的根本过程 1影像信息的
18、采集:影像信息的采集:2影像信息的读取:影像信息的读取:与普通与普通X摄影相比较,摄影相比较,CR的优点是:的优点是:宽容度大,摄影条宽容度大,摄影条件易选择。件易选择。可降低投照辐射量:可降低投照辐射量:CR可在可在IP获取信息的根获取信息的根底上自动调节放大增益,最大幅度地减少底上自动调节放大增益,最大幅度地减少X线曝光量,降低线曝光量,降低病人的辐射损伤。病人的辐射损伤。影像清晰度较普通片高。影像清晰度较普通片高。对影像可对影像可进展后处理,对曝光缺乏或过度的胶片可进展后期补救。进展后处理,对曝光缺乏或过度的胶片可进展后期补救。可进展图像传输、存储。由于激光扫描仪可以对可进展图像传输、存
19、储。由于激光扫描仪可以对IP上上的残留信号进展消影处理,的残留信号进展消影处理,IP板可重复使用板可重复使用2-3万次。万次。第十九页,共69页。3.1.3 计算机X 线摄影C R 2.C R 系统成像的根3.1.4 直接数字化直接数字化X线摄影系统线摄影系统DR 直接数字化直接数字化X射线摄影射线摄影Digital Radiography,DR是在具有图是在具有图像处理功能的计算机控制下,采用一维或二维的像处理功能的计算机控制下,采用一维或二维的X射线探测器直接射线探测器直接把把X射线信息影像转化为数字图像信息的技术。射线信息影像转化为数字图像信息的技术。当前当前DR设备主要采用二维平板设备
20、主要采用二维平板X射线探测器射线探测器flat panel detector,FPD),包括:,包括:1非晶态硅平板探测器非晶态硅平板探测器先经闪烁发光晶体转换成可见光再转换为数字信号先经闪烁发光晶体转换成可见光再转换为数字信号2非晶态硒平板探测器非晶态硒平板探测器 将将X线直接转换成数字信号线直接转换成数字信号第二十页,共69页。3.1.4 直接数字化X 线摄影系统D R 直接数字化X 射3.1.4 直接数字化直接数字化X线摄影系统线摄影系统DR3DR与与CR成像技术的比较成像技术的比较 第二十一页,共69页。3.1.4 直接数字化X 线摄影系统D R 3 D R 与C R3.2 X-CT成
21、像原理成像原理lX-CT与与X射线摄影相比较有很大区别,射线摄影相比较有很大区别,X射线摄影产生射线摄影产生的是多器官重叠的平片图像的是多器官重叠的平片图像lCT是用是用X射线对人体层面进展扫描,取得信息,经计算射线对人体层面进展扫描,取得信息,经计算机处理而获得重建图像,显示的是断面解剖图像,其密机处理而获得重建图像,显示的是断面解剖图像,其密度分辨力明显优于度分辨力明显优于X线图像,可以显著的扩大人体的检查线图像,可以显著的扩大人体的检查范围,提高病变的检出率和诊断的准确率范围,提高病变的检出率和诊断的准确率X射线平片与CT断层比照图 第二十二页,共69页。3.2 X-C T 成像原理X-
22、C T 与X 射线摄影相比较有很大区别3.2.1.X-CT成像技术lX-CTX-ray computed tomography,X-CT是运用扫描是运用扫描并采集投影的物理技术,以测定并采集投影的物理技术,以测定 X 射线在人体内的衰减射线在人体内的衰减系数为根底,采用一定算法,经计算机运算处理,求解系数为根底,采用一定算法,经计算机运算处理,求解出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵,出人体组织的衰减系数值在某剖面上的二维分布矩阵,再将其转为图像上的灰度分布,从而实现建立断层解剖再将其转为图像上的灰度分布,从而实现建立断层解剖图像的现代医学成像技术,图像的现代医学成像技术,X-CT成
23、像的本质是衰减系数成像的本质是衰减系数成像。成像。第二十三页,共69页。3.2.1.X-C T 成像技术X-C T X-r a y c o mp3.2.1.X-CT成像技术1.X-CT成像装置与流程成像装置与流程X-CT成像装置主要由成像装置主要由X线管、准直器、检测线管、准直器、检测器、扫描机构,测量电路、电子计算机、监器、扫描机构,测量电路、电子计算机、监视器等局部所组成的。视器等局部所组成的。X-CT成像流程是:成像流程是:X线线-准直器准直器-检测器检测器-转变电信号转变电信号-放大电信号放大电信号-转变为数字转变为数字信号信号-计算机系统计算机系统-存入计算机的存贮器存入计算机的存贮
24、器-编码编码-显示图像显示图像第二十四页,共69页。3.2.1.X-C T 成像技术1.X-C T 成像装置与流程第3.2.1.X-CT成像技术2.X-CT成像的数据采集与处理成像的数据采集与处理X-CT成像的数据采集是利用成像的数据采集是利用X线管和检测器线管和检测器等的同步扫描来完成的。检测器是一种等的同步扫描来完成的。检测器是一种X线光线光子转换为电流信号的换能器。子转换为电流信号的换能器。X-CT成像的数成像的数据采集根据据采集根据X-CT成像的物理原理进展的。成像的物理原理进展的。X线管发出直线波束 第二十五页,共69页。3.2.1.X-C T 成像技术2.X-C T 成像的数据采集
25、与3.2.2 X-CT 的扫描方式 CT的各种扫描方式中,单束的各种扫描方式中,单束平移平移-旋转方式、窄扇形束扫旋转方式、窄扇形束扫描平移描平移-旋转方式、旋转旋转方式、旋转-旋转旋转方式、静止方式、静止-旋转方式的共同旋转方式的共同点是都需要点是都需要X射线管和检测器射线管和检测器之间进展同步扫描机械运动。之间进展同步扫描机械运动。为满足人体动态器官的检查,为满足人体动态器官的检查,需要进一步提高扫描的速度,需要进一步提高扫描的速度,在静止在静止-旋转扫描模式根底上旋转扫描模式根底上开展出来的电子束扫描方式,开展出来的电子束扫描方式,没有机械运动,大大地提高了没有机械运动,大大地提高了扫描
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