医学成像技术第一章概论1课件.ppt

1、第一章绪论第一章绪论主讲：刘老师主讲：刘老师主要内容主要内容v 1.1 1.1 医学影像技术发展历程医学影像技术发展历程v 1.2 1.2 医学影像成像的物理共性医学影像成像的物理共性 v 1.3 1.3 计算机医学影像计算机医学影像 v 1.4 1.4 医学影像设备的分类与组成医学影像设备的分类与组成v 1.5 1.5 图像存储、传输系统图像存储、传输系统v 1.6 1.6 远程放射学系统远程放射学系统v 1.7 1.7 医学影像展望医学影像展望 医学影像技术医学影像技术是借助于某种介质（如是借助于某种介质（如X X线、电磁场、超声波，放线、电磁场、超声波，放射性核素等）与人体相互作用，用理

2、工学基础理论和技术，把人体内射性核素等）与人体相互作用，用理工学基础理论和技术，把人体内部组织器官的结构、功能等具有医疗情报的信息源传递给影像信息接部组织器官的结构、功能等具有医疗情报的信息源传递给影像信息接收器，最终以影像的方式表现出来，提供给诊断医生，使医生能根据收器，最终以影像的方式表现出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学影像中所提供的信息进行判断，从而对病人自己的知识和经验对医学影像中所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的一门科学技术。的健康状况进行判断的一门科学技术。1.1 医学影像技术发展历程 从从18951895年年德国物理学家伦琴德国物理学家伦

3、琴发现发现X X光并由此拍出世界上第一张伦琴夫光并由此拍出世界上第一张伦琴夫人手部的人手部的X X线透视照片以来，医学影像技术从无到有、从不完善到功线透视照片以来，医学影像技术从无到有、从不完善到功能齐全、分类精细，经历了一个能齐全、分类精细，经历了一个0 0多年的发展过程。多年的发展过程。教学目标：教学目标：了解了解X X射线、射线、CTCT、超声、超声、MRIMRI、DSADSA、CRCR、DRDR、核医学（、核医学（ECTECT、PETPET、SPECTSPECT）等医学影像技术的发展历程）等医学影像技术的发展历程1 1、18951895年年1111月月8 8日，德国物理学家伦琴在做日，

4、德国物理学家伦琴在做真空管、高压、放电实验真空管、高压、放电实验时，发现了时，发现了X X射射线或称线或称X X线，并用于临床的骨折和体内异物的诊断。线，并用于临床的骨折和体内异物的诊断。18961896年，年，德国西门子公司德国西门子公司研制出世界上研制出世界上第一支第一支X X线球管线球管。2020世纪世纪10-2010-20年代，出现了年代，出现了常规常规X X线机线机。2020世纪世纪6060年代中、末期形成了较完整的年代中、末期形成了较完整的放射诊断或放射学放射诊断或放射学（radiologyradiology）学科体系。）学科体系。第一张第一张X X线照片线照片伦琴伦琴国产直接数字

5、化国产直接数字化X X摄影系统摄影系统1.1 医学影像技术发展历程-X线机2 2、19711971年，世界上第一台用于年，世界上第一台用于颅脑的颅脑的CTCT扫描机扫描机（计算机人体断层摄影术）由柯（计算机人体断层摄影术）由柯马克马克(A.M.Cormack)(A.M.Cormack)和郝恩斯费尔和郝恩斯费尔(G.N.Hounsfield)(G.N.Hounsfield)首次研制成功。首次研制成功。19791979年因此年因此项技术的发明，柯马克、郝恩斯费尔获得了项技术的发明，柯马克、郝恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖生理与医学诺贝尔奖。世界上第一台世界上第一台4层层CT扫描机扫描机豪恩斯费尔

6、德豪恩斯费尔德1.1 医学影像技术发展历程-CTv CTCT机的分代主要以其机的分代主要以其线管和探测器的关系、探测器的数目、排列方式以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划分及线管与探测器的运动方式来划分。到今天为止。到今天为止CTCT经历了经历了5 5代代发展，第发展，第6 6代代CTCT正在研发中。正在研发中。v 第第1 1代代CTCT机只有一个探测器，扫描角度为机只有一个探测器，扫描角度为1 1，扫描时间，扫描时间270s/270s/层。仅用头部的层。仅用头部的扫描扫描,图像质量差图像质量差,以平移加旋转的扫描运动方式进行以平移加旋转的扫描运动方式进行

7、,称为称为平移平移/旋转型旋转型。1.1 医学影像技术发展历程-CTv 第第2 2代代CTCT机探测器的数目增加机探测器的数目增加5 52020个左右，个左右，X X线束呈扇型线束呈扇型，扫描角度增加为，扫描角度增加为360360,扫描时间仍较长扫描时间仍较长,一般在一般在20s20s1min/1min/层，扫描方式为层，扫描方式为窄扇形束扫描平移窄扇形束扫描平移-旋转方式旋转方式 。1.1 医学影像技术发展历程-CTv 第第3 3代代CTCT探测器数目一般多超过探测器数目一般多超过100100个，有的接近个，有的接近10001000个，个，X X线扇形束扩大到线扇形束扩大到40405050，

8、足以覆盖人体的横径，足以覆盖人体的横径,这样扫描就不需要再平移，而只需要旋转就这样扫描就不需要再平移，而只需要旋转就可以了可以了,故称为故称为旋转旋转/旋转型。旋转型。扫描时间一般均在几秒钟扫描时间一般均在几秒钟,最快速度最快速度0.5s0.5s，实，实现了亚秒级扫描。现了亚秒级扫描。1.1 医学影像技术发展历程-CTv 第第1 1代到第代到第3 3代代CTCT机的机的X X线管和探测器线管和探测器都是都是同步旋转的同步旋转的，而第，而第4 4代代CTCT机与之不同，机与之不同，探测器呈探测器呈360360环状固定排列在机架内环状固定排列在机架内(目前有的机型多达目前有的机型多达4800480

9、0个探测器个探测器)，X X线则线则围绕人体和机架作围绕人体和机架作360360旋转旋转,把第把第4 4代称代称固定固定/旋转型旋转型(螺旋螺旋CTCT属此型属此型)。1.1 医学影像技术发展历程-CTv 第第5 5代代CTCT机与第机与第1 1到第到第4 4代代CTCT机不同，在成像过程中机不同，在成像过程中X X线管不需环绕机架作机诫线管不需环绕机架作机诫运动运动，它是用，它是用电子束方法产生旋转的电子束方法产生旋转的X X线源线源,再穿透人体由探测器接受再穿透人体由探测器接受,这种这种CTCT机称为电子束机称为电子束CT,CT,也称超高速也称超高速CTCT，特点是扫描速度很快，特点是扫描

10、速度很快,50,50100ms/100ms/层层,每秒每秒最多可扫最多可扫3434层层,就其扫描速度是普通就其扫描速度是普通CTCT的的4040倍，螺旋倍，螺旋CTCT的的2020倍倍,可用于可用于心脏一心脏一类运动器官的扫描类运动器官的扫描。1.1 医学影像技术发展历程-CTv 第第1 1代代CTCT：扫描方式为平移：扫描方式为平移(translate)+(translate)+旋转旋转(rotate)(T+R)(rotate)(T+R)方式的方式的CTCT。v 第第2 2代代CTCT：扫描方式为平移：扫描方式为平移(translate)+(translate)+旋转旋转(rotate)(T

11、+R)(rotate)(T+R)方式的方式的CTCT。v 第第3 3代代CTCT：扫描方式为旋转：扫描方式为旋转+旋转旋转(R+R)(R+R)扫描方式的扫描方式的CTCT。v 第第4 4代代CTCT：扫描方式为静止：扫描方式为静止(stationary)+(stationary)+旋转旋转(S+R)(S+R)扫描方式的扫描方式的CTCT。v 第第5 5代代CTCT：扫描方式为静止：扫描方式为静止+静止静止(S(SS)S)电子束扫描方式的电子束扫描方式的CTCT。现代螺旋现代螺旋CTCT结构图结构图第二代第二代1616层层CTCT第五代第五代CTCT1.1 医学影像技术发展历程-CT 3 3、2

12、020世纪世纪5050年代和年代和6060年代年代超声超声和和放射性核素放射性核素也相继出现。也相继出现。v 19421942年奥地利科学家达西科（年奥地利科学家达西科（DussikDussik）首先将）首先将超声技术超声技术应用与临床诊断，从应用与临床诊断，从此开始了医学超声影像设备的发展。此开始了医学超声影像设备的发展。v 19541954年瑞典人应用年瑞典人应用M M型超声显示运动的心壁，称为型超声显示运动的心壁，称为超声心动图超声心动图。v 人类从人类从2020世纪世纪5050年代开始研究二维年代开始研究二维B B型超声，至型超声，至7070年代中期，实时二维超声年代中期，实时二维超声

13、开始应用。开始应用。超声检查超声检查 (二尖瓣粘连二尖瓣粘连)彩色超声检查彩色超声检查 (胎儿发育胎儿发育)1.1 医学影像技术发展历程-超声v 4 4、7070年代末年代末8080年代初，年代初，超声、放射性核素、超声、放射性核素、MR-CTMR-CT和数字影像设备和数字影像设备与技术逐与技术逐步兴起。其中步兴起。其中磁共振成像磁共振成像（Magnetic Resonance ImagingMagnetic Resonance Imaging，MRIMRI）是目前最）是目前最为先进的影像检查方法之一。为先进的影像检查方法之一。v MRIMRI是基于是基于MRMR现象的医学影像技术。现象的医学

14、影像技术。MRMR现象现象是是19461946年分别由美国斯坦福大学年分别由美国斯坦福大学物理系物理系BlochBloch教授和哈佛大学的教授和哈佛大学的PuecellPuecell教授领导的小组同时独立发现的。由教授领导的小组同时独立发现的。由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，于这一发现在物理、化学上具有重大意义，BlochBloch和和PuecellPuecell共同获得了共同获得了19521952年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。曼斯曼斯.菲尔德菲尔德裴奥裴奥.劳特伯劳特伯 GE Signa Profile/o MRI1.1 医学影像技术发展历程-MRI v 5 5、2020世

15、纪世纪8080年代推出了年代推出了数字减影血管造影（数字减影血管造影（DSADSA）和和计算机计算机X X线摄影（线摄影（CRCR）成像设备与技术成像设备与技术，其后又推出了，其后又推出了数字数字X X线设备线设备（DRDR）。）。v 数字减影血管造影术数字减影血管造影术是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型成像技术。血管造影检查是对成像技术。血管造影检查是对注入血管造影剂前后的图像进行相减注入血管造影剂前后的图像进行相减，得到，得到无无骨骼，内脏，软组织背景的清晰的血管影象骨骼，内脏，软组织背景的清晰的血管影象，而血管的形态，结构反映

16、了多，而血管的形态，结构反映了多种疾病的基本信息。种疾病的基本信息。1.1 医学影像技术发展历程-数字数字X X线设备线设备v 计算机计算机X X线摄影（线摄影（CRCR）是将）是将X X线摄照的影像信息记录在影像板（线摄照的影像信息记录在影像板（IPIP板）上板）上，这种，这种可重复使用的可重复使用的IPIP影像板影像板，替代了，替代了胶片胶片，不需要冲印，因此也称为干板。干板经，不需要冲印，因此也称为干板。干板经激光读取装置读取，由计算机精确计算处理后，即可得到激光读取装置读取，由计算机精确计算处理后，即可得到高清数字图像高清数字图像，最后，最后经数字经数字/模拟转换器转换，在荧屏上显示出

17、模拟转换器转换，在荧屏上显示出灰阶图像灰阶图像，有利于观察不同的组织，有利于观察不同的组织结构。结构。1.1 医学影像技术发展历程-CR v 直接数字化直接数字化X X射线摄影系统射线摄影系统（digital ray DRdigital ray DR）是利用电子技术将）是利用电子技术将X X线信息的其线信息的其它载体转变为它载体转变为电子载体电子载体，X X线照射人体后不直接作用于胶片，被探测器线照射人体后不直接作用于胶片，被探测器（DetectorDetector）接收并转换为）接收并转换为数字化信号数字化信号，获得，获得X X线衰减值（线衰减值（attenuation valueatten

18、uation value）的的数字矩阵数字矩阵，经计算机处理，经计算机处理，重建成图像重建成图像。1.1 医学影像技术发展历程-DR v 6 6、2020世纪世纪9090年代推出了年代推出了更新、更强的核医学影像设备更新、更强的核医学影像设备ECTECT，包括，包括PETPET、SPECTSPECT等等设备。设备。PETPET也称也称正光电子成像设备正光电子成像设备，主要的，主要的优势优势是超强的医学影像是超强的医学影像识别与诊断识别与诊断能力能力，尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循环可以动态地、，尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循环可以动态地、靶向目标清晰地显示被

19、检部位形态和功能的异常情况，甚至可以检查靶向目标清晰地显示被检部位形态和功能的异常情况，甚至可以检查出细胞级出细胞级别的病变别的病变。GE GE 全数字全数字PET-CTPET-CTGE GE 生产的生产的 SPECTSPECTPET PET 图像图像1.1 医学影像技术发展历程-核医学影像1.1 医学影像技术发展历程-中国v 我国医学影像设备的发展我国医学影像设备的发展 19111911年年 河北中华医院小型河北中华医院小型X X线机我国最早的线机我国最早的X X线设备。线设备。19511951年年 上海精密医疗器械厂试制上海精密医疗器械厂试制200mA200mA四管单相全波整流四管单相全波

20、整流X X线机线机 19531953年年以以“和平号和平号”批量生产。批量生产。19731973年年 上海第二医学院上海第二医学院 乳腺摄影乳腺摄影X X线机线机 19831983年年 第一台颅脑第一台颅脑CTCT试制成功，试制成功，19881988年第二代颅脑年第二代颅脑CTCT试制成功，试制成功，19901990年，年，第三代全身第三代全身CTCT研制成功。研制成功。19891989年以来，先后研制出永磁型和超导型年以来，先后研制出永磁型和超导型MRIMRI、X-X-刀、全身刀、全身r-r-刀等设备刀等设备1.2 医学影像系统成像的物理共性v 医学影像成像源共性是充分和准确的利用成像源的医

21、学影像成像源共性是充分和准确的利用成像源的物理作用物理作用，获得人，获得人体内携带有某种物理量分布信息的体内携带有某种物理量分布信息的影像数据影像数据。v 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 4个共性个共性 :信息源信息源 源与物体源与物体(目标目标)的相互作用的相互作用 检测器检测器 电子系统电子系统 1.2.1 1.2.1 信息源与目标的作用信息源与目标的作用1.1.信息源信息源 体外源体外源:如如X X射线源、磁场源、超声源、电磁波源、红外线源等，这些人体射线源、磁场源、超声源、电磁波源、红外线源等，这些人体外部的能源称为外部的能源称为外源外源。外源共同的特点外源

22、共同的特点是对人体组织或器官具有已知和可控的作用。是对人体组织或器官具有已知和可控的作用。体内源体内源:如注入人体内部的如注入人体内部的同位素辐射源同位素辐射源，或，或人体自身的热辐射源人体自身的热辐射源等。这等。这些增强显影剂的辐射非常低，对人体无损害，但由此产生的医学影像却非些增强显影剂的辐射非常低，对人体无损害，但由此产生的医学影像却非常的清晰，并且受检查的部位常的清晰，并且受检查的部位靶向性（命中率）准确靶向性（命中率）准确。1.2 医学影像系统成像的物理共性2.2.源与物体源与物体(目标目标)的相互作用的相互作用 例如：例如：X X射线穿过人体时，就可射线穿过人体时，就可以准确检测出

23、某种源与每部分以准确检测出某种源与每部分人体组织器官相互作用后的结人体组织器官相互作用后的结果、指标和参数，据此来进行果、指标和参数，据此来进行医学影像的诊断或治疗。医学影像的诊断或治疗。注意：源的生物安全剂量，质注意：源的生物安全剂量，质量指标和检测标准。量指标和检测标准。1.2 医学影像系统成像的物理共性v 3.3.检测器检测器 v 检测器检测器的主要作用是的主要作用是在体外检测携带有体内信息的信号在体外检测携带有体内信息的信号。v 检测器的形式与各种源的类型有检测器的形式与各种源的类型有一一对应一一对应的关系。的关系。这些影像信号检测器共同的作用和主要功能评价指标很多是一样的，如检测这些

24、影像信号检测器共同的作用和主要功能评价指标很多是一样的，如检测弱信号的灵敏度，检测与处理信号的速度，以及检测用的源剂量的低强度，达弱信号的灵敏度，检测与处理信号的速度，以及检测用的源剂量的低强度，达到向到向更清晰、更快速、更安全、更多维和更智能更清晰、更快速、更安全、更多维和更智能的方向发展。的方向发展。1.2 医学影像系统成像的物理共性v 1.2.2 1.2.2 源的控制与信号检测源的控制与信号检测 医学图像信息的清晰或准确与否，医学图像信息的清晰或准确与否，最基本和最重要的关键问题最基本和最重要的关键问题就在于就在于对产生对产生图像信息源的精确控制与信号检出灵敏度图像信息源的精确控制与信号

25、检出灵敏度的设计。的设计。例如：例如：X 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 5个：个：X X线光源尺寸、线光源尺寸、X X线剂量、图像线剂量、图像分辨率、图像灰度级和信噪比。目前对分辨率、图像灰度级和信噪比。目前对X X线剂量控制指标：线剂量控制指标：1 1、X X光源尺寸：光源尺寸：一般包括光源直径和一般包括光源直径和X X光发射角度。光发射角度。2 2、X X线剂量又可分为入射剂量、表面剂量、出射剂量、图像接收器剂量、线剂量又可分为入射剂量、表面剂量、出射剂量、图像接收器剂量、身体剂量和有效剂量身体剂量和有效剂量6 6种。种。3 3、图像分辨率，用于测量一台设备能记

26、录或生成的空间细节精度。分辨、图像分辨率，用于测量一台设备能记录或生成的空间细节精度。分辨率越高，细节越精细。率越高，细节越精细。1.2 医学影像系统成像的物理共性4 4、图像灰度级图像灰度级，灰度级的数量由，灰度级的数量由2N2N决定，决定，N N是二进制数的位数，常称为是二进制数的位数，常称为位位，用来，用来表示每个像素的表示每个像素的灰阶精度灰阶精度。如果。如果N=8N=8则有则有256256个灰度级，个灰度级，图像灰度精度的范围为图像灰度精度的范围为灰度分辨力灰度分辨力，也称为，也称为图像的对比度分辨力图像的对比度分辨力。位数越大，图像的灰度分辨力越高。位数越大，图像的灰度分辨力越高。

27、5 5、信噪比，、信噪比，有用的图像信息有用的图像信息(信号信号)与无用信息与无用信息(噪声噪声)的数量之比的数量之比。X X线图像线图像占医院中全部影像的占医院中全部影像的8080左右，是目前医学影像检查的主要方法。常左右，是目前医学影像检查的主要方法。常规规X X线成像操作简单、费用低廉，它一直是临床诊断中的主要成像设备。线成像操作简单、费用低廉，它一直是临床诊断中的主要成像设备。1.2 医学影像系统成像的物理共性1.3 计算机医学影像 v 教学要求：教学要求：1 1、了解点阵与矢量医学影像、了解点阵与矢量医学影像 格式格式2 2、熟悉医学图像处理常用技术，虚拟医学影像、虚拟内窥镜、基于影

28、像的计算、熟悉医学图像处理常用技术，虚拟医学影像、虚拟内窥镜、基于影像的计算机辅助外科与辅助诊断。机辅助外科与辅助诊断。3 3、掌握数字医学影像的颜色或灰度及计算机医学图像的分辨率概念、掌握数字医学影像的颜色或灰度及计算机医学图像的分辨率概念1.3.1 1.3.1 点阵与矢量医学影像点阵与矢量医学影像点阵图点阵图(位图位图)与矢量图的区别与矢量图的区别:计算机图像分为点阵图计算机图像分为点阵图(又称位图或栅格图又称位图或栅格图像像)和矢量图形两大类。和矢量图形两大类。1.1.点阵图像点阵图像 (Bitmap)(Bitmap)点阵图像点阵图像，亦称为，亦称为位图图像或绘制图像位图图像或绘制图像，

29、是由称作像素的单个点按行列有序，是由称作像素的单个点按行列有序排列点阵组成的。这些点以其不同的排列位置和染色（灰阶）程度构成图（形）排列点阵组成的。这些点以其不同的排列位置和染色（灰阶）程度构成图（形）像。像。一幅二维的医学数字灰阶影像是由一幅二维的医学数字灰阶影像是由M M行行*N N列列的像素点构成，其中的像素点构成，其中每个像素点用每个像素点用2828212212个二进制数位来记录该位像素的灰度值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，即每个像素可以保存25625640964096灰度值灰度值1.3 计算机医学影像 2 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

30、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.bmp、*.pcx.pcx、*.gif.gif、*.jpg.jpg、*.tif.tif、PhotoshopPhotoshop的的*.psd.psd、kodak photo CDkodak photo CD的的*.pcd.pcd、corel photo paintcorel photo paint的的*.cpt.cpt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，文件的字节数越多，图形面积越大，文件的字节数越多，文件的文件的色彩越丰富，文件的字节数越多，这些特征是所有点阵图文件所共有的。色彩越丰富，文件的字节

31、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 3.3.矢量图矢量图 (vector)(vector)（1 1）矢量图及矢量图的特性）矢量图及矢量图的特性 矢量图矢量图，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，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。线连接的点。矢量图主要由线条和色块组成矢量图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、，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素，再用一个代数式来表达每个被分解出来的元矩形、多边形等单个的图形元素，再用一个代数式来表达每个被分解出来的

32、元素。素。例如：一个矩形可以通过指定左上角的坐标例如：一个矩形可以通过指定左上角的坐标(x1,y1)(x1,y1)和右下角的坐标和右下角的坐标(x2,y2)(x2,y2)的四边形来表示。的四边形来表示。1.3 计算机医学影像 1.3.2 1.3.2 数字医学影像的颜色或灰度数字医学影像的颜色或灰度 现在的医学数字现在的医学数字X X光成像设备主要有光成像设备主要有CRCR和和DRDR两类，产生图像的灰度一般可以两类，产生图像的灰度一般可以达到达到8 812bit12bit，既图像中，既图像中每个像素点的灰度信息可以表现出每个像素点的灰度信息可以表现出25625640964096个灰度个灰度级别

33、级别。如果采集的是彩色图像信息，则如果采集的是彩色图像信息，则每个像素至少需要用三个字节每个像素至少需要用三个字节2424位二进制位二进制数来保存数来保存RGBRGB（红、绿、兰）信息（红、绿、兰）信息，甚至有些彩色图像每个像素的信息量达到，甚至有些彩色图像每个像素的信息量达到3232位位4040位精度。位精度。1.3 计算机医学影像 1.3.3 1.3.3 计算机医学图像的分辨率计算机医学图像的分辨率 计算机医学图像的分辨率和采集方式、转换精度、处理方法及显示视窗的计算机医学图像的分辨率和采集方式、转换精度、处理方法及显示视窗的清晰度等诸多因素有关。清晰度等诸多因素有关。1 1图像分辨率图像

34、分辨率 2 2时间分辨率时间分辨率 3 3空间分辨率空间分辨率 4 4显示分辨率显示分辨率1.3 计算机医学影像 1 1、图像增强、图像增强 2 2、图像分割、图像分割3 3、边缘检测边缘检测4 4、纹理分析、纹理分析1.3 计算机医学影像 1.3.4 1.3.4 医学图像处理常用技术医学图像处理常用技术 医学图像处理的目的医学图像处理的目的是提高医学图像目视判读的清晰度，进而提高诊断的准确率是提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。，减少漏诊和误诊。图像增强图像增强是数字图像处理的方法之一，可以改善从外界获取的图像的质量和外是数字图像处理的方法之一，可以改善从外界

35、获取的图像的质量和外观，或者把图像转换成另外某种形式，使其更适合人眼的观察判断和图像分析仪观，或者把图像转换成另外某种形式，使其更适合人眼的观察判断和图像分析仪的自动处理。的自动处理。在对图像进行增强处理时，可以采用灰度变换、图像平滑与锐化等多种技术在对图像进行增强处理时，可以采用灰度变换、图像平滑与锐化等多种技术综合处理。必须注意的是：综合处理。必须注意的是：图像增强实际上是有选择性地加强图像中的某些信息，图像增强实际上是有选择性地加强图像中的某些信息，而抑制另一些信息而抑制另一些信息。1.3 计算机医学影像 图像分割图像分割是是按照图像的某些特征按照图像的某些特征（如灰度等级、频谱、纹理等

36、）将（如灰度等级、频谱、纹理等）将图像图像空间分成若干有不同意义的区域空间分成若干有不同意义的区域的处理技术，它是图像分析的关键步骤，在的处理技术，它是图像分析的关键步骤，在这些区域内其特性是相同的或者说是均匀的，两个相邻区域彼此特性则是不这些区域内其特性是相同的或者说是均匀的，两个相邻区域彼此特性则是不同的，其间存在着边缘或边界。在分割处理时，有两点应该注意：同的，其间存在着边缘或边界。在分割处理时，有两点应该注意：从主观愿望出发，分割出来的区域和图像中的目标应该准确对应，但要从主观愿望出发，分割出来的区域和图像中的目标应该准确对应，但要实现完全自动分割是比较困难的，这主要取决于实现完全自动

37、分割是比较困难的，这主要取决于图像的质量图像的质量（即（即目标与背景目标与背景的分离程度的分离程度），因此在分割时还需借助一些其它手段。一般的软件系统都会），因此在分割时还需借助一些其它手段。一般的软件系统都会提供几种分割方法，操作员可在使用过程中不断总结经验，以提高工作效率。提供几种分割方法，操作员可在使用过程中不断总结经验，以提高工作效率。图像分割可图像分割可采用灰度级门限化方法和边缘检测技术采用灰度级门限化方法和边缘检测技术。1.3 计算机医学影像 用灰度级门限化方法来分割一幅图像时，若想从亮的背景中分用灰度级门限化方法来分割一幅图像时，若想从亮的背景中分离出暗的物体离出暗的物体,利用一

38、门限值利用一门限值T T将像素分为将像素分为“亮亮”的和的和“暗暗”的两类。的两类。灰度级门限化方法图像分割效果图 1.3 计算机医学影像 3 3、边缘检测、边缘检测4 4、纹理分析、纹理分析 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;不同组织不同组织其超声图像纹理特征不同其超声图像纹理特征不同;同一组织当其内部结构发生改变后同一组织当其内部结构发生改变后,其超声图像其超声图像的纹理特征亦不相同的纹理特征亦不相同.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析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析,寻找

39、能反寻找能反映纹理特征的数理参量映纹理特征的数理参量,从而达到对组织结构特征进行评价的目的。从而达到对组织结构特征进行评价的目的。1.3 计算机医学影像 5 5、配准与融合、配准与融合 医学图像配准医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种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同一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同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。医学影像的融合医学影像的融合，就是影像信息的融合，即利用计算机技术，将

40、各种影像，就是影像信息的融合，即利用计算机技术，将各种影像学检查如学检查如CT-MRICT-MRI，CT-SPECTCT-SPECT，MRI-PETMRI-PET、MRI-DSAMRI-DSA等所得到的图像信息进行数字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，进行空间配准后，产生一种全新的信息影化综合处理，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势，从而达到计算机辅助诊断的目的。算机辅助诊断的目的。6 6、图像压缩、图像压缩图像压缩图像压缩就

41、是把图像文件的大小进行压缩变小，同时图片的质量又不会失真到就是把图像文件的大小进行压缩变小，同时图片的质量又不会失真到不能接受的程度。不能接受的程度。1.3 计算机医学影像 1.3.5 1.3.5 三维医学影像三维医学影像 很多实用的影像设备不断开发出具有三维图像重建的功能，很多实用的影像设备不断开发出具有三维图像重建的功能，像三维像三维CTCT、彩色三维超声、核素成像彩色三维超声、核素成像SPECTSPECT、PETPET等具有三维立体成像功能等具有三维立体成像功能。同时为深化研究人体的器官形态和生理、生化、细胞、蛋白质、基因等同时为深化研究人体的器官形态和生理、生化、细胞、蛋白质、基因等重

42、要的人类信息。各个国家正在研究重要的人类信息。各个国家正在研究“数字虚拟人数字虚拟人”。“虚拟人虚拟人”在医学在医学领域有着广泛的应用前景，为领域有着广泛的应用前景，为医学科研、教学和临床手术提供形象而真实医学科研、教学和临床手术提供形象而真实的模型的模型，也为疾病诊断、新药检验及新诊疗手段的开发提供参考。，也为疾病诊断、新药检验及新诊疗手段的开发提供参考。1.3 计算机医学影像 1 1三维数字图像重建三维数字图像重建 越来越多的图像以及三维重建技术已经变成越来越多的图像以及三维重建技术已经变成外科手术计划、治疗处理及放射科以外科手术计划、治疗处理及放射科以外其他应用的有效手段外其他应用的有效

43、手段。它可以提供器官和组织的三维结构信息，辅助医生对病。它可以提供器官和组织的三维结构信息，辅助医生对病情做出正确的诊断情做出正确的诊断;如：多平面重建（如：多平面重建（MPRMPR）、最大强度投影（）、最大强度投影（MaxIPMaxIP）、最小密度投影（）、最小密度投影（MinIPMinIP）、）、平均密度投影（平均密度投影（AIPAIP）、表面重建）、表面重建(SSD)(SSD)、CTCT仿真内窥镜（仿真内窥镜（CTVECTVE）等。）等。图图1.17额骨骨纤维肉瘤三维重建图像额骨骨纤维肉瘤三维重建图像1.3 计算机医学影像 2 2数字虚拟人数字虚拟人 数字虚拟人简称数字虚拟人简称“数字人

44、数字人”或或“虚拟人虚拟人”，是为更加准确的描述和研究，是为更加准确的描述和研究人体自身形态结构和生理、生化功能指标而采用高科技手段和计算机图像人体自身形态结构和生理、生化功能指标而采用高科技手段和计算机图像处理技术，通过对处理技术，通过对“标准人体标准人体”真人尸体的从头到脚做高精细水平断层真人尸体的从头到脚做高精细水平断层（小于（小于1mm1mm层厚）解剖处理，并层厚）解剖处理，并实时采集全部数字高清晰图像实时采集全部数字高清晰图像。通过大型计。通过大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体。算机处理而实现的数字化虚拟人体。数字化虚拟人包括三个研究阶段：数字化虚拟人包括三个研究阶段：虚拟可视人虚

45、拟可视人、虚拟物理人和虚拟生物虚拟物理人和虚拟生物人人。1.3 计算机医学影像 数字化人体切片数字化人体切片 美国男性数字化人美国男性数字化人中国虚拟人女一号中国虚拟人女一号中国虚拟人女一号人体切片中国虚拟人女一号人体切片1.3 计算机医学影像 1.3.6 1.3.6 虚拟内窥镜虚拟内窥镜 虚拟内窥镜技术（虚拟内窥镜技术（Virtual EndoscopeVirtual Endoscope，VEVE）是将）是将CTCT和和MRMR获得的原始获得的原始容积容积数据数据与计算机三维图像技术相结合，借助与计算机三维图像技术相结合，借助导航技术导航技术（NavigationNavigation）或）或

46、漫游漫游技术技术（FlythroughFlythrough）以及伪彩技术来逼真地）以及伪彩技术来逼真地模拟腔道内镜检查模拟腔道内镜检查的一种方法。的一种方法。1.3 计算机医学影像 1.3.7 1.3.7 基于影像的计算机辅助外科基于影像的计算机辅助外科(computer aided surgery(computer aided surgery，CAS)CAS)随着随着CTCT、MRIMRI等图像诊断仪的发展，使计算机虚拟现实技术在医学中的应等图像诊断仪的发展，使计算机虚拟现实技术在医学中的应用得到了飞速的发展。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外用得到了飞速的发展。计算机利用这些图像

47、信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术模拟、手术导航科医生进行手术模拟、手术导航(navigator)(navigator)、手术定位、术前规划提供了、手术定位、术前规划提供了客观、准确、直观、科学的手段。客观、准确、直观、科学的手段。1 1、手术模拟、手术模拟 2 2、术前规划、术前规划 3 3、手术导航、手术导航1.3 计算机医学影像 1.4 医学影像设备的分类与组成 v 数字化医学影像设备的发展和应用，已经成为建设数字化医学影像设备的发展和应用，已经成为建设数字化医院数字化医院的基础和提高的基础和提高诊断与治疗水平的保证。诊断与治疗水平的保证。v 现在医院里常用的各种医学影像设备种类与

48、型号很多，大致分为五种类型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:X X线摄影系统线摄影系统磁共振摄影系统磁共振摄影系统超声诊断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像系统红外影像系统医用内窥镜检查系统医用内窥镜检查系统各类影像系统的功能和适宜检查的范围是不同的，因此人们正在研究运用医学影各类影像系统的功能和适宜检查的范围是不同的，因此人们正在研究运用医学影像比较学、各类医学影像融合技术来进一步提高诊断和治疗的水平。像比较学、各类医学影像融合技术来进一步提高诊断和治疗的水平。v1.5.1 X1.5.1 X线摄影系统线摄影系统 医学医学X X线摄影系统，线摄

49、影系统，泛指所有采用泛指所有采用X X线源获取医学影像的设备线源获取医学影像的设备，通过测量，通过测量透过人体的透过人体的X X线来实现人体成像的，即：利用人体各组织的密度和厚度不同，线来实现人体成像的，即：利用人体各组织的密度和厚度不同，对对X X线的衰减不同，来显示脏器的形态影像。线的衰减不同，来显示脏器的形态影像。这里包括这里包括常规胶片常规胶片X X光机光机，计算机成像计算机成像X X线机（线机（CRCR）、数字数字X X线机（线机（DRDR）、断层扫描断层扫描X X线机（线机（CTCT）和和血管数字减影（血管数字减影（DSADSA）等设备。等设备。1.4 医学影像设备的分类与组成 传

50、统的传统的X X线成像是线成像是经经X X线摄照线摄照，将影像信息记录在胶片上，在，将影像信息记录在胶片上，在显定影处理显定影处理后，影像才能于后，影像才能于照片上显示照片上显示。这类胶片影像属于连续变化的。这类胶片影像属于连续变化的光学模拟图像光学模拟图像。现今仍有现今仍有7070以上以上X X线影像诊断是用增感屏线影像诊断是用增感屏-胶片方式的常规胶片方式的常规X X线摄影线摄影技术。原因是：技术。原因是：一是新型一是新型X X线胶片线胶片感光粒度非常高感光粒度非常高，且新胶片是按不同波长、不同能，且新胶片是按不同波长、不同能谱段的专用胶片，在能谱内的敏感度非常高，比原来胶片高出三个数量级