醫(yī)學(xué)圖像處理___緒論

1、1 醫(yī)學(xué)影像處理醫(yī)學(xué)影像處理 第一章第一章 醫(yī)學(xué)影像的發(fā)醫(yī)學(xué)影像的發(fā) 展展 2 第一章第一章 緒論緒論 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1.1 1.1 倫琴開創(chuàng)了人體圖像的先河倫琴開創(chuàng)了人體圖像的先河 1.2 CT1.2 CT技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像 1.3 PET1.3 PET技術(shù)與功能醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)與功能醫(yī)學(xué)圖像 1.4 1.4 分子成像技術(shù)分子成像技術(shù) 1.5 1.5 醫(yī)學(xué)圖像后處理醫(yī)學(xué)圖像后處理 3 醫(yī)學(xué)影像學(xué)是醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的一個重要研究方向。醫(yī)學(xué)影像由于含有極其豐 富的人體信息，能以非常直觀的形式向人們展示人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、形態(tài)或臟 器的功能等。因此，醫(yī)學(xué)影像已成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)研究及臨

2、床診斷中最活躍的領(lǐng)域 之一。 4 醫(yī)學(xué)影像學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)包括人體信息的獲取以及圖像的形成、包括人體信息的獲取以及圖像的形成、 存儲、處理、分析、傳輸、識別與應(yīng)用等，主要存儲、處理、分析、傳輸、識別與應(yīng)用等，主要 內(nèi)容可歸納為三大部分：內(nèi)容可歸納為三大部分：醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)（成像（成像 原理）、原理）、醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)和和醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用 技術(shù)技術(shù)。 醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)是指圖像形成過程的物理原理，是指圖像形成過程的物理原理， 主要任務(wù)是根據(jù)臨床的需求或醫(yī)學(xué)研究的需要，主要任務(wù)是根據(jù)臨床的需求或醫(yī)學(xué)研究的需要， 對對成像原理、成像系統(tǒng)成像原理、成

3、像系統(tǒng)的分析研究，將人體內(nèi)感的分析研究，將人體內(nèi)感 興趣的信息提取出來，以圖像的形式進(jìn)行顯示，興趣的信息提取出來，以圖像的形式進(jìn)行顯示， 并對各種并對各種醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)量因素醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)量因素進(jìn)行分析。被提取進(jìn)行分析。被提取 的信息可以是形態(tài)的、功能的或成分的等，信息的信息可以是形態(tài)的、功能的或成分的等，信息 載體可以是電磁波或機(jī)械波，所顯示的形式可以載體可以是電磁波或機(jī)械波，所顯示的形式可以 是一維的、二維的或三維的甚至是四維的等不同是一維的、二維的或三維的甚至是四維的等不同 層次的圖像。層次的圖像。 醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要研究內(nèi)容醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要研究內(nèi)容 5 醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)是指對

4、已經(jīng)獲得的是指對已經(jīng)獲得的圖像作進(jìn)一圖像作進(jìn)一 步的處理步的處理，如對其進(jìn)行分析、識別、分割、分類，如對其進(jìn)行分析、識別、分割、分類 等，確定哪些部分應(yīng)增強(qiáng)或某些特征應(yīng)被提取，等，確定哪些部分應(yīng)增強(qiáng)或某些特征應(yīng)被提取， 其目的是使原來不夠清晰的圖像變得清晰，或者其目的是使原來不夠清晰的圖像變得清晰，或者 是為了突出圖像中的某些特征信息等。是為了突出圖像中的某些特征信息等。 醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用技術(shù)醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用技術(shù)是在診斷和治療過程中對是在診斷和治療過程中對 于需要解決的醫(yī)學(xué)問題，根據(jù)各種醫(yī)學(xué)影像的特于需要解決的醫(yī)學(xué)問題，根據(jù)各種醫(yī)學(xué)影像的特 點(diǎn)，在臨床上以最敏感的信息、最快的速度和最點(diǎn)，在臨床

5、上以最敏感的信息、最快的速度和最 經(jīng)濟(jì)的手段獲得最客觀的診斷和最優(yōu)治療方案的經(jīng)濟(jì)的手段獲得最客觀的診斷和最優(yōu)治療方案的 選擇、確定和實(shí)施。選擇、確定和實(shí)施。 醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要研究內(nèi)容醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要研究內(nèi)容 6 醫(yī)學(xué)影像學(xué) X線成像 可見光 成像 X線 計算機(jī) 體層成像 磁共振 成像 紅外、 微波成像 放射性 核素成像 阻抗 成像 超聲 成像 醫(yī)學(xué)影像學(xué)的分類醫(yī)學(xué)影像學(xué)的分類 外源型 X-ray Radiography X-ray CT Ultrasound Optical: Reflection, Transillumination 內(nèi)源型 SPECT PET 混合型 MRI, fMRI O

6、ptical Fluorescence Electrical Impedance 7 X-ray imaging CT MRI US PET Micro image 8 成像信息 解剖信息 Anatomical X-Ray Radiography X-Ray CT MRI Ultrasound Optical 功能/代謝信息 Functional/Metabolic SPECT PET fMRI Ultrasound Optical Fluorescence Electrical Impedance 9 德國物理學(xué)家倫琴德國物理學(xué)家倫琴 倫琴夫人手的X光片 1895年德國物理學(xué)家倫琴（Wilh

7、elm Conrad Rntgen，） 發(fā)現(xiàn)一種未知的射線，稱做“X”射線，并用“X”射線 給他夫人的手拍照。這就是人類史上第一次科學(xué)技術(shù)醫(yī) 學(xué)成像。為了紀(jì)念他，人們將X射線又叫做倫琴射線。 倫琴本人也因?yàn)檫@一重大貢獻(xiàn)獲得第一個諾貝爾物理學(xué) 獎。 1.1 倫琴開創(chuàng)了人體圖像的先河 10 Chest Radiograph 此后，X光片應(yīng)用日益廣泛，今天，已經(jīng)成為幾乎所有醫(yī)院不可或缺的常 規(guī)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)手段。 11 X X射線成像原理射線成像原理 X射線成像是基于待成像物體各組成部分的密度不同，因 而對X射線的吸收不同，從而透射X射線強(qiáng)度差異，在乳膠片 上成像的（左圖）。X光圖片是X射線通路上物體對射

8、線吸收 的積分效果。一個大小和密度相同的腫瘤或病灶，無論在體內(nèi) 前、中或后部，它在X光片上表現(xiàn)的圖像是一樣的（右圖）。 也就是說，X光圖片不能反映組織或病灶的三維空間位置。 12 如果我們設(shè)想將人體水平方向上的剖面劃分為許多正方形或長方形的小單 元（稱做象素），然后在人體周圍沿園弧方向不斷改變X光源及接收探測 器的位置。這樣，每次X射線通路上都有不同的象素組合，探測器會記錄 響應(yīng)的強(qiáng)度值。采用一定的數(shù)學(xué)方法，我們可以很容易從這些記錄的探測 器強(qiáng)度值倒推出各個象素的密度。這就是反投影圖像重建技術(shù)。 1.2 CT技 術(shù)與三維 醫(yī)學(xué)圖像 13 組織組織 類別類別 CT值值 (Hu) 水 0 腦脊液3

9、8 血液1332 出血 6484 脾臟5065 肝臟5070 鈣化80300 肺組織-600-800 骨皮質(zhì) 400 脂肪-2080 正常組織的CT值 ：該物質(zhì)吸收系數(shù)； 水的吸收系數(shù)； 值 m w w wm CT : 1000 單位：Hu，Hounsfield Unit 14 不同的CT掃描方式 15 不同的不同的CTCT掃描方式掃描方式 Ring of Detector s Source Source Rotation Path X-rays Object 16 3-D 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) y x z X-Y Slices x z y Iin(x; y,z) Iout(x; y,z) (x,

10、y; z) 11 22 92 15 124252627282 17 18 磁共振成像磁共振成像 Magnetic Resonance Imaging n所有物質(zhì)的原子核都由質(zhì)子和中子組成， 如果質(zhì)子和中子的總數(shù)是奇數(shù)的話，原 子核就有自旋并產(chǎn)生磁矩。 n大多數(shù)物質(zhì)都是由數(shù)個具有磁矩的原子 核，例如 1H, 2H, 13C, 31Na, 31P, 等構(gòu)成。 19 MR成像原理簡介 20 橫向弛豫與縱向弛豫 自旋-晶格弛豫(spin-lattice relaxation) 自旋-自旋弛豫(spin-spin relaxation) 21 三種加權(quán)三種加權(quán)MRIMRI圖像圖像 T1 Weighted

11、 Spin Density ImageT2 Weighted 22 三正交顯示平三正交顯示平 面面 3- view Imaging x z y y x x y z z Sagital Coronal Axial 23 功能磁共振圖像功能磁共振圖像 Function MR imaging 24 25 26 美國伊利諾大學(xué)的勞特布爾（Paul Lauterbur） “核磁共振成像之父” 27 超聲成像系統(tǒng)原理超聲成像系統(tǒng)原理 Ultrasound Imaging Piezoelectric crystal Acoustic absorbers Blockers Imaging Object Tra

12、nsmitter/ Receiver Circuit Control Circuit Pulse Generation and Timing Data- Acquisition Analog to Digital Converter Computer Imaging Storage and Processing Display 28 心臟心臟B-B-超圖像超圖像 B-Mode Imaging of Heart 29 心臟多普勒彩超圖像心臟多普勒彩超圖像 Doppler Imaging of Beating Heart 30 1.3 PET1.3 PET技術(shù)與功能醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)與功能醫(yī)學(xué)圖像 基本

13、原理：將放射性標(biāo)記的藥物注射體內(nèi)， 人體代謝選 擇的組織或介質(zhì)，產(chǎn)生放射性發(fā)射（SPECT中的伽瑪射 線或PET中的正電子)。之后，這些發(fā)射的光子被體外的 探測器捕獲， 生成放射性示蹤劑的分布，得知人體的功 能信息。 31 正電子發(fā)射斷層掃描成像技術(shù)正電子發(fā)射斷層掃描成像技術(shù) Positron emission tomography (PET) PET的基本原理是在人體感興趣的部位注入經(jīng)放射性 核素標(biāo)記的生物活性示蹤劑，例如脫氧葡萄糖、水、氨基 酸和多巴胺等。核素衰變過程中產(chǎn)生的正電子很快與人體 內(nèi)的負(fù)電子結(jié)合。正負(fù)電子對湮滅時產(chǎn)生兩個沿1800發(fā)射 的光子。在人體周圍圓環(huán)形排列的探測器中某一

14、對若在該 時刻同時接收到信號，就表明在這兩個探測器連線上有一 次核素衰變。不同方向多個探測器的計數(shù)可以反映示蹤劑 的空間分布位置和濃度。常使用的核素如18F、13N、15O、 11C等。經(jīng)過計算機(jī)對原始數(shù)據(jù)重建處理,得到高分辨率、高 清晰度的活體斷層圖像，以顯示人腦、心、全身其他器官 及腫瘤組織的生理和病理的功能及代謝情況。 32 PET成像原理成像原理 33 單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像技單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像技 術(shù)術(shù) Single photon emission computed tomography (SPECT) n 放射性藥物引入人體，經(jīng)代謝后在臟器 內(nèi)外或病變部位和正常組織之間形成放

15、 射性濃度差異，體外的核射線（射線） 探頭陣列將探測并記錄這些差異，經(jīng)晶 體管放大, 光電倍增管放大,通過計算機(jī)處 理成像。 34 SPECT 成像原理成像原理 Object Emitting Gamma Photons Scintillation Detector Arrays Coupled with Photomultiplier Tubes 35 SPECT 圖像圖像 36 1.4 1.4 分子成像分子成像 Molecular imaging 源于放射藥理學(xué)領(lǐng)域，需要以非介入方式很好地理解生源于放射藥理學(xué)領(lǐng)域，需要以非介入方式很好地理解生 物體內(nèi)基本分子通路。分子成像指對人體或其它生命

16、體物體內(nèi)基本分子通路。分子成像指對人體或其它生命體 內(nèi)分子和細(xì)胞水平上的生物過程的可視化、特性化和測內(nèi)分子和細(xì)胞水平上的生物過程的可視化、特性化和測 量。量。 成像模式：成像模式： 磁共振成像（磁共振成像（MRIMRI） 光學(xué)成像光學(xué)成像 單光子發(fā)射計算機(jī)斷層圖像（單光子發(fā)射計算機(jī)斷層圖像（SPECTSPECT） 正電子發(fā)射斷層圖像（正電子發(fā)射斷層圖像（PETPET） 超聲圖像超聲圖像 探針和分子互作成像探針和分子互作成像 37 可視人項目可視人項目 MRIMRI CTCT 組織切片組織切片 38 2002年“中國虛擬人男1號”數(shù)據(jù)集在廣州 南方醫(yī)科大學(xué)（原第一軍醫(yī)大）構(gòu)建成功。 2003年初

17、，被稱為“中國虛擬人女1號”的 我國首例女性虛擬人數(shù)據(jù)集在南方醫(yī)科大學(xué) 構(gòu)建成功。 39 人體內(nèi)部器官人體內(nèi)部器官 半透明顯示半透明顯示 40 1.5 1.5 醫(yī)學(xué)影像后處理醫(yī)學(xué)影像后處理 41 醫(yī)學(xué)圖像處理與分析包括醫(yī)學(xué)圖像處理與分析包括： 圖像增強(qiáng)技術(shù)圖像增強(qiáng)技術(shù) 圖像分割技術(shù)圖像分割技術(shù) 圖像配準(zhǔn)技術(shù)圖像配準(zhǔn)技術(shù) 圖像顯示技術(shù)圖像顯示技術(shù) 圖像指導(dǎo)治療圖像指導(dǎo)治療 圖像引導(dǎo)手術(shù)圖像引導(dǎo)手術(shù) 醫(yī)學(xué)虛擬環(huán)境醫(yī)學(xué)虛擬環(huán)境 42 醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用 43 Medical Application 放射線治療 44 計算機(jī)輔助外科手術(shù)計算機(jī)輔助外科手術(shù) 45 46 47 GE 1250MA心血管造影機(jī)（D

18、SA） 48 GE 1250MA心血管造影機(jī)（DSA） 49 數(shù)字X線影像設(shè)備 CR（Computed Radiography)系統(tǒng) 50 DR（Digital Radiography ）數(shù)字放射攝影系統(tǒng) DirectRay X光直接數(shù)字成像采集系統(tǒng) 51 TOSHIBATOSHIBA（東芝）（東芝） 1616層多排螺旋層多排螺旋 CTCT 52 CT ScannerCT Scanner & Example of CT Image & Example of CT Image 53 54 55 56 GE 1.5T 高場強(qiáng)磁共振掃描系統(tǒng)(MRI） 57 58 59 60 61 MRI Cente

19、r, University of Rochester Medical School 62 Head S/I Projection MRI Center, University of Rochester Medical School 63 1 Hz2 Hz 3 Hz % 100 75 5 0 25 Schlaug, et al, 1995, Harvard Medical School and Beth Israel Hospital 64 Schlaug, et al, Science 267:699 (1995) 65 66 普及型B超 67 便攜式B超 68 69 70 Photo courtesy Philips Research 71 Photo courtesy Philips Research 72 73 74 Benign lesion Fibroadenoma 良性纖維性瘤 75 醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)是指對已經(jīng)獲得的是指對已經(jīng)獲得的圖像作進(jìn)一圖像作進(jìn)一 步的處理步的處理，如對其進(jìn)行分析、識別、分割、分類，如對其進(jìn)行分析、識別、分割、分類 等，確定哪些部分應(yīng)增強(qiáng)或某些特征應(yīng)被提取，等，確定哪