醫(yī)學(xué)圖像處理與分析 第1章醫(yī)學(xué)圖像的發(fā)展

醫(yī)學(xué)圖像處理與分析

MedicalImageProcessingandAnalysis羅述謙周果宏科學(xué)出版社2010第一章醫(yī)學(xué)圖像的發(fā)展影像學(xué)是醫(yī)學(xué)科學(xué)的一個(gè)重要方面，用于人體解剖結(jié)構(gòu)、功能或代謝信息的可視化。人體結(jié)構(gòu)與功能成像對(duì)于理解人體的解剖、生理過(guò)程、器官的功能，以及器官整體或一部分在異常生理?xiàng)l件或疾病的影響下的行為具有十分重要作用。醫(yī)學(xué)圖像及其重要性醫(yī)學(xué)成像模式

MedicalImagingModalities根據(jù)成像的源劃分外源型X-rayRadiographyX-rayCTUltrasoundOptical:Reflection,Transillumination內(nèi)源型SPECTPET混合型MRI,fMRIOpticalFluorescenceElectricalImpedance醫(yī)學(xué)成像信息

MedicalImagingInformation解剖信息AnatomicalX-RayRadiographyX-RayCTMRIUltrasoundOptical功能/代謝信息

Functional/MetabolicSPECTPETfMRIUltrasoundOpticalFluorescenceElectricalImpedance德國(guó)物理學(xué)家倫琴倫琴夫人手的X光片1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴（WilhelmConradR?ntgen，）發(fā)現(xiàn)一種未知的射線，稱(chēng)做“X”射線，并用“X”射線給他夫人的手拍照。這就是人類(lèi)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(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。ChestRadiograph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。

X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(duì)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(duì)射線吸收的積分效果。一個(gè)大小和密度相同的腫瘤或病灶，無(wú)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(shuō)，X光圖片不能反映組織或病灶的三維空間位置。如果我們?cè)O(shè)想將人體水平方向上的剖面劃分為許多正方形或長(zhǎng)方形的小單元（稱(chēng)做象素），然后在人體周?chē)貓@弧方向不斷改變X光源及接收探測(cè)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(cè)器會(huì)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(cè)器強(qiáng)度值倒推出各個(gè)象素的密度。這就是反投影圖像重建技術(shù)。組織類(lèi)別CT值(Hu)水

0腦脊液38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值單位：Hu，HounsfieldUnit不同的CT掃描方式Translation:SourceTranslation:DetectorRotate:AngularScanRingofDetectorsSourceSourceRotationPathX-raysObject3-D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)yxzX-YSlicesxzyIin(x;y,z)Iout(x;y,z)m(x,y;z)m11m22m92m15m12m42m52m62m72m82磁共振成像

MagneticResonanceImaging美國(guó)科學(xué)家PaulLauterbur1973年首次將磁共振原理應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像，2003年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。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。大多數(shù)物質(zhì)都是由數(shù)個(gè)具有磁矩的原子核，例如

1H,2H,13C,31Na,31P,等構(gòu)成。MR成像原理簡(jiǎn)介橫向弛豫與縱向弛豫自旋-晶格弛豫(spin-latticerelaxation)自旋-自旋弛豫(spin-spinrelaxation)MRI重要方面多種MRI.成像模式T1,T2和Pd加權(quán)像不同脈沖序列采集信號(hào)MR波譜儀MRspectroscopyMR血流成像BloodflowimagingMR灌注成像PerfusionimagingMR功能成像Functionalimaging自旋回波脈沖掃描Spin-Echo

S=kr(1-exp(-TR/T1))exp(-TE/T2)面向不同的應(yīng)用，有多種脈沖掃描序列三種加權(quán)MRI圖像T1WeightedSpinDensityImageT2Weighted3T和1.5TMR的T1，T2參考值三正交顯示平面

3-viewImagingxzyyxxyzzSagitalCoronalAxial軸向圖冠狀圖矢狀圖磁共振波譜儀

MRspectroscopy功能磁共振圖像

FunctionMRimaging超聲成像系統(tǒng)原理

UltrasoundImagingPiezoelectriccrystalAcousticabsorbersBlockersImagingObjectTransmitter/ReceiverCircuitControlCircuitPulseGenerationandTimingData-AcquisitionAnalogtoDigitalConverterComputerImagingStorageandProcessingDisplay心臟B-超圖像

B-ModeImagingofHeart心臟多普勒彩超圖像

DopplerImagingofBeatingHeart核醫(yī)學(xué)成像NuclearMedicineImaging基本原理：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(cè)器捕獲，生成放射性示蹤劑的分布，得知人體的功能信息。單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層圖像

Singlephotonemissioncomputedtomography(SPECT)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射性濃度差異，體外的核射線（γ射線）探頭陣列將探測(cè)并記錄這些差異，經(jīng)晶體光放大,光電倍增管放大,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理成像。SPECT成像原理ObjectEmittingGammaPhotonsScintillationDetectorArraysCoupledwithPhotomultiplierTubes99mTc(140keV)SPECT圖像正電子發(fā)射斷層掃描圖像

Positronemissiontomography(PET)

PET的基本原理是利用加速器生產(chǎn)的超短半衰期同位素,如18F、13N、15O、11C等作為示蹤劑注入人體,參與體內(nèi)的生理生化代謝過(guò)程。這些超短半衰期同位素是組成人體的主要元素，利用它們發(fā)射的正電子與體內(nèi)的負(fù)電子結(jié)合釋放出一對(duì)伽瑪光子,被探頭的晶體所探測(cè),經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)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。PET成像原理ObjectEmittingPositronsScintillationDetectorArraysPointofPositronEmissionPointofPositronAnnihilationPositionDependentPhotomultiplierTubesCoincidenceDetectionSystemComputerDisplayDetectorRingFDGPET圖像分子成像Molecularimaging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(duì)人體或其它生命體內(nèi)分子和細(xì)胞水平上的生物過(guò)程的可視化、特性化和測(cè)量。成像模式：磁共振成像（MRI）光學(xué)成像單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層圖像（SPECT）正電子發(fā)射斷層圖像（PET）超聲圖像探針和分子互作成像醫(yī)學(xué)成像和圖像分析

MedicalImagingandImageAnalysis成像設(shè)備的進(jìn)步激勵(lì)了新的計(jì)算機(jī)圖像重建、處理與分