醫(yī)學(xué)圖像處理 第1章 緒論

醫(yī)學(xué)影像處理第一章醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展1第一章緒論主要內(nèi)容：1.1倫琴開創(chuàng)了人體圖像的先河1.2CT技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像1.3PET技術(shù)與功能醫(yī)學(xué)圖像1.4分子成像技術(shù)1.5醫(yī)學(xué)圖像后處理2醫(yī)學(xué)影像學(xué)是醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)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)研究及臨床診斷中最活躍的領(lǐng)域之一。

3醫(yī)學(xué)影像學(xué)包括人體信息的獲取以及圖像的形成、存儲(chǔ)、處理、分析、傳輸、識(shí)別與應(yīng)用等，主要內(nèi)容可歸納為三大部分：醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)（成像原理）、醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用技術(shù)。醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)是指圖像形成過(guò)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，對(duì)成像原理、成像系統(tǒng)的分析研究，將人體內(nèi)感興趣的信息提取出來(lái)，以圖像的形式進(jìn)行顯示，并對(duì)各種醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)量因素進(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層次的圖像。醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容4醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)是指對(duì)已經(jīng)獲得的圖像作進(jìn)一步的處理，如對(duì)其進(jìn)行分析、識(shí)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，其目的是使原來(lái)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。醫(yī)學(xué)影像臨床應(yīng)用技術(shù)是在診斷和治療過(guò)程中對(duì)于需要解決的醫(yī)學(xué)問(wèn)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。醫(yī)學(xué)影像學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容5醫(yī)學(xué)影像學(xué)X線成像可見光成像X線計(jì)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)的分類外源型X-rayRadiographyX-rayCTUltrasoundOptical:Reflection,Transillumination內(nèi)源型SPECTPET混合型MRI,fMRIOpticalFluorescenceElectricalImpedance6X-rayimagingCTMRIUSPETMicroimage7成像信息解剖信息AnatomicalX-RayRadiographyX-RayCTMRIUltrasoundOptical功能/代謝信息Functional/MetabolicSPECTPETfMRIUltrasoundOpticalFluorescenceElectricalImpedance8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(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1.1倫琴開創(chuàng)了人體圖像的先河9ChestRadiograph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。10

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。11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(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)。1.2CT技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像12組織類別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，HounsfieldUnit13不同的CT掃描方式14不同的CT掃描方式Translation:SourceTranslation:DetectorRotate:AngularScanRingofDetectorsSourceSourceRotationPathX-raysObject153-D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)yxzX-YSlicesxzyIin(x;y,z)Iout(x;y,z)m(x,y;z)m11m22m92m15m12m42m52m62m72m8216Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。17磁共振成像

MagneticResonanceImaging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。18MR成像原理簡(jiǎn)介19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)20三種加權(quán)MRI圖像T1WeightedSpinDensityImageT2Weighted21三正交顯示平面

3-viewImagingxzyyxxyzzSagitalCoronalAxial22功能磁共振圖像

FunctionMRimaging23Bloch和Purcell因發(fā)現(xiàn)NMR現(xiàn)象獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

24發(fā)明MRI中Fourier重建方法的Ernst獲得1991年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。25Lauterbur和Mansfield因發(fā)明MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。美國(guó)伊利諾大學(xué)的勞特布爾（Paul

Lauterbur）——“核磁共振成像之父”

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的曼斯菲爾德（PeterMansfield）26超聲成像系統(tǒng)原理

UltrasoundImagingPiezoelectriccrystalAcousticabsorbersBlockersImagingObjectTransmitter/ReceiverCircuitControlCircuitPulseGenerationandTimingData-AcquisitionAnalogtoDigitalConverterComputerImagingStorageandProcessingDisplay27心臟B-超圖像

B-ModeImagingofHeart28心臟多普勒彩超圖像

DopplerImagingofBeatingHeart291.3PET技術(shù)與功能醫(yī)學(xué)圖像基本原理：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。30正電子發(fā)射斷層掃描成像技術(shù)

Positronemissiontomography(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(guò)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(duì)湮滅時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)沿1800發(fā)射的γ光子。在人體周圍圓環(huán)形排列的探測(cè)器中某一對(duì)若在該時(shí)刻同時(shí)接收到信號(hào)，就表明在這兩個(gè)探測(cè)器連線上有一次核素衰變。不同方向多個(gè)探測(cè)器的計(jì)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(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。31PET成像原理32單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)

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)晶體管放大,光電倍增管放大,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理成像。33SPECT成像原理ObjectEmittingGammaPhotonsScintillationDetectorArraysCoupledwithPhotomultiplierTubes34SPECT圖像351.4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36可視人項(xiàng)目MRICT組織切片372002年“中國(guó)虛擬人男1號(hào)”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，被稱為“中國(guó)虛擬人女1號(hào)”的我國(guó)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。38人體內(nèi)部器官半透明顯示391.5醫(yī)學(xué)影像后處理

40醫(yī)學(xué)圖像處理與分析包括：圖像增強(qiáng)技術(shù)圖像分割技術(shù)圖像配準(zhǔn)技術(shù)圖像顯示技術(shù)圖像指導(dǎo)治療圖像引導(dǎo)手術(shù)醫(yī)學(xué)虛擬環(huán)境41醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用

42MedicalApplication放射線治療43計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)44X-Ray45

46GE1250MA心血管造影機(jī)（DSA）47GE1250MA心血管造影