醫(yī)學(xué)影像工作原理與圖像獲取方式

1、醫(yī)學(xué)影像工作原理及圖像獲取方式2.2 醫(yī)學(xué)超聲影像工作原理超聲是指高于人耳聽覺范圍的聲波，通常是指頻率高于20kHz的高頻振動(dòng)機(jī)檢波，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲頻率一般在1MHz至幾十MHz之間。自1958年商用超聲成像產(chǎn)品問(wèn)世以來(lái)，超聲醫(yī)學(xué)設(shè)備以其實(shí)時(shí)性、對(duì)人體無(wú)損傷、無(wú)痛苦、顯示方法多樣，尤其對(duì)人體軟組織的探測(cè)和心血管臟器的血流動(dòng)力學(xué)觀察有其獨(dú)到之處而成為在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的成像設(shè)備之一。超聲在醫(yī)學(xué)中的重要作用在于它不但可以穿透人體，而且可以與身體組織相互作用。超聲波穿過(guò)人體時(shí)要經(jīng)過(guò)折射和反射，這可發(fā)生在超聲波經(jīng)過(guò)的任何交界面上，其作用就如同光束經(jīng)過(guò)一個(gè)非均勻物質(zhì)一樣。超聲波的波長(zhǎng)很短，從而易

2、于窄脈沖波束的實(shí)現(xiàn)，因此超聲換能器可以做得小而緊湊。超聲在臨床應(yīng)用中主要分為診斷與治療兩個(gè)方面：超聲診斷采用的是較高頻率(多在2MHz以上)與較低聲強(qiáng)的超聲波，高頻可提高對(duì)組織的分辨率，用以獲得清晰、細(xì)致的聲像圖，而低聲強(qiáng)則可降低對(duì)組織損傷的副作用。超聲治療采用的是較低頻率(通常<1MHz)與較高聲強(qiáng)的超聲波，低頻超聲增大對(duì)組織的穿透率，而高聲強(qiáng)(特別是聚焦后)超聲可對(duì)組織產(chǎn)生生物效應(yīng)，用于選擇性破壞局灶性病變。2.2.1 超聲設(shè)備與種類超聲診斷主要應(yīng)用超聲良好的指向性和與光相似的反射、散射、衰減及多普勒(Doppler)效應(yīng)等物理特性，采用不同的掃查方法，將超聲發(fā)射到人體內(nèi)，并在組織中

3、傳播，當(dāng)正常組織或病理組織的聲阻抗有一定差異時(shí)，它們組成的界面就會(huì)發(fā)生反射和散射，再將此回波信號(hào)接收，加以檢波等處理后，顯示為波形、曲線或圖像等。由于各種組織的界面形態(tài)、組織器官的運(yùn)動(dòng)狀況和對(duì)超聲的吸收程度等不同，其回波有一定的共性和某些特性，結(jié)合生理、病理解剖知識(shí)與臨床醫(yī)學(xué)，觀察、分析、總結(jié)這些不同的規(guī)律，可對(duì)患病的部位、性質(zhì)或功能障礙程度做出概括性以至肯定性的判斷。超聲診斷儀由主機(jī)和探頭構(gòu)成，均包括發(fā)射、掃查、接收、信號(hào)處理和顯示等五個(gè)部分。超聲診斷儀的種類很多，而且互有交叉，按照顯示回波方式和空間的不同，主要包括以下幾種：1. A型(AmplitudeMode)超聲A型超聲是最早出現(xiàn)的一

4、維超聲診斷技術(shù)，它將聲束傳播位置上的組織按距離分布的回波信息在顯示器上以幅度調(diào)制的形式顯示，并從回波的幅度大小、形狀及位置進(jìn)行診斷，回波強(qiáng)則波幅高，回波弱則波幅低。常用A型法測(cè)量界面距離、臟器徑值以及鑒別病變的物理性質(zhì)，它是現(xiàn)代各種超聲成像的物理基礎(chǔ)。2. B型(BrightnessMode)超聲B超是把組織的一個(gè)斷層面上的超聲回波信息以二維分布形式顯示出來(lái)，組織內(nèi)的散射、反射回波信息以輝度調(diào)制方式顯示，回波強(qiáng)則光點(diǎn)亮，回波弱則光點(diǎn)暗。光點(diǎn)隨探頭的移動(dòng)或晶片的交替輪換而移動(dòng)掃查，由于掃查連續(xù)，可以由點(diǎn)、線而掃描出臟器的解剖切面，它是二維空間顯示，又稱二維超聲。按其成像速度的不同，可分為慢速成像

5、和快速成像，慢速成像只能顯示臟器的靜態(tài)解剖圖像，由于每幀圖像線數(shù)甚多，圖像清晰，掃查的空間范圍較大?？焖俪上衲茱@示臟器的活動(dòng)狀態(tài)，也稱為實(shí)時(shí)(ReaITime)顯像診斷法，但所顯示的面積較小，每幅圖像線數(shù)與每秒顯示的幀數(shù)相互約制，互為反比。按照掃描方式的不同，又可分為電子線性掃描、電子凸陣掃描、機(jī)械扇形掃描和相控陣掃描等。3. M(MotionMode)型超聲M超是在輝度調(diào)制型中加入侵掃描鋸齒波，使回聲光點(diǎn)從左向右自行移動(dòng)掃描，故它是B型超聲的一種特殊的顯示方式。常以此法探測(cè)心臟，可獲得心臟結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)變化、血流時(shí)空信息及其周鄰關(guān)系等定量結(jié)果，也稱作M型心動(dòng)圖。4. D（Doppler）型超聲D

6、型超聲采用多普勒效應(yīng)原理設(shè)計(jì)，也稱多普勒超聲。利用多功能彩色多普勒可獲得頭部、頸部、心臟、腹部、胎兒等的二維圖像；利用多普勒超聲聽診能夠早期聽取胎心、胎動(dòng)及進(jìn)行胎心的監(jiān)測(cè)等；彩色多普勒超聲CDFI（ColorDopplerFlowImaging），可顯示血流的向背方向（顏色的深淺代表血流的快慢），使用偽彩色編碼技術(shù)標(biāo)明動(dòng)脈圖中血流的方向和速度，從而能夠顯示血管的模擬三維圖像?，F(xiàn)在，超聲頻譜多普勒探測(cè)血流的研究工作已取得很大的成就，彩色多普勒的出現(xiàn)，使之更趨完美。5. 三維超聲計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已使三維超聲成像成為現(xiàn)實(shí)。三維超聲成像需要特殊的探頭和軟件以收集并產(chǎn)生圖像，構(gòu)成立體圖像的方法有數(shù)種，目

7、前面市的儀器多為在二維圖像的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維重建，尚未達(dá)到實(shí)時(shí)三維圖像。三維圖像使得容積測(cè)量更為精確，診斷更為精細(xì)、準(zhǔn)確，醫(yī)生可以很容易地診斷出組織的異常。在產(chǎn)科成像中，三維掃描可以了解胎兒的發(fā)育狀況，尤其是在先天疾病的診斷方面，如先天性脊柱、嘴唇、手指、腳趾和耳朵等缺陷及先天性胎兒心臟畸形的診斷（如圖2.1）。6. 超聲顯微鏡與光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡的原理類似，利用特高頻超聲也可顯示組織器官的細(xì)微結(jié)構(gòu)。目前應(yīng)用的超聲顯微鏡有100MHz、450MHz等，檢測(cè)深度僅數(shù)毫米，可檢測(cè)表淺組織結(jié)構(gòu)細(xì)胞分子水平的動(dòng)態(tài)變化。雖然超聲儀器多種多樣，但應(yīng)用領(lǐng)域各有不同。在國(guó)內(nèi)目前用于前列月I診斷的是

8、二維B型超聲診斷儀，我們?cè)谡n題中用到的圖像就是從B超采集下來(lái)的圖像，下面我們對(duì)B型超聲診斷儀做進(jìn)一步的介紹。2.2.2 B超及其成像原理B超成像的基本原理是：向人體發(fā)射一組超聲波，按一定的方向進(jìn)行掃描。根據(jù)監(jiān)測(cè)其回聲的延遲時(shí)間，強(qiáng)弱就可以判斷臟器的距離及性質(zhì)。經(jīng)過(guò)電子電路和計(jì)算機(jī)的處理，形成了我們今天的B超圖像。B超的關(guān)鍵部件就是我們所說(shuō)的超聲探頭（probe）,其內(nèi)部有一組超聲換能器，是由一組具有壓電效應(yīng)的特殊晶體制成。這種壓電晶體具有特殊的性質(zhì)，就是在晶體特定方向上加上電壓，晶體會(huì)發(fā)生形變，反過(guò)來(lái)當(dāng)晶體發(fā)生形變時(shí)，對(duì)應(yīng)方向上就會(huì)產(chǎn)生電壓，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)與超聲波的轉(zhuǎn)換9。圖2.2是B超的一般成

9、像原理圖。B超的工作過(guò)程為：當(dāng)探頭獲得激勵(lì)脈沖后發(fā)射超聲波（同時(shí)探頭受聚焦延遲電路控制，實(shí)現(xiàn)聲波的聲學(xué)聚焦），然后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲后再由探頭接受反射回的回聲信號(hào)，探頭接收回來(lái)的回聲信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，對(duì)數(shù)放大等信號(hào)處理。然后由DSC電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號(hào)，在CPU控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理，再同圖表形成電路和測(cè)量電路一起合成視頻信號(hào)送給顯示器形成我們所熟悉的B超圖像也稱二維黑白醫(yī)學(xué)圖像。我們下面的研究工作就是針對(duì)B超圖像進(jìn)行的。彩超并不是看到了人體組織真正的顏色，而是在黑白B超圖像基礎(chǔ)上加上以多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)的偽彩色而形成的。那么何謂多普勒效應(yīng)呢，當(dāng)我們站在火車站臺(tái)上聽到從遠(yuǎn)處開來(lái)的火車汽笛

10、叫聲會(huì)比遠(yuǎn)離我們的火車汽笛叫聲音調(diào)要高，也就是說(shuō)對(duì)于靜止的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，向著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)物體發(fā)出的聲波頻率會(huì)升高，相反頻率會(huì)降低，這就是著名的多普勒效應(yīng)。現(xiàn)代醫(yī)用超聲就是利用了這一效應(yīng)，當(dāng)超聲波碰到流向遠(yuǎn)離探頭液體時(shí)回聲頻率會(huì)降低，流向探頭的液體會(huì)使探頭接收的回聲信號(hào)頻率升高。利用計(jì)算機(jī)偽彩色技術(shù)加以描述，使我們能判定醫(yī)學(xué)圖像中流動(dòng)液體的方向及流速的大小和性質(zhì)，并將此疊加在二維黑白醫(yī)學(xué)圖像上，形成了彩超圖像。2.3 醫(yī)學(xué)圖像的獲取在處理醫(yī)學(xué)圖像之前，我們需要采集到大量的醫(yī)學(xué)圖像用于實(shí)驗(yàn)研究，這就要求我們必須對(duì)醫(yī)學(xué)圖像采集系統(tǒng)和主要的采集方式有一定的了解，本節(jié)就將著手研究這個(gè)問(wèn)題。2.3.1 醫(yī)學(xué)圖

11、像采集系統(tǒng)常見的醫(yī)學(xué)圖像采集系統(tǒng)主要包括二維B超成像系統(tǒng)和三維超聲重建系統(tǒng)，下面我們將對(duì)它們的結(jié)構(gòu)、組成部分及工作原理做一簡(jiǎn)要介紹10。2.3.1.1 二維B超成像系統(tǒng)由于電子技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)B型超聲顯像儀應(yīng)用于臨床，它可以實(shí)時(shí)獲得人體器官組織的解剖結(jié)構(gòu)圖像，為診斷疾病提供了大量直觀的信息，由于它具有無(wú)創(chuàng)、非侵入性、實(shí)時(shí)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已成為各級(jí)醫(yī)院的重要常規(guī)設(shè)備。B超的顯示方式采用亮度調(diào)制方式來(lái)顯示回波信號(hào)的強(qiáng)弱，回波幅度大，亮度強(qiáng)，幅度小，亮度弱，B型超聲其換能器即探頭所發(fā)射和接收的超聲波方向按一定規(guī)則掃查某平面，所顯示的即為該平面的二維截面圖像。B超系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，系統(tǒng)

12、主要組成部分包括： 探頭：即超聲換能器，發(fā)射與接收超聲波，一般有電子相控陣探頭，電子凸陣探頭和電子線陣探頭。 發(fā)射電路：提供高壓電脈沖給換能器，使探頭發(fā)射超聲波。 接收隔離與放大：為接收微弱回波信號(hào)，并提供足夠大回放信號(hào)給后級(jí)處理，故需進(jìn)行高增益放大：同時(shí)為防止高壓發(fā)射脈沖擊損高增益放大器，必須加接收隔離電路。 檢波：檢出回波信號(hào)的振幅。 信號(hào)處理與視放：視放將檢波后的信號(hào)放大到顯示器所需電平，信號(hào)處理將根據(jù)不同的顯示方式和要求而放大。 顯示器：以適當(dāng)方式顯示出回波信息 時(shí)序電路：提供發(fā)射觸發(fā)電信號(hào)，TGC控制信號(hào)，顯示器時(shí)基等。2.3.1.2 三維超聲重建系統(tǒng)三維超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，

13、系統(tǒng)是一臺(tái)普通二維B超，一塊基于PCI總線結(jié)構(gòu)的圖像采集卡和一套微機(jī)組成。將超聲探頭掃查得到的組織醫(yī)學(xué)圖像，通過(guò)超聲三維重建系統(tǒng)處理，最終直觀真實(shí)地顯示出來(lái)，便于臨床醫(yī)生進(jìn)行觀察、切割、測(cè)量，達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)估診斷的目的。 圖像采集：按照一定的掃查方式，使普通二維B超獲得一系列二維圖像系列，經(jīng)過(guò)采集卡完成圖像的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，送至后續(xù)三維重建系統(tǒng)處理。 預(yù)處理：目前，模擬圖像信號(hào)通過(guò)采集卡轉(zhuǎn)換成的數(shù)字圖像信號(hào)，多以兩種格式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，一是多媒體文件格式(AVI),二是掃描儀文件格式(RAW)。為了方便利用各種圖像編輯器處理二維超聲斷層圖像，我們必須將其轉(zhuǎn)換為常用的圖像文件BMP格式，這是預(yù)處理任務(wù)之

14、一。另外，醫(yī)學(xué)圖像的分辨率和對(duì)比度較小，噪聲回波干擾較大，有必要采用一些噪聲抑制方式，消除或減弱噪聲信號(hào)對(duì)三維重建系統(tǒng)的影響。 斷層定標(biāo)：是系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分之一。由于通過(guò)超聲探頭掃查得到的超聲斷層圖像系列之間的空間位置關(guān)系不確定，必須通過(guò)某種方法來(lái)確定斷層間的位置關(guān)系，以保證三維重建的保真度。 目標(biāo)圖像處理：為了滿足臨床醫(yī)生明確診斷的要求，有必要將感興趣目標(biāo)從背景圖像中分割提取出來(lái)，便于進(jìn)一步觀察、測(cè)量、分析。 體數(shù)據(jù)建立：該程序功能塊主要完成將一系列不規(guī)則排列的二維圖像轉(zhuǎn)換到三維晶格坐標(biāo)系。 顯示：三維圖像的可視化研究也是超聲三維重建系統(tǒng)的重要組成部分，它是指將三維數(shù)據(jù)投影到二維顯示平面上，

15、它除了要求達(dá)到形象逼真的顯示效果外，還要求提供快速完整地理解病人臟器組織的解剖結(jié)構(gòu)與功能。2.3.2 醫(yī)學(xué)圖像采集2.3.2.1 醫(yī)學(xué)圖像采集處理系統(tǒng)無(wú)論何種方式，我們均需利用圖像采集卡完成從影像設(shè)備到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。在圖像采集系統(tǒng)中，圖像信號(hào)的輸入源為超聲診斷儀的視頻輸出，視頻信號(hào)的采樣接口采用CPE3000圖像采集卡。CPE3000是基于微型計(jì)算機(jī)PCI總線結(jié)構(gòu)的彩色圖像采集卡。它采用先進(jìn)的數(shù)字解碼方式，將標(biāo)準(zhǔn)輸入的PAL制式、NTSC制式、SECAM制式的復(fù)合彩色（或黑白）視頻信號(hào)或S-Video信號(hào)（即Y-C分離信號(hào)）數(shù)字化，經(jīng)解碼后轉(zhuǎn)換為適于圖像處理的RGB-24bits格式的

16、數(shù)字信息，然后通過(guò)PCI總線實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存（或視頻顯示緩沖區(qū)）。如果使用離線方式讀取影像設(shè)備中的數(shù)據(jù)，即將存儲(chǔ)于磁帶上的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，再轉(zhuǎn)換為我們需要的文件格式。2.3.2.2 醫(yī)學(xué)圖像采集方式1.探頭掃查方式：目前具體的掃查方式有三種：平行掃查：適用于大部分腹部靜態(tài)組織，行程一般3-5CM,速度1CM/S;扇形掃查：適合于聲窗較小的組織器官的掃查，角度30-45,角度過(guò)大使回聲因折射而衰弱，而對(duì)圖像有不良影響；旋轉(zhuǎn)掃查：由于對(duì)操作者要求較高，易發(fā)生中心偏差，故很少使用。2.圖像采集時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：獲得清晰的二維圖像：目前的三維超聲成像是以采集得到的二維醫(yī)學(xué)圖像為基礎(chǔ)重建，故采

17、集的各幀二維醫(yī)學(xué)圖像清晰是三維超聲重建成功的關(guān)鍵之一。避免運(yùn)動(dòng)：人體各器官均會(huì)受到呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，在采集過(guò)程中讓病人盡量屏住呼吸，避免運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的偏差。掃查速度：要求操作者盡量勻速平行或扇形掃查，一般速度不超過(guò)1CM/So忽快忽慢會(huì)造成三維醫(yī)學(xué)圖像扭曲失真，影響診斷的正確性。2.4圖像格式轉(zhuǎn)換目前通過(guò)圖像采集卡，影像設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以兩種格式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中：一是多媒體文件格式（AVI文件），二是掃描儀文件格式（RAW文件）。為方便利用各種圖像編輯器處理二維斷層圖像，我們將其轉(zhuǎn)換為常用圖像文件BMP格式。2.4.1 圖像文件格式1.BMP文件格式WindowsBMP格式是由Microsoft推出的一

18、種格式，它將圖像存儲(chǔ)為一種與設(shè)備無(wú)關(guān)的位圖（DIB）。如圖1所示，BMP文件由一個(gè)文件頭BITMAPFILEHEADER,一個(gè)位圖頭BITMAPINFOHEADER,一個(gè)調(diào)色板（24位真彩色圖像沒有）和圖像本身數(shù)據(jù)（位圖陣列信息）構(gòu)成。2.AVI（audio-videointerleaved）文件格式Microsoft制定的AVI標(biāo)準(zhǔn)格式是一種軟件輔助的數(shù)字化視頻壓縮技術(shù)，它用于獲取、編輯以及顯示音頻/視頻序列。一般說(shuō)來(lái)，AVI文件包含了不同類型的數(shù)據(jù)流。這里我們介紹只包括視頻和音頻數(shù)據(jù)的AVI文件。AVI文件的存儲(chǔ)格式如圖2所示，這種交錯(cuò)的存儲(chǔ)保證了視頻畫面與音頻同步。AVI文件用的是AVI

19、RIFF形式，AVIRIFF形式由字串AVI'標(biāo)識(shí)。所有的AVI文件都包括兩個(gè)必'須的LIST塊。這些塊定義了流和數(shù)據(jù)流的格式。AVI文件可能還包括一個(gè)索引塊。這個(gè)任選塊給出了文件中這些數(shù)據(jù)塊的地址。3.RAW文件格式此處的RAW文件格式特指采集卡所配的采集程序采集的視頻序列存儲(chǔ)于磁盤上的文件格式。對(duì)于灰度圖像，文件最后四個(gè)字節(jié)用來(lái)表示圖像的寬度和高度（各2個(gè)字節(jié)）。每個(gè)象素的灰度值用一個(gè)字節(jié)表示，從左到右、從上到下排列，中間沒有間隔。對(duì)于彩色圖像，文件最前面四個(gè)字節(jié)用來(lái)表示圖像的寬度和高度。2.4.2圖像文件格式轉(zhuǎn)換1 .AVI格式到BMP格式的轉(zhuǎn)換利用MicrosoftVi

20、sualC+的某些函數(shù)，我們可以較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)AVI至UBMP的轉(zhuǎn)換。其步驟如下：1、初始化AVI文件庫(kù)。2、以讀方式打開AVI文件，獲取相應(yīng)流入口地址。3、從特定的視頻流中解壓視頻幀，保存為一組BMP文件。4、釋放資源等。2 .RAW格式到BMP格式的轉(zhuǎn)換要將RAW格式轉(zhuǎn)換為BMP格式，首先必須將其轉(zhuǎn)換為DIB,然后在DIB前加上文件頭BITMAPFILEHEADER成為BMP文件。RAW格式是灰度圖像存儲(chǔ)于磁盤上的格式。其轉(zhuǎn)換為DIB的步驟如下：1、打開RAW文件，讀取文件最后四個(gè)字節(jié)，分別為DIB的寬和高。2、初始化BITMAPINFOHEADER頭。3、為DIB分配內(nèi)存。4、設(shè)置調(diào)色板

21、。5、將BITMAPINFOHEADR和圖像數(shù)據(jù)寫入DIB。3 .4.3醫(yī)學(xué)成像與傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（DICOM）醫(yī)學(xué)數(shù)字成像與傳輸（DICOM）標(biāo)準(zhǔn)是醫(yī)學(xué)影像設(shè)備間聯(lián)網(wǎng)所用的專用數(shù)字接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它定義了醫(yī)療領(lǐng)域的一系列信息對(duì)象及它們間的關(guān)系和通信時(shí)發(fā)送和應(yīng)答的命令集和消息集。為解決各種影像設(shè)備相互通信的問(wèn)題，由代表醫(yī)學(xué)影像設(shè)備使用者的美國(guó)放射學(xué)會(huì)ACR（AmericanCollegeofRadiology）和美國(guó)國(guó)家電器制造商協(xié)會(huì)NEMA（NationalElectricalManufacturersAssociation）共同制定了一種規(guī)定數(shù)字醫(yī)學(xué)影像和相關(guān)信息格式及信息交換方法的標(biāo)準(zhǔn)（digitalimagingandcommunicationsinmedicine,醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信標(biāo)準(zhǔn)，縮寫為DICOM,醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像通信標(biāo)準(zhǔn)）。DICOM3.0公布于1992年，用來(lái)規(guī)范不同廠商的影像設(shè)備和PAC