CT成像資料的學習資料

CT成像資料的學習資料第1頁/共105頁2OutlyingWords:everyoneshouldhaveadream(ideal，target)（要有夢想/理想）builduptheideaoflifetimestudy（樹立終生學習的思想）bringupthecharacterofpayingcloseattentiontothefrontlineofsubject（培養(yǎng)關注學科前沿的品格）innovativeideology（創(chuàng)新思維/思想）第1頁/共104頁第2頁/共105頁3天道酬勤ItisnevertoolatetolearnLearnyoung，Learnfair第2頁/共104頁第3頁/共105頁4對本課程的簡單說明:上海市教委重點建設課程,專業(yè)核心課程課程組:聶生東,蔣欣,武杰,陳兆學教材:自編教材(醫(yī)學圖像處理),明年由復旦大學出版社正式出版參考文獻:岡薩雷斯<數(shù)字圖像處理>對本課程的基本要求:按時上課,有事請假認真聽講,遵守課堂紀律按時完成作業(yè)通過網(wǎng)絡查閱相關資料在授課過程中,同學可就授課過程中存在的問題隨時向老師提出.第3頁/共104頁第4頁/共105頁5上海理工大學醫(yī)學圖像處理MedicalImageProcessing第4頁/共104頁第5頁/共105頁6第一章醫(yī)學圖像處理概論IntroductionofMedicalImageProcessing第5頁/共104頁第6頁/共105頁7本章主要內容醫(yī)學圖像處理概述醫(yī)學影像技術的發(fā)展醫(yī)學圖像處理技術及其應用本教材的主要內容

第6頁/共104頁第7頁/共105頁8一、醫(yī)學圖像處理概述1、醫(yī)學圖像處理簡介2、為何設置醫(yī)學圖像處理課程3、醫(yī)學圖像處理技術的主要內容4、醫(yī)學圖像處理技術的主要應用領域5、醫(yī)學圖像處理的基本過程6、醫(yī)學圖像處理的基本步驟7、醫(yī)學圖像處理課程需要的基礎8、醫(yī)學圖像處理的主要對象第7頁/共104頁第8頁/共105頁91、醫(yī)學圖像處理簡介

醫(yī)學圖像處理是一門理、工、醫(yī)等學科高度交叉的新興學科。為數(shù)字圖像處理學科的一個重要分支。該學科致力于對人類疾病的發(fā)現(xiàn)、診斷、輔助治療，致力于為探索生命現(xiàn)象提供高水平的科學方法和工程技術手段。因此，醫(yī)學圖像處理學科將始終是朝陽學科。醫(yī)學圖像處理是利用數(shù)學的方法和計算機這一現(xiàn)代化的信息處理工具，對由不同的醫(yī)學影像設備產生的圖像按照實際需要進行處理和加工的技術。第8頁/共104頁第9頁/共105頁1010Biomedicalimageprocessinghasexperienceddramaticexpansion,andhasbeenaninterdisciplinaryresearchfieldattractingexpertisefromappliedmathematics,computersciences,engineering,statistics,physics,biologyandmedicine.第9頁/共104頁第10頁/共105頁1111Accompaniedbyarushofnewdevelopmentofhightechnologyanduseofvariousimagingmodalities,morechallengesarise;forexample,howtoprocessandanalyzeasignificantvolumeofimagessothathighqualityinformationcanbeproducedfordiseasediagnosesandtreatment.第10頁/共104頁第11頁/共105頁1212Theprincipalobjectivesofthiscoursearetoprovideanintroductiontobasicconceptsandtechniquesformedicalimageprocessingandtopromoteinterestsforfurtherstudyandresearchinmedicalimagingprocessing.第11頁/共104頁第12頁/共105頁132、為何設置醫(yī)學圖像處理課程現(xiàn)代醫(yī)學影像設備一般都配有圖像工作站，這些工作站具有豐富的圖像處理與分析功能，作為醫(yī)學影像工程或相關專業(yè)的學生應該了解和掌握圖像處理的相關內容；理解和掌握醫(yī)學圖像處理的相關內容，對于充分開發(fā)和利用醫(yī)學影像設備的功能為臨床服務至關重要；理解和掌握醫(yī)學圖像處理的相關內容，也可以為開發(fā)出高性能的圖像處理軟件奠定基礎。第12頁/共104頁第13頁/共105頁143、醫(yī)學圖像處理技術的主要內容

醫(yī)學圖像處理涉及的主要內容包括：醫(yī)學影像的數(shù)字化基礎、醫(yī)學圖像的運算、醫(yī)學圖像變換技術、醫(yī)學圖像增強技術、醫(yī)學圖像分割技術、醫(yī)學圖像配準、醫(yī)學圖像三維可視化等。第13頁/共104頁第14頁/共105頁154、醫(yī)學圖像處理技術的主要應用領域定量影像學（精確診斷、精確治療）基于醫(yī)學圖像的計算機輔助診斷/檢測；虛擬內窺鏡；外科手術術前計劃系統(tǒng)；影像引導下的放射治療系統(tǒng)；PACS系統(tǒng)/遠程診療…第14頁/共104頁第15頁/共105頁165、醫(yī)學圖像處理的基本過程醫(yī)學影像設備采集醫(yī)學影像計算機顯示器PACS打印機INTERNET遠程醫(yī)療第15頁/共104頁第16頁/共105頁176、醫(yī)學圖像處理的基本步驟針對待處理對象及處理目的設計算法編程實現(xiàn)相關算法根據(jù)處理結果評價算法結果好？輸出結果修正算法NY第16頁/共104頁第17頁/共105頁187、醫(yī)學圖像處理課程需要的基礎醫(yī)學成像設備的基本原理：圖像的來源、特點（主要目的：了解處理對象）高等數(shù)學：高等代數(shù)，積分變換等計算機程序設計語言(Matlab,C++)概率論與數(shù)理統(tǒng)計第17頁/共104頁第18頁/共105頁198、醫(yī)學圖像處理的主要對象

X射線(X-ray)圖像

CT(ComputerizedTomography)圖像

MRI(MagneticResonanceImaging)圖像超聲(Ultrasonic)圖像

PET(Positronemissiontomography)圖像

SPECT(SinglePhotonEmissionComputedTomography)圖像第18頁/共104頁第19頁/共105頁20二、醫(yī)學影像技術的發(fā)展1、醫(yī)學成像技術概述2、X線成像3、超聲成像4、CT成像5、核醫(yī)學成像6、MRI/FMRI成像7、醫(yī)學圖像的發(fā)展趨勢第19頁/共104頁第20頁/共105頁211、醫(yī)學成像技術概述傳統(tǒng)診斷方式及其問題：Look(望），smell(聞），ask(問），feelthepulse(切)X線的發(fā)現(xiàn)及其帶來的診斷革命B超成像X-CT成像核醫(yī)學成像MRI/fMRI成像第20頁/共104頁第21頁/共105頁22Imagesarethemostcommonandconvenientmeansofconveyingortransmittinginformation.Apictureisworthathousandwords.Picturesconciselyconveyinformationaboutpositions,sizesandinter-relationshipsbetweenobjects.Theyportrayspatialinformationthatwecanrecognizeasobjects.Humanbeingsaregoodatderivinginformationfromsuchimages,becauseofourinnatevisualandmentalabilities.About75%oftheinformationreceivedbyhumanisinpictorialform.第21頁/共104頁第22頁/共105頁23Onepictureisworthmorethantenthousandwords.百聞不如一見第22頁/共104頁第23頁/共105頁242、X線成像

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線，使得人們通過X線第一次觀察到人體內部的結構，為醫(yī)生確診疾病的病因提供了重要的信息。第23頁/共104頁第24頁/共105頁25倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線獲得首屆諾貝爾物理學獎（1901年）。第24頁/共104頁第25頁/共105頁26經過百年的發(fā)展，應用X線機可觀察人體內部的骨骼、肺結核病變等，通過造影技術，可以觀察心臟、血管及消化道等管狀器官。X線機是臨床醫(yī)院必備的醫(yī)療設備。隨著相關科技的發(fā)展，X線投影成像技術，一直在不斷地改進和發(fā)展。X線成像技術沒有從根本上改變3D物體投影到2D平面的問題。由于處于不同深度的器官的像是重疊在一起的，從而使得X線影像的空間分辨率受到一定限制。第25頁/共104頁第26頁/共105頁27X射線成像（最傳統(tǒng)X線成像）原理：X線束直接對準病人需檢查的部位，從病人后面透射過人體，借助熒光屏產生可見光并使膠片感光（膠片屏幕組合）。組織密度、厚度不同，對X射線吸收、透射X射線強度不同，如肺組織對X線的衰減效應比骨骼小得多。缺點：不能反映組織和病灶的三維空間；不是數(shù)字化的形式成像模式第26頁/共104頁第27頁/共105頁28X射線成像原理：透過組織的X線束的強度分布可通過影像增強器轉換成電子信號。影像增強器中的熒光屏把X線分布轉化成電荷的分布，然后電子被加速，直接打向第二個小熒光屏，放大的光圖像就會顯示在此屏幕上優(yōu)點：無需膠片成像，可以在屏幕上直接顯示，圖像處理性能強成像模式第27頁/共104頁第28頁/共105頁29

數(shù)字減影血管造影（DigitalSubtractionAngiography，DSA）是利用數(shù)字圖像處理技術中的圖像幾何運算功能，將造影劑注入前后的數(shù)字化X線圖像進行相減操作，獲得兩幀圖像的差異部分——被造影劑充盈的血管圖像。目前DSA有時間減影（temporalsubtraction）、能量減影（energysubtraction）、混合減影（hybridSubtraction）和數(shù)字體層攝影減影（digitaltomographysubtraction）等類型。第28頁/共104頁第29頁/共105頁30第29頁/共104頁第30頁/共105頁31ThebasicprincipleofDSA第30頁/共104頁第31頁/共105頁32

計算機X線攝影（computedradiography，CR)是X線平片數(shù)字化的比較成熟的技術。CR系統(tǒng)是使用可記錄并由激光讀出X線成像信息的成像板（ImagingPlate，IP）作為載體，經X線曝光及信息讀出處理，形成數(shù)字式平片圖像。第31頁/共104頁第32頁/共105頁33ComputedRadiography,CR第32頁/共104頁第33頁/共105頁34DigitalRadiography,DR（FlatPanelDetector,FPD）ThemainstrongpointsofCR/DR:lowradiantdose,highimagequality.第33頁/共104頁第34頁/共105頁35CCD-DRHighRadiation/HighNoiseRegionLowRadiation/LowNoiseRegionCCDLensReflectingMirrorFlickeringBoardX-RayTubeRawdatacapturingImageenhancementDisplay第34頁/共104頁第35頁/共105頁Mammography乳腺攝影術Benignlesion-Fibroadenoma

第35頁/共104頁第36頁/共105頁373、超聲成像

X線對人體健康是有害的，在第二次世界大戰(zhàn)時期發(fā)展起來的雷達和聲納的基礎上，應用超聲脈沖反射原理發(fā)展了各種超聲成像技術。超聲可以探查出非常細微的病變組織，是X線攝影的有力補充。超聲成像也是除了X線以外使用最為廣泛的醫(yī)學成像工具。超聲成像依據(jù)的是脈沖-回波技術，這個技術和雷達技術相似。

超聲成像的缺點是圖像對比度差，圖像的重復性依賴于操作人員。另外，超聲檢查的視野有限，難以顯示正常組織及較大病變的全貌，也不利于與其它檢查圖像(如CT，MRI)進行對比。

第36頁/共104頁第37頁/共105頁38超聲圖像16周胎兒的超聲圖像肝臟腎臟頸動脈成像模式原理：利用超聲在人體組織內的回波原理，接收回波成像。第37頁/共104頁第38頁/共105頁

超聲圖像第38頁/共104頁第39頁/共105頁

超聲圖像第39頁/共104頁第40頁/共105頁超聲圖像PhotocourtesyPhilipsResearch

Ultrasoundexaminationduringpregnancy

第40頁/共104頁第41頁/共105頁超聲圖像PhotocourtesyPhilipsResearch

3Dultrasoundimages

第41頁/共104頁第42頁/共105頁434、CT成像隨著計算機技術的發(fā)展，1972年出現(xiàn)了一場醫(yī)學成像技術的革命。英國工程師Hounsfield因研制成功第一臺頭部掃描CT，并于1979年獲得了諾貝爾醫(yī)學生物學獎。這是在諾貝爾獎的歷史上第一次由工程技術人員獲獎。由此可見CT對整個世界的影響。第42頁/共104頁第43頁/共105頁44Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。第43頁/共104頁第44頁/共105頁45X-CT計算機斷層圖像原理：X線管和探測器都裝在支架上，可沿一直線移動（平移）和旋轉，線管產生已知強度的細束射線，探測器則測量透過的射線強度，得到組織斷層圖像或三維圖像成像模式傳統(tǒng)X線圖像是投影圖像，不能顯示真實的器官幾何形態(tài)，在三維空間前后排列的器官將投射到一個疊加的二維圖像上。為了得到一個三維圖像，必須獲得大量不同角度的圖像，通過這些圖像，放射學家和醫(yī)生可構成他們感興趣的三維圖像。第44頁/共104頁第45頁/共105頁46CT成像解決了傳統(tǒng)X線成像因組織重疊造成的圖像分辨率不高的問題，實現(xiàn)了組織器官的斷層解剖結構的成像。但是，由于與X線成像技術一樣，CT成像也是通過檢測人體對X射線的吸收量而獲得的圖像，因此，CT成像對軟組織獲得的圖像的密度分辨率遠沒有MRI高。與傳統(tǒng)的X線檢查手段相比，CT具有以下優(yōu)點：能獲得真正的斷面圖像，具有非常高的密度分辨率，可準確測量各組織的X線吸收衰減值，并通過各種計算進行定量分析。第45頁/共104頁第46頁/共105頁47

WhatisCT?CTisatomographicimagemodalityproducinga2-dimensionalrepresentationofasliceofthehumanbody.SliceVoxelX-RaytubeDetector第46頁/共104頁第47頁/共105頁48Advantage:Noproblemwiththesuperpositionoftheobjectsinthehumanbody.Directvisualizationofnon-calcifiedsofttissuesDisadvantage:MoredoseExpensiveCTcomparedtoradiographysystems第47頁/共104頁第48頁/共105頁49CT圖像第48頁/共104頁第49頁/共105頁50CT圖像第49頁/共104頁第50頁/共105頁51CT圖像第50頁/共104頁第51頁/共105頁525、核醫(yī)學成像盡管CT技術解決了X線成像技術所不能解決的斷層成像問題，但是CT也有其局限性，如對血管病變，消化道腔內病變以及某些病變的難以定性等，而且只能對組織結構進行成像，不能進行功能性成像。

目前常用的影像診斷方法如超聲、CT、MRI等提供的是人體解剖學變化的信息。而核醫(yī)學成像提供的是人體組織器官的新陳代謝變化方面的信息，既功能性信息，這些信息有助于更早地發(fā)現(xiàn)疾病，并判斷疾病的性質及發(fā)展程度。

目前，在核醫(yī)學領域廣泛使用的影像技術是PET和SPECT，這兩種成像技術又統(tǒng)稱為發(fā)射型計算機斷層ECT（EmissionComputedTomography）。第51頁/共104頁第52頁/共105頁53SPECT(單光子發(fā)射CT)成像伽馬照相機旋轉腦部特性成像模式原理：放射性同位素發(fā)射伽馬射線，經人體后射線衰減，射線透過晶體轉換成熒光光子，設備接受光子形成圖象。SPECT可用來處理心臟的三維重建，也可用于腦和骨骼的研究等等第52頁/共104頁第53頁/共105頁54Nuclearmedicalimagingtwoimagingmodalities:SPECT(SinglePhotonEmissionComputedTomography),PET(PositronEmissionTomography)transect第53頁/共104頁第54頁/共105頁55第54頁/共104頁第55頁/共105頁56第55頁/共104頁第56頁/共105頁57PET

圖像

PET又稱正電子發(fā)射計算機斷層顯像儀(PositronEmissionTomography,PET)，是繼CT之后出現(xiàn)的又一斷層掃描技術，是核醫(yī)學和CT技術相結合的產物，代表了核醫(yī)學發(fā)展的最高水平，于1976年應用于臨床。

第56頁/共104頁第57頁/共105頁58PET成像成像模式原理：放射性同位素注入人體，同位素的正電子在泯滅時發(fā)射伽馬射線，經檢測器陣列接收，根據(jù)接收強度成像。它反映活體靶組織在某一時刻的血流灌注、糖／氨基酸／核酸／氧代謝或受體的分布及其活性狀況，可同時給出相應的活性生理功能參數(shù)

第57頁/共104頁第58頁/共105頁PET第58頁/共104頁第59頁/共105頁60PET/MRI融合圖像第59頁/共104頁第60頁/共105頁61MRI圖像與PET圖像比較第60頁/共104頁第61頁/共105頁62解剖結構成像（如CT圖像）具有很高的空間分辨率，而核醫(yī)學成像能得到不同器官或臟器的功能性信息。近年來，人們利用圖像融合(fusion)技術，把解剖結構圖像（CT或MRI圖像）與核醫(yī)學圖像融合在一起，使得在一幅圖像上既包含組織結構的信息又包含組織功能的信息，這對于神經外科術前計劃和腦科學研究中的功能定位等都有重要的作用。第61頁/共104頁第62頁/共105頁636、MRI/fMRI成像

磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)是在X-CT出現(xiàn)后又一重大發(fā)明，它是醫(yī)學、化學、物理學、電子學、電子計算機技術、X-CT技術和磁共振波譜技術等學科相結合的產物。MRI所提供的信息比X-CT多。因此，有人說MRI是二十一世紀的影像技術。第62頁/共104頁第63頁/共105頁64IsidorIsaacRabi1944年諾貝爾物理學獎獲得者:獲獎原因:發(fā)明了研究氣態(tài)原子核磁性的共振方法.1938年在利用原子核和不均勻磁場研究原子核磁矩時觀察到核磁共振現(xiàn)象.NMR一詞就是由他引入.第63頁/共104頁第64頁/共105頁65Bloch和Purcell因發(fā)現(xiàn)NMR現(xiàn)象獲得1952年諾貝爾物理學獎。1946年他們分別用不同的方法在常規(guī)物質中觀察到核磁共振現(xiàn)象,他們的發(fā)現(xiàn)和所用的方法成為現(xiàn)代核磁共振的基礎.第64頁/共104頁第65頁/共105頁66AlfredKastler因發(fā)明雙共振方法——即使原子的光學頻率的共振和射頻電磁波（赫茲波）的磁共振同時發(fā)生的方法,于1966年獲得諾貝爾物理學獎?？ㄋ固乩盏姆椒ù蟠笤黾恿颂綔y磁共振信號的靈敏度，使人們多了一個研究原子能級結構的精密手段，而且從他的工作中已經產生了有價值的實用儀器，例如，在一萬年中誤差僅為一秒的原子鐘和能夠測量像地球周圍磁場那樣弱的磁場的磁強計。

第65頁/共104頁第66頁/共105頁67發(fā)明MRI中Fourier重建方法的瑞士科學家RichardErnst獲得1991年諾貝爾化學獎。第66頁/共104頁第67頁/共105頁68瑞士科學家KurtWüthrich(庫爾特·維特里希)2002年諾貝爾化學獎獲得者.由于用多維NMR技術在測定溶液中蛋白質結構的三維構象方面的開創(chuàng)性研究.第67頁/共104頁第68頁/共105頁69Lauterbur和Mansfield因發(fā)明MRI方法獲得2003年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。美國科學家PaulLauterbur于1973年發(fā)明在靜磁場中使用梯度場，能夠獲得磁共振信號的位置，從而可以得到物體的二維圖像；英國科學家PeterMansfield進一步發(fā)展了使用梯度場的方法，指出磁共振信號可以用數(shù)學方法精確描述，從而使磁共振成像技術成為可能，他發(fā)展的快速成像方法為醫(yī)學磁共振成像臨床診斷打下了基礎。第68頁/共104頁第69頁/共105頁70雷曼·達馬迪安(RaymondDamadian)醫(yī)用磁共振成像儀的發(fā)明人第69頁/共104頁第70頁/共105頁71MRI磁共振圖像特點：顯像時間快、圖像清晰大腦膝蓋靠近腎臟的動脈成像模式原理：是以某種方法如通過測量斷層組織氫核的密度，顯示身體中某一斷面的組織分布圖像,由此而獲得身體中某斷面的二維圖像。第70頁/共104頁第71頁/共105頁72MRI的物理學基礎是核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)現(xiàn)象，其本質是一種能級間躍遷的量子效應。

NMR現(xiàn)象是由于人體中的原子核吸收了來自外界的電磁波后，產生了共振現(xiàn)象，然后原子核再將其所吸收的能量以電磁波形式釋放出來產生圖像的過程。MRI較CT具有獨特的優(yōu)點和特點：無電磁輻射損傷，對軟組織具有更高的分辯率，多方向、多參數(shù)成像方法，無需用造影劑就能對心血管成像。

第71頁/共104頁第72頁/共105頁73第72頁/共104頁第73頁/共105頁第73頁/共104頁第74頁/共105頁MRI第74頁/共104頁第75頁/共105頁76MRI圖像第75頁/共104頁第76頁/共105頁77fMRI圖像第76頁/共104頁第77頁/共105頁MotorActivation-RightIndexFingerMovement1Hz 2Hz 3Hz%100755025Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital第77頁/共104頁第78頁/共105頁AsymmetryofAuditoryRegionsinMusicianswithPerfectPitchSchlaug,etal,Science

267:699(1995)第78頁/共104頁第79頁/共105頁80Orthogonalviews:sagital,coronal,transverse第79頁/共104頁第80頁/共105頁81第80頁/共104頁第81頁/共105頁82第81頁/共104頁第82頁/共105頁HumanNeckPlane: SagittalSequence: SpinEcho第82頁/共104頁第83頁/共105頁WristImageCoil: AsymSTSSequence: SpinEchoSlice: CoronalTR/TE: 2000/27msFOV: 8cmThk: 1.5mmMatrix: 256x256Nex: 1第83頁/共104頁第84頁/共105頁HydrocephalusMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool第84頁/共104頁第85頁/共105頁ImageContrast(T2)SIGNALTEWhiteTumor第85頁/共104頁第86頁/共105頁MRAngiographyHeadS/IProjectionMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool第86頁/共104頁第87頁/共105頁ProtonNMRSpectroscopyinMultipleSclerosisPMMatthews,Neurology41:1252(1991)CHO CholineCr CreatineNAA N-acetylaspartateLA LactateActivePlaqueNormal-AppearingWhiteMatter第87頁/共104頁第88頁/共105頁89

根據(jù)醫(yī)學圖像發(fā)展的歷史,可以看出,醫(yī)學圖像的發(fā)展是沿著三個方向,即逐步從模擬成像向數(shù)字成像,從結構成像向功能成像，從2D成像向3D成像發(fā)展.7、醫(yī)學圖像的發(fā)展趨勢

第88頁/共104頁第89頁/共105頁90不同醫(yī)學影像都有其特點，在臨床上扮演著不同的角色，任何一種成像技術都不能代替其他成像技術，它們相輔相成，互相補充。任何事物的發(fā)展都是從量變到質變的過程，腫瘤的發(fā)展也是這樣。根據(jù)統(tǒng)計學方法的研究結果，SPECT可以比CT提前3個月診斷出癌癥，PET一般比SPECT還要早3個月診斷出癌癥。分子影像學。第89頁/共104頁第90頁/共105頁91由于醫(yī)學圖像能夠提供大量用其他方法所不能提供的信息，所以醫(yī)學成像技術的發(fā)展非常迅速，各種新技術幾乎無一不在醫(yī)學成像技術中得到應用。醫(yī)學圖像幾乎全部是把肉眼不可見的信息變成可見信息，從而為