醫(yī)學圖像處理基礎

醫(yī)學影像技術(shù)基礎一1整理ppt9.1醫(yī)學影像技術(shù)發(fā)展歷程

9.3醫(yī)學影像設備

9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用9.5醫(yī)學圖像存儲通訊系統(tǒng)第9章醫(yī)學影像技術(shù)基礎

9.2醫(yī)學影像系統(tǒng)成像的物理特性

9.6醫(yī)學圖像處理與分析

2整理ppt9.1醫(yī)學影像技術(shù)發(fā)展歷程

醫(yī)學影像設備的發(fā)展大致分為五個階段第一階段：X射線與X射線機第二階段：超聲技術(shù)第三階段：計算機人體斷層攝影術(shù)第四階段：磁共振成像第五階段：正光電子成像設備3整理ppt第一階段：X射線與X射線機1895年11月8日，德國物理學家倫琴在做真空管高壓放電實驗時，發(fā)現(xiàn)了X射線。1896年德國西門子公司研制出世界上第一支X線球管。20世紀10-20年代陸續(xù)出現(xiàn)常規(guī)X線機、體層裝置、影像增強器、連續(xù)攝影、快速換片機、電視、電影和錄像記錄系統(tǒng)。4整理ppt第一階段：X射線與X射線機20世紀60年代中末期形成較完整的學科體系，稱為放射診斷或放射學成像特點：對人體軟組織的分辨能力較差圖9-1倫琴和第一張X線透視照片5整理ppt第二階段：超聲技術(shù)20世紀50、60年代超聲和放射性核素相繼出現(xiàn)。1942年奧地利人達西科將超聲技術(shù)應用于臨床診斷。1954年瑞典人應用M型超聲顯示運動的心壁，稱為超聲心動圖。20世紀50-70年代中期，研究者將二維B型超聲應用于體外檢查，可實時顯示體內(nèi)相關部位結(jié)構(gòu)的切面圖，使超聲診斷有了突破性進展。至今二維B型超聲仍是超聲診斷中最基本的技術(shù)，見圖9-2。6整理ppt第二階段：超聲技術(shù)70年代脈沖多普勒問世，在二維圖像上可選擇部位測定血流頻譜，對心臟及血管疾病診斷很有幫助。80年代初彩色多普勒血流成像出現(xiàn)，在顯示臟器結(jié)構(gòu)切面圖的同時，顯示血管內(nèi)血流的剖面圖，并用偽彩色表示血流方向、速度及血流性質(zhì)，進一步拓展了超聲診斷的領域，見圖9-3。90年代以后，采用了高頻率、高分辨聲匹配探頭、各類腔內(nèi)探頭等技術(shù)，發(fā)展了介入治療新方法。7整理ppt第二階段：超聲技術(shù)成像特點：聲波無損傷性好、對軟組織的分辨率較高，可實時觀察運動器官的活動情況。8整理ppt第三階段:計算機人體斷層攝影術(shù)9整理ppt第三階段:計算機人體斷層攝影術(shù)1971年柯馬克和英國EMI公司的豪恩斯費爾德首次研制成功世界上第一臺CT機。成像特點：CT從根本上改變傳統(tǒng)X線機成像存在的平片圖像重疊、軟組織細節(jié)成像不清晰等問題。它采用點狀X線束逐點穿透檢查部位，使醫(yī)生獲得高清晰度的斷層圖像，大大提高醫(yī)學影像診斷水平。10整理ppt第四階段：磁共振成像1946年Bloch教授和Puecell教授領導的小組同時獨立發(fā)現(xiàn)MR現(xiàn)象。兩人共同獲得1952年諾貝爾物理學獎。1972年，勞特伯提出了用MR信號重建圖像的方法，勞特伯和達馬迪安在1973年利用磁場梯度解決了空間信息獲取的問題，獲得MR圖像并因此獲得2003年度諾貝爾物理學和醫(yī)學獎。11整理ppt第四階段：磁共振成像成像特點：瞬時成像，通常每秒可獲取20幅圖像可清晰觀察膽囊、肺等器官的斷層圖像可顯示心臟的動態(tài)圖像可進行人體組織功能方面的評價或診斷，如顱腦部的彌散成像、皮質(zhì)功能區(qū)定位等12整理ppt磁共振血管成像：不需要對比劑即可得到血管造影像，動態(tài)增強MRA明顯縮短血液成像時間，避免扭曲血管、湍流及慢血流所致的信號喪失。FMRI技術(shù)：對人體功能進行研究和檢測的MRI技術(shù)，可檢查到形態(tài)未變但功能已改變的病變，從而達到早期診斷的目的。磁共振成像介入：具有良好的組織對比度，可以精確地區(qū)分病灶的界面、確定目標。MR和DSA、CR及其后推出的DR等設備進一步提高了醫(yī)學影像診治水平。第四階段：磁共振成像13整理ppt第五階段：正光電子成像設備90年代GE公司推出了新的核醫(yī)學影像設備，包括全數(shù)字PETCT和SPECT等設備，見圖9-7左圖和右圖。14整理ppt第五階段：正光電子成像設備PETCT主要優(yōu)勢是超強的醫(yī)學影像識別與診斷能力，尤其是利用注入體內(nèi)的增強顯影劑或示蹤劑，在體內(nèi)循環(huán)可以動態(tài)地、靶向目標清晰地顯示被檢部位形態(tài)和功能的異常情況（見圖9-8），甚至可以檢查出細胞級別的病變，如癌細胞治療愈后或癌細胞擴散轉(zhuǎn)移的情況診斷。15整理ppt9.2.1醫(yī)學影像系統(tǒng)要素源檢測器電子系統(tǒng)9.2醫(yī)學影像系統(tǒng)成像的物理特性16整理ppt9.2.1醫(yī)學影像系統(tǒng)要素源：指能夠獲得醫(yī)學影像信息的物理能源。外源：X射線源、磁場源、超聲源、電磁波、紅外線等。內(nèi)源：注入人體的同位素輻射源，人體自身的熱輻射源等。17整理ppt9.2.1醫(yī)學影像系統(tǒng)要素外源和內(nèi)源都必須十分精確地控制有效劑量、衰減周期、成像時間和過程等精確把握X射線穿過人體時經(jīng)受不同的衰減超聲在人體中反射并在傳播時產(chǎn)生不同的時間延遲等過程注入體內(nèi)源的循環(huán)與衰減變化情況可清楚地知道源與人體相互作用的部位及準確檢測出某種源與組織器官相互作用后的結(jié)果，據(jù)此來進行診斷或治療18整理ppt9.2.1醫(yī)學影像系統(tǒng)要素檢測器的主要作用：在體外檢測攜帶有體內(nèi)信息的信號信號檢測器的種類、精度、靈敏度決定醫(yī)學影像成像的方式和清晰度，是醫(yī)學影像設備發(fā)展的關鍵技術(shù)通常檢測器的形式與各種源的類型有對應關系X射線檢測器超聲檢測器紅外檢測器光電倍增檢測器等信號檢測器主要功能評價指標靈敏度、檢測速度、靶向性以及源劑量的強度19整理ppt9.2.1醫(yī)學影像系統(tǒng)要素電子系統(tǒng)：以計算機為主要處理設備的控制系統(tǒng)電子系統(tǒng)將檢測器上獲得的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并通過計算機快速處理重建出精確、復雜的圖像主要部件：計算機以及相應的圖像處理軟件去除噪聲、灰階處理、窗寬和窗位調(diào)整等對圖像的某些部分如面積、周長等進行測量20整理ppt9.2.2醫(yī)學影像計算機文件醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)是以以位圖文件形式保存在計算機中的位圖亦稱為點陣圖，是由單個像素點按行列有序排列組成的9.2醫(yī)學影像系統(tǒng)成像的物理特性21整理ppt9.2.2醫(yī)學影像計算機文件像素點具有排列位置和灰度大小兩種屬性一幅二維的醫(yī)學圖影像是由M行*N列像素點構(gòu)成每個像素點用8～12個二進制數(shù)表示每個像素可保存256～4096種灰度值22整理ppt9.2.2醫(yī)學影像計算機文件點陣圖可以保存的文件類型很多如*.bmp、*.pcx、*.gif、*.jpg等。同樣的圖形保存成以上文件時字節(jié)數(shù)差別很大。.jpg文件只有同樣.bmp格式文件大小的1/10到1/35。處理位圖時，必須對像素逐個進行編輯,優(yōu)化細節(jié)，增強視覺效果。放大和縮小位圖時產(chǎn)生的是近似效果，會導致失真。23整理ppt

9.3醫(yī)學影像設備X線攝影系統(tǒng)核磁共振攝影系統(tǒng)醫(yī)學超聲診斷系統(tǒng)醫(yī)學圖像系統(tǒng)紅外影像和醫(yī)用內(nèi)窺鏡24整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)

泛指所有采用X線源獲取醫(yī)學影像的設備，這里包括常規(guī)膠片X光機計算機成像X線機（CR）數(shù)字X線機（DR）斷層掃描X線機（CT）血管數(shù)字減影（DSA）等25整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)1.常規(guī)X線影像技術(shù)現(xiàn)今仍有70％以上X線影像診斷是用“增感屏～膠片”方式的常規(guī)X線攝影技術(shù)。新X線膠片感光能力非常強，比原來膠片高出三個數(shù)量級，而對可見光極不敏感，從而完全不必在暗室中操作。新X線膠片的敏感度高，檢查時所用X線劑量可減少1～2個數(shù)量級。不僅成像快、空間分辨率高，而且X線機功率小、體積小、重量輕，便于攜帶。26整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)2.計算機成像X線機（ComputedRadiography,CR）從X射線曝光到將模擬信號影像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化影像CR系統(tǒng)可提供與屏～片攝影相一致的分辨率實現(xiàn)將常規(guī)X線攝影模擬信息直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息數(shù)字化的信息經(jīng)過圖像后處理大大提高目視判讀的信息量降低X線輻射劑量，同時圖像還可以長時間保存而不失真避免了膠片沖洗的環(huán)境污染，不易保管等諸多問題27整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)3.數(shù)字X線機（DigitalRadiography，DR）不采用X線膠片，利用一種外形似X線膠片暗盒的探測器，將入射的X線能量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號Sterkung公司：“直接X線攝影探測器”（DRD）Trixeil公司：平板式探測器（FPD）這兩種探測器都可在接收X線攝影曝光后，直接輸出數(shù)字影像信號

28整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)DR在空間分辨率和對比分辨率方面，影像質(zhì)量完全可與傳統(tǒng)膠片影像相媲美，甚至在某些情況下還可能優(yōu)于膠片影像具有空間分辨率高和動態(tài)范圍大等特點可清晰觀察對比度低于1%，直徑大于2mm的病灶照射病人體表的X線劑量只有常規(guī)X線的1/10量子檢出率可以達到60%以上配合采用高性能計算機圖像后處理，進一步為影像診斷與治療提供保證29整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)4.計算機斷層掃描X線機CT利用對人體臟器掃描時得到的X射線吸收數(shù)據(jù)來重建人體臟器斷層圖像X射線通過人體的臟器的斷層探測器將射線強度轉(zhuǎn)換成電信號圍繞人體的臟器在不同角度上進行多次測量X-CT技術(shù)得到的是人體臟器斷層面的圖像，因此稱為斷層照相30整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)X-CT已從第一代發(fā)展到第五代。1995年最先推出了掃描速度最快的CT機，每掃一個層面僅用0.75s。這不僅有助于提高圖像質(zhì)量，而且還提高了工作效率。對螺旋掃描而言掃描同樣的覆蓋長度可節(jié)省四分之一到五分之一的時間，或者同樣的時間可以使掃描覆蓋長度增加25～33%。提高速度的另一表現(xiàn)是，縮短圖像重建的時間。有的CT產(chǎn)品采用了新的圖像重建技術(shù)，分別使重建時間達到1s，從而加快了掃描周期。有些高檔CT均有了連續(xù)成像或稱透視的功能，每秒鐘可以顯示6～8幅圖像。31整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)CT透視對開展介入放射學非常重要，可減少掃描層數(shù)、降低病人的X線曝射劑量有的產(chǎn)品僅用15mA劑量進行掃描即可得到512x512矩陣的影像目前正在進一步研究用10mA的X線曝射劑量進行CT透視技術(shù)在圖像質(zhì)量方面，高檔的低壓環(huán)螺旋CT機的空間分辨率已達201p／cm，低對比度分辨率也很高，大大提高了軟組織辨別能力32整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)新一代的CT被稱作電子束CT由電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束方向，打在一組半圓形的靶環(huán)上產(chǎn)生出X射線。當X線通過人體后，由對側(cè)排列的探測器組接收因無機械運動，掃描速度可高達50ms/層，其成像速度比普通CT快20～40倍，可提供心臟等活動器官非常清晰的影像X-CT已用來診斷脊柱和頭部損傷、顱內(nèi)腫瘤、腦中血凝塊、肌體軟組織損傷、胃腸疾病、腰、骨盆惡性病變及心臟病早防早治等目前正在研制高空間分辨率的新型電子束CT33整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)5.數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)（DSA）放射科各類血管造影及介入治療的專用設備，可得到除去骨骼、軟組織影像的純血管影像，從而更精確診斷血管疾病和用于介入治療DSA特點：能夠?qū)崟r成像，每個曝光序列終止即得到減影圖像；密度分辨率高，可使1mm直徑的小血管和3mm直徑腫瘤染色。此外，DSA造影劑用量少，管處理功能強，能突出微小密度差，而且膠片用量少34整理ppt9.3.1X線攝影系統(tǒng)DSA應用：開展心腦血管、神經(jīng)、呼吸、消化、骨骼、泌尿、婦科等涉及臨床各科各系統(tǒng)疾病檢查與治療的高難度技術(shù)項目，如腫瘤介入治療和心臟大血管介入治療等。在冠狀動脈造影術(shù)、冠脈內(nèi)支架直接置入術(shù)、全腦治療造影術(shù)、管狹窄擴張以及良惡性腫瘤的灌注栓塞治療中發(fā)揮重要作用。35整理ppt9.3.2核磁共振攝影系統(tǒng)20世紀80年代應用于臨床醫(yī)學由強磁場與人體成像部位機體組織的原子核相互作用，產(chǎn)生共振，改變所在位置的磁場強度而生成圖像既減少CT機對人體組織細胞的損害，又可測出機體病變前的微小生理變化36整理ppt9.3.2核磁共振攝影系統(tǒng)核磁共振成像源里的原子核帶有正電，許多元素的原子核都進行自旋運動自旋系統(tǒng)共振效應弛豫過程、弛豫時間T1和T237整理ppt9.3.3醫(yī)學超聲診斷系統(tǒng)20世紀60年代應用于臨床診斷A型、M型、B型和C型可觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和腫瘤，也可檢查臟器、胎兒等的正常與否超聲成像設備的頻率和強度對人體基本無傷害38整理ppt9.3.3醫(yī)學超聲診斷系統(tǒng)應用超聲波的良好指向性和與光相似的反射、折射、衰減等物理特性，采用各種掃描方法，將超聲波發(fā)射到體內(nèi)并在組織中傳布。當病理組織的聲抗與正常組織有差異時，將此回聲信號構(gòu)成一幅二維切面聲像圖。由于各組織的界面形態(tài)、運動狀態(tài)和對超聲吸收程度不同，其回聲有一定特性，結(jié)合生理、病理與臨床知識和一系列人體切面聲像圖，可對病變的部位、性質(zhì)或功能障礙程度作出準確診斷。39整理ppt9.3.3醫(yī)學超聲診斷系統(tǒng)

彩色多普勒超聲顯像儀在B超的基礎上增加了多普勒血液成像技術(shù)的影像檢查方法“無創(chuàng)傷的血管造影”配有高、中、低三種頻率探頭，以彩色照片形式保存結(jié)果用來開展心臟、大血管、大腦動脈、肝、脾、腎、子宮、附件、前列腺、睪丸等器官檢查。對以上器官的血流情況、結(jié)石、包塊大小、質(zhì)地、邊界測值準確，同時還能配合臨床開展介入檢查和治療40整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)核醫(yī)學成像技術(shù)：一種以臟器內(nèi)外正常組織與病變組織之間的放射性差別為基礎的臟器或病變的顯像方法。有選擇地讓人體攝入某種放射性物質(zhì)（示蹤劑）這些物質(zhì)聚集在人體某個臟器中或參與體內(nèi)某種代謝過程體內(nèi)的放射性核素能夠放出γ射線對體內(nèi)的放射性核素的濃度分布和代謝過程進行拍攝成像41整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)與X-CT的不同之處是X-CT的射線源在成像體的外部，而核醫(yī)學成像的射線源在成像體的內(nèi)部核醫(yī)學成像技術(shù)不僅可得到人體臟器的解剖圖像，還可得到生理，生化，病理過程及功能圖像經(jīng)過數(shù)學算法在計算機內(nèi)甚至可以重建體內(nèi)放射元素密度分布的三維“透明人體”圖像42整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)γ照相機發(fā)射型計算機斷層(EmissionComputrdTomography，ECT)單光子發(fā)射型計算機體層(SinglePhotonEmissionComputed.Tomography，SPECT)正電子發(fā)射型計算機體層（PositronEmissionTomography，PET）43整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)1、γ照相機既是顯像設備，又是一種無創(chuàng)傷性的功能檢測與診斷設備。通過連續(xù)的顯像，跟蹤和記錄放射性藥物（示蹤劑）通過時某臟器的形態(tài)和功能，可以進行動態(tài)觀察研究。檢查時間較短，檢查簡便安全，便于多體位、多部位觀察，特別適合兒童和危重病人的臨床醫(yī)學影像檢查。常用于對人體臟器進行靜感式動態(tài)照相，如：心血管疾病的檢查。44整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)2．發(fā)射型計算機斷層(ECT)繼γ照相機之后核素顯影儀器又一重大發(fā)展。基本原理：在體外從多角度采集體內(nèi)某臟器放射性示蹤劑分布的二維影像，而后經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理重建和顯示臟器的三維圖像。ECT可獲得臟器的各種不同切面或角度的剖面影像，不僅可以準確定位病變部位，還能進行臟器組織功能的檢查，精確分析生理、生化、代謝指標的改變。45整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)3．單光子發(fā)射型計算機體層(SPECT)SPECT有兩種類型，多探頭型和γ照相機型。多探頭型SPECT的探頭由多個小型閃爍探測器組成。γ照相機型SPECT是由高性能、大視野、多功能的γ照相機和支架旋轉(zhuǎn)裝置，及圖像分析處理、三維圖像重建軟件等軟件組成，可進行多角度、多方位人體器官探查。由于SPECT具有γ照相機的全部功能，還有新近開發(fā)出來的多種放射性示蹤劑藥物，因此在動態(tài)器官功能檢查或早期疾病診斷方面具有獨到之處。46整理ppt9.3.4醫(yī)學圖像系統(tǒng)4．正電子發(fā)射型計算機體層（PET）PET不僅克服了平面顯影的缺點，而且大大促進了核醫(yī)學影像學的發(fā)展，被認為是核醫(yī)學發(fā)展的重要里程碑。PET可以用人體物質(zhì)組成元素來制造放射性藥物，特別適合進行人體器官功能和生理變化等方面的觀察與研究，尤其是對腦神經(jīng)功能的研究具有獨到之處。PET圖像非常清晰，被稱為“生命體層”或“生化體層”。它也是目前唯一能夠提供神經(jīng)活動信息的醫(yī)學影像設備。47整理ppt9.3.5紅外影像和醫(yī)用內(nèi)窺鏡60年代激光新技術(shù)的發(fā)明是20世紀的重大科技成就之一。高方向性、高亮度性、高單色性及高相干性、生物學效應。醫(yī)學激光器常用于手術(shù)切割、組織燒灼、凝結(jié)止血、光針穴位照射、激光血細胞計數(shù)、激光顯微光譜分析、激光全息照相診斷和激光多普勒血流測速等?！凹す忉t(yī)學”已成為醫(yī)學重要的分支學科。48整理ppt9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用數(shù)字虛擬人虛擬內(nèi)窺鏡介入放射治療立體定向放射治療計算機輔助診斷49整理ppt9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用1.數(shù)字虛擬人50整理ppt9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用2.虛擬內(nèi)窺鏡51整理ppt9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用

3.介入放射治療（InterventionalRadiology，IR）

借助各種醫(yī)學圖像儀器，在實時觀察的情況下，安全微創(chuàng)地通過導管深入體內(nèi)，對病灶直接進行治療的新方法。能夠向術(shù)者提供高清晰的導管、導向的位置、局部循環(huán)結(jié)構(gòu)、栓塞或擴張的效果等重要信息，提高心血管病、腦血管病、腫瘤等重大疾病治療的準確率和存活率。52整理ppt9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用4.立體定向放射治療(StereoscopicRadiotherapy,SRT)也稱為立體定向放射外科學，它是一門新的治療技術(shù)。利用CT、MRI或DSA等設備和技術(shù)，加上立體定向頭架裝置，經(jīng)過實時三維立體顯示和計算機手術(shù)計劃系統(tǒng)，快速聚焦病變部位，產(chǎn)生瞬間的高能量，殺死腫瘤細胞或截斷血管來完成手術(shù)。照射時，由于照射光束邊緣劑量下降很陡峭，就象刀鋒一樣銳利，稱為“γ刀”；如用X線照射時就稱為“X刀”。目前不僅可以進行顱內(nèi)放射治療，還可以進行全身立體定位放射治療了，使得臨床治療手段有更多的選擇。53整理ppt9.4圖像處理在醫(yī)學中的應用5.計算機輔助診斷1966年，Ledley首次提出“計算機輔助診斷”(ComputerAidedDiagnosis，CAD)的概念。計算機輔助診斷的過程包括病人一般資料和檢查資料的搜集、醫(yī)學信息的量化處理、統(tǒng)計學分析，直至最后得出診斷。醫(yī)學圖像中各種圖像包括X線平片、CT、MRI、超聲及PET等，均可引入計算機輔助診斷系統(tǒng)。借助計算機提示病灶的存在及位置，就可以大大提高疾病診斷的準確率，減少誤診與漏診。54整理ppt9.5醫(yī)學圖像存儲通訊系統(tǒng)和DICOM3.0標準醫(yī)學圖像存儲與通信系統(tǒng)（PictureArchiving&CommunicationSystem，PACS）全面解決醫(yī)學圖像的獲取、顯示、存儲、傳送和管理的綜合系統(tǒng)。組成：計算機、網(wǎng)絡設備、存儲器及醫(yī)學圖像后處理軟件。近幾年，簡單的幾臺放射圖像設備——〉醫(yī)院所有圖像設備——〉不同醫(yī)院之間55整理ppt9.5醫(yī)學圖像存儲通訊系統(tǒng)和DICOM3.0標準1983年成立了ACR-NEMA數(shù)字成像及通信標準委員會1985年，ACR/NEMA1.0標準版本發(fā)布1988年，該標準再次修訂1992年，ACR/NEMA第三版本正式更名為DICOM3.0（DigitallmagingandCommunicationinMedicine）目前，DICOM3.0已成為PACS的國際規(guī)范，成為國際醫(yī)療圖像設備普遍遵循的標準通訊協(xié)議。按照DICOM3.0標準采集的數(shù)據(jù)成為醫(yī)學圖像后處理的基礎56整理ppt57整理ppt9.6醫(yī)學圖像處理與分析圖像處理與分析圖像的基本運算圖像增強技術(shù)圖像分割技術(shù)圖像紋理分析圖像配準與融合58整理ppt9.6.1圖像處理與分析圖像處理（圖像—〉圖像）利用計算機對圖像進行某種運算以改善圖像的視覺效果，為圖像分析做準備圖像分析（圖像—〉數(shù)據(jù)）對圖像中感興趣的目標進行透視，以獲得客觀的信息59整理ppt9.6.1圖像處理與分析1.數(shù)字圖像基礎I：該像素的明暗程度

(x,y,z)：像素的空間位置

λ：波長，單色圖像和λ無關

t：時間，靜止圖像和t無關60整理ppt9.6.1圖像處理與分析因此，一幅靜止的單色的二維圖像可表示為：

G=f（x，y）即像素的二維矩陣，其中，坐標（x，y）決定了像素的空間位置，G代表該像素的明暗程度，稱為灰度（graylevel）。61整理ppt9.6.1圖像處理與分析通常以數(shù)字圖像的像素數(shù)M*N來表示該圖像的空間分辨率。通常以灰度級別的bit數(shù)來表示該圖像的明暗（灰度級）分辨率，例如：8bit代表2的8次方=256級灰度；6bit代表2的6次方=64級灰度等等空間分辨率和明暗分辨率是表征一幅數(shù)字圖像質(zhì)量的重要指標之一。62整理ppt空間分辨率：16×16組成如下16行16列矩陣明暗分辨率：8bit=256級灰度如左圖中心明亮部分灰度級為25663整理ppt9.6.1圖像處理與分析2.MATLAB軟件軟件的工作環(huán)境如圖9-13所示，右側(cè)的CommandWindow稱為命令窗口，提示符為“>>”，在命令窗口中可以直接進行簡單的算術(shù)運算和函數(shù)調(diào)用。圖9-13MATLAB編程環(huán)境64整理ppt9.6.1圖像處理與分析定義程序文件在主菜單中選擇“File”|“New”|“M-file”打開MATLAB編輯窗口，建立程序文件，如圖9-14所示，MATLAB文件的擴展名為“.m”。65整理ppt9.6.1圖像處理與分析運行程序文件(兩種方式)在MATLAB命令窗口中輸入文件名選擇“File”|“Open”打開m文件，在編輯窗口下選擇“Debug”|“Run”或者按F5鍵運行該程序，如圖9-15所示。66整理ppt例題1：建立程序文件，讀入圖像“T2.bmp”并顯示。操作提示：（1）單擊"開始"|"所有程序"|"MATLAB6.5"|"MATLAB6.5"，啟動軟件；（2）單擊"File"|"New"|"M-file"，打開編輯窗口；（3）在編輯窗口輸入以下程序

X=imread('d:/T2.bmp','bmp');imshow(X);title('顯示一幅MRI圖像');（4）單擊"File"|"save"將文件保存為"example1.m"；（5）單擊“Debug”|“Run”或者按F5鍵運行程序，結(jié)果如圖9-16所示。67整理ppt68整理ppt9.6.2圖像的基本運算圖像的運算是指對圖像像素進行的運算，也就是對像素灰度值或空間坐標值的運算。圖像的基本運算代數(shù)運算幾何運算69整理ppt9.6.2圖像的基本運算代數(shù)運算算術(shù)運算（+、-、*、/）邏輯運算（求反、異或、或、與）幾何運算平移變換鏡像變換：水平鏡像、垂直鏡像旋轉(zhuǎn)變換放縮變換拉伸變換70整理ppt9.6.2圖像的基本運算代數(shù)運算：對兩幅以上的輸入圖像中對應像素的灰度值作加、減、乘、除等運算后，將運算結(jié)果作為輸出圖像相應像素的灰度值。特點：輸出圖像像素的灰度取決于輸入圖像的對應像素的灰度值，與鄰域內(nèi)像素灰度值無關不會改變像素的空間位置71整理ppt加法運算圖像的加法運算可用于對同一場景的多幅圖像求平均值以降低累加隨機噪聲的影響；也可用于將一幅圖像的內(nèi)容疊加到另一幅圖像上去，以達到二次曝光，信息疊加的目的。72整理ppt加法運算加法運算公式：G(x,y)=G1(x,y)+G2(x,y)G(x,y)代表輸出圖像G1(x,y)和G2(x,y)代表兩幅輸入圖像73整理ppt例題2：對圖像“bottle.bmp”和“cloudy.bmp”進行加法運算。操作提示：（1）單擊“File”|“New”|“M-file”，打開編輯窗口；（2）輸入程序（%后面是對程序的注釋）clearall；G1=double(imread('e:/bottle.bmp','bmp'));G2=double(imread('e:/cloudy.bmp','bmp'));G=0.5*(G1+G2);imshow(uint8(G));imwrite(uint8(G),'e:/sum.bmp','bmp');（3）單擊“File”|“save”將文件保存為“example2.m”；（4）按F5，運行程序，結(jié)果如圖9-18所示。74整理ppt75整理ppt減法運算不同條件下兩幅圖像之差可以突出研究對象，例如：數(shù)字減影技術(shù)（DSA）（a）注射造影劑前X射線片（脊柱、肝臟）（b）注射造影劑后X射線片（脊柱、肝臟、肝動脈）（c）去除了脊柱和肝臟的影像，清晰顯示了肝動脈76整理ppt減法運算圖像的相減可能使某些像素的灰度值變?yōu)樨摂?shù)，在實際編程中必須要考慮到這種情況，一般情況下設定當圖像相減結(jié)果為負數(shù)時以0代替。減法運算公式：G(x,y)=G1(x,y)-G2(x,y)其中：G1(x,y)和G2(x,y)代表兩幅輸入圖像，G(x,y)代表輸出圖像。77整理ppt78整理ppt79整理ppt乘法運算圖像的乘法主要用于提取或刪掉圖像中的某部分。例如圖像的局部顯示，可以用二值蒙板圖像G1(x,y)與原圖像G2(x,y)做乘法，那么得到的輸出圖像G(x,y)就是原始圖像的局部信息。公式：G(x,y)=G1(x,y)×G2(x,y)G1(x,y)和G2(x,y)代表兩幅輸入圖像G(x,y)代表輸出圖像。80整理ppt81整理ppt82整理ppt9.6.2圖像的基本運算幾何運算：通過空間坐標變換和灰度插值對圖像進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、拉伸等操作。特點：運算結(jié)果不僅取決于原圖像中像素本身的灰度值，還取決于相鄰像素的灰度值像素的空間位置往往也會改變83整理ppt9.6.2圖像的基本運算兩個過程坐標變換：用空間坐標變換將目標從源位置移動到目標位置灰度插值：利用灰度插值確定目標移動后空缺像素的灰度值84整理ppt幾何變換假設：原圖像是f(x,y)坐標變換函數(shù)是x'=a(x,y)，y'=b(x,y)，幾何變換：G(x,y)=f(x',y')=f(a(x,y),b(x,y))其中G(x,y)是輸出圖像。圖像的幾何變換主要包括平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、縮放和拉伸變換，運算公式及含義如表9-1所示。85整理ppt86整理ppt幾何運算經(jīng)過旋轉(zhuǎn)或放縮變換，像素的坐標值可能出現(xiàn)不連續(xù)，因此變換后的圖像必須進行灰度插值。最近鄰插值雙線性插值雙線性插值法優(yōu)于最近鄰插值法（圖9-22）在MATLAB中調(diào)用“bilinear”函數(shù)，可以便捷地實現(xiàn)雙線性插值。87整理ppt88整理ppt89整理ppt9.6.3圖像增強技術(shù)定義：ImageEnhancement采用某種特殊的算法來突出圖像中的整體或局部特征。可用于改善視覺效果、去噪、邊緣提取、提高對比度等。面向問題，根據(jù)實際情況有選擇地使用。處理方法：空間域：指圖像平面自身，以對圖像的像素直接處理為基礎頻域：以修改圖像的傅氏變換為基礎偽彩色增強：90整理ppt空間域增強空間域增強是指增強構(gòu)成圖像的像素空間域處理定義：g(x,y)=T[f(x,y)]其中f(x,y)是輸入圖像，g(x,y)是處理后圖像，T是對f的一種操作。91整理ppt空間域增強增強方法點運算法——灰度級變換尋找一個合適的變換T直方圖處理模板運算法——空域過濾器（高通/低通）尋找一個合適的模板92整理ppt點運算法圖像中畫面明亮部分與陰暗部分灰度的比值稱為對比度。對比度高的圖像清晰對比度低的圖像模糊為了提高清晰度或顯示細節(jié)，需要將圖像灰度級整個范圍或其中某一段對比度擴展，這就是灰度變換的方法。93整理ppt點運算法灰度變換：將圖像灰度級整個范圍或其中某一段對比度擴展灰度變換公式：f(x,y)=T[G(x,y)]G(x,y)是源圖像，f(x,y)是增強圖像T是映射函數(shù)94整理ppt線性變換函數(shù)95整理ppt96整理ppt97整理ppt灰度直方圖法反映像素灰度的分布特點橫坐標代表圖像的灰度縱坐標代表具有相應灰度的像素的數(shù)量98整理ppt圖像的灰度直方圖99整理ppt灰度直方圖低亮度圖像的灰度直方圖分布靠近低灰度區(qū)高亮度圖像的灰度直方圖分布靠近高灰度區(qū)低對比度圖像的灰度直方圖圖形較尖銳高對比度圖像的灰度直方圖圖形較平坦100整理ppt101整理ppt直方圖均衡化直方圖均衡化--自動調(diào)節(jié)圖像對比度質(zhì)量的算法

作用：是將灰度圖像信息分布得盡可能均勻。本質(zhì)：是一個直方圖的變換，將輸入圖像的直方圖映射成一個最大平展的直方圖。

102整理ppt直方圖的計算（1）首先計算歸一化累加直方圖（2）由下式計算具有最均勻直方圖的增強圖像

103整理ppt104整理ppt105整理ppt模板運算法模板運算法是用濾波器對鄰域的像素值進行運算來確定一個像素的映射值。G(x,y)=-f(x-1,y-1)+f(x-1,y+1)-2*f(x,y-1)+2f(x,y+1)-f(x+1,y-1)+f(x+1,y+1)G(x,y)是中心像素濾波后的灰度值，接著濾波器移動到下一個位置，重復上述計算，直到圖像的末尾。106整理ppt模板計算舉例f(x-1,y-1)f(x-1,y)f(x-1,y+1)f(x,y-1)f(x,y)f(x,y+1)f(x+1,y-1)f(x+1,y)f(x+1,y+1)3*3模板覆蓋的圖像像素灰度值107整理ppt108整理ppt109整理ppt模板運算法平滑濾波器：模糊處理和減小噪聲銳化濾波器：突出圖像中的細節(jié)或者增強被模糊了的細節(jié)110整理ppt頻域圖像增強

傅里葉變換：任何周期性重復的函數(shù)都可以表示為不同頻率的sin和cos函數(shù)的和111整理ppt圖像的傅立葉變換處理傅立葉反變換傅立葉變換輸入圖像輸出圖像112整理ppt圖像的頻譜傅里葉反變換原圖像傅里葉變換恢復圖像113整理ppt114整理ppt傅立葉變換的意義*圖像的主體或圖像中灰度變化較緩的區(qū)域在頻譜中占據(jù)的是低頻段*圖像噪聲和圖像的邊緣在圖像的傅立葉頻譜中占據(jù)的是高頻段*

低通濾波器：衰減高頻、通過低頻。使影像模糊平滑

*高通濾波器：衰減低頻、通過高頻。使影像銳利清晰115整理ppt頻域濾波示意圖116整理ppt偽彩色增強人的視覺對彩色的分辨能力遠遠高于對灰度的分辨能力通常人眼能分辨的灰度有十幾個等級，可以分辨1000多種彩色層次根據(jù)人的視覺特點，對原來灰度圖象中不同灰度值的區(qū)域賦予不同的顏色以更明顯地區(qū)分它們，使目標圖像細節(jié)更加清楚。117整理ppt偽彩色增強其公式和變換示意圖如下118整理ppt119整理ppt9.6.4圖像分割技術(shù)圖像分割：根據(jù)相似性把圖像分割成若干區(qū)域一般分割出的區(qū)域就是感興趣區(qū)，通常稱為目標，其他部分稱為背景。分割后可以對感興趣區(qū)進行定量和定性的分析醫(yī)學圖像分割的目標：細胞、組織與器官等圖像分割的方法：閾值分割基于邊界的分割120整理ppt閾值分割閾值法是最基本的圖像分割方法之一。原理：根據(jù)圖像中目標和背景的灰度特征確定分割閾值，然后將圖像中每個像素的值與這個分割閾值相比較，從而確定該像素屬于目標或是背景。圖像分割最簡單的應用就是圖像的二值化，法則是灰度值大于或等于閾值的像素設為“255”；其余像素設為“0”。一般高亮度是目標，低亮度是背景。121整理ppt閾值分割閾值法的分割方式很多，如果感興趣的目標在內(nèi)部有均勻一致的灰度值，背景灰度值也比較均勻，表現(xiàn)在直方圖上就是圖像的灰度直方圖應具有明顯的雙峰，可以選擇雙峰之間的谷底的灰度值作為圖像分割閾值，如圖9-36所示。122整理ppt123整理ppt本例中，根據(jù)生物學特性，將細胞的像素值設為0，背景設為255。分割結(jié)果使得細胞圖像更加清晰，見圖9-37。124整理ppt基于邊界的圖像分割圖像的邊緣存在于目標和背景之間，是圖像分割的重要依據(jù)。常用的邊緣檢測算子有：Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子、Canny算子等。125整理ppt基于邊界的圖像分割下面我們介紹兩種常用的邊緣檢測算子，如圖9-38所示A點代表中心點，A0至A7代表和A點相鄰的像素點，A點的灰度值用f(x,y)表示。126整理ppt基于邊界的圖像分割1、Roberts算子首先計算沿與圖像坐標軸45度角或135度角方向上的灰度變化值，即灰度梯度，數(shù)學計算公式是：|▽f(x,y)|=max{|f(A)-f(A4)|,|f(A5)-f(A3)|}；設定閾值tH后可以得到二值分割的圖像127整理ppt在MATLAB中Roberts算子的實現(xiàn)函數(shù)是：BW=edge(I,‘roberts’,thresh)其中I是輸入圖像矩陣BW代表輸出圖像矩陣thresh閾值是（0，1）之間的數(shù)值，可用人工設定，如果thresh為空，則程序自動選擇閾值。128整理ppt129整理ppt130整理ppt基于邊界的圖像分割2、Sobel算子Sobel算子分別計算垂直和水平模板卷積和，設大于設定閾值的點則為邊緣。利用Sobel算子可以得到二值分割的圖像，方法同