醫(yī)學(xué)成像與處理技術(shù)教學(xué)課件整本書電子教案全套教學(xué)教程電子教案

第1章醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)的發(fā)展《醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)》本章目錄1.1醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)概述1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望教學(xué)目標(biāo)通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，熟悉醫(yī)學(xué)成像及圖像處理技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，了解醫(yī)學(xué)成像及圖像處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)成像技術(shù)與處理技術(shù)的基本概念成像技術(shù)的發(fā)展與展望圖像處理技術(shù)的發(fā)展與展望1.1

醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)概述醫(yī)學(xué)成像是利用專門成像機(jī)制的設(shè)備，以無(wú)創(chuàng)性方式獲取人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的學(xué)科，包括X線成像技術(shù)（含X線透視、攝影，DSA和CT）、超聲成像技術(shù)、核醫(yī)學(xué)技術(shù)（PET）、磁共振（MRI）技術(shù)等。醫(yī)學(xué)圖像處理與分析包括：醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像分割技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)、醫(yī)學(xué)圖像重建與可視化技術(shù)、圖像的壓縮與存儲(chǔ)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。這部分內(nèi)容也可稱為醫(yī)學(xué)圖像后處理（post-processing）及其應(yīng)用。PACS（picturearchivingandcommunicationsystem），也即醫(yī)學(xué)影像存檔與通訊系統(tǒng)，給醫(yī)學(xué)圖像的存儲(chǔ)、傳遞、管理、維護(hù)提供了一種先進(jìn)的技術(shù)，它是一種醫(yī)學(xué)圖像管理系統(tǒng)，不是成像裝置。1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展醫(yī)學(xué)影像技術(shù)是利用專門成像機(jī)制的設(shè)備，以無(wú)創(chuàng)性方式獲取人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的學(xué)科，包括X射線成像技術(shù)（含X射線透視、攝影，DSA和CT）、超聲成像技術(shù)、MRI技術(shù)、核醫(yī)學(xué)技術(shù)等。X射線成像技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷以來(lái)，逐漸形成了獲取影像和利用影像進(jìn)行診斷的分工與合作。1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展1895年11月8日，倫琴在維爾茨堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。倫琴夫人的手，上面還有他們的結(jié)婚戒指。倫琴親自在照相底板上用鋼筆寫上1895/12/22，1.2.1第一張人體X射線照片1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展1．醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)的發(fā)展X射線的發(fā)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義。X射線發(fā)現(xiàn)不久，就被應(yīng)用到臨床。從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線到現(xiàn)在的110多年的時(shí)間里，射線影像設(shè)備一直在朝著不斷滿足人們需求和方便人們使用的方向發(fā)展。在剛開(kāi)始的階段，X射線檢查僅被應(yīng)用于密度差別較大的骨折和體內(nèi)異物的診斷上。隨著各種造影劑的發(fā)明和使用，X射線檢查進(jìn)入了人工對(duì)比的檢查階段，逐步應(yīng)用于人體各部分的檢查，大大擴(kuò)展了檢查范圍。1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展1．醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體層成像（computedtomography，CT）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與X射線檢查技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1971年，英國(guó)EMI公司工程師Hounsfield成功研制了世界上第一臺(tái)頭部CT掃描機(jī)，以后又出現(xiàn)了全身CT、螺旋CT和超高速CT等。1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展1．醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)的發(fā)展

隨著多層螺旋CT（MSCT）的發(fā)展，同時(shí)具備了快速、薄層、長(zhǎng)距離、X射線利用率高四大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了有臨床實(shí)用價(jià)值的各向同性掃描。通過(guò)后處理技術(shù)，不僅能夠從冠狀、矢狀面及任意角度、層面觀察解剖，而且可以三維立體地顯示各種解剖結(jié)構(gòu)，徹底改變了CT只能顯示橫斷層面的局面GE公司的螺旋CT機(jī)1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展2．醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)的發(fā)展

用于醫(yī)學(xué)上的超聲頻率為2.5MHz～10MHz，常用的是2.5MHz～5MHz。超聲在介質(zhì)中傳播的速度因介質(zhì)不同而異，在固體中最快，液體中次之，氣體中最慢。1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展2．醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)的發(fā)展1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展3．醫(yī)學(xué)核素成像技術(shù)的發(fā)展

放射性核素成像（radionuclideimaging，RNI），是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。放射性核素顯像主要是功能性顯像，可以進(jìn)行功能性的量化測(cè)量。1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展3．醫(yī)學(xué)核素成像技術(shù)的發(fā)展正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（PET）成像單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（SPECT）成像1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展4．醫(yī)學(xué)核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR），。它是將人體置于特殊的磁場(chǎng)中，用無(wú)線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號(hào)，并將吸收的能量釋放出來(lái)，被體外的接收器收錄，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)處理獲得圖像，這就稱為核磁共振成像。20世紀(jì)80年代初，NMR成像應(yīng)用于臨床，為了與放射性核素檢查相區(qū)別，改稱為磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展4．醫(yī)學(xué)核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展4．醫(yī)學(xué)核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展不同時(shí)期的磁共振圖像1.2.2醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的發(fā)展1.2醫(yī)學(xué)成像常用技術(shù)的發(fā)展各類影像系統(tǒng)的功能和適宜檢查的范圍是不同的。以腦部成像為例，腦的結(jié)構(gòu)可以用X射線CT和MRI圖像來(lái)確定，不過(guò)單獨(dú)使用CT和MRI都不能獲取腦及周圍結(jié)構(gòu)的全部信息，兩者配準(zhǔn)后可以提供全部腦結(jié)構(gòu)三維定位的結(jié)構(gòu)。腦的功能性成像首先是采用核醫(yī)學(xué)技術(shù)，包括SPECT和PET成像，使用特定的放射性同位素來(lái)測(cè)量腦部血容量（CBV）、腦血流（CBF）以及局部代謝，由于這些設(shè)備的低分辨率大大限制了特定結(jié)構(gòu)中功能的準(zhǔn)確定位，使得有效性受到限制。而功能性MRI成像可以提供無(wú)損傷的腦功能特征的成像技術(shù)。1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代醫(yī)學(xué)離不開(kāi)醫(yī)學(xué)圖像信息的支持，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在很大程度上依賴于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)成像中，機(jī)體、器官或器官局部的圖像是通過(guò)放射等物理手段生成的，圖像生成后，必須進(jìn)行顯示以供解釋，需要時(shí)則通過(guò)計(jì)算機(jī)精細(xì)地處理測(cè)量圖像。1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)涉及的內(nèi)容很多，主要包括：醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像重建與可視化技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像分割技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)、圖像的壓縮與存儲(chǔ)技術(shù)。在上述研究?jī)?nèi)容中除醫(yī)學(xué)成像技術(shù)外，其余又被稱為圖像后處理技術(shù)。圖像后處理，是指對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，使之滿足各種需要的一系列技術(shù)的總稱。本章節(jié)余下部分內(nèi)容所指的醫(yī)學(xué)圖像處理指的是圖像后處理技術(shù)。1.3.1醫(yī)學(xué)圖像處理的提出1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展虛線的左邊部分為成像技術(shù)要解決的問(wèn)題，右邊部分為圖像處理與分析技術(shù)要解決的內(nèi)容。1.3.1醫(yī)學(xué)圖像處理的提出1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展在過(guò)去幾十年中，各種各樣新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在臨床中得到了應(yīng)用。在提高影像設(shè)備獲得圖像能力的同時(shí)，圖像的后處理也成為另一個(gè)人們關(guān)注的焦點(diǎn)。1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1．圖像分割技術(shù)的發(fā)展基于區(qū)域的分割方法。利用不同對(duì)象特征的不連續(xù)性和同一對(duì)象內(nèi)部的特征相似性，把圖像歸于不同的區(qū)域，如圖1-10所示?；谶吔绲姆指罘椒?。圖像在區(qū)域邊緣上的像素灰度值的變化往往比較劇烈，基于邊緣的分割方法試圖通過(guò)檢測(cè)不同區(qū)域間的邊緣來(lái)解決圖像的分割問(wèn)題，如圖1-11所示。1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1．圖像分割技術(shù)的發(fā)展1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展模糊集理論。醫(yī)學(xué)圖像一般較為復(fù)雜，有一定的模糊性。圖1-12所示為模糊閾值分割方法。圖1-12（a）為大腦的T2加權(quán)MR圖像，分辨率為256×256×16位。種子點(diǎn)的位置如圖中箭頭所示，目標(biāo)物體為圖像中間的腦室；圖1-12（b）為選擇低閾值的分割結(jié)果（x=0.33）；圖1-12（c）為選擇高閾值的分割結(jié)果x=0.74）；圖1-12（d）為選擇合適閾值的分割結(jié)果（x=0.54）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)小波分析1．圖像分割技術(shù)的發(fā)展1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展從技術(shù)角度講，分割方法都是基于圖像像素特征的，無(wú)論應(yīng)用哪一種都難以得到理想的分割結(jié)果。基于知識(shí)的分割方法，即通過(guò)某種手段將一些先驗(yàn)的知識(shí)導(dǎo)入分割過(guò)程中，從而約束計(jì)算機(jī)的分割過(guò)程，使得分割結(jié)果控制在人們所能認(rèn)識(shí)的范圍內(nèi)而不至于太離譜。1．圖像分割技術(shù)的發(fā)展1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展基于像素的配準(zhǔn)方法，相關(guān)函數(shù)、Fourier變換和各階矩陣之間的關(guān)系基于特征的配準(zhǔn)方法，主要利用圖像的角、點(diǎn)、線、邊緣以及表面等特征2．圖像配準(zhǔn)與融合技術(shù)的發(fā)展幾何矩的配準(zhǔn)，利用圖像的相關(guān)系數(shù)、樣條插值等多項(xiàng)式變換對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，以及一致圖像配準(zhǔn)方法、金字塔式多層次配準(zhǔn)方法等。1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展立體腦圖像的彈性配準(zhǔn)——基于屬性向量的層次化彈性配準(zhǔn)算法（hierarchicalattributematchingmechanismforelasticregistration，HAMMER）2．圖像配準(zhǔn)與融合技術(shù)的發(fā)展1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展3．三維重建技術(shù)的發(fā)展三維重建技術(shù)使得醫(yī)生能夠直觀、定量地察看器官的三維結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)圖像中原有的各種細(xì)節(jié)，從而幫助醫(yī)生做出正確的診斷。三維重建的結(jié)果可以生成并保存到一系列結(jié)果圖像幀，可按電影序列在線或離線反復(fù)回放，有利于對(duì)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化醫(yī)療。1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展3．三維重建技術(shù)的發(fā)展1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展4．PACS的發(fā)展PACS(picturearchivingandcommunicationsystem)，也即醫(yī)學(xué)影像存檔與通訊系統(tǒng)，顧名思義，它是一種醫(yī)學(xué)圖像管理系統(tǒng)，不是成像裝置。它利用計(jì)算機(jī)代替膠片來(lái)保存患者圖像。首先要把圖像數(shù)字化，然后存人計(jì)算機(jī)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，醫(yī)生就可以及時(shí)調(diào)用所需的圖片。1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展第一代PACS的特點(diǎn)是人工獲取圖像。用戶需要主動(dòng)尋找數(shù)據(jù)，并到指定的地點(diǎn)獲取第二代PACS的特點(diǎn)是圖像支持主動(dòng)路由到指定地點(diǎn)。第三代PACS的特點(diǎn)是圖像主動(dòng)尋找用戶，可以路由到指定的人。這種模式實(shí)現(xiàn)了PACS工作流程的自動(dòng)化。4．PACS的發(fā)展1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.3醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展

從醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展歷程和技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，醫(yī)學(xué)影像后處理技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟。就分割技術(shù)而論，雖然其在眾多醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)中起步早、發(fā)展快，但在許多時(shí)候，分割所得到的結(jié)果仍然不理想。當(dāng)前，圖像分割仍然是研究最多、最廣的圖像處理技術(shù)，但隨著時(shí)間的推移，三維建模及PACS的研究將占據(jù)主導(dǎo)地位。1.3.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的發(fā)展1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

1.成像系統(tǒng)的發(fā)展方向

（1）多維圖像（2）多參數(shù)圖像（3）多模式圖像1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望PET-CT技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展并獲得廣泛認(rèn)同的醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)，它將正電子發(fā)射斷層顯像（PET）技術(shù)和計(jì)算機(jī)體層成像（CT）組合到同一設(shè)備上，將前者功能代謝顯像的優(yōu)勢(shì)與后者解剖形態(tài)顯示的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，從而使對(duì)病變的定位和定性診斷都更加準(zhǔn)確。1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

1.成像系統(tǒng)的發(fā)展方向1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

1.成像系統(tǒng)的發(fā)展方向1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

2．其他各種成像新技術(shù)（1）X光血管成像術(shù)1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望（2）CT血管成像1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

2．其他各種成像新技術(shù)1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

2．其他各種成像新技術(shù)（3）彌散張量成像（DTI）1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.1醫(yī)學(xué)圖像成像技術(shù)的展望

3．醫(yī)學(xué)圖像的手術(shù)參與隨著影像技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像設(shè)備從單純性的診斷設(shè)備向手術(shù)設(shè)備發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像參與了從手術(shù)前的計(jì)劃到手術(shù)中的應(yīng)用和手術(shù)后的療效評(píng)價(jià)。應(yīng)用MRI對(duì)外科手術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和探測(cè)，術(shù)中和術(shù)后即刻進(jìn)行療效評(píng)價(jià)已進(jìn)入臨床實(shí)用階段.1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的展望1．醫(yī)學(xué)圖像多維多模式后處理技術(shù)1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的展望

1．醫(yī)學(xué)圖像多維多模式后處理技術(shù)1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望1.4.2醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的展望

2．計(jì)算機(jī)輔助探測(cè)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1.4醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)展望

在醫(yī)學(xué)數(shù)字化的過(guò)程中，針對(duì)包含大量信息的數(shù)字化醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用的探索永無(wú)止境，圖像后處理的新技術(shù)、新方法層出不窮，在計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，向更精確、更清晰、更安全、更智能的方向發(fā)展。未來(lái)圖像處理技術(shù)的要求，主要集中在更高級(jí)的數(shù)字圖像分級(jí)開(kāi)窗顯示、增強(qiáng)顯示及醫(yī)生工作站的操作和管理軟件的研究和開(kāi)發(fā)。同時(shí)，要求適應(yīng)更多的成像模式，處理的實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)，以有利于醫(yī)生的診斷和觀察。本章小結(jié)醫(yī)學(xué)圖像研究?jī)?nèi)容和醫(yī)學(xué)成像及圖像后處理技術(shù)的發(fā)展醫(yī)學(xué)成像與醫(yī)學(xué)圖像后處理新技術(shù)、新設(shè)備和新方法思考與練習(xí)醫(yī)學(xué)圖像研究可以分成哪兩大部分？醫(yī)學(xué)成像技術(shù)一般有哪幾種？醫(yī)學(xué)影像的后處理技術(shù)有哪幾種？第二章醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)基礎(chǔ)《醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)》本章目錄2.1醫(yī)學(xué)成像及處理系統(tǒng)概述2.2醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)字化本章小結(jié)思考與練習(xí)2教學(xué)目標(biāo)理解醫(yī)學(xué)成像與圖像處理的基本概念了解醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的分類及成像原理了解醫(yī)學(xué)圖像處理研究的內(nèi)容和醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的組成掌握采樣和量化過(guò)程了解采樣定理和數(shù)字圖像頻譜的內(nèi)容掌握?qǐng)D像質(zhì)量與采樣和量化的關(guān)系了解數(shù)字圖像的矩陣表示方法掌握?qǐng)D像數(shù)據(jù)量的計(jì)算方法教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)采樣和量化過(guò)程采樣定理和數(shù)字圖像頻譜圖像質(zhì)量與采樣和量化的關(guān)系數(shù)字圖像的矩陣表示與圖像數(shù)據(jù)量2.1醫(yī)學(xué)成像及處理系統(tǒng)概述

醫(yī)學(xué)成像及處理系統(tǒng)就過(guò)程而言它主要包括醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)的采集、量化和后處理等；就設(shè)備而言它主要由成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成。2.1.1醫(yī)學(xué)圖像的基本概念模擬圖像是指空間坐標(biāo)以及明暗程度都連續(xù)變化的圖像，又稱為連續(xù)圖像，是不能直接被計(jì)算機(jī)處理的圖像，如照相機(jī)所拍的照片、醫(yī)學(xué)用的X線底片一類的光學(xué)圖像以及眼睛所看到的一切景物圖像等。數(shù)字圖像是指模擬圖像經(jīng)采樣后得到若干離散的像素，并將各像素的顏色值用量化的離散值即整數(shù)值來(lái)表示的圖像。像素是其基本元素，即數(shù)字圖像是將模擬圖像經(jīng)過(guò)數(shù)字化過(guò)程轉(zhuǎn)變而成的，又被稱為離散圖像。2.1.1醫(yī)學(xué)圖像的基本概念一幅圖像可以表示成一個(gè)矩陣的形式，矩陣的每個(gè)元素表示每個(gè)像素的灰度值，如圖2-1所示。2.1.1醫(yī)學(xué)圖像的基本概念數(shù)字圖像的表示法醫(yī)學(xué)成像是借助于某種介質(zhì)（如X線、電磁場(chǎng)、超聲波、放射性核素等）與人體的相互作用，把人體內(nèi)部組織、器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)、密度、功能等，以圖像的方式表達(dá)出來(lái)，提供給診斷醫(yī)生，使醫(yī)生能根據(jù)自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像中所提供的信息進(jìn)行判斷，從而對(duì)病人的健康狀況進(jìn)行判斷的一門科學(xué)技術(shù)。2.1.1醫(yī)學(xué)圖像的基本概念醫(yī)學(xué)成像的

目的是通過(guò)各種方式探測(cè)人體，獲得人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形態(tài)、功能等信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N圖像顯示出來(lái)，進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究和診斷。2.1.1醫(yī)學(xué)圖像的基本概念圖像處理是改善輸入圖像質(zhì)量的處理過(guò)程，也指為某種預(yù)期目的而對(duì)圖像進(jìn)行一系列操作的技術(shù)。圖像處理又分為模擬圖像處理和數(shù)字圖像處理兩大類。2.1.1醫(yī)學(xué)圖像的基本概念2.1.2數(shù)字圖像的優(yōu)點(diǎn)1.靈活性大2.精確度高3.再現(xiàn)性好2.1.3醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)分類現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)按其信息載體可分為四種基本類型：1.X線成像系統(tǒng)（1）普通X線（2）X線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（CT）（3）數(shù)字減影血管造影技術(shù)（DSA）2.超聲成像系統(tǒng)3.核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)4.磁共振成像（MRI）系統(tǒng)1.X線成像系統(tǒng)（1）普通X線X線成像原理X線具有穿透性和攝影效應(yīng)。X線波長(zhǎng)很短，具有很強(qiáng)的穿透力，能穿透被照射的人體組織，在穿透過(guò)程中由于受到一定程度的吸收會(huì)發(fā)生衰減，由于被穿透的組織結(jié)構(gòu)在密度和厚度上有所差異，導(dǎo)致剩余下來(lái)的X線量有差別，經(jīng)過(guò)顯像這一步驟后，例如經(jīng)X線片、熒屏或電視屏顯示就能獲得具有黑白對(duì)比、層次差異的X線影像。1.X線成像系統(tǒng)（1）普通X線

X線分類及應(yīng)用

普通X線分為透視和X線照相兩種。

透視是指由于熒光效應(yīng)，當(dāng)X線透過(guò)人體被檢查部位時(shí)轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)較長(zhǎng)的熒光并在熒光屏上形成影像。透視能看到心臟、橫膈及胃腸等活動(dòng)情況，多用于胸部及胃腸檢查。1.X線成像系統(tǒng)（1）普通X線

X線分類及應(yīng)用

照相，亦稱攝影，是指X線透過(guò)人體被檢查的部位并在膠片上形成影像。照片所見(jiàn)影像比透視清楚，適用于頭顱、脊椎及腹部等部位檢查。胸部X射線照相圖像1.X線成像系統(tǒng)（2）X線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（CT）CT是計(jì)算機(jī)和X線相結(jié)合的一項(xiàng)診斷技術(shù)，它利用人體組織對(duì)X線吸收系數(shù)（CT值）的差別來(lái)進(jìn)行成像。CT圖像密度分辨率高，比普通X線照片高10～20倍，以不同的灰度來(lái)表示，反映器官和組織對(duì)X線的吸收程度，能準(zhǔn)確測(cè)出某一平面上各種不同組織之間的放射衰減特性的微小差異，分辨出各種軟組織的不同密度，下圖分別是頭部和牙齒的CT斷層圖像。1.X線成像系統(tǒng)頭部CT斷層圖像牙齒的CT斷層圖像1.X線成像系統(tǒng)（3）數(shù)字減影血管造影技術(shù)（DSA）DSA技術(shù)是基于順序圖像的數(shù)字減影，將同一部位的兩幀造影和未造影的圖像（即減影對(duì)）分別經(jīng)影像增強(qiáng)器增強(qiáng)，攝像機(jī)掃描矩陣化，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字化，兩者相減而獲得數(shù)字化圖像，最后經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換形成減影圖像，其結(jié)果消除了整個(gè)骨骼和軟件組織結(jié)構(gòu)，從而將血管在減影圖中顯示出來(lái)，具有很強(qiáng)的對(duì)比度。1.X線成像系統(tǒng)（3）數(shù)字減影血管造影技術(shù)（DSA）DSA用于機(jī)體各系統(tǒng)器官的血管造影，并廣泛應(yīng)用于臨床。圖2-5所示為主動(dòng)脈X射線造影圖像。

主動(dòng)脈X射線造影圖像2.超聲成像系統(tǒng)概念：超聲是超過(guò)正常人耳能聽(tīng)到的聲波，頻率在20000Hz以上。2.超聲成像系統(tǒng)原理：超聲射入體內(nèi)，由表面到深部，將經(jīng)過(guò)不同聲阻抗和不同衰減特性的器官與組織，從而產(chǎn)生不同的反射與衰減。根據(jù)接收到回聲的強(qiáng)弱，用明暗不同的光點(diǎn)依次顯示在影屏上，則可顯出人體的斷面超聲圖像，這被稱為聲像圖。2.超聲成像系統(tǒng)應(yīng)用：利用超聲多普勒系統(tǒng)，能探查心臟活動(dòng)和胎兒活動(dòng)以及血流狀態(tài)。如圖所示為兩幅胎兒超聲波圖像。胎兒超聲波圖像3.核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)核醫(yī)學(xué)成像是一種以臟器內(nèi)外或臟器內(nèi)部正常組織與病變組織之間的放射性差別為基礎(chǔ)的臟器或病變的顯像方法，通過(guò)有選擇地測(cè)量攝入體內(nèi)的放射性核素所放出的γ射線來(lái)實(shí)現(xiàn)人體成像。

核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)包括γ相機(jī)成像技術(shù)、發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（ECT）、單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（SPECT）和正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（PET）。3.核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)γ射線成像得到的骨骼掃描圖像3.核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)PET圖像4.磁共振成像（MRI）系統(tǒng)磁共振成像是利用原子核在磁場(chǎng)內(nèi)共振所產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)重建后成像的一種成像技術(shù)。含單數(shù)質(zhì)子的原子核，例如人體內(nèi)廣泛存在的氫原子核，其質(zhì)子有自旋運(yùn)動(dòng)，帶正電，產(chǎn)生磁矩，有如一個(gè)小磁體。通常氫原子核自旋軸的排列沒(méi)有規(guī)律。但如在均勻的強(qiáng)磁場(chǎng)中，則氫原子核的自旋軸將按磁場(chǎng)磁力線的方向重新排列。用特定頻率的射頻脈沖進(jìn)行激發(fā)，氫原子核吸收一定的能量而共振，即發(fā)生了磁共振現(xiàn)象。停止發(fā)射射頻脈沖，則被激發(fā)的氫原子核把所吸收的能量逐步釋放出來(lái)，其相位和能級(jí)都恢復(fù)到激發(fā)前的狀態(tài)。4.磁共振成像（MRI）系統(tǒng)這一恢復(fù)過(guò)程稱為弛豫過(guò)程，而恢復(fù)到原來(lái)平衡狀態(tài)所需的時(shí)間則稱之為弛豫時(shí)間。人體不同器官的正常組織與病理組織的縱向弛豫時(shí)間T1是相對(duì)固定的，而且它們之間有一定的差別，橫向弛豫時(shí)間T2也是如此。這種組織間弛豫時(shí)間上的差別，是MRI的成像基礎(chǔ)。4.磁共振成像（MRI）系統(tǒng)4.磁共振成像（MRI）系統(tǒng)膝蓋的MRI圖像脊椎的MRI圖像2.1.4醫(yī)學(xué)圖像處理研究的內(nèi)容醫(yī)學(xué)圖像處理研究的內(nèi)容包括：醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)、恢復(fù)、分割等預(yù)處理技術(shù)，醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)，醫(yī)學(xué)信息三維可視化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，PACS系統(tǒng)與DICOM標(biāo)準(zhǔn)，圖像引導(dǎo)手術(shù)等。1.醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理研究圖像預(yù)處理技術(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行各種處理，以得到更好的顯示效果。幾何變換可以使觀察者從不同角度、不同方位觀察圖像。濾波、增強(qiáng)、恢復(fù)等操作可以消除圖像數(shù)據(jù)中的噪聲，提高圖像的質(zhì)量。如對(duì)X-CT或MRI的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以消減圖像數(shù)據(jù)中的噪聲，突出其中感興趣的組織。2.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)研究解剖圖像主要描述人體的生理解剖結(jié)構(gòu)，其來(lái)源包括X-CT、MRI及超聲等，功能圖像主要來(lái)描述人體在不同狀態(tài)下組織、器官的功能及其活動(dòng)狀況，包括PET、單光子發(fā)射器的計(jì)算機(jī)斷層成像等。將來(lái)自不同設(shè)備不同模態(tài)的影像信息結(jié)合起來(lái)，方便醫(yī)生診斷，首先要使不同圖像在空間中的排列保持一致，即圖像配準(zhǔn)。目前，圖像配準(zhǔn)技術(shù)已在圖像引導(dǎo)神經(jīng)外科手術(shù)、腦功能區(qū)的定位、腦結(jié)構(gòu)變化的研究等方面得到應(yīng)用。3.醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化研究醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化技術(shù)可從二維圖像中獲取三維圖像模型，為醫(yī)生提供更逼真的顯示手段和定性定量分析工具，有利于準(zhǔn)確確定病變空間位置、大小、幾何形狀及周圍生物組織之間的關(guān)系，便于醫(yī)生從多角度、多層次進(jìn)行觀察和分析，有效地參與醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的處理與分析過(guò)程。醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化技術(shù)在輔助醫(yī)生診斷、手術(shù)仿真、引導(dǎo)治療等方面有著及其重要的作用，也是仿真內(nèi)鏡技術(shù)的基礎(chǔ)。4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，即采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，稱之為虛擬醫(yī)學(xué)或仿真醫(yī)學(xué)。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)上已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、疾病診斷、手術(shù)模擬、康復(fù)醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面。5.PACS和DICOM標(biāo)準(zhǔn)研究PACS利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)設(shè)備與各種影像設(shè)備相連接，利用磁光存儲(chǔ)技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)以數(shù)字方式存儲(chǔ)、管理、傳送和顯示。優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)失真地存儲(chǔ)影像信息方便檢索和數(shù)字化顯示突破了空間限制，實(shí)現(xiàn)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的共享利用計(jì)算機(jī)對(duì)醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行多種處理DICOM是專門用于醫(yī)學(xué)圖像的存儲(chǔ)和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，提供與制造商無(wú)關(guān)的數(shù)字圖像，統(tǒng)一通信和存儲(chǔ)的格式，簡(jiǎn)化醫(yī)學(xué)影像信息的交換，提供廣泛的分布式診斷和查詢。DICOM標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的采集、歸檔、通信、顯示及查詢等幾乎所有信息交換的協(xié)議定義了一套醫(yī)學(xué)診斷圖像及其相關(guān)的對(duì)象集定義了用于信息傳遞、交換的服務(wù)類與命令集，以及消息的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)詳述了唯一標(biāo)識(shí)各類信息對(duì)象的技術(shù)提供了應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的服務(wù)支持結(jié)構(gòu)化地定義了制造廠商的兼容性聲明。5.PACS和DICOM標(biāo)準(zhǔn)研究6.醫(yī)學(xué)圖像引導(dǎo)手術(shù)研究醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)下的外科手術(shù)，借助計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)影像來(lái)模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過(guò)程，包括數(shù)據(jù)獲取及處理、手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)導(dǎo)航和術(shù)中反饋與更新四個(gè)方面，使外科手術(shù)向著微創(chuàng)化、接觸少的方向發(fā)展。其中數(shù)據(jù)獲取及處理包括從X-CT、MRI及超聲等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中獲取醫(yī)學(xué)圖像，然后進(jìn)行圖像分割、圖像配準(zhǔn)和圖像三維顯示等一系列處理過(guò)程。2.1.5醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的硬件組成一般包括：主計(jì)算機(jī)和圖像處理機(jī)，以及圍繞它們配備的圖像輸入設(shè)備、圖像輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和人—機(jī)交互控制設(shè)備等2.1.5醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)1.主計(jì)算機(jī)和圖像處理機(jī)主計(jì)算機(jī)和圖像處理機(jī)是圖像處理系統(tǒng)的中心，擁有較大的圖像存儲(chǔ)器及外圍存儲(chǔ)設(shè)備，用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)與圖像處理分析程序庫(kù)。目前，較流行的圖像處理系統(tǒng)均包含圖像處理新算法的開(kāi)發(fā)環(huán)境，一般將通用計(jì)算機(jī)作為主機(jī)，向圖像處理專用機(jī)發(fā)送命令，然后將處理結(jié)果再傳送回主機(jī)，比如VIEWSTATION圖像處理系統(tǒng)采用的是較先進(jìn)的服務(wù)器-客戶端的模式。2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備

醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備的功能是完成對(duì)原始醫(yī)學(xué)圖像的攝取、光/電轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等，即進(jìn)行圖像數(shù)字化的過(guò)程。光信號(hào)首先經(jīng)過(guò)圖像傳感器變成電信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)采樣、量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，圖像數(shù)據(jù)被送往圖像處理機(jī)進(jìn)行處理，最后由圖像輸出設(shè)備輸出。2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備（1）鼓式掃描器及飛點(diǎn)掃描器鼓式掃描器——光束都聚焦在光檢測(cè)器上，各個(gè)檢測(cè)器根據(jù)光強(qiáng)度記錄對(duì)應(yīng)當(dāng)前位置的圖像灰度值。飛點(diǎn)掃描器——工作時(shí)飛點(diǎn)管發(fā)出的光點(diǎn)照射到輸入圖像上，每一瞬間只照射一個(gè)像素，被照亮的像素反射的光射到光電倍增管上轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。（2）掃描儀從原理上講，掃描儀是一種光機(jī)電一體化的產(chǎn)品，它由光源、透鏡、CCD、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理電路以及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其核心部件是CCD傳感器，即一種半導(dǎo)體光電成像器件，掃描儀通過(guò)CCD完成光電轉(zhuǎn)換。2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備（2）掃描儀按輸入對(duì)象分類，掃描儀可分為正片和負(fù)片；按與計(jì)算機(jī)接口的類型分類，掃描儀可分為EPP接口、USB接口、SCSI接口三種類型；按色彩分類，掃描儀可分為彩色型和灰度型；按工作方式分類，掃描儀可分為平臺(tái)式、手持式、滾筒式三類。主要指標(biāo)有分辨率、灰度等級(jí)、微機(jī)接口方式、最大掃描幅度等。2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備平臺(tái)式掃描儀的原理圖2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備（3）攝像機(jī)圖像處理中的攝像機(jī)是指其功能部件中的攝像器件，主要任務(wù)是把輸入景物光像轉(zhuǎn)變?yōu)檫m宜處理和傳輸?shù)碾娦盘?hào)。攝像機(jī)按照記錄信號(hào)的類型，可分為模擬攝像機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)兩大類按照攝像器件的組成，分為電子管攝像機(jī)和固體器件攝像機(jī)兩類。電子管攝像機(jī)又可細(xì)分為外光電效應(yīng)攝像機(jī)和內(nèi)光電效應(yīng)攝像機(jī)。固體器件攝像機(jī)分為CCD固體器件攝像機(jī)和BBD固體器件攝像機(jī)。電子管攝像機(jī)和固體器件攝像機(jī)的基本工作過(guò)程2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備(4)數(shù)碼相機(jī)電荷耦合器件CCD把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬的電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字圖像，最后經(jīng)過(guò)MPU對(duì)其進(jìn)行處理后存儲(chǔ)在內(nèi)置的存儲(chǔ)器中，也可以通過(guò)接口將數(shù)碼照片傳送到計(jì)算機(jī)上，供計(jì)算機(jī)打印、調(diào)用、傳輸。數(shù)碼相機(jī)的分辨率用ppi表示，它表示每英寸所能采集像素的數(shù)目。ppi的值越大，掃描精度越高。2.醫(yī)學(xué)圖像輸入設(shè)備（5）圖像采集卡將已生成的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)的設(shè)備，也稱為圖像捕捉卡，可以對(duì)模擬圖像信號(hào)進(jìn)行捕捉、數(shù)字化、定格、存儲(chǔ)、輸出等多種操作。圖像采集卡的分類3.醫(yī)學(xué)圖像輸出設(shè)備功能——將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)字圖像再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，成為光圖像信號(hào)或?qū)⑵溆部截愊聛?lái)長(zhǎng)期保存。圖像輸出方式分軟拷貝（屏幕）和硬拷貝（打印機(jī)、掃描儀）兩類。3.醫(yī)學(xué)圖像輸出設(shè)備（1）CRT顯示器CRT顯示器通過(guò)在顯示管內(nèi)表面涂抹一層熒光粉，由計(jì)算機(jī)控制磁場(chǎng)，再用磁場(chǎng)來(lái)控制由電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束偏向的原理進(jìn)行掃描顯示的，像點(diǎn)灰度控制電子束強(qiáng)度。（2）液晶顯示器液晶顯示器是在兩塊平行的玻璃板間填充液晶材料，通過(guò)電壓來(lái)改變液晶材料內(nèi)部分子的排列狀況，利用透光和遮光來(lái)顯示圖像。3.醫(yī)學(xué)圖像輸出設(shè)備LCD工作原理（TN型）3.醫(yī)學(xué)圖像輸出設(shè)備（3）打印機(jī)打印機(jī)可分為三種類型：①噴墨打印機(jī)

②激光打印機(jī)

③自給色打印機(jī)其中激光打印機(jī)是采用電子成像技術(shù)進(jìn)行打印的醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)設(shè)備有磁帶、磁盤、光盤、磁光盤、DVD及磁盤陣列等。4.醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)設(shè)備5.人機(jī)交互設(shè)備功能——在圖像處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，從而避免完全由機(jī)器帶自動(dòng)操作的弊端，即根據(jù)上一階段的處理結(jié)果確定下一步應(yīng)采取什么處理技術(shù)或輸入什么參數(shù)。人機(jī)交互過(guò)程所需裝置有鍵盤、鼠標(biāo)、圖形輸入板、人的語(yǔ)言指令和動(dòng)作指令識(shí)別裝置。2.1.6醫(yī)學(xué)成像及處理流程大致分為圖像采集、圖像預(yù)處理（圖像變換、增強(qiáng)、恢復(fù)、分割等）、圖像配準(zhǔn)、圖像重建及圖像的壓縮、存儲(chǔ)與傳輸幾個(gè)方面。1.醫(yī)學(xué)圖像采集

采集指PACS獲取醫(yī)學(xué)影像的數(shù)字信號(hào)及其輔助信息的技術(shù)與功能。目前采集方式有兩種：一是通過(guò)成像設(shè)備的數(shù)字接口按照DICOM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字圖像采集，如B超、彩超、CT、MRI等；另一種是通過(guò)醫(yī)學(xué)專用膠片掃描儀遵循TWAIN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行膠片的數(shù)字化，如X光片的數(shù)字化目前均采用這種方式。2.醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理

（1）圖像變換

把圖像從空間域轉(zhuǎn)換到變換域（如頻率域）的過(guò)程（2）圖像增強(qiáng)

增強(qiáng)圖像中用戶感興趣的信息（3）圖像恢復(fù)

對(duì)失真的圖像進(jìn)行處理，使處理后的圖像盡量接近原始的未失真的圖像（4）圖像分割

根據(jù)選定的特征將圖像劃分成若干個(gè)有意義的部分，利于對(duì)圖像進(jìn)行分析、識(shí)別、壓縮編碼等3.醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)指同一目標(biāo)的兩幅或多幅圖像在空間位置上的對(duì)準(zhǔn)，其技術(shù)過(guò)程，稱為圖像匹配，或者圖像相關(guān)。利用圖像配準(zhǔn)技術(shù)，可以將解剖圖像和功能圖像兩大類圖像結(jié)合起來(lái)，在一幅圖像上表達(dá)多方面的信息。4.醫(yī)學(xué)圖像重建利用人體某一部位的一系列的二維斷層圖像重建三維圖像，完成對(duì)患者器官、軟組織和病變體的三維顯示，輔助臨床醫(yī)生對(duì)患者病變體和周圍組織進(jìn)行分析，以準(zhǔn)確確定患者病變體的空間位置、大小、幾何形狀及其與周圍生物組織間的空間關(guān)系。5.醫(yī)學(xué)圖像的壓縮、存儲(chǔ)與傳輸利用圖像壓縮來(lái)減少圖像數(shù)據(jù)量，即將一個(gè)大的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成較小的同性質(zhì)的文件，以利于存儲(chǔ)和傳輸。2.2醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)字化圖像數(shù)字化分為采樣和量化兩個(gè)步驟。對(duì)空間坐標(biāo)離散化的過(guò)程稱為采樣，對(duì)幅度（灰度值）離散化的過(guò)程稱為量化。圖像的數(shù)字化過(guò)程2.2醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)字化2.2醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)字化模擬圖像與數(shù)字圖像的比較數(shù)字圖像的質(zhì)量很大程度上取決于采樣和量化中所用的采樣點(diǎn)數(shù)和灰度級(jí)數(shù)。2.2.1醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)的采樣采樣就是把空間域上或時(shí)間域上連續(xù)的模擬圖像轉(zhuǎn)換成離散的采樣點(diǎn)(像素)集合的一種操作，即空間坐標(biāo)的離散化。采樣時(shí)先沿垂直方向采樣，然后將得到的掃描線再沿水平方向采樣。1.圖像信號(hào)采樣采樣示意圖1.圖像信號(hào)采樣X(jué)光片經(jīng)采樣后效果2.采樣定理若函數(shù)f(x,y)表示一幅模擬圖像，則有如下二維采樣定理：若函數(shù)f(x,y)的傅里葉變換F(u,v)在頻域中的一個(gè)有限區(qū)域外處處為零，設(shè)uc和vc為其頻譜寬度，只要采樣間隔Δx<1/2uc和Δy<1/2vc時(shí)就能由f(x,y)的采樣值精確重建f(x,y)。通常稱Δx<1/2uc，Δy<1/2vc為奈奎斯特條件。2.采樣定理采樣函數(shù)與采樣網(wǎng)格3.數(shù)字圖像頻譜(a)原函數(shù)頻譜(b)采樣后函數(shù)頻譜采樣圖像頻譜3.數(shù)字圖像頻譜采樣后圖像的頻譜是由原連續(xù)圖像頻譜及無(wú)限多個(gè)它的周期平移頻譜組成的，只是幅值上差一個(gè)因子1/ΔxΔy，重復(fù)周期在u軸和v軸上分別為1/Δx和1/Δy。當(dāng)滿足Δx<1/2uc，Δy<1/2vc即奈奎斯特條件時(shí)，即可利用低通濾波器獲得原連續(xù)圖像的頻譜，然后利用反傅里葉變換就可以精確重建f(x,y)。3.數(shù)字圖像頻譜在圖2-18(b)中，采樣網(wǎng)格選擇的是長(zhǎng)方形陣列，當(dāng)采樣間隔Δx=Δy時(shí)，就變成了正方形陣列，此時(shí)，

Δx=Δy≤1/2R（2-1）其中R為圖像可達(dá)到的最高空間頻率。3.數(shù)字圖像頻譜正方形排列的像素采樣條件3.數(shù)字圖像頻譜當(dāng)采樣間隔以蜂窩狀六邊形排列，即各相鄰像素之間的距離全部相等設(shè)為d，如圖2-21，此時(shí)進(jìn)行正確采樣的條件為

（2-2）3.數(shù)字圖像頻譜六邊形排列的像素采樣條件4.混疊現(xiàn)象當(dāng)采樣間隔過(guò)大而不滿足奈奎斯特條件時(shí)，導(dǎo)致采樣圖像的頻譜中，原始連續(xù)圖像的頻譜與它的平移復(fù)制品重疊，其中高頻分量攝入到它的中頻或低頻分量中，中頻分量攝入到高頻分量中，這種現(xiàn)象稱為混疊。部分解決混疊的辦法是：首先讓圖像通過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)牡屯V波器，濾除一部分高頻分量，然后再進(jìn)行取樣，這樣可以避免一部分高頻分量的射入。4.混疊現(xiàn)象混疊現(xiàn)象2.2.2醫(yī)學(xué)圖像信號(hào)的量化把采樣后所得的各像素的灰度值從模擬量轉(zhuǎn)換為離散量稱為量化，即量化是灰度值的離散化。量化的操作過(guò)程稱為量化過(guò)程。1.量化與量化過(guò)程灰度值的量化2.常用的量化方法量化方法有兩種，即均勻量化和非均勻量化。（1）均勻量化。均勻量化就是簡(jiǎn)單地把采樣點(diǎn)的灰度范圍等間隔地分割并進(jìn)行量化，即將灰度值域劃分成若干個(gè)等長(zhǎng)的子區(qū)間，而各子區(qū)間的等級(jí)灰度為子區(qū)間的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度。2.常用的量化方法（2）非均勻量化,又稱為非等間隔量化。其基本思想是依據(jù)一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數(shù)，按總的量化誤差最小的原則來(lái)進(jìn)行量化。即像素灰度值頻繁出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔取小一些，而對(duì)那些像素灰度值極少出現(xiàn)的灰度值范圍，量化間隔則取大一些。2.2.3采樣和量化與圖像質(zhì)量的關(guān)系1.空間分辨率和灰度分辨率空間分辨率常指圖像中可辨別的最小細(xì)節(jié)，用來(lái)衡量采樣結(jié)果質(zhì)量的高低，采樣實(shí)質(zhì)上就是要用多少像素來(lái)描述一幅圖像。所謂灰度級(jí)分辨率，是指在圖像灰度級(jí)中可分辨的最小變化，通常把大小為M×N、灰度級(jí)為L(zhǎng)的數(shù)字圖像稱為空間分辨率為M×N、灰度級(jí)分辨率為L(zhǎng)級(jí)的數(shù)字圖像。1.空間分辨率和灰度分辨率

灰度級(jí)的表示2.空間分辨率與圖像質(zhì)量

2.空間分辨率與圖像質(zhì)量

空間分辨率越高，圖像質(zhì)量越高圖像空間分辨率變化所產(chǎn)生的效果當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，隨著采樣點(diǎn)數(shù)的減少，若要保持空間分辨率不變，則圖像尺寸會(huì)越來(lái)越小。2.空間分辨率與圖像質(zhì)量

空間分辨率不變，圖像尺寸變化情況3.灰度分辨率與圖像質(zhì)量灰度級(jí)越多，圖像層次越豐富，灰度級(jí)分辨率越高，視覺(jué)效果越好；灰度級(jí)越少，圖像層次越單調(diào)，灰度級(jí)分辨率越低，圖像的視覺(jué)效果越差，并會(huì)出現(xiàn)虛假輪廓現(xiàn)象。3.灰度分辨率與圖像質(zhì)量灰度級(jí)分辨率變化所產(chǎn)生的效果4.空間和灰度分辨率同時(shí)變化的圖像質(zhì)量4.空間和灰度分辨率同時(shí)變化時(shí)，圖像質(zhì)量的退化比單獨(dú)變換空間分辨率或幅度分辨率時(shí)要更快?？臻g分辨率和灰度級(jí)分辨率同時(shí)變化所產(chǎn)生的效果4.空間和灰度分辨率同時(shí)變化的圖像質(zhì)量綜上所述，圖像質(zhì)量與空間分辨率和灰度分辨率之間的關(guān)系如下：

(1)對(duì)一幅圖像，當(dāng)量化級(jí)數(shù)Q一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)M×N對(duì)圖像質(zhì)量有著顯著的影響。采樣點(diǎn)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)減少時(shí)，圖上的塊狀效應(yīng)就逐漸明顯。

(2)同理，當(dāng)圖像的采樣點(diǎn)數(shù)一定時(shí)，采用不同量化級(jí)數(shù)的圖像質(zhì)量也不一樣。量化級(jí)數(shù)越多，圖像質(zhì)量越好，當(dāng)量化級(jí)數(shù)越少時(shí)，圖像質(zhì)量越差，圖像會(huì)出現(xiàn)虛假輪廓，量化級(jí)數(shù)最小的極端情況就是二值圖像。5.采樣和量化對(duì)圖像質(zhì)量的影響數(shù)字圖像大小一定時(shí),為了得到質(zhì)量較好的圖像，一般可采用如下原則：（1）對(duì)灰度變化緩慢、細(xì)節(jié)較少的圖像，應(yīng)該細(xì)量化、粗采樣，即采樣點(diǎn)數(shù)M×N可以少些，量化等級(jí)取值應(yīng)多些，這樣可以避免出現(xiàn)虛假輪廓。（2）對(duì)細(xì)節(jié)較多、具有復(fù)雜景物的圖像，應(yīng)細(xì)采樣、粗量化，即采樣點(diǎn)數(shù)M×N可以多些，量化等級(jí)取值應(yīng)少些，這樣避免模糊(混疊)。（3）對(duì)于彩色圖像，應(yīng)該按照顏色成分——即紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)分別進(jìn)行采樣和量化。2.2.4數(shù)字圖像的矩陣與圖像數(shù)據(jù)1.數(shù)字圖像的矩陣表示表示數(shù)字圖像的坐標(biāo)定義1.數(shù)字圖像的矩陣表示對(duì)采樣、量化后的數(shù)字圖像可用以下矩陣F表示：

（2-3）根據(jù)圖像量化級(jí)數(shù)的不同，可以將圖像分為黑白圖像、灰度圖像和彩色圖像。1.數(shù)字圖像的矩陣表示圖2-31黑白圖像的矩陣表示1.數(shù)字圖像的矩陣表示灰度圖像的矩陣表示1.數(shù)字圖像的矩陣表示圖2-33彩色圖像的矩陣表示2.圖像的數(shù)據(jù)量假定圖像的空間分辨率為M×N，每個(gè)像素量化后的灰度二進(jìn)制位數(shù)為Q，一般Q總是取為2的整數(shù)冪，即Q=2k,則存儲(chǔ)一幅數(shù)字圖像所需的二進(jìn)制位數(shù)b為：b=M×N×Q（2-4）占用的字節(jié)數(shù)B為：B=b/8（2-5）此時(shí)b越小，即量化后用來(lái)表示灰度值的位數(shù)越小，其量化誤差越大。本章小結(jié)1.醫(yī)學(xué)成像與圖像處理的基本概念。2.醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的分類及成像原理。3.醫(yī)學(xué)圖像處理研究的內(nèi)容。4.醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的組成。5.采樣與量化的過(guò)程。6.圖像質(zhì)量與采樣和量化的關(guān)系。7.數(shù)字圖像的矩陣表示與圖像數(shù)據(jù)量的計(jì)算。思考與練習(xí)22-1數(shù)字圖像有何優(yōu)點(diǎn)？2-2寫出下面常見(jiàn)醫(yī)學(xué)成像方式的中文含義：CT、PET、MRI、DSA。2-3醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容有哪些？2-4簡(jiǎn)述一個(gè)圖像處理系統(tǒng)的基本組成及畫出方框示意圖。思考與練習(xí)22-5解釋數(shù)字圖像處理的有關(guān)名詞：采樣、量化、空間分辨率、灰度分辨率。2-6簡(jiǎn)述圖像質(zhì)量與采樣和量化的關(guān)系。2-7采樣和量化應(yīng)遵從哪些原則？2-8在圖像量化中，有非均勻量化技術(shù)，在灰度級(jí)低的時(shí)候用它比較有效，但是為什么在灰度級(jí)級(jí)數(shù)高時(shí)幾乎不用？第三章醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)《醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)》本章

目錄3.1普通X射線成像技術(shù)3.2數(shù)字X射線成像技術(shù)3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）本章小結(jié)思考與練習(xí)3第三章醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，掌握普通X射線成像技術(shù)，了解計(jì)算機(jī)放射成像（ComputedRadiopraphy，CR）、數(shù)字放射攝影（DigitalRadiography，DR）的工作原理，了解X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影（X-raycomputedtomography，X-CT）的掃描方式及后處理技術(shù)。3.1.1X射線的特性X射線的發(fā)現(xiàn)3.1.1X射線的特性貫穿本領(lǐng)電離作用熒光作用光化學(xué)作用生物效應(yīng)3.1.2X射線的衰減1．X射線衰減的微觀機(jī)制（1）光電效應(yīng)入射光子逸出電子金屬板3.1.2X射線的衰減1．X射線衰減的微觀機(jī)制（2）康普頓散射φhc/λ0hc/λm0

v0=0mv圖3-2康普頓散射示意圖介質(zhì)原子序數(shù)收80706050403020100501001000光子能量（keV）光電效應(yīng)康普頓散射3.1.2X射線的衰減2．單色X射線在介質(zhì)中的衰減規(guī)律：朗伯—比耳定律3.1.2X射線的衰減3.連續(xù)譜X射線在介質(zhì)中的衰減規(guī)律01234水模厚度（cm）單色X射線和連續(xù)譜X射線的衰減100kV單色X射線100kV連續(xù)譜X射線1000光子數(shù)5003.1.2X射線的衰減4．X射線在人體組織中的衰減人體組織結(jié)構(gòu)是由不同元素組成的，按各種組織單位體積內(nèi)各元素總和大小的不同而有不同的密度。人體組織結(jié)構(gòu)按密度來(lái)分可以歸納為三類：（1）屬于高密度的有骨組織和鈣化灶等；（2）中等密度的有軟骨、肌肉、神經(jīng)、器官、結(jié)締組織以及血液、體液等；（3）低密度的有脂肪組織以及存在于呼吸道、胃腸道、鼻竇和乳突內(nèi)的氣體等。骨骼和肌肉、脂肪、氣體等在密度、原子序數(shù)、電子數(shù)密度上差異比較大，因此所形成的影像對(duì)比度比較高，肌肉和脂肪在上述指標(biāo)上差異不是很大，因此X射線成像上所產(chǎn)生的影像對(duì)比度不夠，不足以區(qū)分肌肉、脂肪等軟組織，氣體由于質(zhì)量密度很小，所以也能區(qū)別于骨骼、肌肉等軟組織。3.1.3X射線透視及X射線攝影1．X射線透視立位X射線透視熒光屏X射線影像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)3.1.3X射線透視及X射線攝影2．X射線攝影傳統(tǒng)X射線攝影與X射線透視不同的是,被照體經(jīng)X射線照射后,是將影像信息記錄在膠片上,然后經(jīng)過(guò)一系列的處理將潛影變?yōu)榭梢?jiàn)影像顯示在膠片上。3.1.3X射線透視及X射線攝影2．X射線攝影

熒光增強(qiáng)屏黏結(jié)劑片基感光乳膠感光乳膠黏結(jié)劑熒光增強(qiáng)屏屏-片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1.3X射線透視及X射線攝影2．X射線攝影（1）膠片X射線膠片的主要功能是醫(yī)學(xué)影像的記錄顯示和存儲(chǔ)。那么如何確定膠片的性能呢？反映膠片性能的參數(shù)最主要的有兩個(gè)：曝光量-光密度曲線（H-D曲線），感光速度。3.1.3X射線透視及X射線攝影2．X射線攝影（1）膠片

圖3-10膠片的H-D曲線3.1.3X射線透視及X射線攝影2．X射線攝影（2）增感屏增感屏是X射線攝影中的重要器械,其性能的優(yōu)劣直接影響圖像的質(zhì)量。增感屏是利用了物質(zhì)的熒光現(xiàn)象，將X射線變成可見(jiàn)光，增強(qiáng)X射線膠片的感光作用，減少對(duì)病人和操作者的有害輻射。3.1.3X射線透視及X射線攝影2．X射線攝影（2）增感屏增感屏的性能質(zhì)量可以從四個(gè)方面指標(biāo)來(lái)說(shuō)明：增感效率(感度)成像性能發(fā)光均勻性殘留天然放射性元素3.1.3X射線透視及X射線攝影3．X射線造影臨床上，常采用造影劑來(lái)提高圖像的對(duì)比度。造影劑被輸入目標(biāo)器官或組織后，能使其與周圍背景形成較大的密度差，從而改變器官或組織的密度，使它們能在影像上反映出來(lái)，造影劑主要應(yīng)用于血管、腎、膽囊、心臟、胃等的顯示。3.1.3X射線透視及X射線攝影3．X射線造影

傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)運(yùn)用X線的穿透性、熒光作用及感光效應(yīng),通過(guò)X線膠片感光成像,照片上點(diǎn)與點(diǎn)之間的灰度值是連續(xù)變化的,中間沒(méi)有間隔,產(chǎn)生模擬圖像。這種模式經(jīng)歷了近百年的臨床應(yīng)用與實(shí)踐，逐漸暴露了以下缺點(diǎn)：X射線能量的利用率不高。密度分辨力低，圖像動(dòng)態(tài)范圍小。影像重疊。膠片存儲(chǔ)、檢索困難，圖像不能進(jìn)行后處理。解決這些問(wèn)題的根本出路在于數(shù)字化。一種辦法是將膠片通過(guò)激光掃描數(shù)字化儀變成數(shù)字圖像，另一種辦法是發(fā)展數(shù)字放射攝影。3.2數(shù)字X射線成像技術(shù)3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)“影像就是一切”，那么影像是如何形成的呢？我們需要了解一些和數(shù)字X射線成像相關(guān)的概念。1．視覺(jué)感知3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)1．視覺(jué)感知3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)2．X射線圖像感知和獲取傳感器的定義是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

外殼輸出電信號(hào)敏感材料濾光器照射信號(hào)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)2．X射線圖像感知和獲取

傳感器陣列輸出后的圖像成像系統(tǒng)傳感器陣列數(shù)字圖像獲取過(guò)程3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)

3．X射線圖像的采樣和量化以原始蘋果圖像為例，若這是一張模擬圖像，沿著X軸方向進(jìn)行讀取，則可以得到灰度級(jí)隨著X變化而變化的曲線。為了將這條連續(xù)的曲線轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，則需要選定坐標(biāo)，并確定在坐標(biāo)下的灰度級(jí)幅值，如圖所示。數(shù)字化坐標(biāo)值成為采樣，數(shù)字化灰度級(jí)幅值成為量化。3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)

3．X射線圖像的采樣和量化（1）X射線采樣和量化過(guò)程

X灰度級(jí)X0X灰度級(jí)0X（a）（b）（c）圖

數(shù)字圖像采樣和量化過(guò)程3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)

3．X射線圖像的采樣和量化（2）灰度級(jí)分辨率：空間分辨率：是圖像中可辨別的最小細(xì)節(jié)，常用單位是線對(duì)/毫米（LP/mm），表示每單位距離可分辨的最大線對(duì)數(shù)目?；叶燃?jí)分辨率：是指在灰度級(jí)別中可辨別的最小變化，通?；叶燃?jí)數(shù)是2G，G就表示圖像像素灰度值所需的比特位數(shù)。3.2.1數(shù)字X射線成像基礎(chǔ)知識(shí)

3．X射線圖像的采樣和量化（2）灰度級(jí)分辨率：

（a）（b）（c）陣列式傳感器數(shù)字圖像采樣和量化過(guò)程3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影

無(wú)膠片的數(shù)字化時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，X射線成像的數(shù)字化不僅僅是為了實(shí)現(xiàn)放射科的無(wú)膠片化和醫(yī)學(xué)影像存檔與通信的需要,還為X射線攝影開(kāi)拓了新的診斷領(lǐng)域,為計(jì)算機(jī)輔助診斷-CAD(ComputerAssistedDiagnosis)提供了條件。數(shù)字化X射線成像技術(shù)的命名和分類可以分為以下幾種：按讀出方式分類，可以分為直接讀出方式和非直接讀出方式。按轉(zhuǎn)換方式分類，可以分為直接轉(zhuǎn)換方式和間接轉(zhuǎn)換方式。按工作方式分類，可分為X射線數(shù)字透視(DigitalFluorography，DF)，和數(shù)字?jǐn)z影(DigitalRadiography簡(jiǎn)稱DR)。3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影1．X射線數(shù)字透視X射線數(shù)字透視（digitalfluoroscopy，DF）也稱為數(shù)字熒光攝影（digitalfluoroscopy，DF）。X射線數(shù)字透視系統(tǒng)的主要部件為影像增強(qiáng)器、電視攝影機(jī)、AD轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)?？梢?jiàn)光X射線電視攝影機(jī)AD轉(zhuǎn)換器影像增強(qiáng)器計(jì)算機(jī)X射線數(shù)字透視系統(tǒng)3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影

目前X射線數(shù)字?jǐn)z影有兩種數(shù)字化成像系統(tǒng)中臨床上應(yīng)用廣泛，分別是計(jì)算機(jī)放射成像（ComputedRadiopraphy，CR）和數(shù)字放射成像（DigitalRadiopraphy，DR）。3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影（1）計(jì)算機(jī)放射成像

3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影（1）計(jì)算機(jī)放射成像如圖所示為CR系統(tǒng)成像基本原理，分成三個(gè)子系統(tǒng)：信息采集、信息轉(zhuǎn)換和信息處理與記錄。①信息采集部分②信息轉(zhuǎn)換部分③信息處理與記錄

X射線IP信息采集AD轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)信息轉(zhuǎn)換和信息處理記錄激光光電倍增管IP3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影（1）計(jì)算機(jī)放射成像

CR的發(fā)展簡(jiǎn)史：CR技術(shù)最早由美國(guó)Kodak公司在1976年申請(qǐng)專利，但是第一個(gè)CR系統(tǒng)卻于1992年安裝；1980年日本富士公司注冊(cè)了成像板技術(shù)專利，于1983年展示了第一臺(tái)CR影像閱讀器；AGFA公司于1994年推出ADC7O型CR系統(tǒng)；1998年，美國(guó)Lumisys公司推出ACR一2000型CR系統(tǒng)。目前，我國(guó)醫(yī)院CR系統(tǒng)，還是以進(jìn)口品牌為主,鮮見(jiàn)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，其主要為以Fuji、Kodak、AGFA、GE等品牌為多。3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影（2）數(shù)字放射成像

1995年11月，北美放射年會(huì)上，美國(guó)杜邦公司首先發(fā)布了基于硒材料的X射線平板探測(cè)器的成功研制。FPD是由在玻璃基底上的薄膜硅晶體管陣列組成，每一個(gè)探測(cè)器像素由一個(gè)光電二極管和相連的薄膜硅晶體管組成，可以直接將X射線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。從此以后，以半導(dǎo)體平板探測(cè)器為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換媒介而開(kāi)發(fā)的直接數(shù)字化攝影系統(tǒng)開(kāi)始走入臨床?，F(xiàn)在習(xí)慣上，將應(yīng)用FPD來(lái)實(shí)現(xiàn)X射線數(shù)字化攝影技術(shù)的稱之為數(shù)字?jǐn)z影（Digitalradiography，DR）。3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影（2）數(shù)字放射成像

DR技術(shù)從X線探測(cè)器成像原理可分為非直接轉(zhuǎn)換和直接轉(zhuǎn)換兩類。第一代非直接轉(zhuǎn)換采用的增感屏加光學(xué)鏡頭耦合的CCD(電荷耦合器)來(lái)獲取數(shù)字化X線圖像。第二代是采用直接轉(zhuǎn)換技術(shù),即平板探測(cè)器。3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影2．X射線數(shù)字?jǐn)z影（2）數(shù)字放射成像X射線FPD計(jì)算機(jī)DR的成像系統(tǒng)，是采用FPD將透過(guò)人體投射過(guò)來(lái)的X射線衰減信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，或者先轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光信號(hào)，再通過(guò)半導(dǎo)體探測(cè)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，最后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)、傳輸。3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影X射線數(shù)字?jǐn)z影設(shè)備CRDR成像原理X射線間接轉(zhuǎn)換，成像環(huán)節(jié)相對(duì)于DR較多X射線間接、直接轉(zhuǎn)換，直接創(chuàng)建數(shù)字圖像空間分辨率5LP/mm3.6LP/mm灰度分辨率10bit12bit動(dòng)態(tài)攝影不能實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)X射線劑量相比傳統(tǒng)X射線攝影，低相比傳統(tǒng)X射線攝影，更低響應(yīng)速度成像環(huán)節(jié)多，慢，成像大約2min成像環(huán)節(jié)少，快，成像大約7min設(shè)備價(jià)格較DR低，無(wú)需改變現(xiàn)有設(shè)備需改裝已有設(shè)備,費(fèi)用高,整機(jī)昂貴圖像通信PACSPACS環(huán)境要求IP板可以是便攜式固定3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影3．X射線數(shù)字減影

X射線數(shù)字減影是指將不同條件下攝取的數(shù)字圖像做減影處理。不同時(shí)刻攝取的同一部位的兩幅圖像相減，為時(shí)間減影；不同能量下攝取的兩幅圖像相減，為能量減影。

數(shù)字減影血管造影系統(tǒng)3.2.2X射線數(shù)字透視與數(shù)字?jǐn)z影3．X射線數(shù)字減影（1）數(shù)字減影血管造影（2）多能量數(shù)字減影隨著X射線數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了很多專用設(shè)備，如數(shù)字化鉬靶乳房專用X線機(jī)、數(shù)字胃腸X線機(jī)，數(shù)字減影血管造影機(jī)等，為X射線數(shù)字化攝影的應(yīng)用開(kāi)拓新的領(lǐng)域。

3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.1X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)3.3.2X-CT的掃描方式3.3.3X-CT的處理技術(shù)X-CT是X射線計(jì)算機(jī)體層成像的簡(jiǎn)稱,是X射線、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代科技應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的產(chǎn)物。它為診斷疑難疾病提供了一種全新的檢查手段,在放射醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）科馬克(A.M.Cormack,1924-1998,美籍南非人)(G.N.Hounsfield,1919-,英國(guó)人),發(fā)明電子計(jì)算機(jī)控制的X射線斷層掃描儀(CT掃描儀)。CT的問(wèn)世在放射學(xué)界引起了爆炸性的轟動(dòng)，被認(rèn)為是繼1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后放射診斷學(xué)的又一劃時(shí)代貢獻(xiàn)。為此，Hounsfield和Cormack共同獲得了1979年的諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，這也是第一次由非生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家獲此殊榮。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.1X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1．傅里葉變換一維連續(xù)函數(shù)的傅里葉變換定義為其中，。傅里葉的反變換定義為

3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.1X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)傅里葉變換具有以下性質(zhì)：對(duì)稱性和疊加性尺度變換特性平移性和頻移性卷積可分離性3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.1X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2．線性代數(shù)基礎(chǔ)（1）向量空間與矩陣向量：設(shè)K是一個(gè)數(shù)域。K中m個(gè)數(shù)，它們組成一個(gè)元有序數(shù)組稱為一個(gè)m維向量；用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)為a稱為一個(gè)m維列向量；而a’稱為一個(gè)m維行向量。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.1X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2．線性代數(shù)基礎(chǔ)矩陣：對(duì)于給定數(shù)域K中的mn個(gè)aij元素（，）。把它們按一定次序排成一個(gè)m行n列的長(zhǎng)方形表格上式稱為K數(shù)域上的一個(gè)m行n列矩陣，簡(jiǎn)稱為矩陣。矩陣在數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像中有著廣泛的應(yīng)用。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.1X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)2．線性代數(shù)基礎(chǔ)（2）矩陣的運(yùn)算加法乘法（3）矩陣運(yùn)算的性質(zhì)加法結(jié)合律加法交換律數(shù)乘結(jié)合律數(shù)乘分配律乘法結(jié)合律乘法分配律3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.2X-CT的掃描方式1．CT系統(tǒng)的基本構(gòu)架X射線CT系統(tǒng)可分為五個(gè)主要組成部分：掃描機(jī)架及掃描床，X線發(fā)生系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)和圖像重建系統(tǒng)，圖像顯示、記錄和存儲(chǔ)系統(tǒng)等部分組成。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）

X-CT第一代第二代第三代第四代第五代螺旋CT多層螺旋CT掃描方式單細(xì)束平移-旋轉(zhuǎn)窄扇束平移-旋轉(zhuǎn)寬扇束旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)寬扇束旋轉(zhuǎn)-靜止電子束靜止-靜止螺旋掃描多層螺旋掃描X射線束形狀單路筆形束多路筆形束或扇形束脈沖扇形束連續(xù)脈沖扇形束扇形束扇形束錐形束X射線束角度-30～260210～450480～120036003600探測(cè)器數(shù)/層13～52300～800600～1500多層1層多層掃描層數(shù)1～21～211多連續(xù)多層連續(xù)多層掃描時(shí)間(s)240～30020～1201～51～50.03～0.1應(yīng)用范圍頭顱頭顱全身全身動(dòng)態(tài)器官全身全身2．X-CT的主要掃描方式3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)

1．CT圖像的重建（1）精確求解方程組法朗伯—比耳定律

通過(guò)CT掃描，每一個(gè)測(cè)量值后面都有一條方程式，如果掃描線足夠多且不重復(fù)，就可以得到足夠多的方程式來(lái)求解每一個(gè)容積衰減系數(shù)。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)

1．CT圖像的重建（2）反投影重建法在一次測(cè)量中,將檢測(cè)器讀出的X射線衰減系數(shù)經(jīng)處理后,再沿著X射線照射的反方向涂抹在畫面上得到重建圖象，下面用矩陣來(lái)演示反投影法。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)1．CT圖像的重建（2）反投影重建法

3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)

1．CT圖像的重建（2）反投影重建法

3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)

1．CT圖像的重建（2）反投影重建法

3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)

1．CT圖像的重建（3）迭代重建法反投影重建算法是解析的、近似的。迭代法是解矩陣方程常用的方法，是逐步逼近精確解的一種方法?？梢约僭O(shè)圖像的初始衰減系數(shù)為任意一數(shù)值，然后將計(jì)算值和實(shí)際投影所測(cè)得的值進(jìn)行比較，修正系統(tǒng)矩陣參數(shù)，不斷重復(fù)，直至和實(shí)際測(cè)量值的差值在誤差允許的范圍之內(nèi)。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)

2．CT圖像的顯示、記錄和存儲(chǔ)(1)CT值在醫(yī)學(xué)上,由于總是討論吸收系數(shù)不太方便,因此國(guó)際上規(guī)定了以H(Hounsfield)為CT值的單位,作為表達(dá)組織密度的統(tǒng)一單位。CT值的計(jì)算公式如下:

式中,分別為被測(cè)物質(zhì)和水的線性衰減系數(shù)。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)2．CT圖像的顯示、記錄和存儲(chǔ)（2）窗口技術(shù)

CT機(jī)能辨別2000～3000多個(gè)灰階，而人眼只能辨別16～20個(gè)灰階。人們僅能把CT值相差125以上的組織分辨出來(lái)。但實(shí)際上人體各種軟組織CT值的差別只有幾個(gè)，而CT診斷又主要對(duì)軟組織區(qū)域感興趣，如何解決這個(gè)矛盾？選擇任意窗位為中心，再選擇適當(dāng)?shù)拇皩?，開(kāi)一個(gè)窗口，把人眼能辨別出的16個(gè)灰階壓縮在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)（3）圖像顯示、記錄和存儲(chǔ)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和圖像重建系統(tǒng)提供的數(shù)字圖像，可以通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，顯示在監(jiān)視器上供醫(yī)生觀看，可以直接存儲(chǔ)在磁性載體上供以后需要時(shí)調(diào)用，也可以永久性地記錄在膠片上。3.3X射線計(jì)算機(jī)體層成像技術(shù)（X-CT）3.3.3X-CT的后處理技術(shù)3．CT技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（1）雙能CT系統(tǒng)（2）新型的高效探測(cè)器（3）X射線CT掃描機(jī)與其它成像設(shè)備的整合（4）X線CT掃描機(jī)與放射治療設(shè)備的整合本章小結(jié)

這一章沿著醫(yī)學(xué)X射線成像技術(shù)的發(fā)展歷程，講述了普通X射線成像、數(shù)字X射線成像以及X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影的工作原理及相關(guān)技術(shù)。1．X射線的特性、X射線的衰減、X射線透視、X射線攝影、X射線造影2．?dāng)?shù)字圖像基礎(chǔ)知識(shí)、X射線數(shù)字透視、X射線數(shù)字?jǐn)z影、X射線數(shù)字減影造影成像3．X-CT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、X-CT的掃描方式、X-CT的后處理技術(shù)思考與練習(xí)

31．簡(jiǎn)述X射線的特性及其在介質(zhì)中的衰減規(guī)律。2．簡(jiǎn)述CR成像的基本原理。3．請(qǐng)說(shuō)明X射線透視和X射線攝影的區(qū)別。4．請(qǐng)說(shuō)明數(shù)字X射線攝影相比X射線攝影在系統(tǒng)上有什么變化。5．請(qǐng)說(shuō)明CR和DR的優(yōu)缺點(diǎn)。6．簡(jiǎn)述數(shù)字減影血管造影技術(shù)的基本原理。7．請(qǐng)說(shuō)明CT的掃描方式有幾種？請(qǐng)分別列出。8．簡(jiǎn)述螺旋CT相比前四代X-CT掃描機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)。9．簡(jiǎn)述CT的后處理技術(shù)包含哪些。10．簡(jiǎn)述CT的發(fā)展趨勢(shì)。第四章醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)

《醫(yī)學(xué)成像及處理技術(shù)》本章目錄4.1醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)概述4.2醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)4.3醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備本章小結(jié)思考與練習(xí)4