医学图像处理与分析_第二章 医学图像的成像模式
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第二章 医学图像的成像模式
第二章 医学图像的成像模式
概述 一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
概述
•电磁波谱及其用于医学成像的波段
音频
射频
20 20k 超长 中 短 长波 波 波 波
超 短 波
微Байду номын сангаас波
频率(Hz)
红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
列文虎克：第一个看到活细胞的人
• 1895年，德国物理学家伦琴发现X射线 • 1901年，伦琴获得首届诺贝尔物理学奖
X射线
NMR现象 • Bloch和Purcell因1945年发现NMR现象获得
1952年诺贝尔物理学奖
• 发明MRI中Fourier重建方法的Ernst获得 1991年诺贝尔化学奖
100μ 0.76μ 0.4μ 300G
100 Å
0.01 Å 波长(m)
亚
毫
米 波
放射线设备
使用的频谱
医学成像
X-CT成像
X线成像
可见光 成像
磁共振 成像
医学图像
红外、 微波成像
核素成像
超声 成像
分子成像
光学显微镜
1590 年：光学显微镜－荷兰眼镜制造商Janssen Robert Hooke：发现细胞
400～450 胰腺癌 275～400
对比度增强机制 顺磁性、超顺磁性或铁磁性物质
3. MRI的一般技术性能
灵敏度： 分子成像时，高于X-CT、低于核素和光学成像
空间分辨率：稍逊于X-CT，高于其他
时间分辨率：取决于图像重建
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像
三、 磁共振成像 1. 成像原理
物理基础
成像原理
2. 图像信息
氢核：1H
像素灰度：弛豫时间
三、 磁共振成像
• 同一组织在不同生理或病理状态的T1
状态 肝脏 肝炎 肝癌
T1（ms） 140～170
290 300～450
状态 肾脏 肾癌
T1（ms） 300～340
状态 胰腺
T1（ms） 200～275
同步辐射光源
Synchrotron Radiation
SR：电子在磁场中以接近光速作曲线运动所产生 的电磁辐射
宽波段：具有从远红外、可见光、紫外直到X射 线范围内的连续光谱
相位成像（Phase-contrast image）－不同 折射率物质引起相位变化、对比
适用于低吸收物体或吸收差异小的物体 分辨率可达到30-40μm（普通x射线、CT成像，100μm）
物理基础
成像原理
OD
ln
I I0
ln
I0
ln I
图像信息：组织浓度
对比度增强机制 细胞HE染色 免疫组化染色
常规光学成像
2. 荧光（或生物发光）成像
物理基础
成像原理
荧光成像
荧光成像
图像信息 灰度反映特定物质的量 Fura-2 + Ca++ 探针PF1 + H2O2
2008年，钱永健等三人因（水母）绿色荧光蛋 白跟踪活体生物效应获得诺贝尔化学奖
医学图像
12
12
医学图像
13
13
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像
1. 常规光学成像 2. 荧光（或生物发光）成像 3. 技术性能
二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
一、光学成像 1. 常规光学成像
同步辐射光源
SR具有更理想的对比度，但分辨率没有明显差别 同样剂量的情况下，更好的图像质量
Images of a breast sample from mastectomy surgery acquired using monochromatic beam at 16 keV (A), 17 keV (B) and 18 keV (C). For comparison the conventional digital mammography (D) is shown. The sample was fresh, unfixed, and the thickness was 2.1 cm after compression.
CT
• Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979 年诺贝尔医学和生理学奖
MRI
• Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得 2003年诺贝尔医学和生理学奖
电子显微镜和扫描隧道显微镜
The 1986 Nobel Prize for Physics honored three of the inventors of the electron and scanning tunnel microscopes, Ernst Ruska, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer.
荧光成像
3. 光学成像的一般技术性能
灵敏度：高 一般采用CCD检测 发射光波长在NIR范围，提高信噪比
空间分辨率：低 取决于光源深度
时间分辨率：可实时成像
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 技术性能
三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
水
0.9934
血液 1.055
软组织 1.016
肌肉 1.074
骨
1.658
脂肪 0.955
声速 特征阻抗 (m/s) (X105，瑞利)
332 0.000429 1523 1.513 1570 1.656 1500 1.524 1568 1.684 3860 5.571 1476 1.410
对比度增强 增强散射 可采用微泡
CTnumber
w w
k
CT值与吸收系数
对比度增强机制 密度高，与软组织差异大 碘剂 钡剂（医用硫酸钡）
二、X线及X-CT成像
3. 一般技术性能
灵敏度：较低 对密度相差不大的组织或器官区分能力不强
空间分辨率：很高 时间分辨率：取决于图像重建
第一章 数字图像及其分析系统 二、图像处理系统
SPECT原理
PET原理
五、核素成像
2. 图像信息
直接反映了体内放射性核素活度的强弱 间接反映特定功能的强弱 对比度增强：核素本身为增强剂
五、核素成像
3. 一般技术性能
灵敏度：均很高
空间分辨率 PET稍优于SPECT 总体上讲，都较低，PET/CT可以弥补
时间分辨率：取决于图像重建
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 一般技术性能
五、核素成像
第二章 医学图像的成像模式
四、 B型超声成像 1. 成像原理
物理基础
成像原理
超声的反射与折射
超声的散射与绕射
2. 图像信息
回波强度反映介质组织的声阻抗 人体组织的声阻与衰减系数
介质 密度(g/cm3)
空气 0.001293
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 一般技术性能
第二章 医学图像的成像模式
五、核素成像 1. 成像原理
ECT：发射型计算机断层成像 单光子发射计算机断层成像(SPECT) 正电子发射成像(PET)
ECT物理基础 外源性
成像原理 核素不同
SPECT PET
检测原理及技术有所不同
CT影像的像素如何计算出来？
通过线方向上的衰减系数μ 值，来
计算各像素的衰减系数值。
•直接矩阵求解法
•逐次近似法(迭代法) •总和法(逆投影法) •卷积反投影法
1 5 4
？？ ？？
4
6
3
7
2 5 3
CT投影重建
2. 图像信息
CT值与吸收系数 水的CT值为0，空气为–1000 其他组织的值：根据水的相对值计算出来
第二章 医学图像的成像模式 一、光学成像 二、X线及X-CT成像
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 技术性能
回顾
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 一般技术性能
四、B型超声成像 五、核素成像
第二章 医学图像的成像模式
第二章 医学图像的成像模式
二、 X线及X-CT成像 1. 成像原理
物理基础
成像原理
I0
I
X 射线源
检测器 I I 0 e μd
d
CT影像的像素由什么来决定 ?
I为穿过某一物质后的X射线强度； I0为射入该物质之前的X射线强度； μ 为该物质的吸收系数（不同物质的μ 值不同， 由物质的物理特性决定）；
传统成像
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像
分子成像
五、核素成像
成像模式总结
d为该物质的厚度；
•由该像素对X射线的衰减系数μ 来决定
人体组织密度差异和X线影像关系表
组织 骨、钙化灶 软组织、液体
脂肪 气体
密度 高 稍低 更低 最低
吸收X线量 多 稍少 更少 最少
透过的X线量 少 稍多 更多 最多
影像 白 灰 深灰 黑
由投影重建的图像
由投影重建的图像
•体素（voxel） •像素（pixel）
3. 一般技术性能
灵敏度： 空间分辨率：高，可达0.1mm
角度分辨率（angular resolution） 轴向分辨率（axial resolution） 时间分辨率
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
第二章 医学图像的成像模式
概述 一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
概述
•电磁波谱及其用于医学成像的波段
音频
射频
20 20k 超长 中 短 长波 波 波 波
超 短 波
微Байду номын сангаас波
频率(Hz)
红外线 可见光 紫外线 X射线 γ射线
列文虎克：第一个看到活细胞的人
• 1895年，德国物理学家伦琴发现X射线 • 1901年，伦琴获得首届诺贝尔物理学奖
X射线
NMR现象 • Bloch和Purcell因1945年发现NMR现象获得
1952年诺贝尔物理学奖
• 发明MRI中Fourier重建方法的Ernst获得 1991年诺贝尔化学奖
100μ 0.76μ 0.4μ 300G
100 Å
0.01 Å 波长(m)
亚
毫
米 波
放射线设备
使用的频谱
医学成像
X-CT成像
X线成像
可见光 成像
磁共振 成像
医学图像
红外、 微波成像
核素成像
超声 成像
分子成像
光学显微镜
1590 年：光学显微镜－荷兰眼镜制造商Janssen Robert Hooke：发现细胞
400～450 胰腺癌 275～400
对比度增强机制 顺磁性、超顺磁性或铁磁性物质
3. MRI的一般技术性能
灵敏度： 分子成像时，高于X-CT、低于核素和光学成像
空间分辨率：稍逊于X-CT，高于其他
时间分辨率：取决于图像重建
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像
三、 磁共振成像 1. 成像原理
物理基础
成像原理
2. 图像信息
氢核：1H
像素灰度：弛豫时间
三、 磁共振成像
• 同一组织在不同生理或病理状态的T1
状态 肝脏 肝炎 肝癌
T1（ms） 140～170
290 300～450
状态 肾脏 肾癌
T1（ms） 300～340
状态 胰腺
T1（ms） 200～275
同步辐射光源
Synchrotron Radiation
SR：电子在磁场中以接近光速作曲线运动所产生 的电磁辐射
宽波段：具有从远红外、可见光、紫外直到X射 线范围内的连续光谱
相位成像（Phase-contrast image）－不同 折射率物质引起相位变化、对比
适用于低吸收物体或吸收差异小的物体 分辨率可达到30-40μm（普通x射线、CT成像，100μm）
物理基础
成像原理
OD
ln
I I0
ln
I0
ln I
图像信息：组织浓度
对比度增强机制 细胞HE染色 免疫组化染色
常规光学成像
2. 荧光（或生物发光）成像
物理基础
成像原理
荧光成像
荧光成像
图像信息 灰度反映特定物质的量 Fura-2 + Ca++ 探针PF1 + H2O2
2008年，钱永健等三人因（水母）绿色荧光蛋 白跟踪活体生物效应获得诺贝尔化学奖
医学图像
12
12
医学图像
13
13
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像
1. 常规光学成像 2. 荧光（或生物发光）成像 3. 技术性能
二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
一、光学成像 1. 常规光学成像
同步辐射光源
SR具有更理想的对比度，但分辨率没有明显差别 同样剂量的情况下，更好的图像质量
Images of a breast sample from mastectomy surgery acquired using monochromatic beam at 16 keV (A), 17 keV (B) and 18 keV (C). For comparison the conventional digital mammography (D) is shown. The sample was fresh, unfixed, and the thickness was 2.1 cm after compression.
CT
• Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979 年诺贝尔医学和生理学奖
MRI
• Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得 2003年诺贝尔医学和生理学奖
电子显微镜和扫描隧道显微镜
The 1986 Nobel Prize for Physics honored three of the inventors of the electron and scanning tunnel microscopes, Ernst Ruska, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer.
荧光成像
3. 光学成像的一般技术性能
灵敏度：高 一般采用CCD检测 发射光波长在NIR范围，提高信噪比
空间分辨率：低 取决于光源深度
时间分辨率：可实时成像
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 技术性能
三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像
水
0.9934
血液 1.055
软组织 1.016
肌肉 1.074
骨
1.658
脂肪 0.955
声速 特征阻抗 (m/s) (X105，瑞利)
332 0.000429 1523 1.513 1570 1.656 1500 1.524 1568 1.684 3860 5.571 1476 1.410
对比度增强 增强散射 可采用微泡
CTnumber
w w
k
CT值与吸收系数
对比度增强机制 密度高，与软组织差异大 碘剂 钡剂（医用硫酸钡）
二、X线及X-CT成像
3. 一般技术性能
灵敏度：较低 对密度相差不大的组织或器官区分能力不强
空间分辨率：很高 时间分辨率：取决于图像重建
第一章 数字图像及其分析系统 二、图像处理系统
SPECT原理
PET原理
五、核素成像
2. 图像信息
直接反映了体内放射性核素活度的强弱 间接反映特定功能的强弱 对比度增强：核素本身为增强剂
五、核素成像
3. 一般技术性能
灵敏度：均很高
空间分辨率 PET稍优于SPECT 总体上讲，都较低，PET/CT可以弥补
时间分辨率：取决于图像重建
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 一般技术性能
五、核素成像
第二章 医学图像的成像模式
四、 B型超声成像 1. 成像原理
物理基础
成像原理
超声的反射与折射
超声的散射与绕射
2. 图像信息
回波强度反映介质组织的声阻抗 人体组织的声阻与衰减系数
介质 密度(g/cm3)
空气 0.001293
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 一般技术性能
第二章 医学图像的成像模式
五、核素成像 1. 成像原理
ECT：发射型计算机断层成像 单光子发射计算机断层成像(SPECT) 正电子发射成像(PET)
ECT物理基础 外源性
成像原理 核素不同
SPECT PET
检测原理及技术有所不同
CT影像的像素如何计算出来？
通过线方向上的衰减系数μ 值，来
计算各像素的衰减系数值。
•直接矩阵求解法
•逐次近似法(迭代法) •总和法(逆投影法) •卷积反投影法
1 5 4
？？ ？？
4
6
3
7
2 5 3
CT投影重建
2. 图像信息
CT值与吸收系数 水的CT值为0，空气为–1000 其他组织的值：根据水的相对值计算出来
第二章 医学图像的成像模式 一、光学成像 二、X线及X-CT成像
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 技术性能
回顾
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像
1. 成像原理 2. 图像信息 3. 一般技术性能
四、B型超声成像 五、核素成像
第二章 医学图像的成像模式
第二章 医学图像的成像模式
二、 X线及X-CT成像 1. 成像原理
物理基础
成像原理
I0
I
X 射线源
检测器 I I 0 e μd
d
CT影像的像素由什么来决定 ?
I为穿过某一物质后的X射线强度； I0为射入该物质之前的X射线强度； μ 为该物质的吸收系数（不同物质的μ 值不同， 由物质的物理特性决定）；
传统成像
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像
分子成像
五、核素成像
成像模式总结
d为该物质的厚度；
•由该像素对X射线的衰减系数μ 来决定
人体组织密度差异和X线影像关系表
组织 骨、钙化灶 软组织、液体
脂肪 气体
密度 高 稍低 更低 最低
吸收X线量 多 稍少 更少 最少
透过的X线量 少 稍多 更多 最多
影像 白 灰 深灰 黑
由投影重建的图像
由投影重建的图像
•体素（voxel） •像素（pixel）
3. 一般技术性能
灵敏度： 空间分辨率：高，可达0.1mm
角度分辨率（angular resolution） 轴向分辨率（axial resolution） 时间分辨率
第二章 医学图像的成像模式
一、光学成像 二、X线及X-CT成像 三、磁共振成像 四、B型超声成像 五、核素成像