生物医学工程专业概论-医学图象处理

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医学图象处理发展的四个阶段
• 1980年前—1984年：医学图像质量较差。二维图像处理与分析，重点是图像分 割、配准等。
• 1985年—1991年：医学成像设备的发展，MR设备成为越来越重要的数据源。计 算机辅助诊断、图像分割、配准、三维重建等是研究重点。
• 1992年—1998年：高质量的三维MR图像出现。螺旋CT、超声、SPECT和PET也迅 速发展。医学影像处理与分析中的问题越来越复杂，功能图像的处理与分析出 现。
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彩色多普勒超声图象（肾脏）
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我国的超声仪
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B超图象（Fetal profile）
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B超图象（Fetal profile）
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正常颈动脉分叉
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颈动脉狭窄
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静脉瓣
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胆囊Gallbladder
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§3 主要的医学图象
• 放射性核素成像ECT－－PET（正电子CT）
年美国还成立了NIBIB（ National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering ）机构专 门资助医学成像和生物工程领域的研究
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分类
• 生物医学显微图像学(Biomedical micro-imaging，BMMI) 研究生物体微观结构和功能为主
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计算机合成图象
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阿波罗登月 （ ） 1969年7月20日，人类实现第一次登月着陆
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生物医学图像学（BMI)
• 是一门古老而年轻的学科 • 它的产生可追溯到公元15～ 16世纪，甚至更早时期 • 现代科学技术和现代医学的飞速发展，使它成为一门蓬勃发展的具有代表性的现代学科
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主要内容
• §1 研究的对象、研究目的 • §2 研究的任务 • §3 主要的医学图象 • §4 医学图象处理的目的、意思、手段
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MRI分子成像
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MRI的突出优点
• 基于核磁共振，无高能（X－Ray）辐射，故安全、对人体无创 • 可以对人体组织作出形态和功能的诊断；
• fMRI：磁共振功能成像
• 提供精细的解剖结构信息
• MRI分辨率可达0.5mm；
• 获取人体的三维图像数据较容易
• 直接产生三维数据，无需重建 MRI完成于80年代， 对医学成像产生意义深远的影响
• 1999年以后：成像技术更先进。图像处理算法更复杂。例如：功能激活区提取， 纤维追踪算法研究。
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§4 医学图象处理 之 作用
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什么是图象？
“图”是物体投射或反射光的分布 “象”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成 的印象或反映。 “图象”就是客观和主观的结合。
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放射性核素成象原理
• 把放射性同位素标记在药物上引入病人体内，当它被吸收后，人体自身便成了放射源。 • 放射性同位素在衰变过程中，将向体外辐射射线。 • 用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况，以此成象。
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E－CT：
• γ照相机（ Anger照相机） • SPECT（ Single Photon Emission Computerized Tomography 单光子发射计算机断层照
• 人体医学图像处理学(Human body medical imaging，HBMI) 以人体宏观解剖学结构及功能为研究对象
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主要的显微成像技术
• 光学显微技术(Optic microscope) • 电子显微技术(Electron microscopy) • 扫描隧穿显微技术(Scanning tunnel microscopy，STM) • 惰性离子显微技术(Inert ion microscopy，IIM) • 激光显微技术(Laser microscopy) • 磁共振显微技术(NMR Microscopy) • 超声显微技术(Ultrasonic microscopy)
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医学成像方式功能比较-2
X线机
功 • 透视 能 • 拍片
X－CT
•断层 •结构
磁共振
• 断层 结构 • 代谢 功能
同位素
•代谢 •功能
超声
•结构形态 • 血流测量 • 组织定征
特 • 设备简单
• 电离辐射
点 • 影像重叠
•断层摄影 •电离辐射 •非实时
•断层摄影 •设备昂贵 •非实时
•断层摄影 •分辨力低 •放射性药物
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§2 研究任务
• 生物医学成像技术
• 生物医学图象处理技术
将有用信息提取出来，并以图象的形式进行显示。被提取
• 生物医学图象临床应用技术
的信息可以是形态的，功能的，或者是成份的等。所显示 在 分的获析形得、式图识可象别以之、是后分一，类维对、的其解、进释二行等维。的去，噪或、者增是强三、维分的割；、甚特至征是提四取、 达维到等客不观同诊层断次的的目图的象，。帮助最优治疗方案的选择、确定和 实施。
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医学显微图象
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主要的人体浅表图象
• 人体热图(热像图、红外线分布图等) 诊断表皮恶性肿瘤及其转移情况（如皮肤癌、乳腺癌、甲状腺 癌）、各类炎症、末梢血管疾病、牙床疾病等
• 人体电位分布图（心电图、脑电图、肌电图、眼电图等） • 人体磁场分布图（如心磁圈、脑磁图、肌磁图、肺磁图等）
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§4 医学图象处理 之 目的
• 医学图象处理是一个很复杂的过程 • 利用计算机系统对生物医学图象进行的具有临床医学意义的处理和分析。
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§4 医学图象处理 之 意义
•医图学象图是象人们作从为客一观种世信界息获取源信，息也的和重其要它来源有关病人的信息一样，是医 生视做觉出信判息占断6时0％的－依70据％。，医人生眼灵在敏判度读高医，学鉴图别能象力时强，，要不把仅图可以象辨与别他景的物， 解还剖能学辨、别人生的理情学绪和。病理学等知识做对照，还要根据经验来捕捉图 象人图中的象的眼信有睛息只处重能理要看是意到人义可类的见视细光觉部延节分续和，的特但重征能要。够手所成段像以的要并从不一仅幅仅或是几可见幅光医。学一图般象来 中说判可断见出光的是波否长有为异0.常38，一0或.8属μm于，什而么迄今疾为病止，人是类一发种现可高成级像的的脑射力线劳已动有 。 任多意种拿，一如：张有异常的CT图象、X线照片或超声图象来看，如果不 是γ线射训：线练0：.8有—0.素0300的30—μ医m0生.03微，nm波是；：难X0射.以3—线发1：现000.c图0m3片—上3n的m 异紫外常线的：。3—300nm；红外
重要组 成部分
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• X-ray
§3 主要的医学图象
正常肺
气胸
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§3 主要的医学图象
X
肺
脑
|CT
肿
膜
块
瘤
肺
白
部
血
病
病
变
aபைடு நூலகம்
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X-CT应用
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螺旋CT
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CT与常规X射线成像比较
CT 数字化图像 图像重建，三维断层 密度分辨好（0.5%） 空间分辨一般 成像剂量较高
常规 X 线 模拟图像 几何聚焦，二维 X 光片 密度分辨差 空间分辨好（0.25mm） 成像剂量低
CT
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§3 主要的医学图象
• MRI
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§3 主要的医学图象
MRI －－颅内错构瘤
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MRI图象
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MRI成像
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MRI设备
GE Signo3.0
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MRI功能成像
• 研究人类视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉与运动，记忆、注意以及人类特有的机能如语言 等神经机制方面
• 感觉运动皮质的术前成像用于神经变性疾病、癫痫、中风、中风恢复等临床方面 • 人类特有的精神分裂症、抑郁症、孤独症等精神疾患 • 带来新技术出现，如结合FMRI的MEG、EEG及弥散光学成像(DOT)。
生物医学图象
（BioMedical Image ，BMI ）
Lin，JL (Associate Prof.)
November 12th，2010
BioMedical Engineering Department of Materials School，Sichuang University
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遥感图片
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§3 主要的医学图象
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超 声 图 像
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超声图像开端
• 1942—Dr. Karl Theodore Dussik (1908-) 第一个发表，用超声波透射脑部
Karl Theodore Dussik (1908-)
Dussik的脑部影像
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超声图像历史：B-Mode出现
• 1949—Dr. Douglass Howry, W. Roderick Bliss与Gerald Posakony 开发出用人体的反射声波成像之 B-mode系统
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PET
采用横向断层扫描，得到横断面的图像
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CT与PET比较
CT 透射断层 TCT X 射线 空间分辨<1mm 图像重建 解剖
PET 发射断层 ECT γ射线 空间分辨<5mm 图像重建 功能
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PET/CT
CT与PET硬件、软件同机融合 解剖图像与功能图像同机融合 同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生
相）
• PET（Positron Emission Computerized Tomography,正电子发射计算机断层扫描，简称
PECT或PET）
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γ照相机
输出动态的二维平片（planar）
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γ照相机成像图形显示
输出动态的二维平片（planar）
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SPECT
采用横向断层扫描，得到横断面的图像
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EEG
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主要的人体医学影像
• 投影X射线成像(X-ray) • X射线计算机断层成像(X-ray Computed Tomography, X-CT) • 超声成像(ultrasonic，US) • 放射性核素成像( emission Computed Tomography,ECT) • 磁共振成像(Magnetic Resonance imaging，MRI) • 光学、电子学成像(Imaging of optics and electronics) • 医学成像新技术(微波成像、阻抗成像、磁源成像)
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生物医学成像及生物图象处理
在生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起着重要的作用。
• X射线、CT、MRI的发现或发明者获得诺贝尔奖。 • 医学成像及图象处理设备占医院投资中的比例越来越高。仅GE公司下
属的北京航卫2003年生产的中低档CT，销售额就达30亿元。 • 发达国家高度重视。以美国为例，它是NSF，NIH的重要资助领域，近
化分子功能信息 可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程 高灵敏度、高特异性、高准确性
First Installation in Zurich March 2001
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功能解剖融合图像
(Functional Anatomic Mapping，FAM)
SPECT/PET
衰减校正
同机 图像融合
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§1 研究的对象、研究的目的
• 自然界中的生物体：小到原生质的分子、原子，大到微生物、动 物体和人体。
• 以生物体各种不同层次的组织、结构为主要研究对象；研究获取 这些图象的原理、方法和成像技术；并根据不同生物医学图象的 特点解决提高图象的质量，进行图象的数据重建等一系列的技术 问题，从而探明系统的功能(正常、异常、演变过程)，获取生物 技术、医学诊断、治疗有价值的信息和资料。
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• 无创、无电离辐射 • 断层成像 • 实时、动态 • 形态、功能与定征 • 设备价格便宜
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医学成象的发展趋势
• 多维成象（Multi-Dimensional Imaging） • 多模式成象（Multi-Modality Imaging）
• 多种图象模式的融合 • 多参数成象(Multi-Parameter Imaging) • 图象归档与通信系统（Picture Archiving and Communication System: PACS）
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超声医学图象的特点
• 无伤害性 • 可以动态显示体内器官的活动情况 • 血流显示 • 目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段 • 分辨率低
• 图象质量差 Speckle noise Dynamic range
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超声成像系统的构成
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R 接收电路
换能器
T
发射电路
显示器
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彩色多普勒超声图象（心脏）
以曲线的变化形式展示体内器官或系统的生理状态和生理功能
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红外图象
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红外图象
明静 显脉 增曲 温张 、患 增者 粗的 ，腿 箭部 头远 所红 指外 处热 尤像 为， 明血 显管 。
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红外图象
由脉 于管 血炎 管患 疾者 病的 而腿 血部 流远 不红 畅外 ，热 导像 致图 低， 温患 。腿