医学图像处理 第1章 绪论

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Chest Radiograph
此后， 光片应用日益广泛，今天， 此后，X光片应用日益广泛，今天，已经成为几 乎所有医院不可或缺的常规医学检验手段。 乎所有医院不可或缺的常规医学检验手段。
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X射线成像原理
X射线成像是基于待成像物体各组成部分的密度不同，因 射线成像是基于待成像物体各组成部分的密度不同， 而对X射线的吸收不同，从而透射X射线强度差异， 而对X射线的吸收不同，从而透射X射线强度差异，在乳胶片 上成像的（左图）。 光图片是X ）。X 上成像的（左图）。X光图片是X射线通路上物体对射线吸收 的积分效果。一个大小和密度相同的肿瘤或病灶， 的积分效果。一个大小和密度相同的肿瘤或病灶，无论在体内 前、中或后部，它在X光片上表现的图像是一样的（右图）。 中或后部，它在X光片上表现的图像是一样的（右图）。 也就是说， 光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。 也就是说，X光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。 11
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医学影像学的分类
X线 线 计算机 体层成像
X线成像 线成像
可见光 成像
内源型
SPECT PET
磁共振 成像
放射性 核素成像
医学影像学
红外、 红外、 微波成像 阻抗 成像
外源型
超声 成像
混合型
X-ray Radiography MRI, fMRI X-ray CT Optical Fluorescence Electrical Impedance Ultrasound 6 Optical: Reflection, Transillumination
•美国伊利诺大学的劳特布尔（Paul Lauterbur）— 美国伊利诺大学的劳特布尔（ 美国伊利诺大学的劳特布尔 ） 核磁共振成像之父” —“核磁共振成像之父” •英国诺丁汉大学的曼斯菲尔德（Peter Mansfield） 英国诺丁汉大学的曼斯菲尔德（Peter Mansfield）
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超声成像系统原理 Ultrasound Imaging
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正电子发射断层扫描成像技术 Positron emission tomography (PET)
PET的基本原理是在人体感兴趣的部位注入经放射性 PET的基本原理是在人体感兴趣的部位注入经放射性 核素标记的生物活性示踪剂 例如脱氧葡萄糖、 生物活性示踪剂， 核素标记的生物活性示踪剂，例如脱氧葡萄糖、水、氨基 酸和多巴胺等。 酸和多巴胺等。核素衰变过程中产生的正电子很快与人体 内的负电子结合。正负电子对湮灭时产生两个沿180 内的负电子结合。正负电子对湮灭时产生两个沿1800发射 光子。 的γ光子。在人体周围圆环形排列的探测器中某一对若在该 时刻同时接收到信号， 时刻同时接收到信号，就表明在这两个探测器连线上有一 次核素衰变。 次核素衰变。不同方向多个探测器的计数可以反映示踪剂 的空间分布位置和浓度。 的空间分布位置和浓度。常使用的核素如18F、13N、15O、 11C等。经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、高 经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、 清晰度的活体断层图像，以显示人脑、 清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官 31 及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。 及肿瘤组织的生理和病理的功能及代谢情况。
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磁共振成像 Magnetic Resonance Imaging
所有物质的原子核都由质子和中子组成， 所有物质的原子核都由质子和中子组成， 如果质子和中子的总数是奇数的话， 如果质子和中子的总数是奇数的话，原 子核就有自旋并产生磁矩。 子核就有自旋并产生磁矩。 大多数物质都是由数个具有磁矩的原子 等构成。 核，例如 1H, 2H, 13C, 31Na, 31P, 等构成。
µ w : 水的吸收系数； µ m：该物质吸收系数；
单位：Hu，Hounsfield Unit
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不同的CT扫描方式
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不同的CT扫描方式
Ring of Detector s
X-rays
Source Rotation Path Source
Object
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3-D 数据结构
y x
z
X-Y Slices
Computer Imaging Storage and Processing
Display
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心脏B-超图像 B-Mode Imaging of Heart
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心脏多普勒彩超图像 Doppler Imaging of Beating Heart
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PET技术与功能医学图像 1.3 PET技术与功能医学图像
基本原理：将放射性标记的药物注射体内， 基本原理：将放射性标记的药物注射体内， 人体代谢选 择的组织或介质，产生放射性发射（SPECT中的伽玛射 择的组织或介质，产生放射性发射（SPECT中的伽玛射 线或PET中的正电子) 之后， PET中的正电子 线或PET中的正电子)。之后，这些发射的光子被体外的 探测器捕获， 生成放射性示踪剂的分布， 探测器捕获， 生成放射性示踪剂的分布，得知人体的功 能信息。 能信息。
X-ray imaging
CT
PET
MRI
US
Micro image
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成像信息
解剖信息 Anatomical
X-Ray Radiography X-Ray CT MRI Ultrasound Optical
功能/代谢信息 Functional/Metabolic
SPECT PET fMRI Ultrasound Optical Fluorescence Electrical Impedance
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MR成像原理简介 MR成像原理简介
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横向弛豫与纵向弛豫
自旋-自旋弛豫( 自旋-自旋弛豫(spin-spin relaxation) )
自旋-晶格弛豫( 自旋-晶格弛豫(spin-lattice relaxation) )
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三种加权MRI图像 三种加权MRI图像 MRI
T1 Weighted
y x
µ(x,y; z) µ15
z
Iin(x; y,z) µ11 µ12 µ22 µ42 µ52 µ62 µ72 µ82 µ92
Iout(x; y,z)
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Hounsfield和Cormack因发明CT获得 Hounsfield和Cormack因发明CT获得 1979年诺贝尔医学和生理学奖。 1979年诺贝尔医学和生理学奖。
T2 Weighted
Spin Density Image
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Sagital
y z
y
Axial
y
三正交显示平 面 3- view Imaging
z
x
x
Coronal
x z
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功能磁共振图像 Function MR imaging
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Bloch和Purcell因发现NMR现象获 Bloch和Purcell因发现NMR现象获 得1952年诺贝尔物理学奖。 1952年诺贝尔物理学奖。
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正常组织的CT值 正常组织的CT值 CT
组织 类别 水 脑脊液 血液 出血 脾脏 肝脏 钙化 肺组织 骨皮质 脂肪 (Hu) 0 3∼8 13∼32 ∼ 64∼84 50∼65 50∼70 80∼300 -600∼-800 > 400 -20∼80 CT值 值
CT值 =
µm − µw ×1000 µw
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发明MRI中Fourier重建方法的Ernst 发明MRI中Fourier重建方法的Ernst 获得1991年诺贝尔化学奖。 获得1991年诺贝尔化学奖。
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Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获 Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获 得2003年诺贝尔医学和生理学奖。 2003年诺贝尔医学和生理学奖。
医学影像处理
第一章 医学影像的发展
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第一章 绪论 主要内容： 主要内容：
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 伦琴开创了人体图像的先河 CT技术与三维医学图像 CT技术与三维医学图像 PET技术与功能医学图像 PET技术与功能医学图像 分子成像技术 医学图像后处理
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医学影像学是医学研究领域中的一个重要研究方向。 是医学研究领域中的一个重要研究方向 • 医学影像学是医学研究领域中的一个重要研究方向。 医学影像由于含有极其丰富的人体信息， 医学影像由于含有极其丰富的人体信息，能以非常 直观的形式向人们展示人体内部组织结构、 直观的形式向人们展示人体内部组织结构、形态或 脏器的功能等。因此，医学影像已成为当前医学研 脏器的功能等。因此， 究及临床诊断中最活跃的领域之一。 究及临床诊断中最活跃的领域之一。
CT技 1.2 CT技 术与三维 医学图像
如果我们设想将人体水平方向上的剖面划分为许多正方形或长方形的小单 称做象素），然后在人体周围沿园弧方向不断改变X ），然后在人体周围沿园弧方向不断改变 元（称做象素），然后在人体周围沿园弧方向不断改变X光源及接收探测 器的位置。这样，每次X射线通路上都有不同的象素组合， 器的位置。这样，每次X射线通路上都有不同的象素组合，探测器会记录 响应的强度值。采用一定的数学方法， 响应的强度值。采用一定的数学方法，我们可以很容易从这些记录的探测 器强度值倒推出各个象素的密度。这就是反投影图像重建技术 反投影图像重建技术。 器强度值倒推出各个象素的密度。这就是反投影图像重建技术。
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1.1 伦琴开创了人体图像的先河
德国物理学家伦琴
伦琴夫人手的X 伦琴夫人手的X光片
1895年德国物理学家伦琴（ Röntgen，） 1895年德国物理wenku.baidu.com家伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，） 年德国物理学家伦琴 发现一种未知的射线，称做“X”射线 并用“X”射线 射线， 发现一种未知的射线，称做“X”射线，并用“X”射线 给他夫人的手拍照。 给他夫人的手拍照。这就是人类史上第一次科学技术医 学成像。为了纪念他，人们将"X"射线又叫做伦琴射线。 "X"射线又叫做伦琴射线 学成像。为了纪念他，人们将"X"射线又叫做伦琴射线。 伦琴本人也因为这一重大贡献获得第一个诺贝尔物理学 奖。
Pulse Generation and Timing
Acoustic absorbers
Transmitter/ Receiver Circuit
Control Circuit
Blockers Piezoelectric crystal
Imaging Object
DataAcquisition Analog to Digital Converter
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医学影像学的主要研究内容
医学影像处理技术是指对已经获得的图像作进一步 医学影像处理技术是指对已经获得的图像作进一步 是指对已经获得的 的处理，如对其进行分析、识别、分割、分类等， 的处理，如对其进行分析、识别、分割、分类等， 确定哪些部分应增强或某些特征应被提取， 确定哪些部分应增强或某些特征应被提取，其目的 是使原来不够清晰的图像变得清晰， 是使原来不够清晰的图像变得清晰，或者是为了突 出图像中的某些特征信息等。 出图像中的某些特征信息等。 医学影像临床应用技术是在诊断和治疗过程中对于 医学影像临床应用技术是在诊断和治疗过程中对于 需要解决的医学问题，根据各种医学影像的特点， 需要解决的医学问题，根据各种医学影像的特点， 在临床上以最敏感的信息、最快的速度和最经济的 在临床上以最敏感的信息、 手段获得最客观的诊断和最优治疗方案的选择、 手段获得最客观的诊断和最优治疗方案的选择、确 定和实施。 定和实施。
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医学影像学的主要研究内容
医学影像学包括人体信息的获取以及图像的形成、 医学影像学包括人体信息的获取以及图像的形成、 包括人体信息的获取以及图像的形成 存储、处理、分析、传输、识别与应用等， 存储、处理、分析、传输、识别与应用等，主要内 容可归纳为三大部分：医学影像物理学（ 容可归纳为三大部分：医学影像物理学（成像原 ）、医学影像处理技术 医学影像临床应用技术。 医学影像处理技术和 理）、医学影像处理技术和医学影像临床应用技术。 医学影像物理学是指图像形成过程的物理原理 是指图像形成过程的物理原理， 医学影像物理学是指图像形成过程的物理原理，主 要任务是根据临床的需求或医学研究的需要， 要任务是根据临床的需求或医学研究的需要，对成 的分析研究， 像原理、成像系统的分析研究 像原理、成像系统的分析研究，将人体内感兴趣的 信息提取出来，以图像的形式进行显示， 信息提取出来，以图像的形式进行显示，并对各种 医学图像的质量因素进行分析 进行分析。 医学图像的质量因素进行分析。被提取的信息可以 是形态的、功能的或成分的等，信息载体可以是电 是形态的、功能的或成分的等， 磁波或机械波，所显示的形式可以是一维的、 磁波或机械波，所显示的形式可以是一维的、二维 的或三维的甚至是四维的等不同层次的图像。 的或三维的甚至是四维的等不同层次的图像。