医学图像处理第1章医学图像处理绪论15 本章课件.pptx
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,医学图像处理,MedicalImageProcessing,课程简介,医学图像处理是一门综合了数学、计算机科学、医学影像学等多个学科的交叉科学。
是利用数学的方法和计算机这一现代化的信息处理工具，对由不同的医学影像设备产生的图像按照实际需要进行处理和加工的技术。
医学图像处理的地位,现代医学（影像）设备一般都配有图像工作站，这些工作站具有丰富的图像处理与分析功能，作为生物医学工程或相关专业的学生应该了解图像处理的相关内容；理解和掌握医学图像处理的相关内容，对于充分开发和利用医学影像设备的功能为临床服务至关重要；理解和掌握医学图像处理的相关内容，也可以为开发出高性能的图像处理软件奠定基础;医学图像处理是生物医学工程专业的核心课程。
教学目的,
（1）通过课程的学习，使学生掌握医学图像处理的基本概念、基本原理，并在此基础上掌握医学图像处理的整体结构框架。
（2）通过医学图像处理的学习，使学生掌握医学图像处理的基本方法，逐渐形成观察、思考、分析和解决有关理论和实践问题的能力。
学时安排及考试方式,48学时：
30理论，18实验平时成绩（20%）：
根据实验、考勤等情况而定。
期末考试（80%）：
闭卷笔试，以教师讲授的内容为主要考试内容范围。
教材及参考书,第一章绪论,医学影像技术（医学图像）的发展医学图像处理技术及其应用本课程的主要内容,医生在对患者进行诊疗的过程中，首先是要取得足够的患者状态的信息，如体温、血压、心电图、化验等。
从信息量的角度来看图像所包含的信息要比几个数据或几条曲线含有的信息多得多。
“千字不如一画”，百闻不如一见。
随着科学技术的发展，各种医学图像应运而生，并得到迅速的发展。
第一节医学影像技术的发展,1895.11.8,，德国物理学家伦琴在调试阴极射线仪器的时候，发现了能使,胶片感光的未知射线“X”射线。
因此，获得了第一个诺贝尔物理学奖。
1.伦琴开创了人体图像的先河,一、医学图像的发展,X线图像胸部X射线图像）主动脉造影图像头部CT）电路板（e）天鹅星座环,X线成像原理,X线成像基于X线透过人体时，各种脏器与组织对X线的吸收程度不同，因而在接收端将得到不同的射线强度，射线强度的变化，记录在底片上就变成灰度的变化。
经过百年的发展，应用X线机可观察人体内部的骨骼、肺结核病变等，通过造影技术，可以观察心脏、血管及消化道等管状器官。
X线机是临床医院必备的医疗设备。
随着相关科技的发展，X线投影成像技术，一直在不断地改进和发展。
由最初单一的X线摄影发展到X线透视、X线数字减影造影X线介入治疗等多种诊断治疗方式。
在X线介入治疗基础上形成的介入放射学开创了诊断技术应用于临床治疗的先河。
除此之外，X线成像方式也发生了根本的变化，由开始的模拟成像逐步向数字成像方式发展，如CR、DR数字胃肠机等。
X线成像缺点,传统X线成像得到的是组织或器官的投影像，使厚度方面的信息叠加在一起，造成某些细节因信息重叠而丢失。
比如：
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。
也就是说，X线图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。
在医疗诊断中，要准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围生物组织之间的空间关系，仅凭医生在他头脑中进行定位是十分困难的。
20世纪70年代初，X线计算机断层成像技术（Compted,Tomography,简称CT）的出现使医学得到了重大发展。
CT,技术使图像站起来了（立体化），为医生提供了人体内部精确的结构信息.,2.CT技术与三维医学图像,将人体水平方向上的剖面划分为许多小单元（像素），然后在人体周围沿圆弧方向不断改变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像素组合，探测器将记录响应的强度值.采用一定的数学方法，从探测器强度值反推出各个像素的密度，这就是反投影图像重建技术。
如果从上到下逐层对人体某一部位扫描，这些串起来的层片就构成了三维图像。
南非开普敦大学Cormack因其CT重建数学基础，,英国科学家Hounsfield,因其实现x线在CT中的应用,获得1979年诺贝尔医学奖。
CT技术与三维医学图像,CT优点：
能获得真正的断层图像，具有非常高的密度分辨率，可准确测量各组织的X线吸收衰减值，并通过各种计算机进行定量分析。
随着计算机技术的不断发展和断层扫描技术的不断改进，CT技术的发展日新月异，从早期的旋转/平移扫描方式到今天的多层螺旋扫描CT、双源CT的出现，诊断效果越来越好，临床应用也日趋普遍。
CT图像,3.PET技术与功能医学图像,正电子发射断层扫描成像技术（Positron,Emission,Tomography,，简称PET）是医学图像发展史中又一大重大,事件。
与CTMRI等反映人体组织解剖信息不同，PET图像能反映人体组织、器官的功能和代谢情况。
即一般医学图像反映的是人体的静止状态，PET图像反映其生病过程。
PET在研究人体生理、病理、肿瘤成因、代谢机制、药物动力学及脑科学方面都有十分重要的价值。
原理：
放射性同位素注入人体，释放的正电子与体内存在的电子发生湮灭时发射伽马射线，经检测器阵列接收，根据接收强度成像。
它反映活体靶组织在某一时刻的血流灌注、糖氨基酸核酸氧代谢或受体的分布及其活性状况，可同时给出相应的活性生理功能参数,PET,超声成像,超声可以探查出非常细微的病变组织，是在第二次世界大战期间发展起来的雷达和声纳技术的基础上，应用超声脉冲反射定位原理发展而来的，是继X线成像之后发展最迅速、应用普及最快的一种成像方法。
可以无损伤的观察到人体内部的结构和器官的动态变化。
由于超声成像安全可靠，费用低廉，所以在临床诊断和介入治疗中得到了迅速发展。
超声波成像原理,超声波成像技术可以分为两大类，即基于回波扫描的超声成像技术和基于多普勒效应的超声成像技术。
基于回波扫描的超声探测技术主要用于解剖学范畴的检测、了解器官的组织形态学方面的状况和变化。
ABMD基于多普勒效应的超声探测技术主要用于了解组织器官的功能状况和血流动力学方面的生理病理状况，如观测血流状态、心脏的运动状况和血管是否栓塞检查等方面。
超声成像,彩超图像,O,用彩色反映出血流的运动状态,红色表示朝向探头的血流，蓝色表示离开探头的血流，而湍流的程度用绿色成份的多少表示，色彩的亮度表示速率大小。
3D超声图像,近年来随着探测技术和数学处理技术的发展，在二维超声基础上进行三维重建，能够清晰显示所选区域的立体形态及动态。
磁共振成像（MRI）是利用生物体中磁性核在强磁场中受到脉冲激发，使人体组织中的氢质子受到激励而发生磁共振现象，再经过空间编码技术把以电磁波形式释放出的共振信号，接收转换，通过计算机重建图像，用来进行诊断的一种全新扫描技术。
因此MRI是计算机、电子技术和超导技术发展的产物。
磁共振成像,磁共振成像,1946年，美国斯坦福大学的布洛赫Bloch和哈福大学的伯塞尔Purcell因各自发现了核磁共振现象（NMR），获1952年诺贝尔物理学奖。
厄恩斯特（Ernst）因MRI中Fourier重建方法而获得1991年诺贝尔化学奖。
MRI成像的特点：
（1）无电离辐射，安全、无创。
（2）对软组织的分辨率最高，能清晰显示脑白质、脑灰质、髓鞘、肌肉、软骨、肌键、韧带等软组织。
（3）任意方向直接切层的能力，而不必变动被检查者的体位。
（4）多方位成像。
矢状位、冠状位、轴位、任意斜面。
可全面显示被检查器官或组织的结构，无观察死角。
可进行解剖结构或病变的立体显示。
（4）多参数、多序列成像。
T1,T2,密度，分子扩散.（5）除了显示形态，还能进行功能、组织化学、生物化学分析等。
MRI成像的局限性：
（1）与CT相比，空间分辨率较低。
（2）成像速度慢。
不利于危重及不合作者的检查。
MR,检查无急诊！
（3）禁忌症较多。
心脏起搏器、动脉瘤夹、心脏支架、体内其它金属植入物。
纯度较高的钛合金（4）对不含或含少量氢质子的组织结构显示不佳。
如骨骼、钙化灶在MR图像上呈低信号或无信号。
（5）MRA对小血管的显示受限。
（6）导致MR图像伪影的因素很多。
（7）设备昂贵、检查费用高。
MRI,多参数成像,头部质子密度、T2T1成像,多方位成像,功能磁共振成像fMRI,fMRI是20世纪90年代初期在MRI技术的基础上发展起来的能够反映大脑功能活动的一种MRI方法。
它是通过血流的变化间接测量大脑在受到刺激或发生病变时功能的变化。
推动了脑科学的发展。
应用领域：
神经外科术前计划系统；脑工作机制的研究重大脑部疾病发病机制的研究,PostcentralG.activationduringelectroacupuncture,1.00.50,-0.5-1.0Intensity,SII,针刺脑部fMRI,海洛因成瘾者脑部fMRI,Mammography乳腺摄影术,Benignlesion-Fibroadenoma,红外成像,结肠仿真内窥镜VE,多种成像模式,由于成像的原理和设备的不同，存在多种成像模式,（ImagingModalities,）。
描述生理形态的解剖成像模式（Anatomical,Imaging,Modaligies）,。
比如X光照相术、CT技术、MRI成像、US,成像、DSA数字减影血管造影术。
描述人体功能或代谢的功能成像模式（Functional,Imaging,Modality）。
比如PET正电子发射断层扫描成像、,SPECT单光子发射断层扫描成像、fMRI功能磁共振成像等。
4.多种成像模式,功能成像模式SPECT单光子发射断层扫描像PET正电子发射断层扫描像fMRI功能磁共振成像EEG脑电图MEG脑磁图光学内源成像,解剖成像模式X光照相术CT计算机断层扫描技术MRI磁共振成像US超声成像光纤内窥镜图像DSA数字减影血管造影术MRA磁共振血管造影术,解剖图像：
以较高的分辨率提供了脏器的解剖形态信息，但无法反映脏器的功能情况。
功能图像：
分辨率较差，但它提供的脏器功能代谢信息是解剖图像所不能替代的。
目前这两类成像设备的研究都取得了很大进展，由于成像原理不同所造成的图像信息的局限性，使得单独使用某一类图像的效果并不理想。
采用两种或多种成像技术对人体ROI成像可以获得互补的信息。
当一种成像设备所提供的信息不能满足需要时，可以采用多种模式成像。
例如，在CT上观察骨组织，而从MRI上得到软组织信息；或将来源于PET、SPECT的功能信息与来源于CT、MRI的解剖信息结合起来分析。
人脑多种模式成像,解决方法,1、硬件：
研制一种新的成像设备，虽然目前硬件上出现了CT-PET以及带融合功能的SPECT，不可能将所有需要的机器组合都实现。
2、软件：
研究新的图像处理方法。
以医学图像配准技术为基础，利用信息融合技术，将多种医学图像结合起来，充分利用不同医学图像的特点，在一幅图像上同时表达来自人体的多方面信息。
配准是图像融合的先决条件，必须先进行配准变换，才能实现准确地融合。
MRI图像与核医学图像融合在一起，使得在一幅图像上既包含组织结构的信息又包含组织功能的信息，这对于神经外科术前计划和脑科学研究中的功能定位等都有重要的作用。
今天，人体三维图像已经发展到很高的水平。
著名的可视人顶目,（VisibleHumanProject）,就是一例。
可视人计划是美国国立医学图书馆（NLM）提出的旨在获所人体解剖数据，提供医学图像可视化、数字化信息服务的项目，这个项目是建立一个数字化的图像库，其中的数据集代表一个完全的正常的成人男性和女性。
CT和MRI得,可视人计划包括尸体的冰冻切片的数字摄影图片，以及由到的数字化图像。
可视人数据集已经成为人们研究医学图像和解剖教学的重要工具。
一个彻底洞悉人体奥秘的时代为期不远了。
Thorax胸部,Pelvis骨盆,ColorCryosections,Thorax,Pelvis,CTScansPriortoFreezing,Thorax,Pelvis,CTScansAfterFreezing,Abdomen腹部,Pelvis,MRIScans,可视人的发展现状,中国,中国,数字人II号（女性）数字人I号（男性）,Voxel_man,可视人建设成果,可视人的建设成果,虚拟中国人II号重建结果,二、医学图像处理技术及其应用,自古以来，“望、闻、问、切”都是国内外进行医学诊断最基本的手段。
自伦琴发现X射线以来，医学的诊断方式发生了翻天覆地的变化。
X线检查使得人们能观察到人体内部的结构。
CT的发明以及各种能量信息的重建图像，不仅提供形态解剖方面的信息，而且还提供代谢、生化和生理功能等信息。
显微镜使人们观察到了肉眼所不能看到的微观世界。
各种内镜又使目力延伸到器官的内部，观察腔内的图像变化等。
二、医学图像处理技术及其应用,从成像系统所取得的图像形式多样，有静止的（如细胞切片）也有运动的（如心脏图像）；有二维的、也有三维立体的；有黑白的（如X线片），也有彩色的（电子内镜）。
它们给医生提供了直观、精确的解剖学、病理和功能的基础信息，为医学研究和临床诊断提供正确可靠的依据，在有些疾病的诊断中，甚至达到了“了如指掌”的地步。
现代医学的任何专业都已无法离开医学影像学了。
医学图像处理的重要性,各种成像工具在医学中的广泛应用造成了两个问题：
对每个病人一次检查所生成的影像的信息量越来越大，医生每日需要阅读的影像信息太多，由于长时间判断图像，医生容易疲劳分心，从而造成诊断正确率的下降；会出现漏诊和误诊的情况，并且很难对影像资料进行一致的定量分析。
计算机辅助诊断。
医学图像处理技术的地位就显得越来越重要。
随着计算机、计算机图形学、虚拟现实、计算机网络等技术的发展，医学图像处理逐渐形成了具有特色的一门交叉学科，成为国内外研究与应用的热点。
目前世界上不少国家的研究机构致力于这个领域的研发工作，并且研究出一些面向临床、功能简单的图像处理系统，这些系统在临床研究中已经发挥了重要的作用。
医学图像处理的应用,辅助医生诊断仿真多角度扫描数字解剖模型手术教学训练制定手术计划手术导航与术中监护,1辅助医生诊断通过图形图像技术，可以对影像进行任意放大、缩小、旋转、对比度调整、三维重建等处理，提供具有真实感的三维医学图像，弥补影像设备在成像上的不足，便于用户从多角度、多层次进行观察和分析，并使用户能有效地参与数据的处理分析过程，能够对病变体及其他感兴趣的区域进行定性直至准确的定量分析，从而可以提高医疗诊断的准确性和正确性。
2仿真多角度扫描这一应用在CT扫描中有着重要意义。
由于X射线对人体的损害较大，因此不可能对病人进行多角度的扫描，通过三维图形图像技术，可以对原始数据进行多角度重组，仿真多角度扫描，该技术也称为虚拟切割。
3数字解剖模型根据影像数据重建三维数字模型，立体地显现人体或其他生物组织的解剖结构，对于教学、培训有着重要意义。
4手术教学训练,通过断层扫描技术可以获得一系列入体某个部分的切片图像，对这些切片数据进行计算机三维重建，能够获得人体部位的三维模型。
医生可以对三维模型进行手术仿真。
在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外。
尤其在修补术方面有着重要的应用前景。
医生可在虚拟手术系统上观察专家的手术过程，也可重复练习，虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求，由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，并且能够制造很好的临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致，计算机还能够给出一次手术练习的评价。
5制定手术计划可以利用手术前获得的图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对于选择最佳手术路径，减小手术损伤和对临近组织损害，提高病变体定位精度，完成复杂外科手术和提高手术成功率等都具有十分重要的意义。
7手术导航与术中监护,在手术过程中通过超声，MR的实时扫描反馈，在图像的引导下进行定位。
手术导航可以在无需介入的环境下，将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配，使得医生看到的图像既有实际图像，又叠加了图形，使有用的信息更多，可以很好地引导医生进行进行手术。
由于计算机的介入，使得传统的外科手木可以更加精确，对病人的损伤更加微小。
可以断定，这种手术方式必将成为未来的主流，并且已经得到国内外多家商业公司和研究机构的关注。
医学图像的获取医学图像的运算医学图像的增强医学图像的压缩,医学图像处理基础医学图像的变换医学图像的恢复医学图像的分割,医学图像的三维重建与可视化,虚拟现实技术,PACS,系统,医学图像的配准与融合DICOM数据通信技术计算机辅助诊断,医学图像处理的研究内容,医学图像的获取,主要是通过各种成像设备（DR、CT、MRI、PET等等）。
医学图像处理基础,医学图像处理技术是利用计算机对医学图像进行处理和加工的技术，计算机只能处理数字化的医学图像，要想对医学图像进行处理，就必须了解数字图像的一些最基本的性质。
例如数字图像的矩阵表示，图像中的像素和灰度值的意义，图像的格式等。
医学图像的运算,图像运算是对图像的最基本的操作，主要包括图像的点运算（图像灰度值的变换）、图像的代数运算（图像的加、减、乘、除）、图像的几何运算（平移、旋转、放大、缩小）等。
和图像的插值（图像的几何运算可能产生新的像素，为保持变换后图像质量，需要插值运算）。
医学图像变换（imagetransform）,由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量很大。
因此，往往将图像从空间域转换到变换域，不仅可减少计算量，而且可获得更有效的处理。
傅里叶变换、离散余弦变换、小波边换等。
医学图像的增强（Imageenhancement）,原始图像由于受到成像设备和获取条件等多种因素的影响，可能出现图像质量的退化，即使是高质量的图像，在大多数情况下，也很难用肉眼直接得出有用的诊断。
不同能力和背景的人对同一幅医学图像往往获得出不同的结果。
因此对图像作处理时首要的任务是对获取的医学图像进行增强信噪比的工作。
图像增强技术是医学图像处理中必不可少的一部分。
对比度扩展,医学图像的分割,医学临床实践和研究经常需要对人体某种组织和器官的形状、边界、截面面积以及体积进行测量，从而得出该组织病理或功能方面的重要信息。
比如肿瘤学研究经常用肿瘤收缩的程度和时间来评估治疗效果，将肿瘤大小的精确量化数值作为疗效的测度。
血液细胞的识别和分类；血管造影图象中冠状动脉的边缘检测、乳腺片中微钙化点的检测、放疗等都需要对组织成分的位置和大小精确定位和计算。
这些都需要图像分割技术。
医学图像的分割,医学图像分割是根据区域内的相似性以及区域间的差异性把图像分割成若干区域的过程。
从图像中把有关结构（感兴趣区）分离出来是图像分析与识别首要解决的问题。
医学图像分割是医学图像处理领域的一个经典难题，是医学图像配准、融合，图像重建与可视化、计算机辅助诊断等必不可少的环节。
医学图像的重建与可视化,各种医学成像技术如CT、MRI、US等都是二维医学图像，对二维图像，医生只能靠空间的想象和自身的经验对组织器官或病灶的位置、大小有一个大概的估计。
利用图像的重建与可视化，可以重建出人体器官、软组织和病灶的三维结构，对病灶进行精确测量和定位。
256256109MRI图像重建的表皮,12812893CT图像重建的颅骨,三维重建的成果,医学图像的复原（Imagerestoration）,图像复原是把退化、模糊的图像复原，重新获得原始图像的过程。
医学图像的压缩（imageCompression）,图像压缩：
在满足一定的保真度要求下，简化图像的描述，缩小表示图像的数据，以便于存储和传输。
随着远程医疗系统的逐步成熟和发展，对数据压缩和通信标准都提出了严格要求。
医学图像一般来说数据量都很大，要使医学图像在医疗机构之间快速传输，必须对图像进行压缩。
图像,满足一定的保真度,编码与压缩,节省存储空间,图像压缩编码,随着虚拟现实技术的发展，数字医疗、计算机辅助医学、计算机辅助手术等医学虚拟现实技术成为目前的研究热点。
虚拟现实（VirtualReality）,技术,传统内窥镜的缺陷：
人体内插入机械探头，给病人带来很大的痛苦。
虚拟内窥镜克服以上缺陷，而且还可以检查传统方法无法到达的区域，甚至深入实体内部进行观察。
具有交互性，局部细节放大，可重复观察。
虚拟内窥镜是利用CTMRI或超声波获得的二维断层图像，通过三维重建与可视化处理，在计算机屏幕上生成具有内镜可视效果的患者结构组织序列的三维可视化图像。
虚拟内窥镜,胃仿真窥镜（VE）,基于医学图像的计算机辅助诊断,随着物理学、医学和信息科学的结合，越来越多的人体成像工具进入医学临床诊断领域，各种具有不同能力的成像工具在医学中的广泛应用造成了两个问题。
、对每个病人一次检查所生成的影像的信息量越来越大，从而使得医生每天阅读的信息大，工作量大。
、单个影像设备不可能提供病人诊断需要的完整信息，判断过程，会受到医生经验及知识水平的限制和影响。
计算机辅助诊断,由于阅片疲劳、个人的判读标准不一等原因，医生诊断时往往容易遗漏某些细微变化。
误诊在所难免。
基于图像引导下的计算机辅助诊断（MedicalImageBasedComputeAddiedDiagnosisMIBCAD）发展起来。
计算机辅助诊断是在有经验医生的工作经验的基础上，加上科学方法的使用，使得对疾病的诊断更准确。
说明：
MIBCAD只是辅助诊断手段，医生不能仅仅依靠这个手段处理病人，因为病人个体情况非常复杂，最后的诊断意见仍然由医生来做。
CAD在临床中的应用：
在处理大量的病人影像数据的基础上，把可疑的病灶尽可能准确地找出来，提供给医生作为进一步诊断的参考。
在大量医学影像学处理方法及对某种特殊疾病大量分析的基础上实现建模，把容易混淆的正常组织和病灶信息通过模型参数的选择区别开，提高诊断的准确率。
针对不同疾病的个体差别进行的基于医学影像的计算机辅助诊断，涉及的问题非常复杂，但是概括起来主要是两方面的知识基础：
医学图像处理和肿瘤病理特征。
计算机辅助诊断在医学影像中的作用,目前的CAD研究大多局限在乳腺和胸部肺结节性病变，身体其他部位的CAD研究目前仍很少而且不成熟。
因而，乳腺及肺结节性病变的CAD研究基本代表了目前CAD在医学影像学中的最高水平和基本现状。
骨密度计算机辅助分析技术心脏冠状动脉计算机辅助检测系统泌尿计算机辅助检测系统,（图像的存档与传输）系统,（）是近年来在国际医学界中逐渐兴起的一种先进信息系统技术，用于医院放射科、超声科或医院范围内的图像获取、诊断和归档管理等。
在有广域网支持的情况下，可以进行远程医疗、网上会诊，并可以用来完成网络教学等任务。
1.伴随医学影像技术的发展，出现了各种医学成像方法和设备;,产生,各类图像常常需要在科室内部、科室之间、医院之间甚至地区之间进行传递，在传递过程中会发生丢失、存档错误而无法查找等问题。
如何有效地管理和及时提供这些医学图像是PACS要解决的问题。
PACS是专门为图像管理而设计的包括图像存档、检索、传送、显示、处理和拷贝或打印的硬件和软件的系统。
PACS必须解决的技术问题之一是统一各种数字化影像设备的图像数据格式和数据传输标准。
标准,ofMedicine,的缩,DICOM是DigitalImagingandCommunication写，,是美国放射学会（ACR）和美国电器制造商协会组织（NEM与A）1993年制定的专门用于医学图像的存储和传输的标准名称。
DICOM标准主要解决在不同地点、不同设备制造商、不同国家等复杂的网络环境下的医学图像存储和传输的问题。
经过十多年的发展，该标准已经被医疗设备生产商和医疗界广泛接受，在医疗仪器中
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