生物医学工程概论之生物医学图像-1-part1-

1、2022-5-91生物医学工程中心山东大学控制学院山东大学控制学院生物医学工程系生物医学工程系 刘忠国刘忠国生物医学图像生物医学图像生物医学工程概论之生物医学工程概论之2022-5-92生物医学工程中心生物医学图象生物医学图象(Biomedical Imaging)刘忠国刘忠国：Tel:88384192cellphonemaging technologies are changing the way science is done(R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993) 2022-5-93生物医学工程中心0. 引言引言u象

2、鸟一样飞翔象鸟一样飞翔Engineering Turn ideas into reality!人类的梦想人类的梦想2022-5-94生物医学工程中心人类的梦想：飞翔人类的梦想：飞翔2022-5-95生物医学工程中心医生的梦想：看到医生的梦想：看到“看不到看不到”的的u微小的微小的u内部的内部的u生理的生理的患者的梦想：患者的梦想：u无创无创u无痛无痛u安全安全Engineering Turn ideas into reality!2022-5-96生物医学工程中心医学和患者的共同梦想医学和患者的共同梦想2022-5-97生物医学工程中心课程背景课程背景u传统看病：望、闻、问、切（以定性为主）传

3、统看病：望、闻、问、切（以定性为主）u依赖于医生的经验依赖于医生的经验u现代医疗：定性（经验）到定量（知识）现代医疗：定性（经验）到定量（知识）u将人体信息数字化、可视化，由计算机辅助医生诊将人体信息数字化、可视化，由计算机辅助医生诊断。提高诊断的正确性断。提高诊断的正确性2022-5-98生物医学工程中心结构成像结构成像 看到病变看到病变uX-RAYuCT成像成像u图像处理与分析系统图像处理与分析系统2022-5-99生物医学工程中心功能成像功能成像 看到功能看到功能ufMRI功能核磁共振成像功能核磁共振成像uPET正电子断层成像正电子断层成像uSPECT单光子发射断层成像单光子发射断层成像

4、2022-5-910生物医学工程中心分子成像分子成像看到细胞、分子水平的变化看到细胞、分子水平的变化u光学成像光学成像u核磁共振成像核磁共振成像u核素成像核素成像实时、在体2022-5-911生物医学工程中心 从信息量的角度看，一幅图像所包从信息量的角度看，一幅图像所包含的信息远比一条曲线或几个数据要多。含的信息远比一条曲线或几个数据要多。它以直观的形式向医生展示人体内部的它以直观的形式向医生展示人体内部的结构或有关生理参数的空间分布，为医结构或有关生理参数的空间分布，为医生的诊断提供重要依据，成为临床诊断生的诊断提供重要依据，成为临床诊断与医学研究中不可缺少的工具。与医学研究中不可缺少的工具

5、。 百闻不如一见百闻不如一见2022-5-912生物医学工程中心 图像科学包含图像的形成、获取、图像科学包含图像的形成、获取、传输、存储、分析、识别等。在医学图传输、存储、分析、识别等。在医学图像研究领域中主要包含以下两个相对独像研究领域中主要包含以下两个相对独立的研究方向：立的研究方向：医学成像系统医学成像系统（Medical Imaging System）和和医学医学图像处理图像处理（Medical Image Processing）。）。医学图象研究医学图象研究2022-5-913生物医学工程中心医学图象研究医学图象研究u医学成象系统医学成象系统(Medical Imaging Syst

6、em)u图象形成的过程图象形成的过程u成象机理、成象设备、成象系统分析成象机理、成象设备、成象系统分析u医学图象处理与分析医学图象处理与分析(Medical Image Processing and Analysis)u对已获得的图象，采用各种算法进一步处理增强、对已获得的图象，采用各种算法进一步处理增强、特征提取、模式分类、分割、识别等特征提取、模式分类、分割、识别等u医学图象应用研究（医学图象应用研究（Medical Application）u临床临床u基础医学基础医学2022-5-914生物医学工程中心u 医学图像涉及物理学、电子学、计算机技术等广医学图像涉及物理学、电子学、计算机技术等

7、广泛的学术领域。随着各项高新科技的发展，泛的学术领域。随着各项高新科技的发展，医学图医学图像已经从形态到功能、从静态到动态、从平面到立像已经从形态到功能、从静态到动态、从平面到立体、从局部到整体获得了飞速的发展。体、从局部到整体获得了飞速的发展。u在实际应用中，医学图像与计算机图形学结合可以在实际应用中，医学图像与计算机图形学结合可以让医生从各个不同角度观察人体内部结构，医学图让医生从各个不同角度观察人体内部结构，医学图像与计算机及通信技术结合可以完成图像的传输、像与计算机及通信技术结合可以完成图像的传输、归档、管理等复杂的工作，例如归档、管理等复杂的工作，例如PACS系统。系统。医学图象研究

8、医学图象研究2022-5-915生物医学工程中心 医学成像系统概述医学成像系统概述 医学成像技术的发展历史一般可追溯到医学成像技术的发展历史一般可追溯到1895年伦琴年伦琴发现发现X射线射线。X射线在医学上的应用使医生有可能观射线在医学上的应用使医生有可能观察到人体内部的结构，而且能够实现对人体微创或察到人体内部的结构，而且能够实现对人体微创或无创，为医生诊断疾病提供了重要的信息。无创，为医生诊断疾病提供了重要的信息。2022-5-916生物医学工程中心 从五十年代开始，医学成像技术逐步进入了从五十年代开始，医学成像技术逐步进入了飞速发展的年代，各种新技术相继被应用于医学飞速发展的年代，各种新

9、技术相继被应用于医学成像系统中。新的成像方式不断出现，所成的图成像系统中。新的成像方式不断出现，所成的图像不仅提供了人体组织在解剖上的像不仅提供了人体组织在解剖上的形态结构形态结构，而，而且为器官且为器官功能检查功能检查提供了可能。所用的技术包括提供了可能。所用的技术包括超声、核素成像超声、核素成像等。等。 医学成像系统发展医学成像系统发展2022-5-917生物医学工程中心Electromagnetic Spectrum超声超声超声超声2022-5-918生物医学工程中心 今天，几乎所有的物理方法都已或多今天，几乎所有的物理方法都已或多或少地渗透到了医学成像的领域，如或少地渗透到了医学成像的

10、领域，如X射线射线成像、超声成像、放射性同位素成像及磁成像、超声成像、放射性同位素成像及磁共振成像等。这些不同的成像方式所提供共振成像等。这些不同的成像方式所提供的人体结构或生理参数的图像为提高临床的人体结构或生理参数的图像为提高临床诊断与治疗的有效性发挥了极大的作用。诊断与治疗的有效性发挥了极大的作用。医学成像设备已成为现代化医院的一个重要的标志。医学成像方法医学成像方法2022-5-919生物医学工程中心主要医学成象系统主要医学成象系统u投影投影X射线成象射线成象u数字减影（Digital Subtraction Angiography）uX射线计算机断层成象（射线计算机断层成象（X-CT

11、: X-ray Computed Tomography）u磁共振成象（磁共振成象（MRI: Magnetic Resonance Imaging）u放射性核素成象（放射性核素成象（SPECT and PET）u超声成象（超声成象（Ultrasonic Imaging）u2022-5-920生物医学工程中心主要医学成象系统主要医学成象系统2022-5-921生物医学工程中心医学成像的作用医学成像的作用2022-5-922生物医学工程中心医学图象在临床诊断中的应用医学图象在临床诊断中的应用u提高临床诊断的水平提高临床诊断的水平u实现治疗中的监护，提高治疗中的有效性实现治疗中的监护，提高治疗中的有效

12、性u外科手术的规划外科手术的规划u图象的计算机管理图象的计算机管理PACS系统系统: picture archiving and communication system2022-5-923生物医学工程中心ApplicationsuMRI and PET showing lesions in the brain2022-5-924生物医学工程中心ApplicationsuPET scan on the brain showing Parkinsons Disease2022-5-925生物医学工程中心1. X X射线成像系统射线成像系统 uX射线的发现使人们意识到了射线的发现使人们意识到了X射

13、线在医射线在医学成像中的应用前景。在此后的几十年学成像中的应用前景。在此后的几十年中，中，X射线摄影技术有了不小的发展，包射线摄影技术有了不小的发展，包括使用旋转阳极括使用旋转阳极X射线管、影像增强管及射线管、影像增强管及采用运动断层摄影等。采用运动断层摄影等。(1) 投影投影X X射线成像系统射线成像系统 2022-5-926生物医学工程中心X-Ray Imaging (Principle)2022-5-927生物医学工程中心X-Ray Imaging (Principle)2022-5-928生物医学工程中心2022-5-929生物医学工程中心投影投影X X射线成像系统射线成像系统2022

14、-5-930生物医学工程中心普通普通X光机光机2022-5-931生物医学工程中心床式X光机2022-5-932生物医学工程中心X X光片（平片）光片（平片）2022-5-933生物医学工程中心X-Ray Imaging2022-5-934生物医学工程中心 但由于常规的但由于常规的X X射线成像技术是将射线成像技术是将人体三维结构投影到一个二维平面上，人体三维结构投影到一个二维平面上，会产生图像重叠，造成读片困难。会产生图像重叠，造成读片困难。此外，此外，投影投影X X射线成像对软组织的分辨能力较射线成像对软组织的分辨能力较差，使得它在临床中的应用也受到一定差，使得它在临床中的应用也受到一定的

15、限制。的限制。 投影投影X射线成像缺点射线成像缺点2022-5-935生物医学工程中心 为了获得脏器的清晰图像，人们又为了获得脏器的清晰图像，人们又设计了一些特殊的设计了一些特殊的X射线成像装置。如射线成像装置。如X射线数字减影装置射线数字减影装置(digital subtraction angiography，简称简称DSA)就是一个例子。就是一个例子。(2) 数字减影血管造影技术数字减影血管造影技术2022-5-936生物医学工程中心 DSA的基本工作原理是：的基本工作原理是：将将X射线机对准射线机对准人体的某一部位，并将人体的某一部位，并将X射线造影剂注入人体血射线造影剂注入人体血管中。

16、如果在注入造影剂的前后分别摄取这同管中。如果在注入造影剂的前后分别摄取这同一部位的一部位的X射线图像，然后再将这两幅图像相减，射线图像，然后再将这两幅图像相减，那么就可以消除图像中相同结构的部分，而突那么就可以消除图像中相同结构的部分，而突出注人造影剂的血管部分。出注人造影剂的血管部分。DSA在临床中已成在临床中已成功地用于血管网络的功能检查。功地用于血管网络的功能检查。数字减影血管造影技术数字减影血管造影技术2022-5-937生物医学工程中心DSA2022-5-938生物医学工程中心DSA2022-5-939生物医学工程中心手部DSA肺部DSA2022-5-940生物医学工程中心移动式血管

17、造影系统移动式血管造影系统2022-5-941生物医学工程中心移动式血管造影系统诊断图移动式血管造影系统诊断图2022-5-942生物医学工程中心（3)3) X X射线计算机断层成像射线计算机断层成像 uX射线计算机断层成像（射线计算机断层成像（Xray computed tomography，简称简称XCT）。u六十年代早期，计算机断层摄影技术的出现使医六十年代早期，计算机断层摄影技术的出现使医学成像技术的发展达到了一个高峰。学成像技术的发展达到了一个高峰。它从根本上它从根本上克服了传统克服了传统X线成像中影像重叠的问题，获得了高线成像中影像重叠的问题，获得了高分辨率的清晰的断层图像。分辨率

18、的清晰的断层图像。是是X线诊断学上的一次线诊断学上的一次重大革命性飞跃。也是二十世纪科学技术的重大重大革命性飞跃。也是二十世纪科学技术的重大成就之一。成就之一。2022-5-943生物医学工程中心 实现实现XCT的理论基础是从投影重建图像的理论基础是从投影重建图像的数学原理。的数学原理。当代图像重建理论最杰出的贡献当代图像重建理论最杰出的贡献者之一是美国的物理学家者之一是美国的物理学家A.M.Cormack。他自他自20世纪世纪50年代开始发表了一系列的论文，不仅年代开始发表了一系列的论文，不仅证明了在医学领域中从证明了在医学领域中从X射线投影数据重建图像射线投影数据重建图像的可能性，而且提出

19、了相应的实现方法并完成的可能性，而且提出了相应的实现方法并完成了仿真与实验研究。了仿真与实验研究。X射线计算机断层成像的射线计算机断层成像的重建理论重建理论2022-5-944生物医学工程中心 真正设计出一个装置来实现人体断面成像是真正设计出一个装置来实现人体断面成像是在在1972年，一位名叫年，一位名叫G.N.Hounsfield的工程师的工程师公布了计算机断层成像的结果。这项研究成果可公布了计算机断层成像的结果。这项研究成果可以说是在以说是在X射线发现后的七八十年中放射医学领域射线发现后的七八十年中放射医学领域里最重要的突破性进展，也是里最重要的突破性进展，也是20世纪科学技术的世纪科学技

20、术的重大成就之一。重大成就之一。1979年的诺贝尔生理与医学奖破年的诺贝尔生理与医学奖破例地授给了这两位没有专门医学资历的科学家。例地授给了这两位没有专门医学资历的科学家。X射线计算机断层成像的射线计算机断层成像的装置实现装置实现2022-5-945生物医学工程中心2022-5-946生物医学工程中心自从自从XCT问世以来，技术有了很大的发展，设问世以来，技术有了很大的发展，设备装置也不断地更新换代。备装置也不断地更新换代。早期的早期的XCT扫描仪，数据采集与图像重建的计扫描仪，数据采集与图像重建的计算过程需要算过程需要较长的时间较长的时间，图像，图像分辨率相对较低分辨率相对较低，而病人接受的

21、射线而病人接受的射线照射剂量却相对比较大照射剂量却相对比较大。较新的较新的XCT装置采用多个检测器构成的扇形扫装置采用多个检测器构成的扇形扫描方式，它不仅减少了扫描与数据处理的时间，描方式，它不仅减少了扫描与数据处理的时间，减少了照射剂量，同时还改善了图像的分辨率。减少了照射剂量，同时还改善了图像的分辨率。X射线计算机断层成像的射线计算机断层成像的发展发展2022-5-947生物医学工程中心 在这个发展过程中，大量的研究工作在这个发展过程中，大量的研究工作是在努力开发高速有效的图像重建算法，是在努力开发高速有效的图像重建算法，包括代数方法与解析方法。包括代数方法与解析方法。目前的目前的XCT装

22、置其成像厚度可以小到装置其成像厚度可以小到1mm，断面中的断面中的图像分辨率也已经可以做到小于图像分辨率也已经可以做到小于1mm。X射线计算机断层成像的发展射线计算机断层成像的发展2022-5-948生物医学工程中心u(a) Original EMI CT head scanner (Mayo Clinic, Rochester, Minn, circa 1973)u (b) an 80 x 80-matrix head CT image obtained with it.2022-5-949生物医学工程中心2022-5-950生物医学工程中心CT机机2022-5-951生物医学工程中心202

23、2-5-952生物医学工程中心CT螺旋CT西门子64层 螺旋CT2022-5-953生物医学工程中心2022-5-954生物医学工程中心CT Scanning2022-5-955生物医学工程中心2022-5-956生物医学工程中心CT扫描部分扫描部分X光球管光球管高压发生器高压发生器探测器探测器数据采集系统数据采集系统2022-5-957生物医学工程中心2022-5-958生物医学工程中心X射线成像的缺点射线成像的缺点X射线X射线像物体2022-5-959生物医学工程中心uI0 :入射入射X-射线强度射线强度; I : 输出输出X-射线强度；射线强度；u :组织的线性衰减系数组织的线性衰减系数

24、; x: 组织的厚度。组织的厚度。CT成像原理成像原理-1 x0IIe 0IIx朗伯定律x12nI0I2022-5-960生物医学工程中心CT成像原理成像原理-2uX射线束通过非均匀介质：射线束通过非均匀介质：x12nI0I1 x1(1)0eII 2 x2( 2 )1eII n x(3)-1ennII)12n(x( 4 )0enII 012n(5)(+)lnnIxI 0(6)111lnniIpxI 2022-5-961生物医学工程中心CT图像u体素：将选定层面分成若干个体积相同的立方体。：将选定层面分成若干个体积相同的立方体。u数字矩阵：每个体素的：每个体素的X线衰减系数排列成矩阵。线衰减系数

25、排列成矩阵。u像素：数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等：数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块。灰度的小方块。2022-5-962生物医学工程中心u为了鉴别组织线性衰减系数的微小差别，并使组织为了鉴别组织线性衰减系数的微小差别，并使组织特性定量化，定义特性定量化，定义CT值：值：u其中其中 t t、 waterwater分别为组织及水的线性衰减系数，单分别为组织及水的线性衰减系数，单位为位为HounsfieldHounsfield，简称，简称HuHu。由上式显见，水的。由上式显见，水的CTCT值值为为0 0。u实验得知：实验得知： 骨骨22waterwater， 空气空气0 0。因

26、此，骨的。因此，骨的CTCT值为值为10001000，空气的，空气的CTCT值为值为0 0。CT值（值（Hu单位）单位）01000-1000 空气空气 脂肪脂肪 水水 软组织软组织 致密骨骼致密骨骼 twaternumberwaterCT010 02022-5-963生物医学工程中心传统传统X射线装置：射线装置：n几何聚焦，二维几何聚焦，二维X光片、纵向信息重叠；光片、纵向信息重叠；n图像后处理应用少；图像后处理应用少；n成像剂量可选（粗），剂量大；成像剂量可选（粗），剂量大；n动态范围小；动态范围小；n密度分辨率低，不能区别软组的细节；密度分辨率低，不能区别软组的细节；n空间分辨率高；空间分

27、辨率高；n不易与医院其它数字化设备互联。不易与医院其它数字化设备互联。CT：n图像重建，三维断层、图像清晰；图像重建，三维断层、图像清晰；n通过图像后处理，可获得多平面图像；通过图像后处理，可获得多平面图像；n成像剂量可选（精细），剂量小；成像剂量可选（精细），剂量小；n动态范围大；动态范围大；n密度分辨率高，对软组织分辨率能力高；密度分辨率高，对软组织分辨率能力高；n空间分辨率较低；空间分辨率较低；n易与医院其它数字化设备互连。易与医院其它数字化设备互连。CT与传统与传统X射线装置的对比射线装置的对比2022-5-964生物医学工程中心CT机的发展机的发展uCT机按其适用范围分为头颅机按其适用范围分为头颅CT和全身和全身CT，CT机的机的发展常用代（发展常用代（Generation）来表示；）来表示；uCT机从上世纪机从上世纪70年代问世以来，已经经历了年代问世以来，已经经历了5代。代。2022-5-965生物医学工程中心First Generation2022-5-966生物医学工程中心Second Generation2022-5-967生物医学工程中心Third Generation(From Siemens)20