生物医学工程概论之生物医学图像-1-part1-

山东大学控制学院生物医学工程系刘忠国生物医学图像生物医学工程概论之2023/2/51生物医学工程中心生物医学图象(BiomedicalImaging)刘忠国：liuzhg@Tel:88384192cellphonemagingtechnologiesarechangingthewayscienceisdone(R.P.Crease,Science,Vol.261,July1993)2023/2/52生物医学工程中心0.引言象鸟一样飞翔EngineeringTurnideasintoreality!人类的梦想2023/2/53生物医学工程中心人类的梦想：飞翔2023/2/54生物医学工程中心医生的梦想：看到“看不到”的微小的内部的生理的患者的梦想：无创无痛安全EngineeringTurnideasintoreality!2023/2/55生物医学工程中心医学和患者的共同梦想2023/2/56生物医学工程中心课程背景传统看病：望、闻、问、切（以定性为主）依赖于医生的经验现代医疗：定性（经验）到定量（知识）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2023/2/57生物医学工程中心结构成像看到病变X-RAYCT成像图像处理与分析系统2023/2/58生物医学工程中心功能成像看到功能fMRI功能核磁共振成像PET正电子断层成像SPECT单光子发射断层成像2023/2/59生物医学工程中心分子成像看到细胞、分子水平的变化光学成像核磁共振成像核素成像实时、在体2023/2/510生物医学工程中心

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。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。百闻不如一见2023/2/511生物医学工程中心图像科学包含图像的形成、获取、传输、存储、分析、识别等。在医学图像研究领域中主要包含以下两个相对独立的研究方向：医学成像系统（MedicalImagingSystem）和医学图像处理（MedicalImageProcessing）。医学图象研究2023/2/512生物医学工程中心医学图象研究医学成象系统(MedicalImagingSystem)图象形成的过程成象机理、成象设备、成象系统分析医学图象处理与分析(MedicalImageProcessingandAnalysis)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、识别等医学图象应用研究（MedicalApplication）临床基础医学2023/2/513生物医学工程中心医学图像涉及物理学、电子学、计算机技术等广泛的学术领域。随着各项高新科技的发展，医学图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。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PACS系统。医学图象研究2023/2/514生物医学工程中心

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1895年伦琴发现X射线。X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无创，为医生诊断疾病提供了重要的信息。伦琴因发现X射线获得首届诺贝尔物理学奖。2023/2/515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飞速发展的年代，各种新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，所成的图像不仅提供了人体组织在解剖上的形态结构，而且为器官功能检查提供了可能。所用的技术包括超声、核素成像等。

医学成像系统发展2023/2/516生物医学工程中心ElectromagneticSpectrum超声超声2023/2/517生物医学工程中心今天，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X射线成像、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。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2023/2/518生物医学工程中心主要医学成象系统投影X射线成象数字减影（DigitalSubtractionAngiography）X射线计算机断层成象（X-CT:X-rayComputedTomography）磁共振成象（MRI:MagneticResonanceImaging）放射性核素成象（SPECTandPET）超声成象（UltrasonicImaging）……2023/2/519生物医学工程中心主要医学成象系统2023/2/520生物医学工程中心医学成像的作用2023/2/521生物医学工程中心医学图象在临床诊断中的应用提高临床诊断的水平实现治疗中的监护，提高治疗中的有效性外科手术的规划图象的计算机管理PACS系统:picturearchivingandcommunicationsystem2023/2/522生物医学工程中心ApplicationsMRIandPETshowinglesionsinthebrain2023/2/523生物医学工程中心ApplicationsPETscanonthebrainshowingParkinson’sDisease2023/2/524生物医学工程中心1.X射线成像系统

X射线的发现使人们意识到了X射线在医学成像中的应用前景。在此后的几十年中，X射线摄影技术有了不小的发展，包括使用旋转阳极X射线管、影像增强管及采用运动断层摄影等。(1)

投影X射线成像系统

2023/2/525生物医学工程中心X-Ray(Eberhart’sManualofHighFrequncyCurrents,Ch.10,1911)(GundelachTube,1898–1905)OakRidgeAssociatedUniversitiesHealthPhysics

InstrumentationMuseumX-RayImaging(Principle)2023/2/526生物医学工程中心HighFrequency

X-RayTube(Eberhart’sManualofHighFrequncyCurrents,Chap.10,1911)PortableSystemX-RayImaging(Principle)2023/2/527生物医学工程中心2023/2/528生物医学工程中心投影X射线成像系统2023/2/529生物医学工程中心普通X光机2023/2/530生物医学工程中心床式X光机2023/2/531生物医学工程中心X光片（平片）2023/2/532生物医学工程中心X-RayImaging2023/2/533生物医学工程中心

但由于常规的X射线成像技术是将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。此外，投影X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的限制。投影X射线成像缺点2023/2/534生物医学工程中心为了获得脏器的清晰图像，人们又设计了一些特殊的X射线成像装置。如X射线数字减影装置(digitalsubtractionangiography，简称DSA)就是一个例子。(2)数字减影血管造影技术2023/2/535生物医学工程中心

DSA的基本工作原理是：将X射线机对准人体的某一部位，并将X射线造影剂注入人体血管中。如果在注入造影剂的前后分别摄取这同一部位的X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，而突出注人造影剂的血管部分。DSA在临床中已成功地用于血管网络的功能检查。数字减影血管造影技术2023/2/536生物医学工程中心DSA2023/2/537生物医学工程中心DSA2023/2/538生物医学工程中心手部DSA肺部DSA2023/2/539生物医学工程中心移动式血管造影系统2023/2/540生物医学工程中心移动式血管造影系统诊断图2023/2/541生物医学工程中心（3)X射线计算机断层成像

X射线计算机断层成像（X－raycomputedtomography，简称X－CT）。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。它从根本上克服了传统X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。是X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成就之一。2023/2/542生物医学工程中心

实现X－CT的理论基础是从投影重建图像的数学原理。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A.M.Cormack。他自20世纪50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X射线投影数据重建图像的可能性，而且提出了相应的实现方法并完成了仿真与实验研究。X射线计算机断层成像的重建理论2023/2/543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在1972年，一位名叫G.N.Hounsfield的工程师公布了计算机断层成像的结果。这项研究成果可以说是在X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20世纪科学技术的重大成就之一。1979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。X射线计算机断层成像的装置实现2023/2/544生物医学工程中心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2023/2/545生物医学工程中心自从X—CT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。早期的X－CT扫描仪，数据采集与图像重建的计算过程需要较长的时间，图像分辨率相对较低，而病人接受的射线照射剂量却相对比较大。较新的X－CT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，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发展2023/2/546生物医学工程中心

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，包括代数方法与解析方法。目前的X－CT装置其成像厚度可以小到1mm，断面中的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2023/2/547生物医学工程中心(a)OriginalEMICTheadscanner(MayoClinic,Rochester,Minn,circa1973)(b)an80x80-matrixheadCTimageobtainedwithit.2023/2/548生物医学工程中心2023/2/549生物医学工程中心CT机2023/2/550生物医学工程中心2023/2/551生物医学工程中心CT螺旋CT西门子64层螺旋CT2023/2/552生物医学工程中心SpiralscanCT(byPicker)

2023/2/553生物医学工程中心CTScanning2023/2/554生物医学工程中心2023/2/555生物医学工程中心CT扫描部分X光球管高压发生器探测器数据采集系统2023/2/556生物医学工程中心2023/2/557生物医学工程中心X射线成像的缺点X射线X射线像物体2023/2/558生物医学工程中心I0

:入射X-射线强度;I

:输出X-射线强度；

:组织的线性衰减系数;x:组织的厚度。CT成像原理-1mx朗伯定律xµ1µ2µnI0I2023/2/559生物医学工程中心CT成像原理-2X射线束通过非均匀介质：xµ1µ2µnI0I2023/2/560生物医学工程中心CT图像体素：将选定层面分成若干个体积相同的立方体。数字矩阵：每个体素的X线衰减系数排列成矩阵。像素：数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块。2023/2/561生物医学工程中心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CT值：其中µt、µwater分别为组织及水的线性衰减系数，单位为Hounsfield，简称Hu。由上式显见，水的CT值为0。实验得知：µ骨≈2µwater，µ空气≈0。因此，骨的CT值为1000，空气的CT值为0。CT值（Hu单位）01000-1000空气脂肪水软组织致密骨骼2023/2/562生物医学工程中心传统X射线装置：几何聚焦，二维X光片、纵向信息重叠；图像后处理应用少；成像剂量可选（粗），剂量大；动态范围小；密度分辨率低，不能区别软组的细节；空间分辨率高；不易与医院其它数字化设备互联。CT：图像重建，三维断层、图像清晰；通过图像后处理，可获得多平面图像；成像剂量可选（精细），剂量小；动态范围大；密度分辨率高，对软组织分辨率能力高；空间分辨率较低；易与医院其它数字化设备互连。CT与传统X射线装置的对比2023/2/563生物医学工程中心CT机的发展CT机按其适用范围分为头颅CT和全身CT，CT机的发展常用代（Generation）来表示；CT机从上世纪70年代问世以来，已经经历了5代。2023/2/564生物医学工程中心FirstGeneration2023/2/565生物医学工程中心SecondGeneration2023/2/566生物医学工程中心ThirdGeneration(FromSiemens)2023/2/567生物医学工程中心FourthGeneration2023/2/568生物医学工程中心在技术上属于第三代CT，是在滑环技术上的进一步发展，分为单层和多层螺旋CT

。螺旋CT机2023/2/569生物医学工程中心2023/2/570生物医学工程中心5thGenerationE-BeamCTScannerSpeed:50,100msThickness:1.5,3,6,10mmECGtriggercardiacimages(FromImatron)2023/2/571生物医学工程中心CTScanner2023/2