CT成像资料的学习资料

CT成像资料的学习资料第1页/共105页2OutlyingWords:everyoneshouldhaveadream(ideal，target)（要有梦想/理想）builduptheideaoflifetimestudy（树立终生学习的思想）bringupthecharacterofpayingcloseattentiontothefrontlineofsubject（培养关注学科前沿的品格）innovativeideology（创新思维/思想）第1页/共104页第2页/共105页3天道酬勤ItisnevertoolatetolearnLearnyoung，Learnfair第2页/共104页第3页/共105页4对本课程的简单说明:上海市教委重点建设课程,专业核心课程课程组:聂生东,蒋欣,武杰,陈兆学教材:自编教材(医学图像处理),明年由复旦大学出版社正式出版参考文献:冈萨雷斯<数字图像处理>对本课程的基本要求:按时上课,有事请假认真听讲,遵守课堂纪律按时完成作业通过网络查阅相关资料在授课过程中,同学可就授课过程中存在的问题随时向老师提出.第3页/共104页第4页/共105页5上海理工大学医学图像处理MedicalImageProcessing第4页/共104页第5页/共105页6第一章医学图像处理概论IntroductionofMedicalImageProcessing第5页/共104页第6页/共105页7本章主要内容医学图像处理概述医学影像技术的发展医学图像处理技术及其应用本教材的主要内容

第6页/共104页第7页/共105页8一、医学图像处理概述1、医学图像处理简介2、为何设置医学图像处理课程3、医学图像处理技术的主要内容4、医学图像处理技术的主要应用领域5、医学图像处理的基本过程6、医学图像处理的基本步骤7、医学图像处理课程需要的基础8、医学图像处理的主要对象第7页/共104页第8页/共105页91、医学图像处理简介

医学图像处理是一门理、工、医等学科高度交叉的新兴学科。为数字图像处理学科的一个重要分支。该学科致力于对人类疾病的发现、诊断、辅助治疗，致力于为探索生命现象提供高水平的科学方法和工程技术手段。因此，医学图像处理学科将始终是朝阳学科。医学图像处理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。第8页/共104页第9页/共105页1010Biomedicalimageprocessinghasexperienceddramaticexpansion,andhasbeenaninterdisciplinaryresearchfieldattractingexpertisefromappliedmathematics,computersciences,engineering,statistics,physics,biologyandmedicine.第9页/共104页第10页/共105页1111Accompaniedbyarushofnewdevelopmentofhightechnologyanduseofvariousimagingmodalities,morechallengesarise;forexample,howtoprocessandanalyzeasignificantvolumeofimagessothathighqualityinformationcanbeproducedfordiseasediagnosesandtreatment.第10页/共104页第11页/共105页1212Theprincipalobjectivesofthiscoursearetoprovideanintroductiontobasicconceptsandtechniquesformedicalimageprocessingandtopromoteinterestsforfurtherstudyandresearchinmedicalimagingprocessing.第11页/共104页第12页/共105页132、为何设置医学图像处理课程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，作为医学影像工程或相关专业的学生应该了解和掌握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。第12页/共104页第13页/共105页143、医学图像处理技术的主要内容

医学图像处理涉及的主要内容包括：医学影像的数字化基础、医学图像的运算、医学图像变换技术、医学图像增强技术、医学图像分割技术、医学图像配准、医学图像三维可视化等。第13页/共104页第14页/共105页154、医学图像处理技术的主要应用领域定量影像学（精确诊断、精确治疗）基于医学图像的计算机辅助诊断/检测；虚拟内窥镜；外科手术术前计划系统；影像引导下的放射治疗系统；PACS系统/远程诊疗…第14页/共104页第15页/共105页165、医学图像处理的基本过程医学影像设备采集医学影像计算机显示器PACS打印机INTERNET远程医疗第15页/共104页第16页/共105页176、医学图像处理的基本步骤针对待处理对象及处理目的设计算法编程实现相关算法根据处理结果评价算法结果好？输出结果修正算法NY第16页/共104页第17页/共105页187、医学图像处理课程需要的基础医学成像设备的基本原理：图像的来源、特点（主要目的：了解处理对象）高等数学：高等代数，积分变换等计算机程序设计语言(Matlab,C++)概率论与数理统计第17页/共104页第18页/共105页198、医学图像处理的主要对象

X射线(X-ray)图像

CT(ComputerizedTomography)图像

MRI(MagneticResonanceImaging)图像超声(Ultrasonic)图像

PET(Positronemissiontomography)图像

SPECT(SinglePhotonEmissionComputedTomography)图像第18页/共104页第19页/共105页20二、医学影像技术的发展1、医学成像技术概述2、X线成像3、超声成像4、CT成像5、核医学成像6、MRI/FMRI成像7、医学图像的发展趋势第19页/共104页第20页/共105页211、医学成像技术概述传统诊断方式及其问题：Look(望），smell(闻），ask(问），feelthepulse(切)X线的发现及其带来的诊断革命B超成像X-CT成像核医学成像MRI/fMRI成像第20页/共104页第21页/共105页22Imagesarethemostcommonandconvenientmeansofconveyingortransmittinginformation.Apictureisworthathousandwords.Picturesconciselyconveyinformationaboutpositions,sizesandinter-relationshipsbetweenobjects.Theyportrayspatialinformationthatwecanrecognizeasobjects.Humanbeingsaregoodatderivinginformationfromsuchimages,becauseofourinnatevisualandmentalabilities.About75%oftheinformationreceivedbyhumanisinpictorialform.第21页/共104页第22页/共105页23Onepictureisworthmorethantenthousandwords.百闻不如一见第22页/共104页第23页/共105页242、X线成像

1895年伦琴发现X线，使得人们通过X线第一次观察到人体内部的结构，为医生确诊疾病的病因提供了重要的信息。第23页/共104页第24页/共105页25伦琴因发现X射线获得首届诺贝尔物理学奖（1901年）。第24页/共104页第25页/共105页26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。X线成像技术没有从根本上改变3D物体投影到2D平面的问题。由于处于不同深度的器官的像是重叠在一起的，从而使得X线影像的空间分辨率受到一定限制。第25页/共104页第26页/共105页27X射线成像（最传统X线成像）原理：X线束直接对准病人需检查的部位，从病人后面透射过人体，借助荧光屏产生可见光并使胶片感光（胶片屏幕组合）。组织密度、厚度不同，对X射线吸收、透射X射线强度不同，如肺组织对X线的衰减效应比骨骼小得多。缺点：不能反映组织和病灶的三维空间；不是数字化的形式成像模式第26页/共104页第27页/共105页28X射线成像原理：透过组织的X线束的强度分布可通过影像增强器转换成电子信号。影像增强器中的荧光屏把X线分布转化成电荷的分布，然后电子被加速，直接打向第二个小荧光屏，放大的光图像就会显示在此屏幕上优点：无需胶片成像，可以在屏幕上直接显示，图像处理性能强成像模式第27页/共104页第28页/共105页29

数字减影血管造影（DigitalSubtractionAngiography，DSA）是利用数字图像处理技术中的图像几何运算功能，将造影剂注入前后的数字化X线图像进行相减操作，获得两帧图像的差异部分——被造影剂充盈的血管图像。目前DSA有时间减影（temporalsubtraction）、能量减影（energysubtraction）、混合减影（hybridSubtraction）和数字体层摄影减影（digitaltomographysubtraction）等类型。第28页/共104页第29页/共105页30第29页/共104页第30页/共105页31ThebasicprincipleofDSA第30页/共104页第31页/共105页32

计算机X线摄影（computedradiography，CR)是X线平片数字化的比较成熟的技术。CR系统是使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板（ImagingPlate，IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片图像。第31页/共104页第32页/共105页33ComputedRadiography,CR第32页/共104页第33页/共105页34DigitalRadiography,DR（FlatPanelDetector,FPD）ThemainstrongpointsofCR/DR:lowradiantdose,highimagequality.第33页/共104页第34页/共105页35CCD-DRHighRadiation/HighNoiseRegionLowRadiation/LowNoiseRegionCCDLensReflectingMirrorFlickeringBoardX-RayTubeRawdatacapturingImageenhancementDisplay第34页/共104页第35页/共105页Mammography乳腺摄影术Benignlesion-Fibroadenoma

第35页/共104页第36页/共105页373、超声成像

X线对人体健康是有害的，在第二次世界大战时期发展起来的雷达和声纳的基础上，应用超声脉冲反射原理发展了各种超声成像技术。超声可以探查出非常细微的病变组织，是X线摄影的有力补充。超声成像也是除了X线以外使用最为广泛的医学成像工具。超声成像依据的是脉冲-回波技术，这个技术和雷达技术相似。

超声成像的缺点是图像对比度差，图像的重复性依赖于操作人员。另外，超声检查的视野有限，难以显示正常组织及较大病变的全貌，也不利于与其它检查图像(如CT，MRI)进行对比。

第36页/共104页第37页/共105页38超声图像16周胎儿的超声图像肝脏肾脏颈动脉成像模式原理：利用超声在人体组织内的回波原理，接收回波成像。第37页/共104页第38页/共105页

超声图像第38页/共104页第39页/共105页

超声图像第39页/共104页第40页/共105页超声图像PhotocourtesyPhilipsResearch

Ultrasoundexaminationduringpregnancy

第40页/共104页第41页/共105页超声图像PhotocourtesyPhilipsResearch

3Dultrasoundimages

第41页/共104页第42页/共105页434、CT成像随着计算机技术的发展，1972年出现了一场医学成像技术的革命。英国工程师Hounsfield因研制成功第一台头部扫描CT，并于1979年获得了诺贝尔医学生物学奖。这是在诺贝尔奖的历史上第一次由工程技术人员获奖。由此可见CT对整个世界的影响。第42页/共104页第43页/共105页44Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。第43页/共104页第44页/共105页45X-CT计算机断层图像原理：X线管和探测器都装在支架上，可沿一直线移动（平移）和旋转，线管产生已知强度的细束射线，探测器则测量透过的射线强度，得到组织断层图像或三维图像成像模式传统X线图像是投影图像，不能显示真实的器官几何形态，在三维空间前后排列的器官将投射到一个叠加的二维图像上。为了得到一个三维图像，必须获得大量不同角度的图像，通过这些图像，放射学家和医生可构成他们感兴趣的三维图像。第44页/共104页第45页/共105页46CT成像解决了传统X线成像因组织重叠造成的图像分辨率不高的问题，实现了组织器官的断层解剖结构的成像。但是，由于与X线成像技术一样，CT成像也是通过检测人体对X射线的吸收量而获得的图像，因此，CT成像对软组织获得的图像的密度分辨率远没有MRI高。与传统的X线检查手段相比，CT具有以下优点：能获得真正的断面图像，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，并通过各种计算进行定量分析。第45页/共104页第46页/共105页47

WhatisCT?CTisatomographicimagemodalityproducinga2-dimensionalrepresentationofasliceofthehumanbody.SliceVoxelX-RaytubeDetector第46页/共104页第47页/共105页48Advantage:Noproblemwiththesuperpositionoftheobjectsinthehumanbody.Directvisualizationofnon-calcifiedsofttissuesDisadvantage:MoredoseExpensiveCTcomparedtoradiographysystems第47页/共104页第48页/共105页49CT图像第48页/共104页第49页/共105页50CT图像第49页/共104页第50页/共105页51CT图像第50页/共104页第51页/共105页525、核医学成像尽管CT技术解决了X线成像技术所不能解决的断层成像问题，但是CT也有其局限性，如对血管病变，消化道腔内病变以及某些病变的难以定性等，而且只能对组织结构进行成像，不能进行功能性成像。

目前常用的影像诊断方法如超声、CT、MRI等提供的是人体解剖学变化的信息。而核医学成像提供的是人体组织器官的新陈代谢变化方面的信息，既功能性信息，这些信息有助于更早地发现疾病，并判断疾病的性质及发展程度。

目前，在核医学领域广泛使用的影像技术是PET和SPECT，这两种成像技术又统称为发射型计算机断层ECT（EmissionComputedTomography）。第51页/共104页第52页/共105页53SPECT(单光子发射CT)成像伽马照相机旋转脑部特性成像模式原理：放射性同位素发射伽马射线，经人体后射线衰减，射线透过晶体转换成荧光光子，设备接受光子形成图象。SPECT可用来处理心脏的三维重建，也可用于脑和骨骼的研究等等第52页/共104页第53页/共105页54Nuclearmedicalimagingtwoimagingmodalities:SPECT(SinglePhotonEmissionComputedTomography),PET(PositronEmissionTomography)transect第53页/共104页第54页/共105页55第54页/共104页第55页/共105页56第55页/共104页第56页/共105页57PET

图像

PET又称正电子发射计算机断层显像仪(PositronEmissionTomography,PET)，是继CT之后出现的又一断层扫描技术，是核医学和CT技术相结合的产物，代表了核医学发展的最高水平，于1976年应用于临床。

第56页/共104页第57页/共105页58PET成像成像模式原理：放射性同位素注入人体，同位素的正电子在泯灭时发射伽马射线，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

第57页/共104页第58页/共105页PET第58页/共104页第59页/共105页60PET/MRI融合图像第59页/共104页第60页/共105页61MRI图像与PET图像比较第60页/共104页第61页/共105页62解剖结构成像（如CT图像）具有很高的空间分辨率，而核医学成像能得到不同器官或脏器的功能性信息。近年来，人们利用图像融合(fusion)技术，把解剖结构图像（CT或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。第61页/共104页第62页/共105页636、MRI/fMRI成像

磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)是在X-CT出现后又一重大发明，它是医学、化学、物理学、电子学、电子计算机技术、X-CT技术和磁共振波谱技术等学科相结合的产物。MRI所提供的信息比X-CT多。因此，有人说MRI是二十一世纪的影像技术。第62页/共104页第63页/共105页64IsidorIsaacRabi1944年诺贝尔物理学奖获得者:获奖原因:发明了研究气态原子核磁性的共振方法.1938年在利用原子核和不均匀磁场研究原子核磁矩时观察到核磁共振现象.NMR一词就是由他引入.第63页/共104页第64页/共105页65Bloch和Purcell因发现NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖。1946年他们分别用不同的方法在常规物质中观察到核磁共振现象,他们的发现和所用的方法成为现代核磁共振的基础.第64页/共104页第65页/共105页66AlfredKastler因发明双共振方法——即使原子的光学频率的共振和射频电磁波（赫兹波）的磁共振同时发生的方法,于1966年获得诺贝尔物理学奖。卡斯特勒的方法大大增加了探测磁共振信号的灵敏度，使人们多了一个研究原子能级结构的精密手段，而且从他的工作中已经产生了有价值的实用仪器，例如，在一万年中误差仅为一秒的原子钟和能够测量像地球周围磁场那样弱的磁场的磁强计。

第65页/共104页第66页/共105页67发明MRI中Fourier重建方法的瑞士科学家RichardErnst获得1991年诺贝尔化学奖。第66页/共104页第67页/共105页68瑞士科学家KurtWüthrich(库尔特·维特里希)2002年诺贝尔化学奖获得者.由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究.第67页/共104页第68页/共105页69Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。美国科学家PaulLauterbur于1973年发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位置，从而可以得到物体的二维图像；英国科学家PeterMansfield进一步发展了使用梯度场的方法，指出磁共振信号可以用数学方法精确描述，从而使磁共振成像技术成为可能，他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。第68页/共104页第69页/共105页70雷曼·达马迪安(RaymondDamadian)医用磁共振成像仪的发明人第69页/共104页第70页/共105页71MRI磁共振图像特点：显像时间快、图像清晰大脑膝盖靠近肾脏的动脉成像模式原理：是以某种方法如通过测量断层组织氢核的密度，显示身体中某一断面的组织分布图像,由此而获得身体中某断面的二维图像。第70页/共104页第71页/共105页72MRI的物理学基础是核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)现象，其本质是一种能级间跃迁的量子效应。

NMR现象是由于人体中的原子核吸收了来自外界的电磁波后，产生了共振现象，然后原子核再将其所吸收的能量以电磁波形式释放出来产生图像的过程。MRI较CT具有独特的优点和特点：无电磁辐射损伤，对软组织具有更高的分辩率，多方向、多参数成像方法，无需用造影剂就能对心血管成像。

第71页/共104页第72页/共105页73第72页/共104页第73页/共105页第73页/共104页第74页/共105页MRI第74页/共104页第75页/共105页76MRI图像第75页/共104页第76页/共105页77fMRI图像第76页/共104页第77页/共105页MotorActivation-RightIndexFingerMovement1Hz 2Hz 3Hz%100755025Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital第77页/共104页第78页/共105页AsymmetryofAuditoryRegionsinMusicianswithPerfectPitchSchlaug,etal,Science

267:699(1995)第78页/共104页第79页/共105页80Orthogonalviews:sagital,coronal,transverse第79页/共104页第80页/共105页81第80页/共104页第81页/共105页82第81页/共104页第82页/共105页HumanNeckPlane: SagittalSequence: SpinEcho第82页/共104页第83页/共105页WristImageCoil: AsymSTSSequence: SpinEchoSlice: CoronalTR/TE: 2000/27msFOV: 8cmThk: 1.5mmMatrix: 256x256Nex: 1第83页/共104页第84页/共105页HydrocephalusMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool第84页/共104页第85页/共105页ImageContrast(T2)SIGNALTEWhiteTumor第85页/共104页第86页/共105页MRAngiographyHeadS/IProjectionMRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool第86页/共104页第87页/共105页ProtonNMRSpectroscopyinMultipleSclerosisPMMatthews,Neurology41:1252(1991)CHO CholineCr CreatineNAA N-acetylaspartateLA LactateActivePlaqueNormal-AppearingWhiteMatter第87页/共104页第88页/共105页89

根据医学图像发展的历史,可以看出,医学图像的发展是沿着三个方向,即逐步从模拟成像向数字成像,从结构成像向功能成像，从2D成像向3D成像发展.7、医学图像的发展趋势

第88页/共104页第89页/共105页90不同医学影像都有其特点，在临床上扮演着不同的角色，任何一种成像技术都不能代替其他成像技术，它们相辅相成，互相补充。任何事物的发展都是从量变到质变的过程，肿瘤的发展也是这样。根据统计学方法的研究结果，SPECT可以比CT提前3个月诊断出癌症，PET一般比SPECT还要早3个月诊断出癌症。分子影像学。第89页/共104页第90页/共105页91由于医学图像能够提供大量用其他方法所不能提供的信息，所以医学成像技术的发展非常迅速，各种新技术几乎无一不在医学成像技术中得到应用。医学图像几乎全部是把肉眼不可见的信息变成可见信息，从而为