10数字医学影像.ppt

<p>,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六级,第七级,第八级,数字医学影像,数字影像,模拟影像与原子,数字影像与比特,数字化医学影像设备,模拟影像与原子,X射线照片是在胶片上形成的影像，其本质是被还原的银原子沉淀在胶片上形成的影像。不论是胶片、还是纸张，都是具有尺寸、重量和质量，广义的模拟影像是由原子构成的，具有物质-原子的共性。,模拟影像一旦形成，就不能压缩和加工，只能分配给指定的个体单独使用，而不能共享。虽然通过复制可以产生副本，但副本永远不同于正本。,模拟影像必须通过有形载体，如交通设备或人力，才能传输到异地。,影像质量受显定影过程操中操作人员的水平影响。,数字影像与比特,信息最小单位是bit，没有颜色、尺寸或重量，能以光速传播。,像素pixel：数字影像最小单位，是“图像picture”和“元素element”两个词缩合而成。,像素,这样的信息元素不是一个点或者一个方块，而是一个抽象的采样。仔细处理的话，一幅图像中的像素可以在任何尺度上看起来都不像分离的点或者方块；但是在很多情况下，它们采用点或者方块显示。,每个像素可有各自的颜色值，可采三原色显示，因而又分成红、绿、蓝三种子像素（RGB色域），或者青、品红、黄和黑（CYMK色域，印刷行业以及打印机中常见）。,照片是一个个采样点的集合，故而单位面积内的像素越多代表分辨率越高，所显示的图像就会接近于真实物体。分辨率通常用PPI（pixels per inch）或DPI（dots per inch）表示。PPI用于印刷领域，而DPI用于计算机领域。,像素,单色图像的每个像素有自己的辉度。0通常表示黑，而最大值通常表示白色。例如，在一个8位图像中，最大的无符号数是255，所以这是白色的值。,在彩色图像中，每个像素可以用它的色调，饱和度和亮度来表示，但是通常用红绿蓝强度来表示。,像素颜色,一个像素所能表达的不同颜色数取决于比特每像素（BPP，bit per pixel）。这个最大数可以通过取2的色彩深度次幂来得到。例如，常见的取值有,8 bpp：256色，亦称为“8位色”；,16 bpp：2,16,=65,536色，称为高彩色，亦称为“16位色”；,24 bpp：2,24,=16,777,216色，称为真彩色，通常的记法为“1670万色”，亦称为“24位色”；,32 bpp:2,24,+2,8,，计算机领域较常见的32位色并不是表示2,32,种颜色，而是在24位色基础上增加了8位（2,8,=256级）的灰度（亦称“灰阶”），因此32位色的色彩总数和24位色是相同的，32位色也称为真彩色；,48 bpp：2,48,=281,474,976,710,656色，用于很多专业的扫描仪。,像素颜色,256色或者更少的色彩的图形经常以块或平面格式存储于显存中，其中显存中的每个像素是到一个称为调色板的颜色数组的索引值。这些模式因而有时被称为索引模式。虽然每次只有256色，但是这256种可以选自一个通常是16兆色的调色板，所以可以有多种组合。,对于超过8位的深度，这些数位就是三个分量（红绿蓝）的各自的数位的总和。一个16位的深度通常分为5位红色和5位蓝色，6位绿色（眼睛对于绿色更为敏感）。24位的深度一般是每个分量8位。在Windows系统中，32位深度也是可选的：这意味着24位的像素有8位额外的数位来描述透明度。在老一些的系统中，4bpp（16色）也是很常见的。,像素颜色,当一个图像文件显示在屏幕上，每个像素的数位对于光栅文本和对于显示器可以是不同的。有些光栅图像文件格式相对其他格式有更大的色彩深度。例如GIF格式，其最大深度为8位（256色），而TIFF文件可以处理48位色深。,没有任何显示器可以显示48位色彩，人眼只能分辨约1000种颜色，CRT可以显示到32位色，而LCD由于自身的局限性最多只能显示24位色，中低端的LCD只能显示16位色甚至12位色。,超过1000种颜色后人眼无从分辨，因此12位色或者16位色对于人眼区别不大。所以48位这个深度通常用于特殊专业应用，例如胶片扫描仪和打印机。这种文件在屏幕上采用24位深度绘制。,体素（voxel）,Voxel：volumetric pixel，是由volume 和pixel两词缩写而成，表示三维空间上的一个体积单元。就像pixel只是表示二维图像上的某点的值，没有坐标信息一样，体素voxel也只是表示三维空间上某单元的值，不带位置信息，需从它们相对于其他体素的位置来推敲，也就是它们在构成单一张体积影像的数据结构中的位置。,在图形学中，点和多边形的节点（顶点）是带坐标信息的。,体素常用在三维成像、科学数据与医学影像等领域。,数字影像的优点,数据压缩,图像融合,减轻技师负担、提高成像质量,由传统的观片灯-胶片诊断模式显示器诊断,片柜式存储电子存储,可网络化,数字影像处理,计算机辅助诊断,综合影像诊断,数字化医学影像设备,数字放射照相术(Digital radiology),CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件),CR(Computed Radiography)：利用稀土元素制成的的晶体板吸收照射到板上的X射线的光信号，通过激光扫描读出板上的潜影后，通过光电转换变为电信号，输入计算机重建形成图像。,DR(Digital Radiography)：X线照射到薄膜晶体管屏后，直接将X射线的光信号转换为电信号，输入计算机重建形成图像。,2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。,数字化医学影像设备,CT：利用X射线的特性，将X射线对人体某一层面从不同角度进行照射，用探测器接受同层多组原始数据，经计算机重建形成图像。,MRI：将人体放在强大的磁场中，使人体内杂乱无章的原子具有一定的方向，利用射频线圈发射射频改变原子的磁方向，再撤销，在其恢复原来状态的过程中，发出电信号，利用计算机将射频线圈接受到的信号重建成图像。,数字化医学影像设备,超声：利用声波透射不同密度的物质时，透射率和折射率的不同，通过超声探头发射超声波后，再接收组织折射回来的超声波，经过计算机处理形成影像。,核医学（PET、SPECT）：利用检测器接收到进入人体体内的放射性药物或同位素释放的,、,射线或光子，通过计算机处理形成核医学影像。,数字化影像工作流程,PACS,定义：PACS（Picture Archiving and Communications Systems），即图像存储与通信系统，是应用于医院管理医学影像设备，如CR、DR、CT、MRI、PET、超声等产生的医学图像的信息系统。,狭义的PACS：图像存储方式和观察方式的改变。,广义的PACS：RIS（Radiology Information System）或MIIS（Medical Imaging Information System）,数字化传输的历史,1980年以前：铜线（电话线）,现在：双绞线（10/100M网线）、光纤、无线、卫星,高锟教授在一九六六年发表“光通讯”基础理论，提出以一条比头发丝还要细的光纤代替体积庞大的千百万条铜线，用以传送容量几近无限的信息传送，当时被外界笑称为“痴人说梦”，但高锟教授的理论于九十年代被广泛利用，造就了今天互联网的大发展，被誉为“光纤之父”。,2009年诺贝尔物理学奖授予高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。,PACS要点,医学影像的获取,数字影像直接通过电缆、光纤等以,DICOM,标准图像进入PACS，病人信息以,HL7,标准随图像一起进入PACS。,模拟影像通过模数转换（扫描仪、数码相机）为数字影像后进入计算机。,数据库与数据库管理：数据库的性能直接影响着PACS的性能。,在线存储：随时可以调用的存储，如硬盘库、光盘库、磁带库等。直接为临床使用的医学影像必须是在线存储才能保证临床需要，在线存储的量和调用速度决定着PACS的使用价值。,PACS要点,离线归档：相当于医院的胶片库。为了保证PACS的正常运行和运行成本，在线存储的量是有限的，所以大量过期影像压缩后以离线存储的形式保存在磁带或者光盘中，根据装载到硬盘中，再被调用。,图像显示与处理：保存和传输影像是为了显示和处理，这是使用PACS的关键。通过图像的显示进行读片、诊断，完成临床治疗过程。对影像进行后处理，使病变更容易观察，这是PACS的又一长处。,PACS要点,RIS和HIS接口：PACS是放射科-影像科信息系统（RIS或MIIS）的一部分，PACS只有接入RIS和HIS，才能发挥PACS的长处，为临床服务，而不是放射科的私有品。,胶片打印：PACS的真正意义在于无胶片化（filmless），但国情要求必须给患者一份胶片，所以，PACS必须支持胶片打印输出。不必每台影像设备都配置打印设备，可以采用网络打印设备。,PACS的优点,异地访问：医院不同科室，不同医院，省内、省外甚至国外。,图像复制：无限次复制，不改变图像精度。,同步显示：同时访问PACS中同一病人影像，在不同的地方显示同一幅图像。,快速传送：电缆或光缆,易于观察和诊断：显示器上移动、缩放、测量、后处理等,易于管理：图像管理、病人管理、工作人员管理。,实施 PACS 以前的工作流程,共需12个步骤,其中两次较长等待时间，冲洗胶片和临床借片。,用设备的操作平台进行打印操作，占用设备的工作时间，遇设备较忙时，无法及时打印。,专门人员管理的手工存储过程，有胶片丢失的可能。,实施 PACS 以后的工作流程,减少至4个步骤,其中仅在检查过程和放射科医生诊断写报告时需要一定时间的等待。,检查完毕后的病人图像从设备自动上传，不占用设备的工作时间，发挥设备的最大使用效率。,病人检查完一分钟以后，临床医生即可通过浏览工作站查看病人图像。,无人工干预的存储步骤，图像不会丢失。,DICOM,DICOM 是 Digital Imaging and COmmunications in Medicine 的缩写。,DICOM的发展背景完全是针对医学应用领域来开发的。,适用的对象是数字化的医学影像。,整个DICOM协议的核心主要在于“通讯”这个概念上。,综合以上，我们可以简单的将 DICOM 定义为：,“医学影像仪器和系统软件之间互通的通讯协议”,换言之，DICOM其实是仪器和电脑用的共同语言。,DICOM应用范围,医学影像是辅助医疗诊断的重要参考工具,只要有医学影像的地方，就适用DICOM。,透过DICOM整合各科各种医学影像仪器。,在DICOM环境中，结合原有的医院信息系统(HIS)，那么病历报告的呈现将不再是一成不变的白底黑字，而是可随医生需求提取病患各种影像，作为观察及诊断的依据。,结合发展蓬勃的网际网路，将DICOM推广到医院对外的应用。,不论远距会诊、学术研究、教育训练，都能发挥莫大的效益。,DICOM的发展,DICOM以开放式系统互联（Open System Interconnection，OSI）参考模式定下的7层协议为基础，为影像、公用信息、应用服务及通讯协议提供了标准模式，允许医学图像在检查仪器、电脑和医院之间进行交换，医学影像设备采用此标准数据格式和数据接口后，其图像可通过网络系统存储和传输。,1982年美国联合成立委员会，制定DICOM标准，1985-公布1.0版本，1988-公布2.0版本,DICOM在持续更新中，目前是DICOM 3.0 2011版,DICOM3.0 的组成,DICOM 3.0标准随着技术的发展，不断地进行更新，目前由18部分组成：,引言与概述。简要介绍了DICOM的概念及其组成。,兼容性。定义了要求制造商精确地描述其产品的DICOM兼容性，即构造一个该产品的DICOM兼容性声明，它包括选择什么样的信息对象、服务类、数据编码方法等，每一个用户都可以从制造商处得到这样一份声明。,信息对象的定义：定义了两类信息对象类：普通性、复合型。,服务类规范。说明了许多服务类，服务类详细论述了作用与信息对象上的命令及其产生的结果。,数据结构及编码。描述了怎样对信息对象类和服务类进行构造和编码。,数据字典。描述了所有信息对象是由数据元素组成的，数据元素的属性及涵义。,消息交换。定义了进行消息交换通讯的医学图像应用实体所用到的服务和协议。,消息交换的网络通讯支持。说明了在网络环境下的通讯服务和支持DICOM应用进行消息交换的必要的上层协议。,消息交换的点对点通讯支持。,用于介质交换的介质存储和文件格式。该部分说明了在可移动存储介质上医学图像信息存储的通用模型。提供了在各种物理存储介质上交换不同类型的医学图像的框架，支持封装任何信息对象定义的文件格式。,介质存储应用框架。用于医学图像及相关设备信息交换的兼容性声明。给出了心血管造影、超声、CT、核磁共振等图像的应用说明和CD-R格式文件交换的说明。,用于介质交换的物理介质和介质格式。,点对点通信支持的打印管理。,说明了灰度图像的标准显示功能。,安全措施,内容映射资源(content mapping resource)定义了标准使用的模板和上下文组。,说明信息,由WEB接入DICOM持久对象,这几部分文档是既相关又相互独立的。其中规定了：,Patient、Study、Series、Image 四个层次的医学图像信息结构，以及由它们组成的信息对象（Information Object）；,采用服务类客户/服务类提供者（Service Class User/Service Class Provider）概念组成的服务对象对（ServiceObject Pair）；,支持点对点（PPP）和TCP/IP网络通讯协议。,DICOM是一个不断更新和发展的标准，随着网络技术，图像处理计术的发展，会有新内容加入和旧内容的退休。例如关于点对点传输的第九部分和第十三部分已经从2004版的DICOM中删除了。,DICOM标准的目标:实现复杂的情况下准确的无歧义的信息交换。,要解决两个问题：,1、语法,2、语义,DICOM语法,信息组成的规则。在DICOM中，数据种类相当多，被分成各个层次，有信息对象定义(IOD)、消息(Message)、命令集、数据集、数据元素、传输语法等。只有通信双方按约定的统一的方法组织数据，才可能准确获得对方传输的信息。,DICOM语义,DICOM中专门定义了自己的词汇，DICOM的“词汇”是用一对整数表示的，称为标记(Tag)，用数据字典给出详细的定义和解释。另外用UID的方法给出唯一标识。,DICOM数据组织形式,1、唯一标识符UID,为保证每个标识的全球的唯一性，使用了下面的字符串(UID)产生机制：.,2、传输语法,在SOP实例数据集能被交换之前，数据集到字节流的编码方式是固定的，或在网络交换中协商，编码方式由传输语法指明，由一个UID标识，DICOM默认隐式VR LittleEndian传输语法。,3、数据元素,DICOM文件中最基本的单元是数据元素(Data Element)。最终的DICOM文件就是由DICOM数据元素按照一定的顺序排列组成的。,DICOM文件主要组成部分就是数据集合。包括医学图像，还有很多相关的信息：病人姓名、图像大小等。,DICOM数据集合是由DICOM数据元素按照指定的顺序依次排列组成的。DICOM文件一般采用显式传输，数据元素按标签从小到大顺序排列，一个数据元素在数据集内至多只能出现一次。,DICOM文件头,DICOM文件头(DICOM File Meta Information)包含了标识数据集合的相关信息。DICOM文件都包括该文件头，最开始是文件前言，由128个00H字节组成，接下来是DICOM前缀，为4字节的字符串“DICM”。,包括文件的传输格式、生成该文件的应用程序等。,DICOM与PACS,DICOM与PACS的关系类似于TCP/IP与Internet。,DICOM是一个完善的标准，是PACS的基石。,DICOM资源,完整的DICOM规范见,medical.nema.org/,关于医学图像格式常见问题可以参阅下面的网站：,最新补充和更新可以访问网站：,资源目录：,(Health level Seven)标准是目前医药数据交换标准中应用最为广泛的一个国际标准。“Level Seven”是指ISO（International Standards Organization）组织发布的OSI（Open Systems Interconnection）通讯模型的最高层应用层。该标准于1987年产生，目前版本为2000年12月发布2.4版本，正在制定以XML方式表达的V3.0版本。,HL7组织,Health Level Seven International(www.HL7.org)成立于1987年，是非盈利性组织，从事卫生保健环境临床和管理电子数据交换的标准开发。在2300多个会员中，超过500个团体会员，包括了医疗方面90的信息系统供应商。,HL7 的影响力已经波及到了澳大利亚、加拿大、中国、芬兰、德国、日本、荷兰、新西兰、英国、印度、阿根廷、南非、瑞典、韩国等国家和地区。,中国于 2000 年初建立了 HL7 中国协作中心。,HL7内容,HL7 标准的应用领域是医疗卫生行业及其相关领域的数据信息交换，其 2.4 版主要内容包括：,病人个人信息管理。,病人入、出院、转院信息。,各类医疗服务，如手术、检查、化验、用药、医用材料及饮食等服务项目的管理。,财务管理信息、病人帐户管理、收费管理、医疗保险理赔、支付。,检查化验结果回报。,档案管理。,病案管理。,医疗服务预约管理。,HL7内容,HL7 2.4版本是目前的ANSI的版本。包括十五个章节，四个附录，共1400多页。,CH01 Introduction 介绍,CH02 Control 控制,CH03 Patient Administration 病人管理,CH04 Order Entry 医嘱,CH05 Query 查询,CH06 Financial Management 财务管理,CH07 Observation Reporting 观察报告,CH08 Master Files 主文件,CH09 Medical Records/Information Management(Document Management)医疗纪录/信息管理（文档管理）,CH10 Scheduling 日程安排,HL7内容,CH11 Patient Referral 病人转诊,CH12 Patient Care 病人照护,CH13 Clinical Laboratory Automation 临床试验室自动化,CH14 Application Management 应用程序管理,CH15 Personnel Management 个人管理,AppendixA Data Definition Tables 数据定义表,AppendixB Lower Layer Protocols 底层协议,AppendixC Version 2.4 BNF Message Descriptions 2.4BNF消息描述,AppendixD Glossary 术语表,HL7标准进展,近几年来，HL7 取得了重大进展。HL7 一直致力于两个方向的发展，一方面继续优化 2.X 版本的设计，陆续发布了一系列版本，分别纠正了前一个版本的错误，并对内容作出了相应的扩充；,另一方面，向一个里程碑式的版本 3.0 的方向开始努力，3.0 版本运用了大量最新出现的技术，比如XML、COBRA 以及微软的 OLE 等等，将 2.X 版中定义的文本文件传输格式，转换为定义医疗物件间(RIM)的界面交互作用的模型，以达到软件组件化的目标，极大简化了 HL7在实际应用中的工作量。,HL7 的特点,完整性。对基本的医嘱，财务，检验信息都有了规范的描述，而且做得非常详细，如病人的饮食忌讳，宗教信仰等按照相应的 ISO 标准描述。,可实现性。选择 OSI 第七层做标准，保证其可实现性。,兼容和扩展性。包括对中药计量单位的支持。,安全性。由于 HL7 的开发和兼容性导致安全性很难保障，尽管支持数字签名，但主要还是要靠网络底层协议保证。,未来的医院信息系统,无线网络，手持终端,智能化服务,远程医疗,手持无线终端,智能化服务,辅助决策支持,人工智能,微型诊断治疗设备,手术机器人,信息学与生命科学,远程医疗,中国首次远程医疗尝试,著名的北京清华大学铊投毒朱令案,zh.wikipedia.org/wiki/朱令,中国北京清华大学1992级化学系女生朱令在1994年11月底出现铊中毒症状，最后得助于互联网才得到确诊和救治的事件。这是中国首次利用互联网进行国际远程医疗的尝试。1995年5月北京警方立案调查，1998年8月无果结案，至今仍未找出真凶，此案引发媒体与网络的报道和外界的关注与讨论。,所谓悲剧，就是把世间最美好的东西，毁灭给你看！,数字化医院e-Hospital,IHE：Integrated Healthcare Enterprise，集成医疗机构,Hospital A,医生办公室,医生办公室,政府支付,血库,家庭护理机构,医院 B,Patient Data,医生办公室,保险公司,护理院,门诊机构,门诊机构,门诊机构,e-Hospital/IHE三个层次,数字化医疗设备（DICOM）,医院网络化建设（PACS/RIS/HIS）,远程医疗服务系统,通过卫星通信的远程会诊服务,通过卫星通信的远程培训服务,总结,Pixel、Voxel,X、CR、DR、CT、DSA、MRI、PET、SPECT、US、胃镜、病理显微图像、光成像各种医学影像等,PACS,DICOM（Ver3.0）、HL7（Ver2.4）,RIS、HIS,e-Hospital、IHE,知识回顾,Knowledge Review,</p>