医学成像与处理技术教学课件整本书电子教案全套教学教程电子教案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,章 医学成像及处理技术的发展,医学成像及处理技术,本章目录,1.1,医学成像及处理技术概述,1.2,医学成像常用技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,1.4,医学成像及处理技术展望,教学目标,通过本章的学习，熟悉医学成像及图像处理技术的发展过程，了解医学成像及图像处理技术的发展趋势。,教学重点和难点,成像技术与处理技术的基本概念,成像技术的发展与展望,图像处理技术的发展与展望,1.1,医学成像及处理技术概述,医学成像是利用专门成像机制的设备，以无创性方式获取人体内部结构信息的学科，包括,X,线成像技术（含,X,线透视、摄影，,DSA,和,CT,）、超声成像技术、核医学技术（,PET,）、磁共振（,MRI,）技术等。,医学图像处理与分析包括：医学图像增强技术、医学图像分割技术、医学图像配准、医学图像重建与可视化技术、图像的压缩与存储技术；图像指导治疗；图像引导手术；医学虚拟环境。这部分内容也可称为医学图像后处理（,post-processing,）及其应用。,PACS,（,picture archiving and communication system,），也即医学影像存档与通讯系统，给医学图像的存储、传递、管理、维护提供了一种先进的技术，它是一种医学图像管理系统，不是成像装置。,1.2,医学成像常用技术的发展,医学影像技术是利用专门成像机制的设备，以无创性方式获取人体内部结构信息的学科，包括,X,射线成像技术（含,X,射线透视、摄影，,DSA,和,CT,）、超声成像技术、,MRI,技术、核医学技术等。,X,射线成像技术应用于医学诊断以来，逐渐形成了获取影像和利用影像进行诊断的分工与合作。,1.2,医学成像常用技术的发展,1895,年,11,月,8,日，伦琴在维尔茨堡大学实验室。伦琴夫人的手，上面还有他们的结婚戒指。伦琴亲自在照相底板上用钢笔写上,1895/12/22,，,1.2.1,第一张人体,X,射线照片,1.2,医学成像常用技术的发展,1,医学,X,射线成像技术的发展,X,射线的发现对医学的发展具有划时代的意义。,X,射线发现不久，就被应用到临床。从伦琴发现,X,射线到现在的,110,多年的时间里，射线影像设备一直在朝着不断满足人们需求和方便人们使用的方向发展。在刚开始的阶段，,X,射线检查仅被应用于密度差别较大的骨折和体内异物的诊断上。随着各种造影剂的发明和使用，,X,射线检查进入了人工对比的检查阶段，逐步应用于人体各部分的检查，大大扩展了检查范围。,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,1,医学,X,射线成像技术的发展,计算机体层成像（,computed tomography,，,CT,）是计算机技术与,X,射线检查技术相结合的产物。,1971,年，英国,EMI,公司工程师,Hounsfield,成功研制了世界上第一台头部,CT,扫描机，以后又出现了全身,CT,、螺旋,CT,和超高速,CT,等。,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,1,医学,X,射线成像技术的发展,随着多层螺旋,CT,（,MSCT,）的发展，同时具备了快速、薄层、长距离、,X,射线利用率高四大优势，实现了有临床实用价值的各向同性扫描。通过后处理技术，不仅能够从冠状、矢状面及任意角度、层面观察解剖，而且可以三维立体地显示各种解剖结构，彻底改变了,CT,只能显示横断层面的局面,GE,公司的螺旋,CT,机,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,2医学超声成像技术的发展,用于医学上的超声频率为,2.5MHz,10MHz,，常用的是,2.5MHz,5MHz,。超声在介质中传播的速度因介质不同而异，在固体中最快，液体中次之，气体中最慢。,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,2医学超声成像技术的发展,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,3,医学核素成像技术的发展,放射性核素成像（,radio nuclide imaging,，,RNI,），是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部结构的医学影像技术。放射性核素显像主要是功能性显像，可以进行功能性的量化测量。,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,3,医学核素成像技术的发展,正电子发射型计算机断层（,PET,）成像,单光子发射型计算机断层（,SPECT,）成像,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,4医学核磁共振成像技术的发展,核磁共振（,nuclear magnetic resonance,，,NMR,），。它是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理获得图像，这就称为核磁共振成像。,20,世纪,80,年代初，,NMR,成像应用于临床，为了与放射性核素检查相区别，改称为磁共振成像（,magnetic resonance imaging,，,MRI,）,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,4医学核磁共振成像技术的发展,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,4医学核磁共振成像技术的发展,不同时期的磁共振图像,1.2.2 医学图像成像技术的发展,1.2,医学成像常用技术的发展,各类影像系统的功能和适宜检查的范围是不同的。以脑部成像为例，脑的结构可以用,X,射线,CT,和,MRI,图像来确定，不过单独使用,CT,和,MRI,都不能获取脑及周围结构的全部信息，两者配准后可以提供全部脑结构三维定位的结构。,脑的功能性成像首先是采用核医学技术，包括,SPECT,和,PET,成像，使用特定的放射性同位素来测量脑部血容量（,CBV,）、脑血流（,CBF,）以及局部代谢，由于这些设备的低分辨率大大限制了特定结构中功能的准确定位，使得有效性受到限制。而功能性,MRI,成像可以提供无损伤的脑功能特征的成像技术。,1.3,医学图像处理技术的发展,现代医学离不开医学图像信息的支持，现代医学成像技术在很大程度上依赖于计算机的应用。在医学成像中，机体、器官或器官局部的图像是通过放射等物理手段生成的，图像生成后，必须进行显示以供解释，需要时则通过计算机精细地处理测量图像。,1.3,医学图像处理技术的发展,医学图像处理技术涉及的内容很多，主要包括：医学成像技术、医学图像重建与可视化技术、医学图像增强技术、医学图像分割技术、医学图像配准、图像的压缩与存储技术。,在上述研究内容中除医学成像技术外，其余又被称为图像后处理技术。,图像后处理，是指对获取的图像进行处理，使之满足各种需要的一系列技术的总称。,本章节余下部分内容所指的医学图像处理指的是图像后处理技术。,1.,3,.1 医学图像处理的提出,1.3,医学图像处理技术的发展,虚线的左边部分为成像技术要解决的问题，,右边部分为图像处理与分析技术要解决的内容。,1.,3,.1 医学图像处理的提出,1.3,医学图像处理技术的发展,在过去几十年中，各种各样新的医学成像技术在临床中得到了应用。,在提高影像设备获得图像能力的同时，图像的后处理也成为另一个人们关注的焦点。,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,1,图像分割技术的发展,基于区域的分割方法。利用不同对象特征的不连续性和同一对象内部的特征相似性，把图像归于不同的区域，如图,1-10,所示。,基于边界的分割方法。图像在区域边缘上的像素灰度值的变化往往比较剧烈，基于边缘的分割方法试图通过检测不同区域间的边缘来解决图像的分割问题，如图,1-11,所示。,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,1,图像分割技术的发展,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,模糊集理论。医学图像一般较为复杂，有一定的模糊性。图,1-12,所示为模糊阈值分割方法。,图,1-12,（,a,）为大脑的,T2,加权,MR,图像，分辨率为,25625616,位。种子点的位置如图中箭头所示，目标物体为图像中间的脑室；,图,1-12,（,b,）为选择低阈值的分割结果（,x=0.33,）；,图,1-12,（,c,）为选择高阈值的分割结果,x=0.74,）；,图,1-12,（,d,）为选择合适阈值的分割结果（,x=0.54,）。,神经网络,小波分析,1,图像分割技术的发展,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,从技术角度讲，分割方法都是基于图像像素特征的，无论应用哪一种都难以得到理想的分割结果。,基于知识的分割方法，即通过某种手段将一些先验的知识导入分割过程中，从而约束计算机的分割过程，使得分割结果控制在人们所能认识的范围内而不至于太离谱。,1,图像分割技术的发展,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,基于像素的配准方法，相关函数、,Fourier,变换和各阶矩阵之间的关系,基于特征的配准方法，主要利用图像的角、点、线、边缘以及表面等特征,2,图像配准与融合技术的发展,几何矩的配准，利用图像的相关系数、样条插值等多项式变换对图像进行配准，以及一致图像配准方法、金字塔式多层次配准方法等。,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,立体脑图像的弹性配准,基于属性向量的层次化弹性配准算法（,hierarchical attribute matching mechanism for elastic registration,，,HAMMER,）,2,图像配准与融合技术的发展,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,3,三维重建技术的发展,三维重建技术使得医生能够直观、定量地察看器官的三维结构，加强图像中原有的各种细节，从而帮助医生做出正确的诊断。三维重建的结果可以生成并保存到一系列结果图像帧，可按电影序列在线或离线反复回放，有利于对医学图像数据进行管理，实现数字化医疗。,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,3,三维重建技术的发展,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,4,PACS,的发展,PACS(picture archiving and communication system),，也即医学影像存档与通讯系统，顾名思义，它是一种医学图像管理系统，不是成像装置。它利用计算机代替胶片来保存患者图像。首先要把图像数字化，然后存人计算机中，通过网络互联，医生就可以及时调用所需的图片。,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,第一代,PACS,的特点是人工获取图像。用户需要主动寻找数据，并到指定的地点获取,第二代,PACS,的特点是图像支持主动路由到指定地点。,第三代,PACS,的特点是图像主动寻找用户，可以路由到指定的人。,这种模式实现了,PACS,工作流程的自动化。,4,PACS,的发展,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.3,医学图像处理技术的发展,从医学影像技术的发展历程和技术现状来看，医学影像后处理技术还远未成熟。就分割技术而论，虽然其在众多医学影像处理技术中起步早、发展快，但在许多时候，分割所得到的结果仍然不理想。当前，图像分割仍然是研究最多、最广的图像处理技术，但随着时间的推移，三维建模及,PACS,的研究将占据主导地位。,1.3.2,医学图像处理技术的发展,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.1,医学图像成像技术的展望,1.,成像系统的发展方向,（,1,）多维图像,（,2,）多参数图像,（,3,）多模式图像,1.4,医学成像及处理技术展望,PET-CT,技术是近年来迅速发展并获得广泛认同的医学影像诊断技术，它将正电子发射断层显像（,PET,）技术和计算机体层成像（,CT,）组合到同一设备上，将前者功能代谢显像的优势与后者解剖形态显示的优势结合在一起，从而使对病变的定位和定性诊断都更加准确。,1.4.1,医学图像成像技术的展望,1.,成像系统的发展方向,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.1,医学图像成像技术的展望,1.,成像系统的发展方向,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.1,医学图像成像技术的展望,2其他各种成像新技术,（,1,）,X,光血管成像术,1.4,医学成像及处理技术展望,（,2）CT 血管成像,1.4.1,医学图像成像技术的展望,2其他各种成像新技术,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.1,医学图像成像技术的展望,2其他各种成像新技术,（3）弥散张量成像（DTI）,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.1,医学图像成像技术的展望,3医学图像的手术参与,随着影像技术的发展，医学图像设备从单纯性的诊断设备向手术设备发展，医学图像参与了从手术前的计划到手术中的应用和手术后的疗效评价。,应用,MRI,对外科手术进行实时检测和探测，术中和术后即刻进行疗效评价已进入临床实用阶段,.,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.2,医学图像处理技术的展望,1,医学图像多维多模式后处理技术,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.2,医学图像处理技术的展望,1,医学图像多维多模式后处理技术,1.4,医学成像及处理技术展望,1.4.2,医学图像处理技术的展望,2,计算机辅助探测与虚拟现实技术,1.4,医学成像及处理技术展望,在医学数字化的过程中，针对包含大量信息的数字化医学图像应用的探索永无止境，图像后处理的新技术、新方法层出不穷，在计算机与网络技术的基础上，向更精确、更清晰、更安全、更智能的方向发展。未来图像处理技术的要求，主要集中在更高级的数字图像分级开窗显示、增强显示及医生工作站的操作和管理软件的研究和开发。同时，要求适应更多的成像模式，处理的实时性要求更强，以有利于医生的诊断和观察。,本章小结,医学图像研究内容和医学成像及图像后处理技术的发展,医学成像与医学图像后处理新技术、新设备和新方法,思考与练习,医学图像研究可以分成哪两大部分？,医学成像技术一般有哪几种？,医学影像的后处理技术有哪几种？,第二章 医学成像及处理技术基础,医学成像及处理技术,本章目录,2.1,医学成像及处理系统概述,2.2,医学图像的数字化,本章小结,思考与练习,2,教学目标,理解医学成像与图像处理的基本概念,了解医学成像系统的分类及成像原理,了解医学图像处理研究的内容和医学图像处理系统的组成,掌握采样和量化过程,了解采样定理和数字图像频谱的内容,掌握图像质量与采样和量化的关系,了解数字图像的矩阵表示方法,掌握图像数据量的计算方法,教学重点和难点,采样和量化过程,采样定理和数字图像频谱,图像质量与采样和量化的关系,数字图像的矩阵表示与图像数据量,2.1,医学成像及处理系统概述,医学成像及处理系统就过程而言它主要包括医学图像信号的采集、量化和后处理等；就设备而言它主要由成像系统和计算机系统等组成。,2.1.1,医学图像的基本概念,模拟图像,是指空间坐标以及明暗程度都连续变化的图像，又称为连续图像，是不能直接被计算机处理的图像，如照相机所拍的照片、医学用的,X,线底片一类的光学图像以及眼睛所看到的一切景物图像等。,数字图像,是指模拟图像经采样后得到若干离散的像素，并将各像素的颜色值用量化的离散值即整数值来表示的图像。像素是其基本元素，即数字图像是将模拟图像经过数字化过程转变而成的，又被称为离散图像。,2.1.1,医学图像的基本概念,一幅图像可以表示成一个矩阵的形式，矩阵的每个元素表示每个像素的灰度值，如图,2-1,所示。,2.1.1,医学图像的基本概念,数字图像的表示法,医学成像,是借助于某种介质（如,X,线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以图像的方式表达出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学图像中所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的一门科学技术。,2.1.1,医学图像的基本概念,医学成像的,目的,是通过各种方式探测人体，获得人体内部结构的形态、功能等信息，将其转变为各种图像显示出来，进行医学研究和诊断。,2.1.1,医学图像的基本概念,图像处理,是改善输入图像质量的处理过程，也指为某种预期目的而对图像进行一系列操作的技术。,图像处理又分为模拟图像处理和数字图像处理两大类。,2.1.1,医学图像的基本概念,2.1.2,数字图像的优点,1.,灵活性大,2.,精确度高,3.,再现性好,2.1.3,医学成像系统分类,现代医学成像系统按其信息载体可分为四种基本类型：,1.X,线成像系统,（,1,）普通,X,线,（,2,）,X,线计算机体层成像技术（,CT,）,（,3,）数字减影血管造影技术（,DSA,）,2.,超声成像系统,3.,核医学成像系统,4.,磁共振成像（,MRI,）系统,1.X,线成像系统,（,1,）普通,X,线,X,线成像原理,X,线具有穿透性和摄影效应。,X,线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透被照射的人体组织，在穿透过程中由于受到一定程度的吸收会发生衰减，由于被穿透的组织结构在密度和厚度上有所差异，导致剩余下来的,X,线量有差别，经过显像这一步骤后，例如经,X,线片、荧屏或电视屏显示就能获得具有黑白对比、层次差异的,X,线影像。,1.X,线成像系统,（,1,）普通,X,线,X,线分类及应用,普通,X,线分为透视和,X,线照相两种。,透视,是指由于荧光效应，当,X,线透过人体被检查部位时转换成波长较长的荧光并在荧光屏上形成影像。透视能看到心脏、横膈及胃肠等活动情况，多用于胸部及胃肠检查。,1.X,线成像系统,（,1,）普通,X,线,X,线分类及应用,照相，亦称摄影，是指,X,线透过人体被检查的部位并在胶片上形成影像。照片所见影像比透视清楚，适用于头颅、脊椎及腹部等部位检查。,胸部,X,射线照相图像,1.X,线成像系统,（,2,）,X,线计算机体层成像技术（,CT,）,CT,是计算机和,X,线相结合的一项诊断技术，它利用人体组织对,X,线吸收系数（,CT,值）的差别来进行成像。,CT,图像密度分辨率高，比普通,X,线照片高,10,20,倍，以不同的灰度来表示，反映器官和组织对,X,线的吸收程度，能准确测出某一平面上各种不同组织之间的放射衰减特性的微小差异，分辨出各种软组织的不同密度，下图分别是头部和牙齿的,CT,断层图像。,1.X,线成像系统,头部,CT,断层图像,牙齿的,CT,断层图像,1.X,线成像系统,（,3,）数字减影血管造影技术（,DSA,）,DSA,技术,是基于顺序图像的数字减影，将同一部位的两帧造影和未造影的图像（即减影对）分别经影像增强器增强，摄像机扫描矩阵化，再经模,/,数转换进行数字化，两者相减而获得数字化图像，最后经过数,/,模转换形成减影图像，其结果消除了整个骨骼和软件组织结构，从而将血管在减影图中显示出来，具有很强的对比度。,1.X,线成像系统,（,3,）数字减影血管造影技术（,DSA,）,DSA,用于机体各系统器官的血管造影，并广泛应用于临床。图,2-5,所示为主动脉,X,射线造影图像。,主动脉,X,射线造影图像,2.,超声成像系统,概念：超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在,20 000 Hz,以上。,2.,超声成像系统,原理：超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。根据接收到回声的强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像，这被称为声像图。,2.,超声成像系统,应用：利用超声多普勒系统，能探查心脏活动和胎儿活动以及血流状态。如图所示为两幅胎儿超声波图像。,胎儿超声波图像,3.,核医学成像系统,核医学成像,是一种以脏器内外或脏器内部正常组织与病变组织之间的放射性差别为基础的脏器或病变的显像方法，通过有选择地测量摄入体内的放射性核素所放出的,射线来实现人体成像。,核医学成像技术包括,相机成像技术、发射型计算机断层成像技术（,ECT,）、单光子发射型计算机断层成像技术（,SPECT,）和正电子发射型计算机断层成像技术（,PET,）。,3.,核医学成像系统,射线成像得到的骨骼扫描图像,3.,核医学成像系统,PET,图像,4.,磁共振成像（,MRI,）系统,磁共振成像,是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建后成像的一种成像技术。,含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。通常氢原子核自旋轴的排列没有规律。,但如在均匀的强磁场中，则氢原子核的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新排列。用特定频率的射频脉冲进行激发，氢原子核吸收一定的能量而共振，即发生了磁共振现象。停止发射射频脉冲，则被激发的氢原子核把所吸收的能量逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。,4.,磁共振成像（,MRI,）系统,这一恢复过程称为弛豫过程，而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间。人体不同器官的正常组织与病理组织的纵向弛豫时间,T1,是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，横向弛豫时间,T2,也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别，是,MRI,的成像基础。,4.,磁共振成像（,MRI,）系统,4.,磁共振成像（,MRI,）系统,膝盖的,MRI,图像,脊椎的,MRI,图像,2.1.4,医学图像处理研究的内容,医学图像处理研究的内容,包括：医学图像增强、恢复、分割等预处理技术，医学图像配准，医学信息三维可视化，虚拟现实技术，,PACS,系统与,DICOM,标准，图像引导手术等。,1.,医学图像数据预处理研究,图像预处理技术,可以对图像进行各种处理，以得到更好的显示效果。,几何变换,可以使观察者从不同角度、不同方位观察图像。,滤波、增强、恢复,等操作可以消除图像数据中的噪声，提高图像的质量。如对,X-CT,或,MRI,的数据进行滤波处理，可以消减图像数据中的噪声，突出其中感兴趣的组织。,2.,医学图像配准研究,解剖图像,主要描述人体的生理解剖结构，其来源包括,X-CT,、,MRI,及超声等，,功能图像,主要来描述人体在不同状态下组织、器官的功能及其活动状况，包括,PET,、单光子发射器的计算机断层成像等。,将来自不同设备不同模态的影像信息结合起来，方便医生诊断，首先要使不同图像在空间中的排列保持一致，即,图像配准,。,目前，图像配准技术已在图像引导神经外科手术、脑功能区的定位、脑结构变化的研究等方面得到应用。,3.,医学图像的三维可视化研究,医学图像的,三维可视化技术,可从二维图像中获取三维图像模型，为医生提供更逼真的显示手段和定性定量分析工具，有利于准确确定病变空间位置、大小、几何形状及周围生物组织之间的关系，便于医生从多角度、多层次进行观察和分析，有效地参与医学图像数据的处理与分析过程。,医学图像的三维可视化技术在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面有着及其重要的作用，也是仿真内镜技术的基础。,4.,虚拟现实技术,虚拟现实技术,，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，即采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，可产生亲临等同真实环境的感受和体验。,虚拟现实技术应用于医学，称之为,虚拟医学或仿真医学,。该技术在医学上已应用于医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面。,5,.,PACS,和,DICOM,标准研究,PACS,利用计算机网络将计算机设备与各种影像设备相连接，利用磁光存储技术，将图像数据以数字方式存储、管理、传送和显示。,优点,有：,无失真地存储影像信息,方便检索和数字化显示,突破了空间限制，实现专家知识和经验的共享,利用计算机对医学影像进行多种处理,DICOM,是专门用于医学图像的存储和传输的标准，提供与制造商无关的数字图像，统一通信和存储的格式，简化医学影像信息的交换，提供广泛的分布式诊断和查询。,DICOM,标准涵盖了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等几乎所有信息交换的协议,定义了一套医学诊断图像及其相关的对象集,定义了用于信息传递、交换的服务类与命令集，以及消息的标准响应,详述了唯一标识各类信息对象的技术,提供了应用于网络环境的服务支持,结构化地定义了制造厂商的兼容性声明。,5,.,PACS,和,DICOM,标准研究,6.,医学图像引导手术研究,医学影像引导下的外科手术,，借助计算机和医学影像来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，包括数据获取及处理、手术规划、手术导航和术中反馈与更新四个方面，使外科手术向着微创化、接触少的方向发展。,其中数据获取及处理包括从,X-CT,、,MRI,及超声等医学影像设备中获取医学图像，然后进行图像分割、图像配准和图像三维显示等一系列处理过程。,2.1.5,医学图像处理系统,医学图像处理系统的,硬件组成,一般包括：主计算机和图像处理机，以及围绕它们配备的图像输入设备、图像输出设备、计算机外围设备和人,机交互控制设备等,2.1.5,医学图像处理系统,医学图像处理系统,1.,主计算机和图像处理机,主计算机和图像处理机,是图像处理系统的中心，拥有较大的图像存储器及外围存储设备，用于存储图像数据库、模型库与图像处理分析程序库。,目前，较流行的图像处理系统均包含图像处理新算法的开发环境，一般将通用计算机作为主机，向图像处理专用机发送命令，然后将处理结果再传送回主机，比如,VIEWSTATION,图像处理系统采用的是较先进的服务器,-,客户端的模式。,2.,医学图像输入设备,医学图像,输入设备的功能,是完成对原始医学图像的摄取、光,/,电转换、模,/,数转换等，即进行图像数字化的过程。光信号首先经过图像传感器变成电信号，再由,A/D,转换器经过采样、量化转换为数字图像信号，图像数据被送往图像处理机进行处理，最后由图像输出设备输出。,2.,医学图像输入设备,（,1,）鼓式扫描器及飞点扫描器,鼓式扫描器,光束都聚焦在光检测器上，各个检测器根据光强度记录对应当前位置的图像灰度值。,飞点扫描器,工作时飞点管发出的光点照射到输入图像上，每一瞬间只照射一个像素，被照亮的像素反射的光射到光电倍增管上转换成电信号。,（,2,）扫描仪,从,原理,上讲，扫描仪是一种光机电一体化的产品，它由光源、透镜、,CCD,、,A/D,转换、信号处理电路以及机械传动机构组成，其核心部件是,CCD,传感器，即一种半导体光电成像器件，扫描仪通过,CCD,完成光电转换。,2.,医学图像输入设备,（,2,）扫描仪,按输入对象,分类,，扫描仪可分为正片和负片；按与计算机接口的类型分类，扫描仪可分为,EPP,接口、,USB,接口、,SCSI,接口三种类型；按色彩分类，扫描仪可分为彩色型和灰度型；按工作方式分类，扫描仪可分为平台式、手持式、滚筒式三类。,主要指标,有分辨率、灰度等级、微机接口方式、最大扫描幅度等。,2.,医学图像输入设备,平台式扫描仪的原理图,2.,医学图像输入设备,2.,医学图像输入设备,（,3,）摄像机,图像处理中的摄像机是指其功能部件中的摄像器件，主要任务是把输入景物光像转变为适宜处理和传输的电信号。,摄像机按照记录信号的类型，可分为模拟摄像机和数字摄像机两大类,按照摄像器件的组成，分为电子管摄像机和固体器件摄像机两类。电子管摄像机又可细分为外光电效应摄像机和内光电效应摄像机。固体器件摄像机分为,CCD,固体器件摄像机和,BBD,固体器件摄像机。,电子管摄像机和固体器件摄像机的基本工作过程,2.,医学图像输入设备,(4),数码相机,电荷耦合器件,CCD,把光信号转变成模拟的电信号，电信号经过,A/D,转换电路输出数字图像，最后经过,MPU,对其进行处理后存储在内置的存储器中，也可以通过接口将数码照片传送到计算机上，供计算机打印、调用、传输。,数码相机的,分辨率,用,ppi,表示，它表示每英寸所能采集像素的数目。,ppi,的值越大，扫描精度越高。,2.,医学图像输入设备,（,5,）图像采集卡,将已生成的模拟图像信号转换成数字图像信号并输入计算机的设备，也称为图像捕捉卡，可以对模拟图像信号进行捕捉、数字化、定格、存储、输出等多种操作。,图像采集卡的分类,3.,医学图像输出设备,功能,将经过处理的数字图像再经过,D/A,转换，成为光图像信号或将其硬拷贝下来长期保存。,图像输出方式,分软拷贝（屏幕）和硬拷贝（打印机、扫描仪）两类。,3.,医学图像输出设备,（,1,）,CRT,显示器,CRT,显示器通过在显示管内表面涂抹一层荧光粉，由计算机控制磁场，再用磁场来控制由电子枪发射出来的电子束偏向的原理进行扫描显示的，像点灰度控制电子束强度。,（,2,）液晶显示器,液晶显示器是在两块平行的玻璃板间填充液晶材料，通过电压来改变液晶材料内部分子的排列状况，利用透光和遮光来显示图像。,3.,医学图像输出设备,LCD,工作原理（,TN,型）,3.,医学图像输出设备,（,3,）打印机,打印机可分为三种类型：,喷墨打印机,激光打印机,自给色打印机,其中激光打印机是采用电子成像技术进行打印的,医学图像存储设备有磁带、磁盘、光盘、磁光盘、,DVD,及磁盘阵列等。,4.,医学图像存储设备,5.,人机交互设备,功能,在图像处理过程中实现人机对话，从而避免完全由机器带自动操作的弊端，即根据上一阶段的处理结果确定下一步应采取什么处理技术或输入什么参数。,人机交互过程所需装置有键盘、鼠标、图形输入板、人的语言指令和动作指令识别装置。,2.1.6,医学成像及处理流程,大致分为图像采集、图像预处理（图像变换、增强、恢复、分割等）、图像配准、图像重建及图像的压缩、存储与传输几个方面。,1.,医学图像采集,采集,指,PACS,获取医学影像的数字信号及其辅助信息的技术与功能。,目前,采集方式,有两种：,一是通过成像设备的数字接口按照,DICOM,标准进行数字图像采集，如,B,超、彩超、,CT,、,MRI,等；,另一种是通过医学专用胶片扫描仪遵循,TWAIN,标准进行胶片的数字化，如,X,光片的数字化目前均采用这种方式。,2.,医学图像预处理,（,1,）图像变换,把图像从空间域转换到变换域（如频率域）的过程,（,2,）图像增强,增强图像中用户感兴趣的信息,（,3,）图像恢复,对失真的图像进行处理，使处理后的图像尽量接近原始的未失真的图像,（,4,）图像分割,根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，利于对图像进行分析、识别、压缩编码等,3.,医学图像配准,图像配准,指同一目标的两幅或多幅图像在空间位置上的对准，其技术过程，称为图像匹配，或者图像相关。,利用图像配准技术，可以将解剖图像和功能图像两大类图像结合起来，在一幅图像上表达多方面的信息。,4.,医学图像重建,利用人体某一部位的一系列的二维断层图像,重建三维图像,，完成对患者器官、软组织和病变体的三维显示，辅助临床医生对患者病变体和周围组织进行分析，以准确确定患者病变体的空间位置、大小、几何形状及其与周围生物组织间的空间关系。,5.,医学图像的压缩、存储与传输,利用图像压缩来减少图像数据量，即将一个大的数据文件转换成较小的同性质的文件，以利于存储和传输。,2.2,医学图像的数字化,图像数字化,分为采样和量化两个步骤。对空间坐标离散化的过程称为,采样,，对幅度（灰度值）离散化的过程称为,量化,。,图像的数字化过程,2.2,医学图像的数字化,2.2,医学图像的数字化,模拟图像与数字图像的比较,数字图像的质量很大程度上取决于采样和量化中所用的采样点数和灰度级数。,2.2.1,医学图像信号的采样,采样,就是把空间域上或时间域上连续的模拟图像转换成离散的采样点,(,像素,),集合的一种操作，即空间坐标的离散化。采样时先沿垂直方向采样，然后将得到的扫描线再沿水平方向采样。,1.,图像信号采样,采样示意图,1.,图像信号采样,X,光片经采样后效果,2.,采样定理,若函数,f(x,y),表示一幅模拟图像，则有如下二维采样定理：,若函数,f(x,y),的傅里叶变换,F(u,v),在频域中的一个有限区域外处处为零，设,uc,和,vc,为其频谱宽度，只要采样间隔,x1/2uc,和,y1/2vc,时就能由,f(x,y),的采样值精确重建,f(x,y),。,通常称,x1/2uc,，,y1/2vc,为奈奎斯特条件。,2.,采样定理,采样函数与采样网格,3.,数字图像频谱,(a),原函数频谱,(b),采样后函数频谱,采样图像频谱,3.,数字图像频谱,采样后图像的频谱是由原连续图像频谱及无限多个它的周期平移频谱组成的，只是幅值上差一个因子,1/,x,y,，重复周期在,u,轴和,v,轴上分别为,1/,x,和,1/,y,。当满足,x1/2uc,，,y1/2vc,即奈奎斯特条件时，即可利用低通滤波器获得原连续图像的频谱，然后利用反傅里叶变换就可以精确重建,f(x,y),。,3.,数字图像频谱,在图,2-18(b),中，采样网格选择的是长方形阵列，当采样间隔,x=,y,时，就变成了,正方形阵列,，此时，,x=,y,1/2R,（,2-1,）,其中,R,为图像可达到的最高空间频率。,3.,数字图像频谱,正方形排列的像素采样条件,3.,数字图像频谱,当采样间隔以蜂窝状六边形排列，即各相邻像素之间的距离全部相等设为,d,，如图,2-21,，此时进行正确采样的条件为,（,2-2,）,3.,数字图像频谱,六边形排列的像素采样条件,4.,混叠现象,当采样间隔过大而不满足奈奎斯特条件时，导致采样图像的频谱中，原始连续图像的频谱与它的平移复制品重叠，其中高频分量摄入到它的中频或低频分量中，中频分量摄入到高频分量中，这种现象称为,混叠,。,部分解决混叠的办法,是：首先让图像通过一个适当的低通滤波器，滤除一部分高频分量，然后再进行取样，这样可以避免一部分高频分量的射入。,4.,混叠现象,混叠现象,2.2.2,医学图像信号的量化,把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量转换为离散量称为,量化,，即量化是灰度值的离散化。量化的操作过程称为量化过程。,1.,量化与量化过程,灰度值的量化,2.,常用的量化方法,量化方法有两种，即均匀量化和非均匀量化。,（,1,）,均匀量化,。均匀量化就是简单地把采样点的灰度范围等间隔地分割并进行量化，即将灰度值域划分成若干个等长的子区间，而各子区间的等级灰度为子区间的中点对应的灰度。,2.,常用的量化方法,（,2,）,非均匀量化,又称为非等间隔量化。其基本思想是依据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量化误差最小的原则来进行量化。即像素灰度值频繁出现的灰度值范围，量化间隔取小一些，而对那些像素灰度值极少出现的灰度值范围，量化间隔则取大一些。,2.2.3,采样和量化与图像质量的关系,1.,空间分辨率和灰度分辨率,空间分辨率,常指图像中可辨别的最小细节，用来衡量采样结果质量的高低，采样实质上就是要用多少像素来描述一幅图像。,所谓,灰度级分辨率,，是指在图像灰度级中可分辨的最小变化，通常把大小为,M,N,、灰度级为,L,的数字图像称为空间分辨率为,M,N,、灰度级分辨率为,L,级的数字图像。,1.,空间分辨率和灰度分辨率,灰度级的表示,2.,空间分辨率与图像质量,2.,空间分辨率与图像质量,空间分辨率越高，图像质量越高,图像空间分辨率变化所产生的效果,当量化级数,Q,一定时，随着采样点数的减少，若要保持空间分辨率不变，则图像尺寸会越来越小。,2.,空间分辨率与图像质量,空间分辨率不变，图像尺寸变化情况,3.,灰度分辨率与图像质量,灰度级越多，图像层次越丰富，灰度级分辨率越高，视觉效果越好；灰度级越少，图像层次越单调，灰度级分辨率越低，图像的视觉效果越差，并会出现虚假轮廓现象。,3.,灰度分辨率与图像质量,灰度级分辨率变化所产生的效果,4.,空间和灰度