生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉

1、生物醫(yī)學(xué)圖象(Biomedical Image)生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)（四）X射線斷層成象（2007.11）Imaging technologies are changing the way science is done(R.P. Crease, Science, Vol. 261, July 1993) 2022/7/141生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉第一部分：醫(yī)學(xué)成像1.1 醫(yī)學(xué)成像過(guò)程的組成部分及成像系統(tǒng)模型1.2 基本概念1.3 主要的成像系統(tǒng)及其應(yīng)用1.4 評(píng)價(jià)圖像系統(tǒng)與圖像質(zhì)量1.5 X射線斷層成象1.6 核磁共振成象1.7 超聲醫(yī)學(xué)成象2022/7/142生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象

2、2林江莉1.5 X射線斷層成象2022/7/143生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉The HistoryJohan Radon (1917) showed how a reconstruction from projections was possible.Cormack (1963,1964) introduced Fourier transforms into the reconstruction algorithms.Hounsfield (1972) invented the X-ray Computer scanner for medical work (for which Corm

3、ack and Hounsfield shared a Nobel prize).EMI Ltd (1971) announced development of the EMI scanner which combined X-ray measurements and sophisticated algorithms solved by digital computers. 2022/7/144生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉X-CT的發(fā)展歷程1917奧地利數(shù)學(xué)家Radon：從投影重建圖像的原理1920-60美國(guó)物理學(xué)家A.M.Cormack：可行性證明、試驗(yàn)研究、仿真1972G.N.Hous

4、field：裝置和斷層成像結(jié)果2022/7/145生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉X-CT成像的演變 1901年(投影） 1975年（斷層） 2000年（斷層）2022/7/146生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉第一幅腦CT圖象2022/7/147生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉一.投影X線成像技術(shù) 1. X線的產(chǎn)生 X線管加熱的燈絲發(fā)射出電子30200千伏高壓作用燈絲射出電子吸引到陽(yáng)極靶子上電子與靶內(nèi)的原子相互作用產(chǎn)生X射線(少于1%的入射電子能量轉(zhuǎn)換成了X射線，旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極)X射線穿過(guò)管壁發(fā)射出來(lái) 2022/7/148生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 2.X線的性質(zhì)(a)穿透作用: 波長(zhǎng)短，能

5、量大，能穿透一般光線不能穿透的物質(zhì)，0.50.001A，25Kev1Mev。 (b)熒光作用: 當(dāng)X線照射某些物質(zhì)時(shí)可產(chǎn)生熒光，利用這一性質(zhì)，可以在熒光屏上直接觀察X線圖像。(c)電離作用:具有足夠能量的X線光子不僅能擊脫物質(zhì)原子軌道上的電子，使該物質(zhì)產(chǎn)生一次電離，而且脫離原子的電子又與其它原子相碰，還會(huì)產(chǎn)生二次電離?？筛鶕?jù)氣體分子電離電荷的多少來(lái)測(cè)定X線的劑量。(d)生物效應(yīng):X線是一種電離輻射。生物細(xì)胞經(jīng)一定量的X線照射后會(huì)受到損害甚至壞死。放射治療破壞腫瘤組織；也會(huì)導(dǎo)致一定正常組織的損傷2022/7/149生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉3. X線與人體組織的作用當(dāng)X射線穿過(guò)物體時(shí)，能量

6、物質(zhì)的吸收，轉(zhuǎn)換成其它形式的能量散射，改變了原來(lái)的傳播方向透射，穿過(guò)被探查物體沿原方向繼續(xù)向前傳播，稱為透射分量。2022/7/1410生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉最早的X線成像方法是靠投影成像投影成像分為：透視： 熒光透視成像系統(tǒng)攝影： 膠片攝影系統(tǒng) 二、投影X線成像系統(tǒng) 2022/7/1411生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉第一代的熒光透視接收器平板熒光屏優(yōu)點(diǎn)：觀察組織形態(tài)、位置外，還可以觀察臟器的運(yùn)動(dòng)缺點(diǎn)：屏的亮度比較低，觀察起來(lái)比較吃力。放射科醫(yī)生一般要在黑暗環(huán)境中待15分鐘左右才能使自己的眼睛適應(yīng)，可觀察到的信息也較少） 2022/7/1412生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉采用

7、影像增強(qiáng)管 影像增強(qiáng)管的引入是透視X射線成像系統(tǒng)的一項(xiàng)重大改進(jìn)。 解決方案使亮度的總增益達(dá)到5000倍左右2022/7/1413生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉現(xiàn)代的投影X射線成像設(shè)備采用影像增強(qiáng)管-電視系統(tǒng)包含影像增強(qiáng)管、光學(xué)圖像分配系統(tǒng)和一個(gè)包括攝像機(jī)、監(jiān)視器的閉路視頻系統(tǒng)及輔助電子設(shè)備視頻系統(tǒng)的引入是熒光透視成像系統(tǒng)的又一項(xiàng)重大改進(jìn)2022/7/1414生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉用攝影膠片代替透視的熒光屏X射線在膠片上形成潛影，經(jīng)過(guò)顯影、定影，將影像固定在膠片上臨床中使用屏-膠片系統(tǒng)：它是由涂上感光乳膠的膠片和與膠片緊密接觸的一個(gè)或兩個(gè)熒光增強(qiáng)屏組成的。X射線的能量由增強(qiáng)屏吸收，并

8、將大約520%轉(zhuǎn)變?yōu)楣饩€，使膠片曝光。這樣膠片曝光所需的實(shí)際X射線輻射劑量大幅度地降低。但產(chǎn)生一定的模糊數(shù)字X射線攝影膠片攝影系統(tǒng)2022/7/1415生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉數(shù)字電視X射線攝影系統(tǒng)2022/7/1416生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉重疊：三維物體結(jié)構(gòu)投影在一個(gè)二維平面上辦法：設(shè)法獲取某一指定斷面的圖像，或者是人為突出人體中某種結(jié)構(gòu)（如血管、骨骼）的形象。 投影X線成像的問題？2022/7/1417生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 三、 數(shù)字減影技術(shù)DSA 最早應(yīng)用于血管系統(tǒng)的研究在病人的血管中注入造影劑（造影劑對(duì)X線的衰減系數(shù)大于人體的骨骼和軟組織）攝下同一部位注入

9、造影劑前后的兩幀圖像。原則上講，只要將這兩幀圖像相減，就能消除血管外其余的組織形象，而只保留造影血管的圖像2022/7/1418生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 四、運(yùn)動(dòng)斷層攝影為了獲取某一深度的圖像只要X線源與檢測(cè)器按指定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，就可能使聚焦平面中A、B點(diǎn)的影像在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中始終落在膠片的固定位置上，而其它深度處的結(jié)構(gòu)的影像則從膠片的一端移動(dòng)到另一端。最后圖像將突出聚焦平面所在深度上的斷面結(jié)構(gòu)。2022/7/1419生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉五. X線計(jì)算機(jī)斷層攝影（X-CT） X射線發(fā)現(xiàn)后的七八十年，始終沒有解決兩個(gè)根本性的問題一是：器官重疊，讀片困難；二是：固有的分辨率差投影X

10、射線成像系統(tǒng)對(duì)軟組織的分辨能力比較差。 XCT 從根本上克服了上述困難，是80多年來(lái)X射線診斷學(xué)上的一次重大突破。2022/7/1420生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 X射線被準(zhǔn)直后成為一條很窄的射線束。當(dāng)X射線管沿一個(gè)方向平移時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)器也跟著作平移運(yùn)動(dòng)。這樣，射線束就對(duì)整個(gè)感興趣的平面進(jìn)行了一次掃描，檢測(cè)器接收到了與臟器衰減系數(shù)直接相關(guān)的投影數(shù)據(jù)。1.基本原理 檢測(cè)器作同步平移運(yùn)動(dòng)，并旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描來(lái)獲得投影數(shù)據(jù)2022/7/1421生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉平移旋轉(zhuǎn)掃描2022/7/1422生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 假設(shè)用一種單一能量的X線照射厚度為d的物體，其入

11、射射線強(qiáng)度為Io，透射后的強(qiáng)度為I，則有： 稱為線性衰減系數(shù)，表示特定能量的X射線照射某種特定的物質(zhì)時(shí)單位距離上的衰減分?jǐn)?shù)。衰減系數(shù) VS 投影數(shù)據(jù)2022/7/1423生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉1423IoIoI1I2IoIoI3I4式中d為像素的寬度。2022/7/1424生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉1)能鑒別出較小的衰減系數(shù)差，從而提高了對(duì)軟組織的診斷能力。從CT圖像上能識(shí)別出與周圍組織的衰減系數(shù)只差0.5%的病灶。2)能精確地測(cè)定出組織的X射線衰減系數(shù)值，從而對(duì)組織性質(zhì)做出判斷。3)可做出人體任意部位的斷面圖像，并利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)構(gòu)造出人體結(jié)構(gòu)的三維圖像。 2. XCT

12、成像的突出優(yōu)點(diǎn)2022/7/1425生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 根據(jù)投影數(shù)據(jù)計(jì)算出原始圖像 迭代法和反投影法 (1)迭代法:用逐次近似法來(lái)求解聯(lián)立方程組 目的：尋找二維分布度函數(shù)f(x,y) 具體做法為：先假設(shè)一個(gè)最初的密度分布(如假設(shè)所有各點(diǎn)的值為0)，根據(jù)這個(gè)假設(shè)得出相應(yīng)的投影數(shù)據(jù)，然后與實(shí)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。3.圖像重建技術(shù)2022/7/1426生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 如果不符，就根據(jù)所使用的迭代程序進(jìn)行修正，得出一個(gè)修正后的分布。這就是第一次迭代過(guò)程。以后，就可以把前一次迭代的結(jié)果作為初始值，進(jìn)行下一次迭代。在進(jìn)行了一定次數(shù)的迭代后，如果認(rèn)為所得結(jié)果已足夠準(zhǔn)確，則圖像重

13、建過(guò)程就到此結(jié)束。2022/7/1427生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 右圖給出了一幅由四個(gè)象素組成的圖像，若四個(gè)象素的值分別為5、7、6、2。則可以分別獲得6個(gè)投影數(shù)據(jù)，包括兩個(gè)水平方向，兩個(gè)垂直方向和兩個(gè)對(duì)角線方向，分別是7、11、9、13、12和8。這就是所能得到的所有的已知數(shù)據(jù)。 f1=5f2=7f3=6f4=2119781213例：代數(shù)重建技術(shù)2022/7/1428生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 迭代開始，先令所有的重建單元的值為0，第一步計(jì)算出垂直方向的投影值，分別都是0，如右上圖。把這個(gè)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值11和9相比較后，將其差值除以2以后分別加到相應(yīng)的單元上去，就可得到垂直方向

14、的迭代結(jié)果，如右下圖。 0000005.54.55.54.510102022/7/1429生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 在此基礎(chǔ)上可以再做水平方向的迭代，此時(shí)有計(jì)算值10、10，實(shí)測(cè)值為12、8，將它們比較后求出差值，分別加到有關(guān)的象素上去，結(jié)果是： 5.54.55.54.510106.55.54.53.510102022/7/1430生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 最后再作對(duì)角線方向的迭代，就得到了所要求的真實(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，要求重建的矩陣很大，因此選代算法是非常耗費(fèi)時(shí)間的。 2022/7/1431生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉基本做法： 把每次測(cè)得的投影數(shù)據(jù)原路反投影到射線經(jīng)過(guò)的各個(gè)

15、象素上。也就是說(shuō)，指定投影線上所有各象素點(diǎn)的值等于所測(cè)得的投影值。 (2)直接反投影法2022/7/1432生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉2022/7/1433生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 將測(cè)得的投影數(shù)據(jù)與一個(gè)“核函數(shù)”作卷積運(yùn)算，然后再用所得的結(jié)果作反投影。 選擇“核函數(shù)” 序列-1/3，1，-1/3，用這個(gè)序列與測(cè)量到的投影數(shù)據(jù)0，1，0做卷積運(yùn)算后可得到一個(gè)新的序列-1/3，1，-1/3，用這個(gè)序列數(shù)據(jù)作反投影(3)卷積反投影法2022/7/1434生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉卷積：設(shè)序列x(n),h(n),它們的卷積和y(n)定義為： n: -1， 0， 1h(n):-1/

16、3，1，-1/3x(n) 0， 1， 0y(n): -1/3，1，-1/32022/7/1435生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉2022/7/1436生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉(4)傅立葉濾波反投影法Radon 變換中心面片理論濾波反投影法2022/7/1437生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Transform傅里葉1768年生于法國(guó)Fourier的兩個(gè)最主要的貢獻(xiàn)1807年提出 “周期信號(hào)都可表示為成諧波關(guān)系的正弦信號(hào)的加權(quán)和”傅里葉的第一個(gè)主要論點(diǎn)“非周期信號(hào)都可用正弦信號(hào)的加權(quán)積分表示”傅里葉的第二個(gè)主要論點(diǎn)2022/7/1438生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉周期

17、函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù) 直流分量n =0基波分量n =1 諧波分量n12022/7/1439生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉直流系數(shù)余弦分量系數(shù)正弦分量系數(shù)周期函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù)的系數(shù)2022/7/1440生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉1D Fourier Transform 定義：若函數(shù)f（x）滿足狄里赫賴條件： 1）具有有限個(gè)間斷點(diǎn)； 2）具有有限個(gè)極值點(diǎn)； 3）絕對(duì)可積則把變換稱為：Fourier正變換：Fourier反變換：2022/7/1441生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉1D Discrete Fourier Transform（1D DFT）Fourier正變換：Fo

18、urier反變換：求反變換：2022/7/1442生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉2D Fourier Transform2022/7/1443生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉2D DFT2022/7/1444生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉FT性質(zhì)對(duì)稱性和疊加性奇偶虛實(shí)性尺度變換特性時(shí)移特性和頻移特性微分和積分特性卷積定理Paseval定理2022/7/1445生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉2022/7/1446生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier變換幅度譜原圖像2022/7/1447生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉vu圖象表示函數(shù)圖形表示譜的表示2022/7/1448生物醫(yī)學(xué)工

19、程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉The function is known as the Radon transform of the function f(x,y).Radon TransformLine Integrals and Projections2022/7/1449生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Slice Theorem2022/7/1450生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstructionxyg(s,)(x,y)wxwys1D-Fourier transform Fg(s)2022/7/1451生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier R

20、econstruction 1D Fourier transform Fg(s,)of one projection2D Inverse Fourier transform2022/7/1452生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstructionxyg(s,1,2)(x,y)wxwys1D-Fourier transform Fg(s)2022/7/1453生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstruction 1D Fourier transforms Fg(s,1,2)of two projections2D Inverse Fourier t

21、ransform2022/7/1454生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstructionxy wxwysg(s,1,2,3,4)1D-Fourier transform Fg(s)(x,y)2022/7/1455生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstruction 1D Fourier transforms Fg(s,1,2,3,4)of four projections2D Inverse Fourier transform2022/7/1456生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstructionxy wxwysg(s

22、,1,2,8)1D-Fourier transform Fg(s)(x,y)2022/7/1457生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourier Reconstruction 1D Fourier transforms Fg(s,1,2,8)of eight projections2D Inverse Fourier transform2022/7/1458生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Influence of # of Projections 64 projections16 projections8 projections1 projection2 projections4 projec

23、tions2022/7/1459生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉例：反投影One Projection2022/7/1460生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉例：反投影（完全：未濾波）SinogramBackprojected Image2022/7/1461生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉?yàn)V波反投影Filtered SinogramSinogram2022/7/1462生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉|w| - Filters Shepp-LoganHammingLowpass CosineRAM - LAK2022/7/1463生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉例：濾波反投影Filtered

24、SinogramReconstructed Image2022/7/1464生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉discrete implementation:Filtered Backprojection2022/7/1465生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉 圖像重建是X-CT中的核心技術(shù)，也是眾多科技人員研究的熱門課題。它是確保獲得高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵。 2022/7/1466生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉五代CT2022/7/1467生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉First GenerationEMI Mark I (Hounsfield), “pencil beam” or paralle

25、l-beam scanner (highly collimated source) excellent scatter rejection, now outdated180 - 240 rotation angle in steps of 1 Used for the head5-min scan time, 20-min reconstructionOriginal resolution: 80 80 pixels (ea. 3 3 mm2), 13-mm slice2022/7/1468生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Second GenerationHybrid system: Fan

26、beam, linear detector array (30 detectors)Translation and rotation, howeverReduced number of view angles scan time 30 s Slightly more complicated reconstruction algorithms because of fan-beam projection2022/7/1469生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Third GenerationWide fan beam covers entire object 500-700 detectors (i

27、onization chamber or scintillation detector)No translation required scan time seconds (reduced dose, motion artifacts)Reconstruction time secondsPulsed source (reduces heat load, radiation dose)2022/7/1470生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Fourth GenerationStationary detector ring (600 4800 scintillation detectors)Rot

28、ating x-ray tube (inside or outside detector ring)Scan time, reconstruction time secondsSource either inside detector ring or outside (rocking, nutating detectors)2022/7/1471生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)生醫(yī)圖象2林江莉Comparison of 3rd and 4th GenerationBoth designs currently employed, neither can be considered superior3rd Generation (GE, Siemens):Fewer detectors (better match, cheaper)Good scatter rejection with focused