生物醫(yī)學(xué)工程概論之生物醫(yī)學(xué)圖像-1-part1-

山東大學(xué)控制學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉忠國(guó)生物醫(yī)學(xué)圖像生物醫(yī)學(xué)工程概論之2023/2/51生物醫(yī)學(xué)工程中心生物醫(yī)學(xué)圖象(BiomedicalImaging)劉忠國(guó)：liuzhg@Tel:88384192cellphonemagingtechnologiesarechangingthewayscienceisdone(R.P.Crease,Science,Vol.261,July1993)2023/2/52生物醫(yī)學(xué)工程中心0.引言象鳥(niǎo)一樣飛翔EngineeringTurnideasintoreality!人類(lèi)的夢(mèng)想2023/2/53生物醫(yī)學(xué)工程中心人類(lèi)的夢(mèng)想：飛翔2023/2/54生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)生的夢(mèng)想：看到“看不到”的微小的內(nèi)部的生理的患者的夢(mèng)想：無(wú)創(chuàng)無(wú)痛安全EngineeringTurnideasintoreality!2023/2/55生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)學(xué)和患者的共同夢(mèng)想2023/2/56生物醫(yī)學(xué)工程中心課程背景傳統(tǒng)看?。和?、聞、問(wèn)、切（以定性為主）依賴(lài)于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)代醫(yī)療：定性（經(jīng)驗(yàn)）到定量（知識(shí)）將人體信息數(shù)字化、可視化，由計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)生診斷。提高診斷的正確性2023/2/57生物醫(yī)學(xué)工程中心結(jié)構(gòu)成像看到病變X-RAYCT成像圖像處理與分析系統(tǒng)2023/2/58生物醫(yī)學(xué)工程中心功能成像看到功能fMRI功能核磁共振成像PET正電子斷層成像SPECT單光子發(fā)射斷層成像2023/2/59生物醫(yī)學(xué)工程中心分子成像看到細(xì)胞、分子水平的變化光學(xué)成像核磁共振成像核素成像實(shí)時(shí)、在體2023/2/510生物醫(yī)學(xué)工程中心

從信息量的角度看，一幅圖像所包含的信息遠(yuǎn)比一條曲線(xiàn)或幾個(gè)數(shù)據(jù)要多。它以直觀的形式向醫(yī)生展示人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或有關(guān)生理參數(shù)的空間分布，為醫(yī)生的診斷提供重要依據(jù)，成為臨床診斷與醫(yī)學(xué)研究中不可缺少的工具。百聞不如一見(jiàn)2023/2/511生物醫(yī)學(xué)工程中心圖像科學(xué)包含圖像的形成、獲取、傳輸、存儲(chǔ)、分析、識(shí)別等。在醫(yī)學(xué)圖像研究領(lǐng)域中主要包含以下兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究方向：醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)（MedicalImagingSystem）和醫(yī)學(xué)圖像處理（MedicalImageProcessing）。醫(yī)學(xué)圖象研究2023/2/512生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)學(xué)圖象研究醫(yī)學(xué)成象系統(tǒng)(MedicalImagingSystem)圖象形成的過(guò)程成象機(jī)理、成象設(shè)備、成象系統(tǒng)分析醫(yī)學(xué)圖象處理與分析(MedicalImageProcessingandAnalysis)對(duì)已獲得的圖象，采用各種算法進(jìn)一步處理增強(qiáng)、特征提取、模式分類(lèi)、分割、識(shí)別等醫(yī)學(xué)圖象應(yīng)用研究（MedicalApplication）臨床基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)2023/2/513生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)學(xué)圖像涉及物理學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等廣泛的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。隨著各項(xiàng)高新科技的發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像已經(jīng)從形態(tài)到功能、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從平面到立體、從局部到整體獲得了飛速的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，醫(yī)學(xué)圖像與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)結(jié)合可以讓醫(yī)生從各個(gè)不同角度觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，醫(yī)學(xué)圖像與計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)結(jié)合可以完成圖像的傳輸、歸檔、管理等復(fù)雜的工作，例如PACS系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)圖象研究2023/2/514生物醫(yī)學(xué)工程中心

醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)概述醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展歷史一般可追溯到1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)。X射線(xiàn)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用使醫(yī)生有可能觀察到人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)，為醫(yī)生診斷疾病提供了重要的信息。倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2023/2/515生物醫(yī)學(xué)工程中心從五十年代開(kāi)始，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)逐步進(jìn)入了飛速發(fā)展的年代，各種新技術(shù)相繼被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中。新的成像方式不斷出現(xiàn)，所成的圖像不僅提供了人體組織在解剖上的形態(tài)結(jié)構(gòu)，而且為器官功能檢查提供了可能。所用的技術(shù)包括超聲、核素成像等。

醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)展2023/2/516生物醫(yī)學(xué)工程中心ElectromagneticSpectrum超聲超聲2023/2/517生物醫(yī)學(xué)工程中心今天，幾乎所有的物理方法都已或多或少地滲透到了醫(yī)學(xué)成像的領(lǐng)域，如X射線(xiàn)成像、超聲成像、放射性同位素成像及磁共振成像等。這些不同的成像方式所提供的人體結(jié)構(gòu)或生理參數(shù)的圖像為提高臨床診斷與治療的有效性發(fā)揮了極大的作用。醫(yī)學(xué)成像設(shè)備已成為現(xiàn)代化醫(yī)院的一個(gè)重要的標(biāo)志。醫(yī)學(xué)成像方法2023/2/518生物醫(yī)學(xué)工程中心主要醫(yī)學(xué)成象系統(tǒng)投影X射線(xiàn)成象數(shù)字減影（DigitalSubtractionAngiography）X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成象（X-CT:X-rayComputedTomography）磁共振成象（MRI:MagneticResonanceImaging）放射性核素成象（SPECTandPET）超聲成象（UltrasonicImaging）……2023/2/519生物醫(yī)學(xué)工程中心主要醫(yī)學(xué)成象系統(tǒng)2023/2/520生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)學(xué)成像的作用2023/2/521生物醫(yī)學(xué)工程中心醫(yī)學(xué)圖象在臨床診斷中的應(yīng)用提高臨床診斷的水平實(shí)現(xiàn)治療中的監(jiān)護(hù)，提高治療中的有效性外科手術(shù)的規(guī)劃圖象的計(jì)算機(jī)管理PACS系統(tǒng):picturearchivingandcommunicationsystem2023/2/522生物醫(yī)學(xué)工程中心ApplicationsMRIandPETshowinglesionsinthebrain2023/2/523生物醫(yī)學(xué)工程中心ApplicationsPETscanonthebrainshowingParkinson’sDisease2023/2/524生物醫(yī)學(xué)工程中心1.X射線(xiàn)成像系統(tǒng)

X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)使人們意識(shí)到了X射線(xiàn)在醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用前景。在此后的幾十年中，X射線(xiàn)攝影技術(shù)有了不小的發(fā)展，包括使用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線(xiàn)管、影像增強(qiáng)管及采用運(yùn)動(dòng)斷層攝影等。(1)

投影X射線(xiàn)成像系統(tǒng)

2023/2/525生物醫(yī)學(xué)工程中心X-Ray(Eberhart’sManualofHighFrequncyCurrents,Ch.10,1911)(GundelachTube,1898–1905)OakRidgeAssociatedUniversitiesHealthPhysics

InstrumentationMuseumX-RayImaging(Principle)2023/2/526生物醫(yī)學(xué)工程中心HighFrequency

X-RayTube(Eberhart’sManualofHighFrequncyCurrents,Chap.10,1911)PortableSystemX-RayImaging(Principle)2023/2/527生物醫(yī)學(xué)工程中心2023/2/528生物醫(yī)學(xué)工程中心投影X射線(xiàn)成像系統(tǒng)2023/2/529生物醫(yī)學(xué)工程中心普通X光機(jī)2023/2/530生物醫(yī)學(xué)工程中心床式X光機(jī)2023/2/531生物醫(yī)學(xué)工程中心X光片（平片）2023/2/532生物醫(yī)學(xué)工程中心X-RayImaging2023/2/533生物醫(yī)學(xué)工程中心

但由于常規(guī)的X射線(xiàn)成像技術(shù)是將人體三維結(jié)構(gòu)投影到一個(gè)二維平面上，會(huì)產(chǎn)生圖像重疊，造成讀片困難。此外，投影X射線(xiàn)成像對(duì)軟組織的分辨能力較差，使得它在臨床中的應(yīng)用也受到一定的限制。投影X射線(xiàn)成像缺點(diǎn)2023/2/534生物醫(yī)學(xué)工程中心為了獲得臟器的清晰圖像，人們又設(shè)計(jì)了一些特殊的X射線(xiàn)成像裝置。如X射線(xiàn)數(shù)字減影裝置(digitalsubtractionangiography，簡(jiǎn)稱(chēng)DSA)就是一個(gè)例子。(2)數(shù)字減影血管造影技術(shù)2023/2/535生物醫(yī)學(xué)工程中心

DSA的基本工作原理是：將X射線(xiàn)機(jī)對(duì)準(zhǔn)人體的某一部位，并將X射線(xiàn)造影劑注入人體血管中。如果在注入造影劑的前后分別攝取這同一部位的X射線(xiàn)圖像，然后再將這兩幅圖像相減，那么就可以消除圖像中相同結(jié)構(gòu)的部分，而突出注人造影劑的血管部分。DSA在臨床中已成功地用于血管網(wǎng)絡(luò)的功能檢查。數(shù)字減影血管造影技術(shù)2023/2/536生物醫(yī)學(xué)工程中心DSA2023/2/537生物醫(yī)學(xué)工程中心DSA2023/2/538生物醫(yī)學(xué)工程中心手部DSA肺部DSA2023/2/539生物醫(yī)學(xué)工程中心移動(dòng)式血管造影系統(tǒng)2023/2/540生物醫(yī)學(xué)工程中心移動(dòng)式血管造影系統(tǒng)診斷圖2023/2/541生物醫(yī)學(xué)工程中心（3)X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像

X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像（X－raycomputedtomography，簡(jiǎn)稱(chēng)X－CT）。六十年代早期，計(jì)算機(jī)斷層攝影技術(shù)的出現(xiàn)使醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)高峰。它從根本上克服了傳統(tǒng)X線(xiàn)成像中影像重疊的問(wèn)題，獲得了高分辨率的清晰的斷層圖像。是X線(xiàn)診斷學(xué)上的一次重大革命性飛躍。也是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。2023/2/542生物醫(yī)學(xué)工程中心

實(shí)現(xiàn)X－CT的理論基礎(chǔ)是從投影重建圖像的數(shù)學(xué)原理。當(dāng)代圖像重建理論最杰出的貢獻(xiàn)者之一是美國(guó)的物理學(xué)家A.M.Cormack。他自20世紀(jì)50年代開(kāi)始發(fā)表了一系列的論文，不僅證明了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中從X射線(xiàn)投影數(shù)據(jù)重建圖像的可能性，而且提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法并完成了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像的重建理論2023/2/543生物醫(yī)學(xué)工程中心真正設(shè)計(jì)出一個(gè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)人體斷面成像是在1972年，一位名叫G.N.Hounsfield的工程師公布了計(jì)算機(jī)斷層成像的結(jié)果。這項(xiàng)研究成果可以說(shuō)是在X射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)后的七八十年中放射醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里最重要的突破性進(jìn)展，也是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。1979年的諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)破例地授給了這兩位沒(méi)有專(zhuān)門(mén)醫(yī)學(xué)資歷的科學(xué)家。X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像的裝置實(shí)現(xiàn)2023/2/544生物醫(yī)學(xué)工程中心Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)2023/2/545生物醫(yī)學(xué)工程中心自從X—CT問(wèn)世以來(lái)，技術(shù)有了很大的發(fā)展，設(shè)備裝置也不斷地更新?lián)Q代。早期的X－CT掃描儀，數(shù)據(jù)采集與圖像重建的計(jì)算過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，圖像分辨率相對(duì)較低，而病人接受的射線(xiàn)照射劑量卻相對(duì)比較大。較新的X－CT裝置采用多個(gè)檢測(cè)器構(gòu)成的扇形掃描方式，它不僅減少了掃描與數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，減少了照射劑量，同時(shí)還改善了圖像的分辨率。X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像的發(fā)展2023/2/546生物醫(yī)學(xué)工程中心

在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，大量的研究工作是在努力開(kāi)發(fā)高速有效的圖像重建算法，包括代數(shù)方法與解析方法。目前的X－CT裝置其成像厚度可以小到1mm，斷面中的圖像分辨率也已經(jīng)可以做到小于1mm。X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層成像的發(fā)展2023/2/547生物醫(yī)學(xué)工程中心(a)OriginalEMICTheadscanner(MayoClinic,Rochester,Minn,circa1973)(b)an80x80-matrixheadCTimageobtainedwithit.2023/2/548生物醫(yī)學(xué)工程中心2023/2/549生物醫(yī)學(xué)工程中心CT機(jī)2023/2/550生物醫(yī)學(xué)工程中心2023/2/551生物醫(yī)學(xué)工程中心CT螺旋CT西門(mén)子64層螺旋CT2023/2/552生物醫(yī)學(xué)工程中心SpiralscanCT(byPicker)

2023/2/553生物醫(yī)學(xué)工程中心CTScanning2023/2/554生物醫(yī)學(xué)工程中心2023/2/555生物醫(yī)學(xué)工程中心CT掃描部分X光球管高壓發(fā)生器探測(cè)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2023/2/556生物醫(yī)學(xué)工程中心2023/2/557生物醫(yī)學(xué)工程中心X射線(xiàn)成像的缺點(diǎn)X射線(xiàn)X射線(xiàn)像物體2023/2/558生物醫(yī)學(xué)工程中心I0

:入射X-射線(xiàn)強(qiáng)度;I

:輸出X-射線(xiàn)強(qiáng)度；

:組織的線(xiàn)性衰減系數(shù);x:組織的厚度。CT成像原理-1mx朗伯定律xμ1μ2μnI0I2023/2/559生物醫(yī)學(xué)工程中心CT成像原理-2X射線(xiàn)束通過(guò)非均勻介質(zhì)：xμ1μ2μnI0I2023/2/560生物醫(yī)學(xué)工程中心CT圖像體素：將選定層面分成若干個(gè)體積相同的立方體。數(shù)字矩陣：每個(gè)體素的X線(xiàn)衰減系數(shù)排列成矩陣。像素：數(shù)字矩陣中的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)為由黑到白不等灰度的小方塊。2023/2/561生物醫(yī)學(xué)工程中心為了鑒別組織線(xiàn)性衰減系數(shù)的微小差別，并使組織特性定量化，定義CT值：其中μt、μwater分別為組織及水的線(xiàn)性衰減系數(shù)，單位為Hounsfield，簡(jiǎn)稱(chēng)Hu。由上式顯見(jiàn)，水的CT值為0。實(shí)驗(yàn)得知：μ骨≈2μwater，μ空氣≈0。因此，骨的CT值為1000，空氣的CT值為0。CT值（Hu單位）01000-1000空氣脂肪水軟組織致密骨骼2023/2/562生物醫(yī)學(xué)工程中心傳統(tǒng)X射線(xiàn)裝置：幾何聚焦，二維X光片、縱向信息重疊；圖像后處理應(yīng)用少；成像劑量可選（粗），劑量大；動(dòng)態(tài)范圍小；密度分辨率低，不能區(qū)別軟組的細(xì)節(jié)；空間分辨率高；不易與醫(yī)院其它數(shù)字化設(shè)備互聯(lián)。CT：圖像重建，三維斷層、圖像清晰；通過(guò)圖像后處理，可獲得多平面圖像；成像劑量可選（精細(xì)），劑量??；動(dòng)態(tài)范圍大；密度分辨率高，對(duì)軟組織分辨率能力高；空間分辨率較低；易與醫(yī)院其它數(shù)字化設(shè)備互連。CT與傳統(tǒng)X射線(xiàn)裝置的對(duì)比2023/2/563生物醫(yī)學(xué)工程中心CT機(jī)的發(fā)展CT機(jī)按其適用范圍分為頭顱CT和全身CT，CT機(jī)的發(fā)展常用代（Generation）來(lái)表示；CT機(jī)從上世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了5代。2023/2/564生物醫(yī)學(xué)工程中心FirstGeneration2023/2/565生物醫(yī)學(xué)工程中心SecondGeneration2023/2/566生物醫(yī)學(xué)工程中心ThirdGeneration(FromSiemens)2023/2/567生物醫(yī)學(xué)工程中心FourthGeneration2023/2/568生物醫(yī)學(xué)工程中心在技術(shù)上屬于第三代CT，是在滑環(huán)技術(shù)上的進(jìn)一步發(fā)展，分為單層和多層螺旋CT

。螺旋CT機(jī)2023/2/569生物醫(yī)學(xué)工程中心2023/2/570生物醫(yī)學(xué)工程中心5thGenerationE-BeamCTScannerSpeed:50,100msThickness:1.5,3,6,10mmECGtriggercardiacimages(FromImatron)2023/2/571生物醫(yī)學(xué)工程中心CTScanner2023/2