醫(yī)學(xué)影像后處理

概述醫(yī)學(xué)圖像后處理是通過綜合運用計算機圖像處理技術(shù)，醫(yī)學(xué)知識，將由各種數(shù)字化成像技術(shù)所獲得的人體信息按照一定的需要在計算機上表現(xiàn)出來，使之滿足醫(yī)療需要的一系列技術(shù)的總稱。彌補影像設(shè)備成像不足提供解剖學(xué)信息和病理生理學(xué)信息打破傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)獲取和觀察方式提供包括三維可視化、圖像分割、病變檢測和圖像融合配準(zhǔn)的高級應(yīng)用123醫(yī)學(xué)影像后處理功能醫(yī)學(xué)影像后處理的其它應(yīng)用和發(fā)展醫(yī)學(xué)影像后處理應(yīng)用123醫(yī)學(xué)影像后處理功能醫(yī)學(xué)影像后處理的其它應(yīng)用和發(fā)展醫(yī)學(xué)影像后處理應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像后處理功能輔助觀察通過向醫(yī)生提供更多的觀察方式，給醫(yī)生更多的參考，有利于醫(yī)生更加快速做出正確的診斷。輔助診斷提供給醫(yī)生一些診斷的建議，包括測量得到的數(shù)據(jù)、分割和檢測的結(jié)果，以及融合配準(zhǔn)后新圖像的信息。輔助觀察多平面重建(Multi-PlanarReformation,MPR)曲面重建(CurvedPlanarReformation,CPR)表面遮蓋(SurfaceShadedDisplay,SSD)最大密度投影(MaximumIntensityProjection,MIP)最小密度投影(MinimumIntensityProjection,MinIP)容積重現(xiàn)(VolumeRendering,VR)虛擬內(nèi)窺鏡(VirtualEndoscopy,VE)多平面重建(MPR)MPR是把橫斷面的像素疊加起來回到三維容積排列上，根據(jù)需要組成的不同方位，重新組合新的斷層圖像。橫斷面矢狀面冠狀面較好地顯示組織器官內(nèi)復(fù)雜解剖關(guān)系，彌補橫斷圖像觀察的不足，有利于病變的準(zhǔn)確定位。曲面重建(CPR)CPR與MPR類似，不同點是疊加成三維容積排列后，重新選取截面時按曲線走行。延展CPR與拉直CPR(心血管)優(yōu)點：幫助醫(yī)生在短時間內(nèi)觀察和研究血管組織。缺點：重建路徑的偏差對較小病灶容易遺漏或造成假性狹窄。表面遮蓋(SSD)SSD是提取組織結(jié)構(gòu)邊緣的體素信息，把容積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一系列多邊形表面片擬合的等值面，然后根據(jù)光照、明暗模型進行消隱和渲染。用途：胸腹大血管、肺門及肺內(nèi)血管、腸系膜血管、腎血管及骨與關(guān)節(jié)的三維顯示。缺點：容易造成虛假顯示或顯示面上產(chǎn)生空洞，且無法顯示數(shù)據(jù)體內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息。頸動脈CTA的SSD圖像最大密度投影(MIP)MIP是沿著虛擬的操作者視線方向，將相對密度最高的體素值投射到屏幕上，而形成的新的投影平面。最大密度投影圖像(冠脈)優(yōu)勢：較真實的反映組織的密度差異，主要用于顯示具有相對較高密度的組織結(jié)構(gòu)。用途：觀察血管的狹窄、擴張、充盈和缺損，可發(fā)現(xiàn)血管鈣化，顯示骨折情況，反映骨密度變化，清晰顯示對內(nèi)固定裝置。最小密度投影(MinIP)MinIP與MIP相似，是將每一條沿視線方向所遇到的體素最小值投影到二維平面上，從而形成MinIP重建圖像。最小密度投影圖像(肺氣管)優(yōu)勢：主要用于顯示密度差異較大的低密度結(jié)構(gòu)組織，典型應(yīng)用于肺疾病檢測。用途：肺部氣管直觀、立體的顯示；肺氣腫、間質(zhì)性肺炎等彌漫性肺疾病診斷；屏蔽肺血管和肺裂等高密度結(jié)構(gòu)；在術(shù)前為外科醫(yī)生提供有價值的指導(dǎo)信息。容積重現(xiàn)(VR)VR是沿著虛擬操作者視線方向，將容積數(shù)據(jù)的所有體素的顏色和透明度的進行融合后，投射到屏幕上，實現(xiàn)三維顯示。容積重現(xiàn)(脊柱側(cè)彎)優(yōu)勢：最大限度的保留了原始數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)，能夠顯示具有高質(zhì)量的三維立體空間關(guān)系組織，而且操作簡便。用途：用于血管、骨骼、關(guān)節(jié)、尿路、支氣管樹、肌束的三維顯示。虛擬內(nèi)窺鏡(VE)VE是利用醫(yī)學(xué)影像作為原始數(shù)據(jù)，融合圖像處理、計算機圖形學(xué)、科學(xué)計算可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，模擬傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡的一種技術(shù)。優(yōu)勢：克服傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)窺鏡需要插入體內(nèi)的缺點，是一種完全無接觸的檢查方法。用途：應(yīng)用于輔助診斷、手術(shù)規(guī)劃、實現(xiàn)手術(shù)的精確定位和醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)等；可用于具有空腔結(jié)構(gòu)的器官檢查。結(jié)腸虛擬內(nèi)窺鏡360度全景展開輔助診斷測量分割檢測配準(zhǔn)融合在醫(yī)學(xué)圖像后處理中計算機輔助診斷(ComputerAidedDiagnosis,CAD)是很重要的一種應(yīng)用，主要包括：測量圖像測量是指對圖像中目標(biāo)或區(qū)域的特征進行測量，包括圖像的灰度特征、紋理特征和幾何特征。定量分析腔體、腫瘤的體積，血管的直徑，三維區(qū)域的平均密度；二維基礎(chǔ)上的距離、面積、角度和統(tǒng)計分布等測量；三維基礎(chǔ)上的空間距離、曲線長度、表面積和體積等測量；鑒別有無病變、病灶的大小和空間方位，提供定性診斷及預(yù)測的參考依據(jù)。血管直徑測量乳腺ROI區(qū)域測量分割(概述)根據(jù)目標(biāo)物體特征，把圖像劃分為若干個互不相交的區(qū)域，使得這些特征在同一區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)為一致性或相似性，在不同區(qū)域表現(xiàn)明顯不同。依據(jù)：灰度、空間紋理、幾何形狀等特征。應(yīng)用：各種細(xì)胞、組織與器官。難點：受分割物體的復(fù)雜度，成像方式和成像質(zhì)量的影響。分割(方法)基于區(qū)域的分割基于統(tǒng)計學(xué)的分割基于結(jié)構(gòu)的分割基于輪廓模型的分割基于LevelSet的分割基于變換、模型的分割基于模式識別的分割血管分割左右肺分割結(jié)腸分割分割(意義)可輔助醫(yī)生進行診斷和制定對病人的治療方案；用于醫(yī)學(xué)圖像的分析，如三維重建；用于計算機引導(dǎo)于術(shù)，如外科手術(shù)的制定，病理的研究；有利于數(shù)據(jù)的壓縮和傳輸，提高在PACS和遠程傳輸?shù)膽?yīng)用。檢測(概述)計算機輔助檢測是利用先進的計算機軟硬件來分析和處理醫(yī)學(xué)圖像，以發(fā)現(xiàn)并檢出病變，從而輔助醫(yī)生臨床診斷，提高工作效率。方法：特征分析法、雙能量減影法和時間減影法。應(yīng)用：乳腺、胸部。檢測(作用)乳腺：可提供乳腺癌診斷的敏感度，降低致密型乳腺內(nèi)病變、直徑小的鈣化灶、導(dǎo)管內(nèi)癌及浸潤性導(dǎo)管癌的漏診率。胸部：胸片的心臟和肺野的自動分析，肺結(jié)節(jié)、氣胸的檢測，腫塊和鈣化的分類、鑒別。鈣化簇團塊腫塊心臟血管疾病檢測肺結(jié)節(jié)檢測配準(zhǔn)融合(配準(zhǔn))配準(zhǔn)：是指對于一幅醫(yī)學(xué)圖像采用一種(或一系列)空間變換，使它與另一幅醫(yī)學(xué)圖像上的對應(yīng)點達到空間上的一致。配準(zhǔn)配準(zhǔn)融合(融合)融合：將兩幅(或兩幅以上)來自不同成像設(shè)備或不同時刻獲取的已配準(zhǔn)圖像，采用某種算法把各個圖像的優(yōu)點或互補性有機結(jié)合起來，獲得信息量更為豐富的新圖像技術(shù)。融合融合配準(zhǔn)(方法)

基于特征的圖像配準(zhǔn)控制點配準(zhǔn)算法自動角點檢測配準(zhǔn)算法基于輪廓特征的配準(zhǔn)算法基于SIFT(尺度不變特征變換)的配準(zhǔn)算法基于區(qū)域的圖像配準(zhǔn)相關(guān)法對數(shù)極坐標(biāo)變換方法最大互信息配準(zhǔn)法基于圖像灰度的融合算法加權(quán)平均法基于感興趣區(qū)域圖像融合方法Toet算法對比度調(diào)制法基于變換域的融合方法配準(zhǔn)：融合：融合配準(zhǔn)(意義)用于臨床醫(yī)療診斷用于外科手術(shù)、放射治療計劃的制定病理變化的跟蹤和治療效果的評價勾畫腫瘤的輪廓線計算放射劑量的大小及劑量分布123醫(yī)學(xué)影像后處理功能醫(yī)學(xué)影像后處理的其它應(yīng)用和發(fā)展醫(yī)學(xué)影像后處理應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像后處理應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像后處理已經(jīng)可以應(yīng)用到大部分組織器官的影像結(jié)果分析中，針對不同部位的不同疾病都有特定的方法和流程來進行分析。腦部胸腹部四肢婦科腦部(背景)世界上每年有570萬人因腦卒中而失去生命世界第二大致死病因我國每年腦卒中新發(fā)病例為250萬，死于卒中的病例為150萬醫(yī)療開支以及損失大全世界所面臨的艱巨問題灌注灌注腦部灌注增強造影灌注成像的理論基礎(chǔ)灌注圖像后處理算法灌注圖像后處理結(jié)果腦部灌注增強造影腦部的生理性功能活動以及病理活動與組織血流微循環(huán)狀態(tài)密切相關(guān)腦部灌注增強造影對腦部組織生理、病理變化非常敏感可了解血液動力學(xué)及功能上的變化可比CT平掃等常規(guī)影像技術(shù)更早更準(zhǔn)確地診斷腦組織缺血等疾病灌注成像的理論基礎(chǔ)(1/3)核醫(yī)學(xué)放射性示蹤劑稀釋理論以及中心容積定律：血容量=血流量×平均通過時間通過直接測量CT值隨時間的變化曲線獲得組織內(nèi)碘對比劑濃度隨時間變化的曲線(Time-DensityCurve,TDC)，從而獲得：腦血流量(CerebralBloodFlow,CBF)腦血容量(CerebralBloodVolume,CBV)平均通過時間(MeanTransitTime,MTT)達峰時間(TimeTOPeak,TTP)灌注成像的理論基礎(chǔ)(2/3)分期機體調(diào)節(jié)狀態(tài)腦局部的變化狀態(tài)Ⅰ腦循環(huán)儲備力發(fā)揮作用腦血流動力學(xué)發(fā)生異常變化，腦血流灌注壓在一定的范圍內(nèi)波動時，機體可以通過小動脈和毛細(xì)血管平滑肌的代償性擴張或收縮來維持腦血流的相對動態(tài)穩(wěn)定。Ⅱ腦代謝儲備力發(fā)揮作用腦循環(huán)儲備力失代償，CBF達電衰竭閾值以下，神經(jīng)元的功能出現(xiàn)異常，機體通過腦代謝儲備力的作用來維持神經(jīng)元代謝穩(wěn)定。表1腦局部缺血的病理生理變化灌注成像的理論基礎(chǔ)(3/3)分期腦血流狀態(tài)微循環(huán)狀態(tài)灌注表現(xiàn)Ⅰ0CBF無下降腦局部側(cè)支循環(huán)建立良好各參數(shù)圖均正常Ⅰ1CBF在電衰竭閾值以上腦局部微血管無代償性擴張TTP延長，MTT、CBF和CBV正常Ⅰ2CBF在電衰竭閾值以上腦局部微血管代償性擴張TTP和MTT延長，CBF正常/輕微下降，CBV升高Ⅱ1CBF在電衰竭閾值和膜衰竭之間腦局部微血管受壓輕度狹窄TTP和MTT延長，CBF下降，CBV升高Ⅱ2CBF在電衰竭閾值和膜衰竭之間腦局部微血管受壓明顯狹窄TTP和MTT延長，CBF下降，CBV下降表2腦梗死前期腦局部缺血影像分期灌注圖像后處理算法(1/2)最大斜率法把器官或組織看作一個“黑箱”，示蹤劑經(jīng)由一條動脈進入“黑箱”，然后快速滲透到毛細(xì)血管和細(xì)胞外間質(zhì)中，經(jīng)過很短的一段時間后開始從一條靜脈隨血流流出。組織中的對比劑總量等于流入的對比劑總量減去流出的對比劑總量。最大斜率法灌注圖像后處理算法(2/2)模型原理： 房室模型的一種，研究器官或組織的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)。對理想狀態(tài)下，瞬時注射單位質(zhì)量的示蹤劑產(chǎn)生的組織增強曲線，即組織的脈沖響應(yīng)函數(shù)(IRF)進行處理。脈沖響應(yīng)函數(shù)反映了物質(zhì)在組織中隨著時間的分布情況。去卷積法灌注圖像后處理結(jié)果CT腦灌注分析參數(shù)結(jié)果偽彩圖(CBF，CBV，MTT，TTP)MR灌注分析參數(shù)結(jié)果偽彩圖(CBF，CBV，MTT，TTP)胸腹部心臟肺結(jié)腸泌尿心臟(背景1)影像診斷方式X射線(X-Ray)超聲心動圖(UltrasonicEchocardiogram,UCG)心血管造影(Angiography)血管內(nèi)超聲(IntravascularUltrasound,IVUS)放射性核素檢查核磁共振(MagneticResonance,MR)計算機斷層(ComputedTomography,CT)MSCT心臟(背景2)影像診斷缺點只能定性觀察，沒有定量信息嚴(yán)重依賴醫(yī)生的經(jīng)驗和能力影像診斷早期困難影像診斷受醫(yī)生個人工作狀態(tài)影像嚴(yán)重CAD心臟CAD心臟組織自動分割血管樹解析血管病變組織檢測與分析血管狹窄度檢測與分析血管斑塊檢測與分析心臟組織自動分割心臟組織自動分割包括：左心房、左心室、右心房、右心室、升主動脈和左右冠狀動脈的分割。

心臟VR視圖可直觀展示各支冠脈血管與心臟的對應(yīng)關(guān)系。其劣勢是無法顯示血管腔內(nèi)病變，且有些冠狀動脈無法得到最佳顯示角度。冠狀動脈的VR視圖只顯示部分升主動脈和冠狀動脈血管，可轉(zhuǎn)動圖像至最佳角度顯示需要觀察的冠狀動脈。。血管樹解析

血管樹的解析過程是冠脈中心線的自動提取和分析的過程。在心血管的狹窄分析與檢測、虛擬內(nèi)窺鏡自動導(dǎo)航漫游、冠狀動脈多平面重建的視圖顯示、血管曲面重建等圖像幾何形態(tài)分析及相關(guān)領(lǐng)域中，管狀器官的中心線具有非常廣泛的應(yīng)用。血管病變組織檢測與分析(1/3)血管狹窄度檢測與分析將狹窄處官腔直徑(面積)與相鄰近端和遠端正常官腔直徑作比較，得出比值。直徑(面積)測量法：狹窄遠端近端血管病變組織檢測與分析(2/3)狹窄度評判標(biāo)準(zhǔn)：狹窄度<30%，認(rèn)為正常；狹窄度<50%且>30%，認(rèn)為輕度狹窄；狹窄度<70%且>50%，認(rèn)為中度狹窄；狹窄度>70%，認(rèn)為重度狹窄。血管病變類型：A型病變：指不連續(xù)(<10mm)、同心等病變；B型病變：指連續(xù)(10~20mm)、偏心等病變；C型病變：指彌漫性病變(>20%)、遠端極度扭曲等病變。血管病變組織檢測與分析(3/3)血管斑塊檢測與分析CT評價血管鈣化的量化分析方法：Agatston積分法容積積分法質(zhì)量積分法血管的邊緣性測量：粗糙度圓度豐度橢圓度血管鈣化肺(背景)肺癌的發(fā)病率和死亡率持續(xù)上升肺癌在男性腫瘤疾病中已居首位，在女性中僅次于乳腺癌我國肺癌患者居世界首位有效手段是“早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期治療”X射線和CT肺CAD肺CAD肺功能分析肺功能定量分析肺氣腫檢測肺結(jié)節(jié)檢測結(jié)節(jié)提取結(jié)節(jié)定量分析結(jié)節(jié)隨訪肺功能分析(1/2)肺功能定量分析肺功能參數(shù)像素指數(shù)像素分布曲線肺實質(zhì)分割后結(jié)果的VR視圖平均CT值、容積、標(biāo)準(zhǔn)方差、面積、氣體容積、組織容積、組織重量、密度以及不同像素區(qū)間的百分比。肺功能分析(