医学图像处理与分析

1.阮秋琦. 数字图象处理学. 电子工业出版社，20012. 容观澳. 计算机图象处理. 清华大学出版社,19993. 章毓晋. 图象工程 上册 图象处理和分析.清华大学 出版社,19994. 苏光大. 微机图象处理系统.清华大学出版社,20005. Kenneth R.Castleman(美). Digital Image Processing.,医学图象处理与分析课程参考书,1. Computer Vision and Image Understanding 2. Graphical Models and Image Processing 3. IEEE Transactions on Biomedical Engineering4. IEEE Transactions on Image Processing 5. IEEE Transactions on Information Theory6. IEEE Transactions on Medical Imaging 7. IEEE Transactions on Pattern Analysis and machine Intelligence8. IEEE Transactions on Signal Processing9. IEEE Transactions on Signal Processing Letters10. IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics 11. Image and Vision Computing,重要英文期刊,12. Pattern Recognition13. Pattern Recognition Letters14. Proceedings of the IEEE15. Signal Processing16. Signal Processing：Image Communications,重要英文期刊,什么是图象,“图”是物体投射或反射光的分布，“象”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印象或反映。是客观和主观的结合。,什么是数字图象,模拟图象（analog image）：照片、电视，特点是速度快，实时并行处理，缺点是精度差，灵活性差，无判断能力和非线性处理能力。数字图象（digital image）：量化的模拟图象，优点是处理精度高，内容丰富，可以进行非线性处理，处理灵活（软件实现），缺点是处理速度、分辨率和精度受限于计算机发展技术。,阿波罗登月,什么是数字图象处理,定义？ 数字图象处理就是利用计算机系统对数字图象进行各种目的的处理。,数字图象处理的历史,始于二十世纪二十年代 ：图象传输六十年代：登月七十年代：医学图象 CT八十年代：普及九十年代：多媒体21世纪：图象通信、定量描述,数字图象处理的内容,包括图象变换、图象编码、图象增强、图象恢复、图象分割、图象的理解和识别。,图象变换,傅立叶变换Walsh变换离散余弦变换小波变换,空间域,变换域,图象编码压缩,图象压缩编码技术可以减少描述图象的数据量，以便节省图象传输、处理时间、减少存储空间。主要方法：熵编码、预测法编码、变换编码、分形编码,图象增强和复原,目的：提高图象质量（去除噪声、提高图象的清晰度）主要方法：灰度修正、平滑、几何校正、图象锐化、频域增强、维纳滤波、卡尔曼滤波,图象的分割,目的：提取出感兴趣的对象。为进一步的理解和识别做准备。主要方法：灰度阀值分割、基于纹理的分割、区域生长法,图象的理解和识别,图象经过预处理后，进行图象分割和特征提取，从而进行判决分类。常用的模式：统计模式分类和句法模式分类。,图象的表示,图象的数学表示,图象的计算机表示,图象的质量：层次,图象的质量：对比度,图象的质量：清晰度,图象的质量：清晰度,图象的质量：清晰度,图象的质量：清晰度,图象的质量：清晰度,图象的质量：清晰度,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究内容,1. 超声A型M型B型彩色多普勒血流成象（DFI） 超声CT（UCT） 彩色多普勒组织成象（DTI）,(1)新一代B超,配以数字图象处理(DIP)，性能更佳。 （图象增强，数字滤波，各种图象测量功能）,（2）多普勒血流频谱分析及血流声谱图显示。,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究内容,（3） 彩超=B超（黑白图象）+多普勒血流速度实时成像 或多普勒组织（速度，加速度，能量）实时成像,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究内容,（5）超声CT（经食道，立体扇形扫描）,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究内容,（5）超声CT（立体扇形扫描）,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究内容,（6）超声多普勒组织成象(DTI),第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,2. X光及X光负片,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,2. X光及X光负片,第1章 绪论,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,阵列处理器,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,5. 核医学成像系统,第1章 绪论,放射性同位素扫描仪 相机：伪彩色成像，诊断脏器的机能正电子CT（PET）单光子CT（SPECT）,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,6. 磁共振成像MRI,第1章 绪论,（1）磁体：电磁，永磁，超导 场强越大，图象越清晰（2）成像方法：激励方法研究 快速算法研究 硬件系统改进 速度：30分10分几分几十秒十几秒几秒（3）二维成像/ 三维成像,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,7. 红外热像仪,第1章 绪论,（1）用于诊断乳腺癌、甲状腺及浅表肿瘤；（2）安装在眼底照相机上，研究眼底血液循环；（3）人体运动检测，运动员训练；（4）工业用途更广。,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,8. 显微电视图象系统,第1章 绪论,显微镜+电视摄象机+计算机图象处理系统（1）血细胞分类研究（2）染色体分类研究（3）癌细胞识别研究（4）微循环研究（5）眼科检验仪器：眼底照相机，验光仪,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,9. 电子显微镜电视图象系统,第1章 绪论,电子显微镜+电视摄象机+计算机图象处理系统专门研究细胞结构,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,10. 内窥镜电视图象系统,第1章 绪论,内窥镜+电视摄象机+计算机图象处理系统,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,11. 脑电地形图仪,第1章 绪论,自发脑电图诱发脑电图脑电三维成像,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,14. PACS系统（Picture Achiving and Communication System）,第1章 绪论,PACS系统=医学图象数据库+Internet,1.1 数字图象处理在医学中的应用及研究课题,第1章 绪论,（2）1991年，美国国家医学图书馆(NLM)可视化人体项目 男女各一，尸体 可视化男体： CT：轴向分辨率1mm，共1871幅 解剖切片：轴向分辨率1mm，共1871幅 可视化女体： CT：轴向分辨率1mm，共1730幅 解剖切片：轴向分辨率0.33mm，共5189幅,15. 数字人体,各个方向上的人体CT扫描图片,轴向,侧面,正面,VHP数据库的女性人体的断层解剖图片,原始数据：VHP数据库的女性人体的断层解剖图片。一共5189张，切片间隔为0.33mm,头部,胸部,由CT图象分割出的骨骼,并可视化(立体成像,任意角度旋转显示),由解剖图片重建的全身外表立体图象,由CT图象重建的全身骨骼立体图象,1.2 数字图象处理在其他方面的应用,第1章 绪论,（1）气象云图，海洋预报（2）森林资源，农业收成（3）自然灾害（旱、涝、虫、火）（4）地质探矿,1. 遥感卫星,1.2 数字图象处理在其他方面的应用,第1章 绪论,3. 机器人视觉,4. 公安应用,（1）指纹图象识别（破案，保安）（2）视网膜图象识别（3）人的面部拼图,1.2 数字图象处理在其他方面的应用,第1章 绪论,（1）印刷艺术：图样设计，花布设计，时装设计（2）自动化检测：针剂检测，工件检测（3）金相分析（4）生物、化学图象分析（电镜）（5）档案、文物恢复（6）工业热像分析：电机、变压器、高架线、集成电路（7）计算机卡通片,5. 其他应用,1.3 数字图象处理系统,第1章 绪论,1. 硬件框图,第1章 绪论,1.3 数字图象处理系统,2. 输入设备,（1）摄象机：设备小巧，速度快，成本低，灵敏度高，但灰度层次差，非线性失真较大，有黑斑效应（2）扫描仪：精度和分辨率中等，成本低，但速度慢，非实时（3）扫描鼓：精度、分辨率高，科输入输出，但价格昂贵，速度慢，维护要求高（3）磁盘、光盘、磁带机,3. 输出设备,（1）显示器：显示质量好，亮度高，成本低（2）打印机，视频打印机：模拟输出，分辨率低（3）照相机，多幅照相机（4）磁盘、光盘、磁带机,第1章 绪论,1.3 数字图象处理系统,第1章 绪论,1.3 数字图象处理系统,采用个人电脑的单板图象系统,视频图象采集卡,伪彩色处理,真彩色处理,第1章 绪论,1.3 数字图象处理系统,6. 硬件处理器,（1）阵列处理器（Array Processor） 做成单元式，进行FFT、卷积、相关、数字滤波等大批量的数字处理。（2）流水线处理器（Pipeline Processor） 放置于数据通道上，数据一通过即进行了处理，常用于灰度变换、彩色编码等简单处理。,第1章 绪论,1.4 图象处理要解决的问题,1. 硬件设备,大部分硬件设备、大型图象系统都是国外进口的。,（1）输入设备：光导摄像管摄象机，CCD摄象机（2）视频A/D、D/A（3）图象存储器：大规模高速DRAM（4）图象存储设备：硬盘、磁带机、光盘机（5）图象硬拷贝：视频打印机、多幅照相机（6）阵列处理器：大型图象系统中、X-CT、MRI,第1章 绪论,1.4 图象处理要解决的问题,2. 数字图象处理方法,（1）几何处理：几何矫正、放大缩小、滚动漫游、拼图动画等；（2）图象变换：傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换、小波变换等；（3）图象增强：灰度变换、直方图修改、图象平滑、边缘提取、伪彩色；（4）图象压缩：变换编码、行程编码、预测编码、差分编码等；（5）图象复原：约束复原、反向滤波、维纳滤波等；（6）图象分割：点相关、区域相关、（7）图象识别：特征抽取、模式识别（8）图象重建：X-CT、MRI、PET等，傅立叶变换法、卷积反投影法等；（9）可视化人体数据库：多种类型图象、多种显示方式、多种可视化软件（10）虚拟人体：虚拟解剖、虚拟器官、虚拟内窥镜、虚拟远程医疗等,第1章 绪论,1.5 发展方向,（1）高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化；提高硬件速度：计算速度、A/D和D/A实时化提高分辨率：采集和显示分辨率立体化：多维重建，虚拟现实多媒体化：图象数据压缩智能化：理解和识别，客观分析，人机交互标准化：制定标准（2）图象、图形相结合的三维成像或多维成像；（3）结合多媒体技术，硬件芯片化研究；（4）新理论、新算法研究；,存储图象信息图象特点：以象素为单位，矩形区域信息量大与操作系统有关：windows、unix、mac编码方式：无压缩、无损压缩、有损压缩常用的图象文件格式：BMP、JPEG、TIFF、GIF,图象文件格式,基本概念,颜色深度：1,2,4,8,16,24bits/pixel压缩方式：LZW、RLE JPEG, JPEG2000,BMP文件格式,什么是BMP文件格式,Windows操作系统的标准文件格式 虽然大部分BMP文件是不压缩的形式，它本身还是支持图象压缩的，如rle格式（行程长度编码，runlength encoding）和LZW压缩格式等,BMP文件结构,BMP图象文件头,图象信息头(1),图象信息头(2),注：在Windows98和Windows2000支持JPEG方式,图象信息头(3),图象信息头结构定义,调色板和图象数据,GIF文件格式,GIF文件格式特点,采用复杂的LZW编码方式一个GIF文件可以存储多幅图象带有色彩表（全局、局部色彩表）支持图象定序显示或覆盖可以错行存放 支持文本覆盖,GIF文件结构,JPEG文件格式,JPEG文件格式的特点,静止图象压缩采用有损编码方式是一种变换编码对高频、低频信号区别对待,JPEG文件的标记,用以区分和识别图象数据及其相关信息 每个标记都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF,JPEG文件的组织（ 8个部分）,图象开始SOI(Start of Image)标记 APP0标记(Marker),JPEG文件的组织(2),(3) APPn标记(Markers)，其中n=115(任选) APPn长度详细信息(4) 一个或者多个量化表DQT量化表长度(quantization table length)量化表数目(quantization table number)量化表(quantization table),JPEG文件的组织(3),(5) 帧图象开始SOF0(Start of Frame),JPEG文件的组织(4),(6) 一个或者多个霍夫曼表DHT霍夫曼表的长度(Huffman table length)类型、AC或者DC(Type, AC or DC)索引(Index)位表(bits table)值表(value table),JPEG文件的组织(5),(7) 扫描开始SOS(Start of Scan) 扫描开始长度(start of scan length)颜色分量数(number of color components)每个颜色分量ID交流系数表号 (AC table #)直流系数表号 (DC table #)压缩图象数据 (Compress image data) (8) 图象结束EOI(End of Image),JPEG编码原理,JPEG文件结构,TIFF文件格式,什么是TIFF文件格式,TIFF是Tagged Image File Format的缩写，是一个广为应用的光栅图象文件格式，它的来源有：扫描仪CAD系统地理信息由Adobe公司授权，包括TIF标记和文档TIFF包括公共标记和私有标记,TIFF版本信息,1980年发表最早的版本V1、V21989年发表版本V5.01992年，V6.0TIFF是一个非常稳定的文件格式，有很长的应用历史有公共的软件库来读写TIFF格式的图象（