医学图像成像模式

医学图像处理与分析,上海交通大学医学院,医学图像的成像模式,,第二章 医学图像的成像模式光学成像及其图像信息,,光学成像及其图像信息常规光学透射(或反射)成像,,光密度,与数字图像的灰度值成正比,,成分、结构、浓度 光密度OD，透光强度 图像灰度值,,对比度增强机制： 提高图像对比度 增强光密度差异 细胞HE染色免疫组化染色,,光学成像及其图像信息常规光学透射(或反射)成像荧光(或生物发光)成像,,某些物质的受激电子从高能状态经系统内交调迁移到中间振动状态，再从振动状态迁移回到稳态的过程中发出磷光,物质吸收光能，从基态激发到激发态(高能)分子很快从高能到一个不稳定的高能级分子从不稳定的高能级返回基态时会伴随光子产生，即荧光产生,,400nm,760nm,荧光波长,,荧光强度 特定物质量 图像灰度,,光学成像及其图像信息常规光学透射(或反射)成像荧光(或生物发光)成像光学成像的一般技术性能,,光学成像的一般技术性能灵敏度 光学CCD,,CCD的背景噪声CCD读取噪声CCD暗电流热噪声荧光背景光,,光学成像的一般技术性能灵敏度 光学CCD冷却CCD10-910-6 mM,,光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 取决于光源深度荧光穿透组织的厚度1.5 2 mm,,光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率实时成像仅取决于CCD数据的读出,,光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率稳定性好、毒性小,,第二章 医学图像的成像模式光学成像及其图像信息X线及X-CT及其图像信息,,X光的发现与发展,1895 伦琴 发现X光1896 爱迪生 制造X光透射机1901 伦琴 获得第一届诺贝尔物理奖,,CT(Computed Tomography),1963 美国物理学家Cormark 提出数学重建算法1971 英国工程师Hounsfield 设计成功第一台颅脑CT机1974 美国 Georgetown医学中心 全身CT机1979 Hounsfield 和 Cormark 分享了诺贝尔生理学或医学奖。,,X线及X-CT及其图像信息X线及X-CT的成像原理,,线性吸收系数：不同的生物组织和不同的厚度，对于X射线的衰减程度各不相同X线吸收系数，物质固有属性,,图像的明暗程度(灰度) Vs. X线吸收系数,,X-CT的数学基础：由投影重建图像,,X-CT的扫描：投影的产生,,X线及X-CT及其图像信息X线及X-CT的成像原理X-CT的图像信息,,CT值(相对线性吸收系数),假设：空气0，骨2，（已知，水1 ）若：k=1000，则，空气CT=-1000，骨CT=1000 k=2000，则，？,,CT值的信息,特定物质（人体组织） 线性吸收系数 CT值 图像灰度值,,CT值和图像灰度相关，但可能超出图像灰度范围。,,对比度增强机制 改变线性吸收系数及CT值 图像的灰度对比度反映了不同组织成分的吸收系数的差异组织密度和线性吸收系数接近、CT值相近时，可采用对比度增强剂（碘） 异常血管增生，局部血液丰富，血脑屏障破坏（碘含量增加）口服硫酸钡溶液（肠道、食道）,,X线及X-CT及其图像信息X线及X-CT的成像原理X-CT的图像信息X-CT的一般技术性能,,X-CT的一般技术性能灵敏度密度相差不大（软组织）的区分能力不强1 mM,,X-CT的一般技术性能灵敏度空间分辨率临床CT：1 mm动物CT：10 m,,X-CT的一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率,,第二章 医学图像的成像模式光学成像及其图像信息X线及X-CT及其图像信息磁共振成像及其图像信息,,MRI,1952，发现核磁共振現象的美国科学家 Bloch 和 Purcell获诺贝尔物理学奖1977，第一台MRI问世1991，发明核磁共振高解像技术的 Ernst获诺贝尔化学奖2002，发明核磁共振三唯空间解像的 Wuthrich获诺贝尔化学奖2003，MRI的发明人美国化学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield 获诺贝尔医学奖,,磁共振成像MRI成像原理,,原子核的常态(稳态)和非常态 弛豫过程(relaxation)和驰豫时间驰豫时间 vs. 原子核的种类与数量 纵向弛豫(T1)，横向弛豫(T2),,磁共振成像的图像表现弛豫时间是物质固有的物理属性医学MRI主要用氢核（1H）不同的测量时间T1/T2，表现了不同的物质对象 MRI中不同的灰度值,X-CT以线性吸收系数反映物质的固有属性,,磁共振成像MRI成像原理MRI成像的图像信息,,MRI成像的图像信息医学MRI成像均采用氢核（1H）人体内的氢核大多包含在水分子中T1/T2的生物学意义,,不同组织的T1和T2值各异同一组织在不同生理或病理状态的T1和T2值也不相同,,MRI成像的图像信息医学MRI成像均采用氢核（1H）人体内的氢核大多包含在水分子中T1/T2的生物学意义MRI图像中的像素灰度反映了T1或T2值对比度增强机制,,对比度增强剂MRI： （1）软组织本身可区分 （2）加入磁性物质，使得磁场表现不同CT：（1）软组织密度相近，图像中难以区分（2）重金属吸收密度不同，明显差异,,磁共振成像MRI成像原理MRI成像的图像信息MRI的一般技术性能,,3. MRI的一般技术性能灵敏度高于X-CT，低于核素成像和光学成像10-3 1 mM,,3. MRI的一般技术性能灵敏度空间分辨率稍逊于X-CT，高于其他医学成像方式临床MRI：1 mm动物MRI：100 m,,3. MRI的一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率,,第二章 医学图像的成像模式光学成像及其图像信息X线及X-CT及其图像信息磁共振成像及其图像信息超声成像及其图像信息,,超声成像（US）,1912，出现了利用声波摄取影像的技术侦测冰山声纳二次大战1949，美国医生Howry创建了初步的超声波仪器,,超声成像B型超声成像原理,,超声成像原理,超声波在不同介质内传播的速度不同。不同的生物组织会产生不同的反射波强度。当声波从一个介质进入另一个介质的时候，声波频率不变，波长和声波速度将随着介质的不同而改变。,,超声成像原理,超声通过多个界面时的反射和透射形成回波依照接受回波的先后次序及时间长短，可标定出所发声波行进路线上的各介质存在的位置,,超声成像B型超声成像原理超声成像的图像信息,,2. 超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗,,声阻抗是生物组织的固有特性，是一种反射回波声阻抗=介质的密度*声速声阻抗 反射波强度 图像灰度值,,2. 超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 回波强度可反映介质的声阻抗图像灰度值反映了超声波回波的强度具有不同声阻抗介质的界面,,2. 超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 回波强度可反映介质的声阻抗对比度增强增强散射理论上可采用充气的微泡,,超声成像B型超声成像原理超声成像的图像信息超声成像的一般技术性能,,3. 超声成像的一般技术性能灵敏度和探测深度有关,,3. 超声成像的一般技术性能灵敏度空间分辨率角度分辨率 轴向分辨率,,3. 超声成像的一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率超声速度、角度分辨率最大径向检测范围,,第二章 医学图像的成像模式光学成像及其图像信息X线及X-CT及其图像信息磁共振成像及其图像信息超声成像及其图像信息放射性核素(发射型计算机断层)成像及其图像信息,,PET的出现,1943，瑞典化学家赫维西(George Charles de Hevesy)，发现了用于人体检测的安全有效的放射性追踪剂，获得诺贝尔化学奖。1995，FDA核准PET的临床使用。,,第二章 医学图像的成像模式,放射性核素成像放射性核素成像原理,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 放射性核素发射射线体外检测射线可确定体内放射性核素活度放射性核素是外源性的射线活度取决于组织的血流、代谢、排泄、细胞功能、细胞数量、,,内源性 结构成像,外源性 功能成像,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 ECT的数学基础,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 ECT的数学基础ECT的种类单光子发射（SPECT）正电子发射（PET）,,体外的示踪剂注入体内，聚集在体内靶标组织，核素在衰变过程中发射高能量光子束或正电子，穿透人体组织后向外辐射 核素能与血流、代谢、组织等相结合检测到不同方位上的“投影”信号后，可据此重建放射性核素在靶标组织内分布的映射图像 功能成像,,第二章 医学图像的成像模式,放射性核素成像放射性核素成像原理核素成像的图像信息,,2. 核素成像的图像信息（1）图像的灰度直接反映了体内放射性核素的活度的强弱（浓度高低）直接反映了放射性核素的空间浓度分布间接反映了靶标组织的空间分布间接反映了组织浓度分布或生物活动程度,,2. 核素成像的图像信息（1）图像的灰度直接反映了体内放射性核素的活度的强弱（浓度高低）（2）根据不同的实验，可间接地反映特定功能的强弱或特定物质的多少（3）对比度增强剂,,SPECT：同位素的半衰期较长；不是人体本身所具备的元素；生理/生化过程的显示受到限制。PET：同位素的半衰期较短；都是人体组织所富有的元素；排泄快，影响小；如果要进行生物过程的长期比较，不合适。 成像模式本身就体现出对比度强的特点,,第二章 医学图像的成像模式,放射性核素成像放射性核素成像原理核素成像的图像信息核素成像的一般技术指标,,3. 一般技术性能灵敏度SPECT：10-6 10-8 mMPET：10-8 10-9 mM,,3. 一般技术性能灵敏度空间分辨率SPECT：mm等级PET：1-2 mm空间分辨率较低,,3. 一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率,,小结,,小结,各种成像模式的原理、图像信息及对比度增强比较,cy.imag