医学图像处理绪论

1.1 引言,“图”是物体投射或反射光的分布; “像”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成 的印象或反映。 “图像”就是客观和主观的结合。,1. 图像,第1章 绪 论,医学图像处理,2. 数字图像,模拟图像（analog image）：照片、模拟电视等，特点是速度快，实时并行处理，硬件实现，分辨率高缺点是精度差，灵活性差，无判断能力和非线性处理能力。,1.1 引言,数字图像（digital image）：量化的模拟图像，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。,3. 数字图像处理,定义？ 数字图像处理就是利用计算机系统对数字图像进行的具有各种目的的处理。 如：图像变换、图像变换、图像增强、图像复原、图像压缩、 图像分割等等。,1.1 引言,4. 医学图像处理,医学图像处理就是利用计算机系统对生物医学图像进行的具有临床医学意义的处理和分析。,医学图像处理是一个很复杂的过程。医学图像作为一种信息源，也和其它有关病人的信息一样，是医生做出判断时的依据。医生在判读医学图像时，要把图像与他的解剖学、生理学和病理学等知识进行对照，还要根据经验来捕捉图像中的有重要意义的细节和特征。所以要从一幅或几幅医学图像中判断出是否有异常，或属于什么疾病，是一种高级的脑力劳动。任意拿一张有异常的CT图像、X线照片或超声图像来看，如果不是训练有素的医生，是难以发现图片上的异常的。,1.1 引言,5. 图像处理对人类的重要意义,图像是人们从客观世界获取信息的重要来源 人类在通过感觉器官从客观世界获取的信息中，视觉信息占6070。视觉信息的特点是信息量大，传播速度快，作用距离远，有心理和生理作用，加上大脑的思维和联想，具有很强的判断能力。其次是人的视觉十分完善，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪。由此可见，图像信息对人类十分重要。,1.1 引言,图像信息处理是人类视觉延续的重要手段 人的眼睛只能看到可见光部分，但能够成像的并不仅仅是可见光。,1.1 引言,图像信息处理是人类视觉延续的重要手段,1.1 引言,图像信息处理是人类视觉延续的重要手段 而迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如： 射线：0.0030.03nm； X射线：0.033nm 紫外线：3300nm； 红外线：0.8300m 微波：0.3100cm,1.1 引言,这些射线均可以成像，利用图像处理技术把这些不可见射线所成图像加以处理并转换成可见图像，实际上大大延伸了人类视觉器官的功能，扩大了人类认识客观世界的能力。,图像处理技术对国计民生有重要意义图像处理在各个领域的应用取得了巨大的成功和显著的经济效益。如在工程领域、工业生产、军事、医学以及科学研究中的应用已十分普遍。通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及埋藏量；利用红外线、微波遥感技术可侦查到隐蔽的军事设施。X-CT巳广泛应用于临床诊断，它可得到人体内部器官的断层图像，准确地确定病灶位置，为诊断和治疗疾病带来了极大的方便。,1.1 引言,图像处理技术对国计民生有重要意义在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技术。在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键技术。 因此，图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的。正因为如此图像处理理论和技术受到了的广泛重视，科学工作者经过不懈的努力，已取得令人瞩目的成就，并正在向更加深入及更高的层次发展。,1.1 引言,二维离散亮度函数 f(x, y)(1) x, y说明图像像素 的坐标(2) 函数值f 代表了在点 (x,y) 处像素的亮度值,6. 数字图像的表示,二维矩阵Am,n(1) m , n说明图像的宽和高.(2) 矩阵元索a(i,j)的值，表示图像在第i行，第j 列的 像素的灰度值.,1.1 引言,灰度级:表示像素明暗程度的整数量，称为灰度级。 层次:表示灰度级的数量。 图像数据的实际层次越多视觉效果就越好。,7. 图像质量：灰度、层次、对比度、清晰度、饱和度,256个层次的图像64个层次的图像16个层次的图像,1.1 引言,1.1 引言,1.1 引言,图像的质量：清晰度,1.1 引言,降低亮度,图像的质量：清晰度,1.1 引言,缩小尺寸,图像的质量：清晰度,1.1 引言,降低对比度,图像的质量：清晰度,1.1 引言,减少细微层次,图像的质量：清晰度,1.1 引言,降低饱和度,1.2 数字图像处理在医学中的应用,1. 超声A型 M型 ( B型, D型 ) 彩超 超声CT,(1) 新一代B超, 配以数字图像处理(DIP)，性能更佳。 （图像增强，数字滤波，各种图像测量功能）,(2) 多普勒血流频谱分析及血流声谱图显示。,1.2 数字图像处理在医学中的应用,(3) 彩超=B超（黑白图像）+多普勒血流彩色实时成像,(4) 多普勒血管成像,动脉粥样硬化,正常血流速度,高速血流速度,颈动脉血管,涡流,1.2 数字图像处理在医学中的应用,（5）超声CT（经食道，立体扇形扫描）,1.2 数字图像处理在医学中的应用,（5）超声CT（立体扇形扫描）,超声图象,超声图象,超声图象,Photo courtesy Philips Research,超声图象,Photo courtesy Philips Research,超声图象,超声图象,1.2 数字图像处理在医学中的应用,2. X光及X光负片,1.2 数字图像处理在医学中的应用,2. X光及X光负片 X光透视及摄影,1.2 数字图像处理在医学中的应用,3. X光数字减影,X光机+造影剂+计算机数字图像系统,DSA是数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography)的英文缩写，是利用电子计算机和X线影像信息数字化处理和减影技术，以消除骨骼和软组织的影响的一种成像技术，是新一代血管造影的成像技术。,使用造影剂能使密度差改变，但图像仍然重叠。数字减影是将加造影剂的片和未加造影剂的片相减，只留造影的效果，获得更清晰的像。,DSA（X射线数字减影血管造影术）,1.2 数字图像处理在医学中的应用,3. X光数字减影,X光机+造影剂+计算机数字图像系统,阵列处理器,Colonoscopy with spiral CT 螺旋CT结肠镜,Spiral scan,CT (by Picker),1.2 数字图像处理在医学中的应用,5. 核医学成像系统,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）,PET,3D图象,1.2 数字图像处理在医学中的应用,6. 磁共振成像MRI (Magnetic Resonance Imaging),（1）磁体：电磁，永磁，超导 场强越大，图像越清晰（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,MRI,Hydrocephalus（脑水肿）,MRI Center, University of Rochester Medical School,1.2 数字图像处理在医学中的应用,7. 红外热像仪,（1）用于诊断乳腺癌、甲状腺及浅表肿瘤，分辨率0.01C；（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。,红外图象,1.2 数字图像处理在医学中的应用,8. 显微电视图像系统,显微镜+电视摄像机+计算机图像处理系统（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,1.2 数字图像处理在医学中的应用,9. 电子显微镜电视图像系统,电子显微镜+电视摄像机+计算机图像处理系统专门研究细胞结构,显微医学图象,1.2 数字图像处理在医学中的应用,10. 内窥镜电视图像系统,内窥镜+电视摄象机+计算机图像处理系统,1.2 数字图像处理在医学中的应用,11. 脑电地形图仪,自发脑电地形图（国内已有）诱发脑电地形图（国外已有，国内正在研究）脑电地形三维成像（国内外正在研究）,1.2 数字图像处理在医学中的应用,14. PACS系统（Picture Achiving and Communication System）,PACS系统=医学图像数据库+Internet,15. 数字人体,（1）1988年，日本东京慈愚会医科大学医学工程室 男女各一，健康青年人，全身每15mm做一幅MRI图像，各120幅图像。 a)任意角度断面像； b)全身及部分立体像，任意角度观察,1.2 数字图像处理在医学中的应用,（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,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图像分割出的骨骼,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像,由CT图像重建的全身骨骼立体图像,1.3 数字图像处理在其他方面的应用,（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,1.3 数字图像处理在其他方面的应用,3. 机器人视觉,4. 公安应用,（1）指纹图像识别（破案，保安）（2）视网膜图像识别（3）人的面部拼图,1.3 数字图像处理在其他方面的应用,(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、化学图像分析（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,应用举例非生物医学领域,空间探索,地球资源勘探,遥感图片,气象预报,气象云图气象预报,计算机绘画,计算机绘画,计算机合成图像,计算机合成图像,计算机合成图像,广告设计,影视,动画,动画,动画,网页设计,Wallpaper,娱乐,军事应用目标跟踪,军事应用隐形飞机、定位轰炸,军事应用,军事应用,交通监控自动驾驶,公安,1.4 数字图像处理系统,1. 硬件框图,1.4 数字图像处理系统,1.4 数字图像处理系统,采用个人电脑的单板图像系统,真彩色处理,1.4 数字图像处理系统,1.4 数字图像处理系统,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。,1.5 图像处理要解决的问题,1. 硬件设备,大部分硬件设备、大型图像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）图像存储器：大规模高速DRAM（4）图像存储设备：硬盘、磁带机、光盘机（5）图像硬拷贝：视频打印机、多幅照相机（6）阵列处理器：大型图像系统中、X-CT、MRI,1.5 图像处理要解决的问题,2. 数字图像处理方法,(1)几何处理(Geometrical processing) 几何处理主要包括坐标变换，图像的放大、缩小、旋转、移动; 图像配准、畸变校正、扭曲校正和周长、面积、体积计算等。(2)算术处理(Arithmetic processing) 算术处理主要对图像施以、 等运算，虽然该处理主要针对象素点，但非常有用，如医学图像的减影处理就有显著的效果。,1.5 图像处理要解决的问题,2. 数字图像处理方法,(3)图像增强(Image enhancement) 图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强，便于区分或解释。主要方法有直方图增强、伪彩色增强法、灰度窗口等技术。,1.5 图像处理要解决的问题,2. 数字图像处理方法,(4) 图像复原 ( image restoration ) 图像复原处理的主要目的是去除干扰和模糊，恢复图像的本来面目.去噪属于典型的复原处理，图像噪声包括随机噪声和相干噪声，随机噪声干扰表现为麻点干扰，相干噪声表现为内纹干扰。 去模糊也是复原处理的任务，这些模糊来自透镜散焦，相对运动、大气湍流，以及云层遮挡等。 这些干扰可用维纳滤波、逆滤波、同态滤波等方法加以去除。,(5) 图像重建( image rebuilding ),几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像。该处理的典型应用就是CT技术，早期为X射线(X-ray)CT(X-CT)，后来发展的有ECT、超声CT(U-CT)、核磁共振(NMR)等。,(5) 图像重建,三维重建把多个二维图像合成三维图像，并加以光照模型和各种渲染技术，能生成各种具有强烈真实