医学成像系统PPT课件

.,医学成像系统,主讲：马慧彬,.,课程简介,学时安排：理论52+实验20主要内容：了解目前主流成像系统的基本原理、构造，并能进行简单的系统分析与维护概述投影X线成像系统X-CT成像系统放射性核素成像系统超声成像系统磁共振成像系统医学成像新技术参考教材：高上凯，医学成像系统，清华大学出版社,结束,.,第一章概述,课程概述发展历史与现状医学成像系统评价从电磁波谱看医学成像几种成像系统技术比较医学成像技术展望本章小结本章习题,返回,.,课程概述,图像科学研究内容图像的形成、获取、传输、存储、处理、分析、识别等医学图像研究内容医学成像系统：图像形成的过程，包括对成像机理、成像设备构造、成像系统分析等问题研究医学图像处理：对已获取的图像作进一步处理，使其更清晰，或更突出其特点，或对图像作模式分类等主要医学成像系统本课在课程体系中的地位,返回,.,医学成像系统,返回,.,本课在课程体系中的地位,返回,.,发展历史与现状,投影X线成像系统X-CT成像系统放射性核素成像系统超声成像系统磁共振成像系统其它医学成像技术未来发展多维、多模、多参成像系统新的物理发展形成的新的成像系统图像归档与通信系统PACS,返回,.,投影X线成像系统,X线产生1895，伦琴，1895/12/22第一张X线照片1896，英国，X线首次应用在医疗方面X线管的早期发展离子X线管：结构简单，效率低，无防护，曝光时间长电子X线管：1913-1928，钨灯丝X线管，滤线栅，钨酸镉荧光屏，双焦点X线管旋转阳极X线管X线设备相关技术近几十年的改进高千伏技术，荧光增强技术，高速增感屏，快速X线感光胶片，X线影像增强器等现代设备CR，DSA等X线设备目前存在问题X线产生效率低胶片对X线的敏感度不足,返回,我国：1951，上海精密医疗器械厂试制第一台X线机,.,伦琴与第一张X线照片,1895年11月8日晚，意外发现。威廉康拉德伦琴（18451923）第一个诺贝尔物理奖，1901年授予,1895/12/22第一张X线照片,.,X-CT成像系统,人体断面成像，1969设计成功，1972公诸于世,返回,世界：1917，奥地利，雷当，重建算法1963，美国，柯马克，论文1967-1970，英国，EMI公司，豪斯菲尔德，第一台CT，1971/9放置在伦敦医院1972，第一张CT照片，用于诊断妇女脑囊肿1974，美国，第一台全身CT研制成功1975，美国，第一台全身CT临床使用1985，螺旋CT用于临床1998，多层探测器系统得到应用1979，柯马克与豪斯菲尔德获得诺贝尔生理与医学奖,中国：1983，颅脑CT一代1988，颅脑CT二代1990，全身CT三代,主要技术：图像重建算法,主要问题：成像速度,.,放射性核素成像系统,原理：给病人口服或静脉注射某种放射性示踪剂，使之进入人体后参与体内特定器官组织的循环和代谢，并不断地放出射线。这样我们就可在体外用各种专用探测仪器追踪探查，以数字、图像、曲线或照片的形式显示出病人体内脏器的形态和功能。特点：不仅可以看到器官形态，还可以了解脏器代谢情况分辨率低，1CM左右目前主要设备：同位素扫描仪相机SPECT，单光子发射型CTPET，正电子发射型CT,返回,.,超声成像系统,发展过程1928年，R.W.Wood等人首先应用超声波作为生物学方面的研究手段。本世纪四十年代，Firestone等人开创了利用超声波诊断疾病的先例，A型超声仪器五十年代，超声心动图仪，即M型仪器六十至七十年代是B型超声仪器出现并极大发展的时期，超声CT的研究工作开始进行八十年代，将脉冲超声多普勒血流仪与B超相结合，还产生了双功能超声诊断仪。九十年代，彩色B超诞生医学诊断上所使用的超声波频率一般为0.5MHz15MHz，常用的是2.5MHz5MHz优点：对人体无损，无创，无电离辐射，实时动态，便宜缺点：图像分辨力难以突破,返回,.,磁共振成像系统,1946年，美国麻省理工学院（MIT）的E.Purcell及斯坦福大学的F.Block领导的两个研究小组各自独立地发现了磁共振现象。Purcell和Block共同获得1952年诺贝尔物理学奖；1971年，美国纽约州立大学的达马迪安(RaymondDamadian)对移植入恶性肿瘤的小鼠进行磁共振波谱试验,发现肿瘤组织的T1时间比正常组织的长1973年，同为美国纽约州立大学的洛特波尔，获得第一幅MRI图像1973年，英国诺丁汉（Nottingham）大学的曼斯菲尔德（PeterMansfield）等用线性梯度场来获取磁共振信号的空间定位，并于1976年使用该方案开发出了一种快速扫描核磁共振成像技术。1977年，达马迪安及其同事经过7年的努力，终于建成了人类历史上第一台全身磁共振成像装置1980年，第一幅人体胸腹MRI图像产生，MRI商品化,.,磁共振成像系统,1984年，美国FDA批准核磁共振使用于临床；1986年，中国科健公司与美国波士顿的Analogic公司成立合资公司，名为安科公司，开始发展我国的磁共振成像产业，3年后，第一台磁共振成像设备通过鉴定，第二年，第一台国产磁共振落户河北；1998年，世界磁共振成像年；2003年的诺贝尔医学与生理学奖分别颁给了已是古稀老人的洛特波尔和曼斯菲尔德。优点：对人体无创可对组织形态与功能两方面分析分辨率高任意截面成像，易构造三维图像对软组织敏感,返回,缺点：成像速度慢对钙化灶与骨皮质灶不敏感铁磁性植入者禁忌定量诊断有难度,返回,.,其它医学成像技术,红外成像1933，哥本哈根大学国家医院，哈克塞森，利用红外成像进行皮肤病学研究。目前主要用于静脉摄影（静脉曲张），透照技术（儿童脑疾），肝病理、肿瘤、皮肤病等方面检查光学成像可见光成像，观察人体器官阻抗成像近二十多年来发展起来的，利用物体表面电测量来重建反映内部组织结构及功能变化的图像技术无创，简单，可进行连续脑图像监护生物电阻抗断层成像EIT另外还有微波成像、电磁感应成像等先进技术,返回,.,微波成像简介,也称为非均匀介质成像,是一种非接触式测量成像.诊断所用的微波源功率非常小,是非常安全的非电离辐射成像.利用生物组织的复介电常数(介电常数:电容有电介质与无电介质时的电容比值)成像主要用于得到生物的温度分布,血流含氧量等生理指标,对软组织形态也有较好成像上世纪70年代开始欧洲帅先研究,目前有成像系统但未用于临床.,返回,.,电磁波谱,.,几种成像系统技术比较,.,医学成像技术展望,目的在保证人身安全的前提下，努力改进信息传递方式，提高信息传递效率并使用新的信息表达形式。提高图像质量，其最终的医疗目的是更精确地发现人体组织初期病理变化，为早期诊断治疗提供依据。医学成像系统的主要临床应用提高临床诊断水平实现治疗中的监护，提高治疗的有效性外科手术规划图像的计算机管理发展趋势从模拟到数字；从平面到立体；从局部到整体；从宏观到微观；从静态到动态；从形态到功能；从单一到综合多维，多参，多模PACS图像归档与通信系统。是利用现代计算机和通信技术替代传统的胶片格式图像，以数字格式处理图像，从而以高效率、高性价比来检查、存储、查询、提供医学图像,返回,.,应用PACS系统的好处,实现过去与现的图像对比,提高诊断精度经过图像处理，可以更容易、更精确地发现病灶方便进行病历等资料查询操作的实时性，图像信息的可靠性大大提高使远程医疗成为可能,返回,.,本章小结,主要内容发展历史与现状医学成像系统评价医学成像技术展望重点五种常用医学成像系统的历史，特点五种常用医学成像系统的对比,返回,.,本章习题,1、目前主要的医学成像系统有哪几种2、几种成像系统在原理、测试对象、观察目的、分辨力、对人体伤害、临床适用性等方面的比较3、医学成像系统的总的发展趋势是什么4、哪些成像系统会对人体造成电离辐射,返回,.,第二章投影X线成像系统,X线成像的物理基础X线产生及其性质X线的衰减投影X线成像设备荧光透视成像系统胶片摄影系统评价成像系统与图像质量的客观标准对比度，不锐度，分辨力，调制传递函数投影X线成像系统分析X线源，记录器，系统总响应数字X线摄影数字X线图像的采集数字X线减影数字X线摄影的优点与应用前景章节小结作业,返回,说明,.,X线成像系统说明,X线成像系统主要有普通X线成像系统数字化X线成像系统计算机X线断层成像X线机按功能分类诊断用，治疗用X线机按管电流划分大500mA;中100400mA;小像,由于人体内不同的放射源离准直器的位置不同,因此放大倍数就不同,由此会带来图像失真聚焦型准直器:源颅骨空气.软组织，血液，肌肉水衰减带来的问题超声能量随距离衰减，要设计深度补偿电路，也称为时间增益控制电路,返回,.,超声的传播,在人体中的传播速度除了颅骨与空气，其它速度相近成像时近似认为超声在人体软组织中的传播速度相同对于人体中超声传播速度上的变化将表现为图像的失真速度的变化会使波速产生失真或偏移，从而带来附加的误差所研究的组织断面中传播速度的不同分布包含了临床上有用的信息利用传播速度相同这一特性，用渡越时间建立图像渡越时间是指超声发射到超声返回的时间间隔,返回,.,超声的反射、折射、衍射、散射,超声的反射、折射、衍射、散射当超声波在非均匀介质内传播时，由于组织声阻抗的改变，在声阻抗变化的分界面处，入射的超声波能量一部分将被反射，一部分被折射当被探查的人体组织的细微结构与超声波波长差不多时，将发生衍射，衍射会引起超声束的发散当细微结构的波长远小于波长时，将会引起散射，D型超声用的就是后向散射信号反射率超声波在不同组织界面处的反射率取决于声阻抗的变化反射率是反射压与入射压的比率当两组织的声阻抗分别为Z1与Z2,垂直入射时不同组织间的反射率弱反射：有2时，Zmax=a2/远场发散角=arcsin(0.61/a),返回,换能器,采样体积,Zmax,近场,远场,.,波束形成技术,特点：换能器表面直径越大，近场长度越长近场长度越短，远场发散情况越严重换能器表面直径越大，近场声束越粗，但同时远场发散越小工作频率越高，即小波长越短，近场长度越长提高提高超声图像分辨力方法提高近场长度减小采样体积长度，可以提高轴向分辨率减小采样体积宽度，可以提高侧向分辨率,.,超声换能器探头设计,声透镜光学聚焦，声束变细，提高侧向分辨率问题：焦距不可变，在偏离聚焦的区域分辨率更差一维电子聚焦一维动态聚焦，通过改变各个小探头的延迟时间可改变焦距问题：只能解决侧向分辨率问题，不能解决径向分辨率动态孔径近场位置用小孔径，远场位置用大孔径环阵技术二维动态聚焦由于能量集中，可以提高回波的信噪比；可以提高穿透能力，减小衰减，因此可采用较高发射频率，以此获得较好的轴向分辨率动态频率扫描衰减与频率有关，若提高发射频率，可提高轴向分辨力，但不能探查太深的部位，因此对较浅部位用高频，较深部位用低频全数字系统提高空间分辨率，时间分辨率，提高对比度,返回,.,惠更斯原理,某一时刻t，波源发出的波扰动传播到了波面S，S上每一个面元可认为是波的波源，由面元发出的子波面向各方向传播，在以后的t时刻形成子波波面，在各向同性的均匀媒质中，子波面是半径为u(t-t)的球面，u是波速，这些子波的包络面就是t时刻总扰动的波面,.,数字扫描变换器,早期B超存在的问题将接收到的回波信号按照与探头扫描方式一致的格式直接送入阴极射线管调制显示，图像闪烁严重，扫描线间隙大，不连续，图像灰度等级不足。数字扫描变换器（DSC）的主要功能扫描格式的变换扫描速度的变换DSC部件组成DSC主要有线性扫查与扇形扫查两种方式大图像存储器小图像存储器数据插补技术,返回,.,DSC部件组成,图像存储器：存储极坐标形式的扇形超声回波信号，并转换成标准TV制式送到显示器坐标变换器：完成从极坐标到直角坐标的变换，完成将信号变成图像的过程,返回,.,扇形扫查,信号样本点与显示像素点的位置并不一致，相邻扇形扫描线之间还有许多像素有待填充，远场更明显主要涉及技术是：坐标变换数据插补,返回,.,大图像存储器,坐标变换电路完成极坐标到直角坐标变换回波数据按(x,y)地址写入一个与显示像素一一对应的图像存储器(一般512*512)在视频同步信号的控制下逐行读取图像存储器，将数据送入监视器（经插补电路）特点：数据存储量大，冗余单元多，有一些存储单元始终空着处理后的图像灵活性差，不易对显示图像做移动、缩放等变换插补电路较难实现高精度的二维插补处理过程简单，算法直观,返回,.,小图像存储器,坐标变换电路完成极坐标到直角坐标变换存储器中只存储极坐标形式数据，一般128*512单元监视器上每个显示像素的灰度根据(x,y)值通过坐标变换找到对应的(R,)，读出数据并经插补运算后显示特点：数据存储量相对少处理后的图像灵活性高插补电路可实现高精度的二维插补保留了全部原始回波数据,返回,.,数据插补技术,根据空缺像素周围的回波信号采样值，计算出二维超声回波图像在这些空缺位置处实际值的近似值，并插补到相应位置，使图像均匀、连续主要有一维水平插补、二维平面插补、圆插补计算最简单的是一维水平插补、计算量最大的是二维平面插补、精度较高的是二维平面插补与圆插补,返回,.,一维水平插补,显示前对图像存储器按水平行读出，对两采样值之间空缺作插补运算一般用线性插补，公式为特点是运算简单，但要判断N值，图像水平方向会有失真。,返回,.,二维平面插补,选取邻近四个样本值，按模方向与角方向做一维线性插补特点是运算严格、计算繁琐、实现实时成像有难度，主要用于高档DSC,返回,扫描线上具有与显示像素z相同的模,.,圆插补,以原采样数据为基础，沿圆弧方向进行一维插补以三点插补为例：显示像素与哪个小扇形最近就取其左上方插补数据,返回,避免一维插补造成的图像横向失真,避免二维插补的复杂运算,以一维插补的代价获得二维插补的效果,.,超声图像复原,为什么要做图像复原？由于实际成像系统在物理性能上的限制，所得到的图像只是对物体在某种意义下的最佳表示，失真现象严重怎么做图像复原？若能准确了解物体到图像的成像过程，可以用“逆滤波”方法根据图像复原出物体。具体做法是将被探查物体切面像看成系统输入，将超声图像看作系统输出，在一定假设条件下，该系统的输出是输入函数与系统点扩散函数的卷积，故只要解卷可得原图像（输入）解卷处理简单解卷维纳逆滤波、同态滤波等谱外插法,返回,.,简单解卷,简单解卷存在问题H(w)很小时，F(w)很大，且数值波动较大，对系统噪声敏感。实际系统存在噪声，但简单解卷未考虑噪声项,f(t)物体,h(t)成像系统,g(t)=f(t)*h(t)像,G(w)=F(w)H(w),F变换,滤波,F(w)=G(w)/H(w),F逆变换,返回,.,维纳逆滤波、同态滤波,维纳滤波:除了要求了解关于降质模型的传递函数情况,还要了解噪声的统计特性及与图像的相关函数同态滤波:在乘性噪声与卷积性噪声的情况下,要利用线性滤波方法去噪,就要将信号与噪声的混叠方式变成加性的,一般采用取对数的方法由于噪声问题，这两种方法也会使得复原后图像伪像严重。噪声越大，图像失真越严重，甚至完全不可信,返回,.,谱外插法,由于噪声反映在高频，故B一般为低频段，可认为B通带内为滤波结果可信用通带B内计算的F(w)建立自回归模型（AR模型），借助于AR模型做谱外插，得到B通带外的F(w)最后对F(w)做F-1变换。,G(w)=F(w)H(w),若|w|B,则滤波,F(w)=G(w)/H(w),若|w|B,则外插,F(w)符合AR模型,AR模型：x(n)=Ao+A1x(n-1)+A2x(n-2).+Apx(n-p)其中x(n)为信号下一个点的估计值,返回,.,B超的图像质量评价标准,图像质量评价参数空间分辨力：清晰分辨细微组织的能力对比度：分辨相邻组织（病灶）的能力时间分辨力：两帧之间的时间间隔，用帧频来评价全场均匀性：在整个显示范围内能提供一致的空间分辨力与对比度评价所采用的方法构造人体组织仿真模块：用于检测超声系统的空间分辨力与均匀性波绘曲线测绘图：在水池里固定探头，在探头下移动小针，移动轨迹以探头为轴心，一定距离为半径的圆弧，根据回波强度绘制相对灵敏度曲线。一般地-50db用于测试对比度，-20db用于测试空间分辨力，波束宽度越大，分辨力越差。波束剖面图：取不同半径测试可得到一组波束曲线，可绘制随深度变化的曲线图，这种图称剖面图，一般地绘制-20db与-50db的剖面图。,返回,.,D型超声基本原理,声源和接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数（频率），除声源发出者外，还由于接收体向前运动而多接收到（距离/波长个）振动，即收到的频率增加了。相反，声源和接收体作背离运动时，接收体收到的频率就减少，这种频率增加和减少的现象称为多普勒效应。多普勒血流测量多普勒频偏,返回,.,多普勒效应,相对静止,相对运动,背离运动,返回,.,多普勒血流测量,利用多普勒效应原理检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率之差称多普勒频移（偏）或差频。利用多普勒频偏可测量血管或心脏某部位的血流速度（包括大小与方向），再通过计算还可得到血流平均速度、脉动指数、阻力指数等临床数据目前常用的超声多普勒有连续波多普勒（CWD）、脉冲波多普勒（PWD）及彩色多普勒（CDFI）。,返回,.,多普勒,连续波多普勒以频谱显示，可单独使用，亦可与二维超声心动图结合。接收取样线经过部位上所有频移信号，其优点为可以测定高速血流，缺点为不能区分信号来源深度。脉冲波多普勒也是以频谱显示，与二维超声相结合，可以选择心脏或血管内任一部位的小容积血流显示血流实时频谱，频谱可显示血流方向，血流性质，血流速度，血流持续时间等，可供定性、定量分析。缺点是所测血流速度受探测深度及发射频率等因素限制。彩色多普勒采用脉冲多普勒原理，在心脏或血管内多线、多点取样，回声经处理后进行彩色编码，显示血流速度剖面图，以红色代表朝向探头的血流，蓝色代表背离探头的血流，与二维超声心动图套叠显示，可直观地显示心脏或血管的形态结构及血流信息的实时动态图像，信息量大，敏感性高，并可引导脉冲或连续多普勒取样部位，进行定量分析。,返回,.,多普勒频偏,由探头对着血管发射频率为f0的超声波，血管内运动的红血球产生的后向散射信号会出现多普勒频偏，fD，公式为其中c是超声波速度，v是红血球速度,是声束与流速的夹角式中fD、cos均可测得，f0及c为已知，可以计算出v声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。,化简约为：,返回,.,多普勒彩色血流图仪,如图5.32回波信号经过正交相位检测与低通滤波分成两个正交分量输出经过A/D转换送入MTI部件，消除静止界面将信号复合成复数信号由自相关器算出自相关函数为了计算的均值与2等数据,由此可得到平均血流速度,紊流情况等重要临床数据,返回,维纳-辛钦定理,.,维纳-辛钦定理,若x(t)为平稳随机信号,当自相关函数为绝对可积时,自相关函数Rxx()和功率谱密度函数Sx()为一对傅立叶变换,即,返回,.,时域彩色血流图,原理：在发射一次超声波脉冲后，根据所需的采样深度截取一小段时间信号