《医学影像技术概论》PPT课件

医学计算机与信息技术应用基础课程体系课题项目组,辽宁省教育厅“十一五”立项教育研究规划课题辽宁省普通高等学校精品课程普通高等教育“十一五”国家级规划教材,医学影像实用技术,主讲教师：傅淼E-mail:cmufm,精品课程负责人介绍,王世伟教授：中国医科大学计算机中心主任、硕士研究生导师、理工学部副主任。现任教育部十一五教学指导委员会医学计算机基础教学分指导委员会委员，辽宁省本科计算机基础精品课程负责人，国家级十一五规划教材医学计算机与信息技术应用基础主编，中华医院管理协会信息管理专业委员会委员，全国高等院校计算机基础教育研究会医学专业委员会副主任委员，辽宁省高等院校计算机基础教育研究会副理事长，辽宁省卫生信息化建设专家组专家等学术职务。,20多年来一直从事高校计算机基础教育与科研工作。在国家级核心期刊发表论文30余篇，主持国家、省级科研课题3项，其中“构建医学特色的大学计算机基础课程体系”系辽宁省“十一五”规划课题，主持出版了医学信息系统教程、现代医学影像技术、网站的规划与建设等20余册全国高等医药院校计算机规划系列教材。,课程体系介绍,医学影像实用技术教程是医学计算机与信息技术应用基础课程体系重要课程之一。该课程体系在全国著名计算机教育专家王世伟教授的主持下，创新“应用型人才培养”的教学理念，从“教、学、考、用”四个方面出发，构建了完整的课程群、教材体系与网络教育资源平台。教:“医药信息技术应用需求”学：“知而获智与创新能力”考：“应用能力和水平”用：“适应未来发展的能力”，,医学影像实用技术课程导航,第1章医学影像技术概论,第2章数字图像技术基础,第4章医学X光影像设备与应用,第3章医学影像成像原理,第5章医学CT影像设备与应用,第6章医学磁共振成像（MRI）设备与应用,10,7,8,9,11,第7章医学超声影像设备与应用,第8章核医学影像设备与应用,第10章医学图像后处理技术,第9章PACS建设与应用,1章,2章,3章,4章,5章,6章,7章,8章,9章,10章,简介,4,1,2,3,5,6,课程设计与实践,通过医学影像实用技术课程学习，带领学生跟踪医学影像新技术、新设备的发展方向，培养学生熟练掌握运用计算机技术处理数据、转化信息、获取知识的技巧和能力，努力构建医学生的IT知识结构。培养适应未来数字医学影像诊疗工作需求的医学生。指导学生运用网络与信息处理技术检索、下载、分析相关资料，并写出关于“医学影像实用技术”方面的综述性论文并发布在学生的个人网站上，同时鼓励并协助学生将优秀论文投稿到杂志社发表。充分调动学生的积极性，使学生获得学习的责任感和成就感。,案例1：计算机网站中学生医学影像技术网页设计,历届学生作品精选：,点评：医学影像实用技术基本能力是医学生必须掌握的医学信息技术核心能力之一。通过医学影像实用技术的学习，使学生能够跟踪医学影像新技术、新设备发展的方向，掌握运用计算机技术处理数据、转化信息、获取知识的技巧和能力。,历届学生作品精选：,点评：医学影像实用技术基本能力是医学生必须掌握的医学信息技术核心能力之一。通过医学影像实用技术的学习，使学生能够跟踪医学影像新技术、新设备发展的方向，掌握运用计算机技术处理数据、转化信息、获取知识的技巧和能力。,班级网站,案例2：医学信息化建设讲演大赛,讲演大赛现场,通过学生医信技术应用能力大赛，注重对学生IT实用技能与创新能力的培养。激发学生学习兴趣，使其懂得“主动学习的态度+自主学习的方法=获取和掌握知识的能力”。充分展示了医学生应具备的1个核心和9种能力。,第三届医信技术应用能力大赛,课程设计与实践,中国医科大学计算机中心,学生完成的医信技术综述性论文被多家学术网站收录和索引，例如：（1）93期7年制司小北同学论文北京市东城区社区卫生服务情况调查分析在中国社区医学2009.第1期发表；（2）93期2班吕璨璨同学论文现代医学影像设备的临床应用价值被阿斗健康网、健康城网站收录；（收录网址：,课程设计与实践,中国医科大学计算机中心,学生完成的医信技术综述性论文被多家学术网站收录和索引，例如：,（3）90期8班王鑫鑫同学论文信息管理对医疗服务的影响被豆丁网收录（收录网址：,课程设计与实践,中国医科大学计算机中心,通过对课程的学习和对综述性实验课程设计的完成，同学们激发了创新精神，获得收获。例如：93期9班郝一纯同学认为：我对现代医信技术有了了解与感悟。在查找资料的过程中，曾经遇到不少困难，例如，网上有已经过期的资源，我们在学习上应该掌握旧的消息，更应该对新的医学前沿科技有所了解。在写综述报告的同时，我能由浅入深地发掘新的知识与更新旧的理论。93期10班李奕铭同学认为：通过对本次作业的认真完成，掌握了如何自己从资源丰富的网络上寻找信息。对于医信技术，我从医学影像单方面进行了较为详细的研究，对其在医学上的应用有了比较细致的了解，相信在以后的学习中会对我受益匪浅的。,课程设计与实践,资源利用：,论文参考,儿童在CT检查中的辐射防护医学影象信息一体化的发展多功能ECT在脑外伤研究中的应用进展CT在肝囊肿介入治疗中的应用DR与多层螺旋CT观测骶骨倾斜角的比较胆囊癌的CT影象表现及其诊断价值颅底骨折的影像学诊断进展hl7与医院信息化浅谈病案管理现代化建设远程放射系统在基层医院的初步应用瘦客户机及其在医院的应用之我拙见,第1章医学影像技术概论,1.1医学影像技术发展历程1.2医学影像系统成像的物理共性1.3计算机医学影像1.4影响对医学图像评价的因素1.5医学影像设备的分类与组成,本章知识点、技能点与学习目标：,学习现代医学影像技术与设备的发展历史了解现在医学影像技术与设备的应用现状全面掌握今后应用医学影像检查与治疗的新技术、新设备和新动向,本章要点,了解,掌握,熟练掌握,医学影像技术发展历程影响对医学影像评价的因素,医学影像系统成像的物理共性计算机医学影像的在医学上的应用,医学影像设备的分类与组成,现代医学影像技术的应用与发展，印证了100多年来医学、生物、物理、电子工程、计算机和网络通信技术的诞生与沿革。数字医学影像新技术、新设备对医学影像诊断和数字影像治疗带来许多根本的改变。医院里有哪些医学影像设备和是否开展数字影像介入治疗，在很大程度上代表了这家医院的现代化检查治疗的条件与诊治水平。目前现代医学技术的提升和现代影像技术的发展相互融合、相互推动、相互依存的趋势已经成为共识。新的现代医学影像技术和设备的研制也已经成为21世纪现代医学技术和生命科学发展的经济技术增长点。,1.1医学影像技术发展历程,从1895年德国物理学家伦琴发现X光并由此拍出世界上第一张伦琴夫人手部的X线透视照片以来，医学影像技术从无到有、从不完善到功能齐全、分类精细，经历了一个0多年的发展过程。教学目标：了解X射线、CT、超声、MRI、DSA、CR、DR、核医学（ECT、PET、SPECT）等医学影像技术的发展历程,1、1895年11月8日，德国物理学家伦琴在做真空管、高压、放电实验时，发现了X射线或称X线，并用于临床的骨折和体内异物的诊断。X射线:肉眼看不见、穿透力强1896年，德国西门子公司研制出世界上第一支X线球管。20世纪10-20年代，出现了常规X线机。20世纪60年代中、末期形成了较完整的放射诊断或放射学学科体系。,第一张X线照片,伦琴,国产直接数字化X摄影系统,2、1971年，世界上第一台用于颅脑的CT扫描机（计算机人体断层摄影术）由柯马克(A.M.Cormack)和豪恩斯费尔(G.N.Hounsfield)首次研制成功。1979年因此项技术的发明，柯马克、豪恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖。,世界上第一台4层CT扫描机,豪恩斯费尔,CT机的分代主要以其线管和探测器的关系、探测器的数目、排列方式以及线管与探测器的运动方式来划分。到今天为止CT经历了5代发展，现在第6代CT正在研发中。第1代CT机只有一个探测器，扫描角度为1，扫描时间270s/层。仅用头部的扫描,图像质量差,以平移加旋转的扫描运动方式进行,称为平移/旋转型。,第1代CT工作原理,第2代CT机探测器的数目增加520个左右，X线束呈扇型，扫描角度增加为360,扫描时间仍较长,一般在20s1s/层，扫描方式为窄扇形束扫描平移-旋转方式。,第2代CT工作原理,第3代CT探测器数目一般多超过100个，有的接近1000个，X线扇形束扩大到4050，足以覆盖人体的横径,这样扫描就不需要再平移，而只需要旋转就可以了,故称为旋转/旋转型。扫描时间一般均在几秒钟,最快速度0.5s，实现了亚秒级扫描。,第3代CT工作原理,第1代到第3代CT机的X线管和探测器都是同步旋转的，而第4代CT机与之不同，探测器呈360环状固定排列在机架内(目前有的机型多达4800个探测器)，X线管则围绕人体和机架作360旋转,把第4代称固定/旋转型(螺旋CT属此型)。,第4代CT工作原理,第5代CT机与第1到第4代CT机不同，在成像过程中X线管不需环绕机架作机诫运动，它是用电子束方法产生旋转的X线源,再穿透人体由探测器接受,这种CT机称为电子束CT,也称超高速CT，特点是扫描速度很快,50100ms/层,每秒最多可扫34层,就其扫描速度是普通CT的40倍，螺旋CT的20倍,可用于心脏类运动器官的扫描。,第1代CT：扫描方式为平移(translate)+旋转(rotate)(T+R)方式的CT。第2代CT：扫描方式为平移(translate)+旋转(rotate)(T+R)方式的CT。第3代CT：扫描方式为旋转+旋转(R+R)扫描方式的CT。第4代CT：扫描方式为静止(stationary)+旋转(S+R)扫描方式的CT。第5代CT：扫描方式为静止+静止(SS)电子束扫描方式的CT。,现代螺旋CT结构图,第二代16层CT,第五代CT,3、20世纪50年代和60年代超声和放射性核素也相继出现。1942年奥地利科学家达西科（Dussik）首先将超声技术应用与临床诊断，从此开始了医学超声影像设备的发展。1954年瑞典人应用M型超声显示运动的心壁，称为超声心动图。人类从20世纪50年代开始研究二维B型超声，至70年代中期，实时二维超声开始应用。,超声检查(二尖瓣粘连),彩色超声检查(胎儿发育),4、70年代末80年代初，超声、放射性核素、MR-CT和数字影像设备与技术逐步兴起。其中磁共振成像（MagneticResonanceImaging，MRI）是目前最为先进的影像检查方法之一。MRI是基于MR现象的医学影像技术。MR现象是1946年分别由美国斯坦福大学物理系Bloch教授和哈佛大学的Puecell教授领导的小组同时独立发现的。由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，Bloch和Puecell共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。,曼斯.菲尔德,GESignaProfile/oMRI,三維重建核磁共振影像,人脑纵切面的核磁共振成像,图1.9国产OpenMark4000MRI,图1.10GESignaProfile/oMRI,近年来，随着高性能梯度磁场、开放型磁体、软线圈、相控阵线圈以及计算机网络的应用，MRI设备的硬件发展迅速，MRI技术在以下五个方面有很大进展：,MR的成像时间大大缩短，通常每秒可获取20幅图像，30ms内采集完成一幅完整的图像。具有瞬时成像的优势，高时间分辨力可去除运动伪影，便于观察研究动态器官图像。例如可清晰地观察胆囊、呼吸器官等的断层图像。磁共振血管成像(magneticresonanceangiographer，MRA)：MRA不需要对比剂即可得到血管造影像。近年发展的动态增强MRA(dynamiccontrast-enhancedMRA，DCEMRA)，则应用静脉注射顺磁性对比剂，明显缩短了血液成像时间，避免了扭曲血管、湍流及慢血流所致的信号丧失，是一全新MRA技术。,FMRI技术：它是指对人体功能进行研究和检测的MRI技术，可检查到形态未变但功能已改变的病变，从而达到早期诊断的目的。磁共振成像介入，有良好的组织对比度，可以精确地区分病灶的界面、确定目标；亚毫米级空间分辨力便于病灶定位和介入引导；多层和三维空间成像允许全方位地观察重要的解剖结构；快速和超快速的成像序列能够对生理运动、介入器具和介入引起的变化进行近似实时的观察。消除伪影的技术，可有效消除人体的生理运动如呼吸、血流、脑脊液脉动、心脏跳动、胃肠蠕动等引起的磁共振图像的伪影。,5、20世纪80年代推出了数字减影血管造影（DSA）和计算机X线摄影（CR）成像设备与技术，其后又推出了数字X线设备（DR）。数字减影血管造影术是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型成像技术。血管造影检查是对注入血管造影剂前后的图像进行相减，得到无骨骼，内脏，软组织背景的清晰的血管影象，而血管的形态，结构反映了多种疾病的基本信息。,计算机X线摄影（CR）是将X线摄照的影像信息记录在影像板（IP板）上，这种可重复使用的IP影像板，替代了胶片，不需要冲印，因此也称为干板。干板经激光读取装置读取，由计算机精确计算处理后，即可得到高清数字图像，最后经数字/模拟转换器转换，在荧屏上显示出灰阶图像，有利于观察不同的组织结构。使用CR，避免了胶片影像冲印带来的环境污染，干板的重复使用降低了成本，数字影像大大提高了图像的清晰度。,直接数字化X射线摄影系统（digitalrayDR）是利用电子技术将X线信息的其它载体转变为电子载体，X线照射人体后不直接作用于胶片，被探测器（Detector）接收并转换为数字化信号，获得X线衰减值（attenuationvalue）的数字矩阵，经计算机处理，重建成图像。数字图像数据可利用计算机进行进一步处理、显示、传输和存储，分辨率比普通X线照片高，诊断信息丰富，并且能够更有效地使用诊断信息，提高信息利用率及X线摄影检查的诊断价值。,6、20世纪90年代推出了更新、更强的核医学影像设备ECT，包括PET、SPECT等设备。PET也称正光电子成像设备，主要的优势是超强的医学影像的识别与诊断的能力，尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循环可以动态地、靶向目标清晰地显示被检部位形态和功能的异常情况，甚至可以检查出细胞级别的病变。,1.2医学影像系统成像的物理共性,虽然医学影像成像系统有许多种类，但就其成像源的物理系统的共性来说，都是充分和准确的利用成像源的物理作用，获得人体内携带有某种物理量分布信息的影像数据。医学影像系统成像主要包括以下4个共性:源源与物体(目标)的相互作用检测器电子系统,1.2.1源与目标的作用1.源源是指能够获得医学影象信息的物理能源。体外源:如X射线源、磁场源、超声源、电磁波源、红外线源等，这些人体外部的能源称为外源。外源共同的特点是对人体组织或器官具有已知和可控的作用。体内源:如注入人体内部的同位素辐射源，或人体自身的热辐射源等。这些增强显影剂的辐射非常低，对人体无损害，但由此产生的医学影像却非常的清晰，并且受检查的部位靶向性（命中率）准确。,2.源与物体(目标)的相互作用无论采用哪种医学影像系统的成像源，都必须清楚地了解成像源和人体相互之间将产生那种作用，并且能够充分把握、控制、检测源的生物安全剂量，质量指标和检测标准。例如X射线穿过人体时，会经过不同器官和不同密度组织的衰减，超声波在人体中反射并在传播时产生不同的时间延迟等过程，以及注入体内源的循环与衰减变化情况，我们可以清楚地知道源与人体相互作用的部位（器官），及准确检测出某种源与每部分人体组织器官相互作用后的结果、指标和参数是什么，据此来进行医学影像的诊断或治疗。,3.检测器检测器的主要作用是在体外检测携带有体内信息的信号。各种医学影像设备中信号检测器的种类、精度、灵敏度决定了医学影像成像的方式和清晰度。检测器的形式与各种源的类型有一一对应的关系，例如，X射线检测器、超声检测器（超声探头）、红外检测器、光电倍增检测器等各种各样的影像信号检测器（传感器）。这些影像信号检测器无论其组成原理和材料特点如何，但共同的作用和主要功能评价指标很多是一样的，如检测弱信号的灵敏度，检测与处理信号的速度，以及检测用的源剂量的低强度，达到向更清晰、更快速、更安全、更多维和更智能的方向发展。,1.2.2源的控制与信号检测医学图像信息的清晰或准确与否，最基本和最重要的关键问题就在于对产生图像信息源的精确控制与信号检出灵敏度的设计。目前对X线剂量控制指标有：1、X光源尺寸：一般包括光源直径和X光发射角度。2、X线剂量：又可分为入射剂量、表面剂量、出射剂量、图像接收器剂量、身体剂量和有效剂量6种。3、图像分辨率：用于测量一台设备能记录或生成的空间细节精度。分辨率越高，细节越精细。,4、图像灰度级：灰度级的数量由2N决定，N是二进制数的位数，常称为位，用来表示每个像素的灰阶精度。如果N=8则有256个灰度级，图像灰度精度的范围为灰度分辨力，也称为图像的对比度分辨力。位数越大，图像的灰度分辨力越高。5、信噪比：有用的图像信息(信号)与无用信息(噪声)的数量之比。X线图像占医院中全部影像的80左右，是目前医学影像检查的主要方法。常规X线成像操作简单、费用低廉，它一直是临床诊断中的主要成像设备。,1.3计算机医学影像,现代医学影像技术的发展从根本上讲是与计算机技术发展互相结合、互相促进、互相依存的结果。计算机医学影像技术的发展也有力的推动了医学影像学科的进步，计算机也使得医学影像的诊断与治疗向更快速、更清晰、更安全、更无害、智能化的方向发展。,1.3计算机医学影像,教学要求：1、了解点阵与矢量医学影像格式2、熟悉医学图像处理常用技术，虚拟医学影像、虚拟内窥镜、基于影像的计算机辅助外科与辅助诊断。3、掌握数字医学影像的颜色或灰度及计算机医学图像的分辨率概念,1.3.1点阵与矢量医学影像计算机图像分为点阵图和矢量图形两大类。1点阵图像(Bitmap)(又称位图)点阵图像，亦称为位图图像、绘制图像或栅格图像，是由称作像素的单个点按行列有序排列点阵组成的。这些点以其不同的排列位置和染色（灰阶）程度构成图（形）像。当放大位图时，可以看见赖以构成整个图像的无数单个不连续的方块（点阵）。当缩小或放大位图的尺寸时会使原图变形（失真）。,位图（原始图）,位图（放大5倍图）,1.3.1点阵与矢量医学影像计算机图像分为点阵图和矢量图形两大类。1点阵图像(Bitmap)(又称位图)医学数字影像多数是二维平面的点阵图像，记录和描述图像中信息的最小单元是像素点，一幅二维的医学数字灰阶影像是由M行*N列的像素点构成，其中每个像素点用28212个二进制数位来记录该位像素的灰度值，即每个像素可以保存2564096灰度值。可见医学图像信息的清晰度之高和每个像素所包含及表达信息的内容之丰富。,2点阵图的文件格式点阵图可以被保存成的文件类型很多，如*.bmp、*.pcx、*.gif、*.jpg、*.tif、Photoshop的*.psd、kodakphotoCD的*.pcd、corelphotopaint的*.cpt等。同样的图形，存盘成以上几种文件时，各文件的字节数会有一些差别，尤其是jpg格式的文件，它的大小只有同样bmp格式文件大小的1/10到1/35，这是因为它们的点矩阵经过了复杂的压缩算法的缘故。点阵图文件大小的规律：图形面积越大，文件的字节数越多，文件的色彩越丰富，文件的字节数越多，这些特征是所有点阵图文件所共有的。,3.矢量图(vector)也称为面向对象的图形、绘图图形或向量图，数学上定义矢量图为一系列由线连接的点。矢量图主要由线条和色块组成，这些图形可以分解为单个的线条、文字、圆、矩形、多边形等单个的图形元素，再用一个代数式来表达每个被分解出来的元素。例如：一个矩形可以通过指定左上角的坐标(x1,y1)和右下角的坐标(x2,y2)的四边形来表示。我们还可以为每条边线元素加上一些属性，如边框线的宽度、边框线是实线还是虚线、中间填充什么颜色等等。然后把这些元素的代数式和它们的属性作为文件存盘，就生成了所谓的矢量图。,矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。既然每个对象都是一个自成一体的实体，就可以在维持它原有清晰度和弯曲度的同时，多次移动和改变它的属性，而不会影响图例中的其它对象。这些特征使得矢量图特别适用于编辑处理图例和三维图形建模工作，因为它们通常要求能创建和操作单个对象。基于矢量图形与分辨率无关的特点，这意味着可以按最高分辨率将它们缩放到任意大小和以任意分辨率在输出设备上显示或打印出来，而不会影响清晰度。因此，矢量图形是文字（尤其是小字）和线条图形（比如医学线条图）的最佳选择。,矢量图（原始图）,矢量图（放大20倍图）,4.矢量图的文件格式矢量图形格式也很多，如AdobeIllustrator的*.AI、*.EPS和SVG、AutoCAD的*.dwg和dxf、CorelDRAW的*.cdr、windows标准图元文件*.wmf和增强型图元文件*.emf等等。当需要打开这种图形文件时，程序根据每个元素的代数式计算出这个元素的图形，并显示出来。就好象我们写出一个函数式，通过计算也能得出函数图形一样。编辑这样的图形的软件也叫矢量图形编辑器。如：AutoCAD、CorelDraw、Illustrator、Freehand等。,5.矢量图形文件的规律矢量图形也有共同的规律：可以无限缩放图形中的细节，不会造成失真或马赛克效果。一般的线条图形或卡通图形，保存成矢量图文件，其文件大小比存成点阵图文件要小很多。存盘后文件的大小与图形中元素的个数和每个元素的复杂程度成正比（元素的复杂程度指的是这个元素的结构复杂度，如五角星就比矩形复杂、一个任意曲线就比一个直线段复杂）。而与图形面积和色彩的丰富程度无关。通过软件，矢量图可以轻松地转化为点阵图，而点阵图转化为矢量图就需要经过复杂而庞大的数据处理，而且生成的矢量图的质量绝对不能和原来的图形比拟。,1.3.2数字医学影像的颜色或灰度数字医学影像的颜色或灰度的多少，也是一个非常重要的评价指标，其指标好坏将直接影响图像的目视判读和使用价值，甚至影响医学影像诊断或治疗的结果。现在的医学数字X光成像设备主要有CR和DR两类，产生图像的灰度一般可以达到812bit，既图像中每个像素点的灰度信息可以表现出2564096个灰度级别。灰度值是亮度的概念，0为黑色，255白色，依据颜色深浅范围为0255.（一定介于0-255之间）。彩色图像也有灰度值。,1.3.2数字医学影像的颜色或灰度,如果采集的是彩色图像信息，则每个像素至少需要用三个字节24位二进制数来保存RGB（红、绿、兰）信息，甚至有些彩色图像每个像素的信息量达到32位40位精度。总之图像的灰度或色彩的信息量越大，则医学图像的目视判读的区分性越好。例如病理图像诊断中，细胞核染色浓度（DNA）的变化将是区分细胞癌变或正常的重要因素之一。,1.3.3计算机医学图像的分辨率计算机医学图像的分辨率和采集方式、转换精度、处理方法及显示视窗的清晰度等诸多因素有关。评价医学图像的好坏，是由以下多种因素构成的，但最终还是看医学影像中有诊疗价值信息的利用率。1图像分辨率图像分辨率是指在单位面积上包含的像素点的多少，像素越多则图像清晰度越高。医学图像分辨率的高低是评价影像质量的综合指标之一，众多数字医学影像设备各自的技术性能指标差异很大，信息的采集与转换精度也有一定差别，这些因素将直接影响医学图像的分辨率。其次，数字图像信息的处理与存储压缩方式的不同，也将影响医学图像的分辨率。,2时间分辨率医学影像往往提供的是人体的某一器官瞬时的静态图像，但由于医学影像设备采集图像的速度不够快，或因为人体器官连续不停地运动致使图像产生伪影。解决此类问题的方法，就是要大大提高图像采集的时间分辨率，这好像用数码相机的高速快门捕捉运动的目标一样。例如第5代电子束CT的图像采集速度已经达到每秒20帧以上。时间分辨率的提高更有利于动态的心脏医学影像检查，也有利于对躁动病人或儿童的影像检查。另外的意义是，缩短了检查的时间，减少了X线照射的剂量。,3空间分辨率医学影像多是二维平面的层叠的图像，这些平面图像很难识别人体内组织器官复杂的结构，甚至可能被遮挡而遗漏诊断。由于CT、MRI等影像设备可以连续采集人体器官断层的体素信息，可以精确定位病变组织的形态大小、位置关系、功能指标等重要信息，这些体素信息就是空间分辨率的体现，经处理后可实现人体器官的三维重建。4显示分辨率：医学图像经过计算机处理后，需要通过专业的医学图像显示屏（视窗）显示输出，供影像诊疗医生使用。现在医院里常用的图像工作站视窗分辨率最低在1KB以上（1024*1024），还有2KB（2048*2048）、4KB（4096*4096）甚至达到5KB（5120*5120）的超高分辨率的医学影像观察视窗。,1.3.4医学图像处理常用技术(6种)医学图像处理是指在完成医学影像学检查之后，对所获得的图像进行再加工的过程。目的是提高医学图像目视判读的清晰度，进而提高诊断的准确率，减少漏诊和误诊。1、图像增强将图像转换成一种更适合于人或机器进行解译和分析处理的形式。图像增强是通过处理设法有选择地突出便于人或机器分析某些感兴趣的信息，抑制一些无用的信息，以提高图像的使用价值。图像增强的目的在于：采用一系列技术改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度；或将图像转换成一种更适合于人或机器进行解译和分析处理的形式。,2、图像分割所谓图像分割是指根据灰度、彩色、空间纹理、几何形状等特征把图像划分成若干个互不相交的区域，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显的不同简单的讲，就是在一幅图像中，把目标从背景中分离出来，便于进一步处理。,3、边缘检测边缘是指图像局部强度变化最显著的部分,主要存在于目标与目标、目标与背景、区域与区域之间，是图像分割、纹理特征和形状特征等图像分析的重要基础数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域的识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的基础，是图像识别中提取图像特征的一个重要属性，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测。,4、纹理分析图像纹理是由大量或多或少有序的相似基元或模式组成的一种结构形式,这些基元或模式单独观察时没有特别引人注目的特征,如整体观察则呈现出一定的空间分布特征,其反映了人体脏器组织的声学特性,进而可以反映出组织结构的改变。诸多研究表明:相同的组织在相同的成像条件下每次都会产生相同的纹理模式;不同组织其超声图像纹理特征不同;同一组织当其内部结构发生改变后,其超声图像的纹理特征亦不相同.利用计算机图像处理技术可对这种纹理特征进行数理模式分析,寻找能反映纹理特征的数理参量,从而达到对组织结构特征进行评价的目的。,5、配准与融合医学影像配准是指将来自不同形式的探测器(如MRI,CT,PET,SPECT等)的医学图像，利用计算机技术实现对于一幅医学图像寻求一种或者一系列的空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。医学图象配准具有很重要的临床应用价值。对各种使用不同或相同的成象手段所获的医学图象进行配准不仅可以用于医疗诊断，还可用于手术计划的制定、放射治疗计划的制定、病理变化的跟踪和治疗效果的评价等各个方面。例如，在制定放射治疗计划时，需要用X-CT图象进行放射剂量分布的计算并决定射线的投照区域，而病灶区域的轮廓通常在MRI（磁共振成象）中能很好的体现出来，在实际中用经过配准的MRI图象确定病灶区域后把这一区域转换为相应的CT图象区域，从而在具有CT跟踪条件下的放射治疗系统很好的完成治疗过程。在神经外科手术中，配准后的CT/MRI图象能给手术医生更多的病变区域及周围相关的解剖结构信息。,5、配准与融合所谓医学影像的融合，就是影像信息的融合，是信息融合技术在医学影像学领域的应用；即利用计算机技术，将各种影像学检查所得到的图像信息进行数字化综合处理，将多源数据协同应用，进行空间配准后，产生一种全新的信息影像，以获得研究对象的一致性描述，同时融合了各种检查的优势，从而达到计算机辅助诊断的目的。影像的融合弥补了单项检查成像的不足，目前，影像学检查手段从B超、传统X线到DSA、CR、CT、MRI、PET、SPECT等，可谓丰富多彩，各项检查都有自身的特点和优势，但在成像中又都存在着缺陷，有一定的局限性。,5、配准与融合例如：CT检查的分辨率很高，但对于密度非常接近的组织的分辨有困难，同时容易产生骨性伪影，特别是颅后窝的检查，影响诊断的准确性；MRI检查虽然对软组织有超强的显示能力，但却对骨质病变及钙化病灶显示差；如果能将同一部位的两种成像融合在一起，将会全面地反映正常的组织结构和异常改变，从而弥补了其中任何一种单项检查成像的不足。6、图像压缩图像压缩就是把图像文件的大小进行压缩变小，同时图片的质量又不会失真到不能接受的程度。随着医学成像技术和计算机技术的发展，数字化医学图像在医学临床诊断和教学研究中的应用日益广泛。,6、图像压缩一方面，从X射线、计算机断层扫描（CT）到核磁共振（MRI）、超声图像等的出现和发展，使得医学影像的质量越来越高，在医学诊断中扮演越来越重要的角色；另一方面，医学影像具有的信息量也越来越大，在医院使用PACS系统和远程医疗诊断系统中，均需大量的存储空间来存储和传输，图像数据的大小将会直接影响到传输的速度，导致目的地临床医生无法进行有效的诊断。医学图像压缩编码现已成为医疗信息学一个重要的研究方向，它要求重构图像不能有明显的失真，可以满足日益庞大的医学图像数据的压缩和传输任务。医学图像是医学诊断和疾病治疗的重要依据，确保恢复图像的高保真度和真实性是医学图像压缩首要考虑的因素。,1.3.5三维医学影像现代医学影像技术使人们可以越来越清晰的看到人体内组织形态及动态功能的二维影像，为进一步提高“医学影像可视化”水平，发挥医学数字图像“立体、透明、动态、清晰”的技术优势，很多实用的影像设备不断开发出具有三维图像重建的功能，像三维CT、彩色三维超声、核素成像SPECT、PET等具有三维立体成像功能。同时为深化研究人体的器官形态和生理、生化、细胞、蛋白质、基因等重要的人类信息。,三维CT显示颅底前部的破坏,1三维数字图像重建越来越多的图像以及三维重建技术已经变成外科手术计划、治疗处理及放射科以外其他应用的有效手段。它可以提供器官和组织的三维结构信息，辅助医生对病情做出正确的诊断。,图1.17额骨骨纤维肉瘤三维重建图像,2数字虚拟人各个国家正在研究“数字虚拟人”。“虚拟人”在医学领域有着广泛的应用前景，为医学科研、教学和临床手术提供形象而真实的模型，也为疾病诊断、新药检验及新诊疗手段的开发提供参考。数字虚拟人简称“数字人”或“虚拟人”，是为更加准确的描述和研究人体自身形态结构和生理、生化功能指标而采用高科技手段和计算机图像处理技术，通过对“标准人体”真人尸体的从头到脚做高精细水平断层（小于1mm层厚）解剖处理，并实时采集全部数字高清晰图像。通过大型计算机处理而实现的数字化虚拟人体。,2数字虚拟人“数字人”是通过计算机技术将人体结构数字化，在电脑屏幕上出现看得见的、能够调控的虚拟人体形态。数字人技术因其所有数据均采至标准真实的人体，建立出男女标准人体数据集，就可提供日后模拟真实人体进行实验研究的技术平台，它的研究目标，是通过人体从微观到宏观结构与机能的数字化、可视化，进而完整地描述基因、蛋白质、细胞、组织以及器官的形态与功能，最终达到人体信息的整体精确模拟。,为获取人体内部数据的愿望成为现实，美国国家医学图书馆（NLM）于1989年开始实施可视化人体计划（VHP）。委托科罗拉多大学医学院建立起一男一女的全部解剖结构数据库。他们将一具男性和一具女性尸体从头到脚做CT扫描和核磁共振扫描。男的间距1毫米，共1878个断面；女的间距0.33毫米，共5189个断面。然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80度，再以同样的间距对尸体作组织切片的数码相机摄影。分辨率为20481216。所得数据共56GB（男13GB，女43GB）。全球用户在与美国国家医学图书馆签订使用协议并付少量费用后,即可获得这一庞大的数据,用于教学和科学研究。,韩国于2000年开始可视人年计划，该计划已顺利通过前期试验，是世界上第二例通过人体切片来进行虚拟人数据库建设的研究，也是首例具有东方人特征的人体数据采集项目。中国是2001年开始研究开发三维数字化人体模型，被列入国家“863”启动项目（“数字化虚拟人若干关键技术的研究”），但在此之前，已有研究者开始这方面的研究工作。数字虚拟人研究分为四个发展阶段：第一阶段是数字可视人，几何角度定量描绘人体结构，属于“解剖人”；第二阶段是数字物理人，拥有人体的物理性能，可以模拟肌肉的运动；第三阶段是数字生理人，可模拟人的生理功能;第四阶段是数字智能人，将具备一定的思维能力。目前，中国对“虚拟人”的研究已经达到第三个阶段虚拟生理人。数字人课题组已构建了八套男女全身数据集，数十套人体器官数据集，以及数十套用于了解人体结构的数字化解剖软件。,在虚拟人之父中国工程院院士、南方医科大学临床解剖研究所教授钟世镇的倡导下，原本是古老学科的解剖学，在当代科学前沿的信息科学与生命科学交叉地带，出现了新的生长点。“虚拟人”技术一经推出便吸引了各个领域的目光。除医学领域，在汽车碰撞实验、航天技术、服装设计业、影视等方面，“虚拟人”技术也充分得到运用。在“神六”返回舱设计和着陆过程中，“虚拟人”数据集同样功不可没。现在医生可以在电脑上用虚拟人模拟手术，在真正的手术实施前对病人进行合理设计。自2003年2月原第一军医大学完成了国内首例女虚拟人的数据采集，获得8556个人体切片资料后，南方医科大学至今已经完成了两男一女以及一女婴共四个数字人体的数据集，我国成为继美国和韩国后，第三个拥有本国虚拟人数据集的国家。这四个数字人，最精细的是“数字人男一号”，“中国虚拟人2号”为女性，是我国首个女虚拟人。据介绍，该虚拟人的数据采集者年龄为19岁，身高1.56米，是广西人，去年在广东因食物中毒而急性死亡。,数字化人体切片,美国男性数字化人,中国虚拟人女一号,中国虚拟人女一号人体切片,3三维立体医学图像的临床应用随着医学影像技术的不断发展和提高，三维立体医学图像的快速成像技术也日臻完善，因此形成了许多新的医学诊疗的方法和手段，临床诊治中有越来越广泛的应用，比如：(1)介入放射学（InterventionalRadiology）介入治疗是在借助各种高清晰度的医学影像仪器的实时观察的情况下，安全微创地通过导管深入体内，对病灶直接进行观察或治疗的新方法。如实时、三维立体成像引导下的介入治疗，能够实时的、高清晰的向术者提供导管、导向的位置、局部循环结构、栓塞或扩张的效果等介入治疗过程的重要信息。确保了对某些心血管病、脑血管病、肿瘤等重大疾病的介入治疗，为提高介入治疗的准确率和存活率，改善患者愈后的生活质量发挥了重要作用。,(2)立体定向放射治疗(StereoscopicRadiotherapy,SRT),立体定向放射治疗也称为立体定向放射外科（StereotacticRadiosurgery,SRS）是一门新的治疗技术，是以立体定向框架、准直仪及放射源为基础，在CT、MRI、DSA等影像辅佐下，将高能的放射线汇聚于某一局限性的靶灶组织，从而达到外科手术切除或毁损的效果，它既不同于常规外科手术，也不同于常规的放疗与间质放疗。SRS具有创伤小、无出血，所引起的放射性生物学效应主要局限于靶灶组织，而周围组织几乎不受损伤等特点。早期的SRS主要应用于功能神经外科，随着神经影像学、SRS技术设备的不断更新及日趋完善，应用范围日益扩大。其杰出代表就是伽玛刀。,(2)立体定向放射治疗(StereoscopicRadiotherapy,SRT),伽玛刀（刀）是现代高科技应用于癌症放射治疗的典型代表。伽玛刀并不是我们通常理解的某种手术刀，而是现代大型高科技医疗设备，它采用伽玛射线几何聚焦方式，通过精确的立体定向，将经过规划的一定剂量伽玛射线集中照射于预定靶点，一次性、致死性地摧毁靶点内的组织，以达到外科手术切除或损毁的效果。由于射线采用聚焦的方式，使射线经过人体正常组织时剂量很小，而聚焦到病灶的剂量很大，产生致死性照射。二者的分界很明显，边缘如刀割一般，所以被称为“伽玛刀”。,(2)立体定向放射治疗(StereoscopicRadiotherapy,SRT),世界上第一台伽玛刀于1967年在瑞典对一例颅咽管瘤病人实施治疗，它有179个钴源（一种能量极高的伽马放射源，用于放射疗法）。中国于1994年7月研制出了世界上第一台新型的旋转式伽玛刀。将沿袭了近30年的静态聚焦治疗改进为旋转聚焦治疗，这是伽玛刀发展史上的一次新突破，并于1997年5月通过了美国食品与医药管理局（FDA）认证。,(2)立体定向放射治疗(StereoscopicRadiotherapy,SRT),伽玛刀治疗与普通放疗的区别:普通放疗：是通过普通模拟定位机定位。射野面积大，正常组织受照面积多，与肿瘤受到相同剂量的照射。由于正常组织对射线有一定的耐受限度。使肿瘤的照射剂量受到限制，不能得到足量照射。伽玛刀治疗：具有三精二高一低的特点，即精确定位，精确计划，精确治疗，高剂量，高疗效，低损伤。伽玛刀治疗的开展是放射治疗史上的一大进步，使放射治疗进入了新阶段。通过螺旋CT扫描定位，使病变精确定位，根据肿瘤形态，通过三维治疗计划系统，制订精确治疗计划，通过精确摆位，进行精确治疗使误差限制在1mm之内。达到射野小，正常组织受照面积少，剂量低，而肿瘤组织受到高剂量足量照射，达到摧毁性破坏。但设备较昂贵。,(2)立体定向放射治疗(StereoscopicRadiotherapy,SRT),刀治疗的指征：1病灶大小一般以8CM以内为宜，周边轮廓清楚。2病变所在部位不宜手术或难度较大者。3年龄大或身体状况不能耐受手术以及拒绝手术者。4常规放射治疗不敏感的肿瘤。5术后肿瘤残存，复发及转移者。6伽玛刀治疗后残存病灶。,(2)立体定向放射治疗(StereoscopicRadiotherapy,SRT),医学发展的趋势在于无创伤、微创或低创伤的治疗手段的发展。伽玛刀不开颅、不开胸、不开腹就可以“切除”体内病灶，治疗过程中病人不需全身麻醉，无出血、无感染。伽玛刀可以治疗颅内多种功能性疾病、血管畸形、良恶性肿瘤，还可以治疗胸、腹、盆腔内多种肿瘤。头部伽玛刀多为一次性治疗，治疗时间一般仅需2030分钟，全过程约34小时，住院13天。体部伽玛刀为分次治疗，一般需10次左右，每两天一次，每次1030分钟。少数病员可不住院。,1.3.6虚拟内窥镜虚拟内窥镜技术（VE）是一种新的非侵入诊断方法，它使用计算机处理和等三维图像，生成人体内部物质解剖结构的三维动态视图，以模拟标准内窥镜的检查过程和视觉效果。它具有非侵入性、重复使用、动态病理分析、无检查死区等独特优点，具有广泛的应用前景，为此许多国家和研究机构都投入了大量的人力物力进行研究。,1.3.7基于影像的计算机辅助外科(computeraidedsurgery，CAS)随着CT、MRI等图像诊断仪的发展，使计算机虚拟现实技术在医学中的应用得到了飞速的发展。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术模拟、术前规划、手术导航(navigator)、手术定位提供了客观、准确、直观、科学的手段。1、手术模拟手术模拟是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，也称虚拟手术。虚拟手术系统使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度，提高手术的成功率，可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。,2、术前规划在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，这是高效、准确、顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在医生大脑中形成三维印象进行手术。但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能，且整个手术班子的每一位成员却很难共享某一制订手术方案人员在其大脑中形成的整个手术方案的构思信息。用计算机代替医生进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可供整个手术班子的每一位成员共享。,3、手术导航手术导航系统是用于神经外科、耳鼻喉科、矫形科等的微侵袭手术辅助设备。使用中，首先由医学图像工作站获取病人的MR或CT扫描数据并重构任意方向的二维和三维图像，帮助医生更好地理解脑内结构关系，然后由高精度的空间定位系统将病人头部实际位置与扫描图像进行配准。这样，医生在术前可以通过该系统的软件模拟并在多种图像显示模式的辅助下比较、分析各种手术方案，选择并熟悉最佳入路，做到胸有成竹，手术中则依靠实时的空间定位及预设方案的引导做到钻孔和入路的精确定位，直接达到靶点，使手术更安全、更快速、切除更彻底。对病变部位较深、体积较小及某些肉眼或显微镜下观察无明显界限的情况，则导航系统的应用意义更为重大。,1.3.8基于医学影像的计算机辅助诊断1966年，美国学者Ledley首次提出“计算机辅助诊断”(computer-aideddiagnosisCAD)的概念。计算机辅助诊断的过程包括病人一般资料和检查资料的搜集、医学信息的量化处理、统计学分析，直至最后得出诊断。1、基于影像的计算机辅助诊断实现过程：第一步：是图像的处理过程，目的是把病变由正常结构中提取出来。在这里图像处理的目的是让计算机易于识别可能存在的病变，让计算机能够从复杂的解剖背景中将病变及可疑结构识别出来。通常此过程先将图像数字化:一般用扫描仪将图像扫描；如果是数字化图像如DR、CT、MRI图像则可省去此步。各种病变运用不同的图像处理和计算方法，基本原则是图像增强和图像滤过的应用等，通过处理计算机将可疑病变从正常解剖背景中分离、显示出来。,1.3.8基于医学影像的计算机辅助诊断第二步：是图像征象的提取或图像特征的量化过程。目的是将第一步计算机提取的病变特征进一步量化，即病变的征象分析量化过程。所分析征象是影像诊断医生对病变诊断具有价值的影像学表现，如病变的大小、密度、形态特征等。第三步：是数据处理过程。将第二步获得的图像征象的数据资料输入人工神经元网络等各种数学或统计算法中形成CAD诊断系统，可以对病变进行分类处理，进而区分各种病变，也即实现疾病的诊断。人工神经元网络是生理学上的真实人脑神经网络的结构和功能，以及若干基本特性的某种理论抽象、简化和模拟而构成的一种信息处理系统。,1.3.8基于医学影像的计算机辅助诊断2、肺结节的自动探测结节病（sarcoidosis）是一种多系统多器官受累的肉芽肿性疾病。常侵犯肺、双侧肺门淋巴结，临床上90%以上有肺的改变，其次是皮肤和眼的病变，浅表淋巴结、肝、脾、肾、骨髓、神经系统、心脏等几乎全身每个器官均可受累。本病为一种自限性疾病，大多预后良好，有自然缓解的趋势。,1.3.8基于医学影像的计算机辅助诊断2、肺结节的自动探测对于放射科医生胸片中