生物医学工程概论之生物医学图像

2020/5/30,1,生物医学工程中心,山东大学控制学院生物医学工程系刘忠国,生物医学图像,生物医学工程概论之,2020/5/30,2,生物医学工程中心,2.超声成像系统,超声成像设备是目前医院中仅次于投影X射线机使用得最频繁的成像设备。目前临床上使用的超声成像系统基本上都是采用脉冲回波亮度调制方式成像(即B型超声显像仪)。超声成像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时又能提供人体断面实时的动态图像。因此广泛地用于心脏或腹部的检查。,2020/5/30,3,生物医学工程中心,（1）B超,2020/5/30,4,生物医学工程中心,2020/5/30,5,生物医学工程中心,超声成像图,2020/5/30,6,生物医学工程中心,超声图象,2020/5/30,7,生物医学工程中心,超声图象,PhotocourtesyPhilipsResearch,2020/5/30,8,生物医学工程中心,2020/5/30,9,生物医学工程中心,除断面成像外，血流测量也是超声成像设备中的重要组成部分。超声血流测量是借助多普勒频移原理完成的。射入人体的一定频率的超声波在遇到运动的红血球时，血球产生的后向散射信号会出现多普勒频移。通过对多普勒回波信号的分析就能得到血流的方向与速度信息，这些信息是心血管疾病与脑血管疾病诊断中的重要依据。,（2）多普勒超声诊断,2020/5/30,10,生物医学工程中心,20世纪80年代初问世的超声彩色血流图（colorflowmapping，简称CFM）是目前临床上使用的高档超声诊断仪。它的特点是把血流信息叠加到二维B型图像上。凡是指向换能器的血流在B超图中用红颜色表示，而背离换能器的血流则用蓝颜色表示。由于在一张图像上既能看到脏器的解剖形态，又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。,超声彩色血流图,2020/5/30,11,生物医学工程中心,ColorFlowMapping,CFM,2020/5/30,12,生物医学工程中心,超声诊断,2020/5/30,13,生物医学工程中心,超声诊断,2020/5/30,14,生物医学工程中心,肾脏多普勒,2020/5/30,15,生物医学工程中心,（3）高能量聚焦超声波治疗仪（high-intensityfocusedultrasound,HIFU）,是利用超声波良好的组织内聚焦性、方向性和能量的可渗透性，通过一定的聚焦方式，将超声源发出的超声能量聚焦于人体组织，在组织内形成一个声强较高的区域焦域，使焦域组织温度瞬间内达到70以上，致使焦域内的组织细胞凝固性坏死，失去增殖、浸润和转移能力，而对焦域以外的组织影响甚少。,2020/5/30,16,生物医学工程中心,HIFU原理示意图,2020/5/30,17,生物医学工程中心,聚焦超声在其所穿过的非治疗部位的能量不足以对组织造成损伤。而在其聚焦点，由于声强很高，通过超声的热效应使该处组织的温度瞬间上升至56100，从而导致蛋白变性及组织细胞凝固性坏死；同时还通过超声的空化效应使组织间液、细胞间液和细胞内气体分子在超声波正、负压相作用下形成气泡，并随之收缩和膨胀以致最终爆破，所产生的能量导致细胞损伤、坏死。聚焦超声声焦域的形态、大小以及组织对超声的效应和反作用等因素对超声治疗的深浅度、组织损伤范围和损伤程度起着决定性的作用。因此，通过对超声换能器参数的设置可以达到靶向破坏病变的目的，而对治疗靶点周围组织却没有损伤，从而实现无创治疗的目标。高强度聚焦超声与超声热疗区别：高强度聚焦超声聚焦区域瞬间温度可升高到60以上，直接凝固细胞蛋白。超声热疗则完全不同，超声作用区的温度一般为4045，不能直接造成细胞组织凝固性坏死，只能令其变性，故疗效不可靠。,2020/5/30,18,生物医学工程中心,HIFU刀,重庆医科大学研制的HIFU刀是我国第一个完全拥有自主知识产权的大型医疗设备,2020/5/30,19,生物医学工程中心,HIFU刀,无锡海鹰医疗电子有限公司生产的HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统,2020/5/30,20,生物医学工程中心,HIFU的优点：,手术精确治疗中电脑实时计划，实时监控，术中不出血体外治疗，不开刀，不出血，无疼痛，创伤反应明显小于开放手术病人耐受性好。并发症少住院时间短治疗过程大约在半小时内完成，病人术后当天可下地活动，康复快，身体状况好者则无需住院风险小尤其适用于因其他疾病或原因不能手术的患者,如高血压，糖尿病，心血管疾病，高龄患者等。,2020/5/30,21,生物医学工程中心,3.磁共振成像系统,1945年美国学者Bloch和Purcell首先发现了核磁共振现象，从此产生了核磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科领域中迅速发展成为对物质的最有效的非破坏性分析方法之一。核磁共振作为一种成像方法的应用是一个较新的发展。,2020/5/30,22,生物医学工程中心,Bloch和Purcell于1945年因发现宏观物质核磁共振NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖。,2020/5/30,23,生物医学工程中心,RichardR.Ernst于66年和70年代的研究因发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术而获得1991年诺贝尔化学奖。,2020/5/30,24,生物医学工程中心,1973年P.C.Lauterbur把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上梯度磁场，再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像；之后，Mansfield改进了其方法，并发现不均匀磁场的快速变化可使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像；他还证明可以用数学方法分析获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。直至上世纪80年代初第一台医用核磁共振成像仪才问世。核磁共振成像系统也称为磁共振成像（magneticresonanceimaging，简称MRI）系统。,核磁共振成像仪的研制,2020/5/30,25,生物医学工程中心,74岁的美国科学家保罗Lauterbur和即将70岁的英国的彼得-曼斯菲尔德Mansfield因发明核磁共振成像技术MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。,2020/5/30,26,生物医学工程中心,核磁共振成像（MRI）基本原理,将人体置入一个强磁场中；对人体施加一个一定频率的交变射频场，使被探测的质子共振并向外辐射能量；在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生；接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图像；图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间T1和T2典型的MRI对氢核（或质子）成像氢核在人体组织中普遍存在氢核产生强的磁共振信号,2020/5/30,27,生物医学工程中心,MRI的三要素,静态磁场梯度磁场射频电磁场,2020/5/30,28,生物医学工程中心,磁共振图像也是通过计算机处理后产生的图像。与CT不同的是，CT图中每个像素的数值代表的是人体组织中某一个体素对X线的衰减；而在磁共振图像中，每个像素的值代表的是从某个体素来的磁共振信号的强度，它与共振核子的密度有关。,磁共振成像与CT图像比较,2020/5/30,29,生物医学工程中心,MRI的突出优点,基于核磁共振，无高能（XRay）辐射，故安全、对人体无创可以对人体组织作出形态和功能的诊断；fMRI：磁共振功能成像提供精细的解剖结构信息MRI分辨率可达0.5mm；获取人体的三维图像数据较容易直接产生三维数据，无需重建另外，它还可以在不注射造影剂的情况下显示血管影像。,2020/5/30,30,生物医学工程中心,MRI,2020/5/30,31,生物医学工程中心,开放式MRI,2020/5/30,32,生物医学工程中心,MRI,2020/5/30,33,生物医学工程中心,MRI,2020/5/30,34,生物医学工程中心,MRAngiography血管造影术,HeadS/IProjection,MRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool,2020/5/30,35,生物医学工程中心,Hydrocephalus脑水肿,MRICenter,UniversityofRochesterMedicalSchool,2020/5/30,36,生物医学工程中心,MultispectralTissueClassification,T1,T2,3DHistogram,SegmentedImage,Fletcher,Barsotti,Hornak,Magn.Reson.Med.29:623(1993),2020/5/30,37,生物医学工程中心,MorphologicalImageProcessing,Chen,Dougherty,Totterman,Hornak,Magn.Reson.Med.29:358(1993),2020/5/30,38,生物医学工程中心,MotorActivation-RightIndexFingerMovement,1Hz2Hz3Hz,Schlaug,etal,1995,HarvardMedicalSchoolandBethIsraelHospital,2020/5/30,39,生物医学工程中心,AsymmetryofAuditoryRegionsinMusicianswithPerfectPitch,Schlaug,etal,Science267:699(1995),2020/5/30,40,生物医学工程中心,自旋磁矩,核磁共振成像（MRI）原理,2020/5/30,41,生物医学工程中心,原子核（质子）进动,氢核（质子）自旋产生一个小小的磁场，产生磁矩矢量,2020/5/30,42,生物医学工程中心,进动（Spin）与极化（Polarization）,无外界作用时，质子自旋，磁矢量朝向随机有外界磁场B0作用时，质子会绕着磁场方向进动（极化）。进动的相位存在两种情况：平行（与B0同向）:低能量,原子数目多反平行（与B0同向）:高能量,原子数目少对齐后产生净磁矩M,2020/5/30,43,生物医学工程中心,Larmor频率,在外磁场作用下，自旋的质子产生进动进动频率称为Larmor频率=*B0为旋磁比,是质子的固有特性B0=1T,=42.58MHzLarmor频率在射频（RF）范围,2020/5/30,44,生物医学工程中心,净磁矩（NetMagnetization）,不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同将M分解为Mz和Mxy不同原子磁矩的平均值称为净磁矩若Mxy相互抵消，净磁矩由Mz给出若Mz=0,净磁矩为Mxy,2020/5/30,45,生物医学工程中心,净磁矩,2020/5/30,46,生物医学工程中心,核磁共振（NMR）,在外加磁场B0作用的同时，施加脉冲射频场的作用当RF的频率合适（取决于B0）时，进动的相位趋向一致，当完全一致时就发生核磁共振，原子由低能态激发到高能态共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量，此即为成像信号两种可能的激发90脉冲:自旋从平行方向至垂直方向(lowerRF)180脉冲:自旋从平行方向至反平行方向(higherRF),2020/5/30,47,生物医学工程中心,Signal,2020/5/30,48,生物医学工程中心,驰豫时间（RelaxationsTimes）,脉冲B1作用之后,被激发的自旋渐渐恢复到低能态，同时向外辐射RF信号，此过程成为驰豫。MRI通过测量两个驰豫时间信号成像T1:90RF作用之后，Mz恢复到平衡态的63%所需要的时间T2:90RF作用之后，Mxy衰减到原始静磁矩的37%所需要的时间T1和T2对不同的组织是不同的，因此可以反映解剖结构的信息,2020/5/30,49,生物医学工程中心,2020/5/30,50,生物医学工程中心,2020/5/30,51,生物医学工程中心,MRI与CT比较，其主要优点,1.对脑组织无放射性损害，也无生物学损害。2.可以直接做出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像。3.不受骨像干扰，对后颅凹底和脑干等处的小病变能满意显示，对广泛转移的肿瘤有很高的诊断价值。4.显示疾病的病理过程较CT更广泛，结构更清楚。能发现CT显示完全正常的等密度病灶。5.对神经、血管、肌肉等软组织成分显示明显优于CT。,2020/5/30,52,生物医学工程中心,MRI与CT比较，其主要缺点,1和CT一样，MRI也是影像诊断，很多病变单凭MRI仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断；2对肺部的检查不优于X线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多；3对胃肠道的病变不如内窥镜检查；4体内留有金属物品者不宜接受MRI。5.危重病人、妊娠3个月之内的、带有心脏起搏器的患者不能做MRI。,2020/5/30,53,生物医学工程中心,XCT与MRI成像比较的特点：,分辨率高，对骨、钙化、早期脑出血的显示优于MRI；成像速度快，器官的运动伪影较小。CT价格较为低廉。软组织之间的分辨能力差对人体有一定的辐射只给出解剖结构信息，几乎无功能信息,2020/5/30,54,生物医学工程中心,4.放射性核素成像,把放射性同位素标记在药物上引入病人体内，当被吸收后，人体自身便成了放射源。放射性同位素在衰变过程中，将向体外辐射射线。用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况，以此成象。,2020/5/30,55,生物医学工程中心,从所得的放射性同位素图像中，不仅可以看到器官的形态，更重要的是可以从中了解到人体脏器新陈代谢的情况。这是其他成像系统所不容易做到的。因此，尽管放射性同位素图像的分辨率比较低(约为1cm左右)，但它仍是临床诊断中的重要工具。,放射性核素成像特点,2020/5/30,56,生物医学工程中心,早期的同位素成像装置是同位素扫描仪，成像速度非常低。目前临床上用得比较多的是照相机，可快速地拍摄体内脏器的图片，并从一系列连续的图像中了解器官新陈代谢的功能。,放射性核素成像特点,2020/5/30,57,生物医学工程中心,放射性核素成象设备,射线照相机发射型CT（ECT:EmissionComputedTomography）单光子发射型CT（SinglePhotonECT，简称SPECT）正电子发射型CT（PositronEmissionComputedTomography，简称PET）,2020/5/30,58,生物医学工程中心,SPECT成像示意图,目前，SPECT在临床上已得到较广泛的应用。它是将照相机的探测器围绕探查部位旋转并采集相应的投影数据，然后采用与XCT类似的重建算法计算出放射性同位素分布的断层图像。,（放射性核，如TC-99m、TI-201）,2020/5/30,59,生物医学工程中心,SPECT,2020/5/30,60,生物医学工程中心,PET是根据这一类放射性同位素在衰变过程中释放正电子的物理现象来设计的。正电子与电子相互作用发生湮灭现象后，会产生两个能量为511Kev且传播方向完全相反的光子，用一个符合检测器就可以检测出这种成对出现的射线光子。根据这样采集到的数据同样能重建出断层图像。PET系统价格昂贵，主要是在实验室或研究中心使用,但目前已有少数医院将该设备用于临床。,PET,贫中子核素半衰期以分钟计。,2020/5/30,61,生物医学工程中心,Positronemissionandannihilation,2020/5/30,62,生物医学工程中心,PET成像示意图,2020/5/30,63,生物医学工程中心,PET成像机理,2020/5/30,64,生物医学工程中心,PET,Philips_Precedence_SPECT-CT,SiemensDualHead-E.CAMSPECTCamera,GEDiscoveyPETCTCamera,2020/5/30,65,生物医学工程中心,PET,2020/5/30,66,生物医学工程中心,PET-CT图示,2020/5/30,67,生物医学工程中心,PET,2020/5/30,68,生物医学工程中心,PET的临床应用神经疾病,2020/5/30,69,生物医学工程中心,放射性同位素成像的特点,不仅能看到器官的形态，可以得到脏器的功能和代谢情况；分辨率较低：1cm；PET设备价格昂贵、不易于维护。,2020/5/30,70,生物医学工程中心,PET相较于CT和MRI来说主要特点为,1.灵敏度高。PET是一种反映分子代谢的显像，当疾病早期处于分子水平变化阶段，病变区的形态结构尚未呈现异常，MRI、CT检查还不能明确诊断时，PET检查即可发现病灶所在，并可获得三维影像，还能进行定量分析，达到早期诊断，这是目前其它影像检查所无法比拟的。2.特异性高。MRI、CT检查发现脏器有肿瘤时，是良性还是恶性很难做出判断，但PET检查可以根据恶性肿瘤高代谢的特点而做出诊断。,2020/5/30,71,生物医学工程中心,PET相较于CT和MRI来说主要特点为,3.全身显像。PET一次性全身显像检查便可获得全身各个区域的图像。4.安全性好。PET检查需要的核素有一定的放射性，但所用核素量很少，而且半衰期很短（短的在12分钟左右，长的在120分钟左右），经过物理衰减和生物代谢两方面作用，在受检者体内存留时间很短。一次PET全身检查的放射线照射剂量远远小于一个部位的常规CT检查，因而安全可靠。,2020/5/30,72,生物医学工程中心,Compare,CT/MRIshowthatyouhaveabrainPET/SPECTshowthatyouuseit!,组合,MRI/CTPET/CT,2020/5/30,73,生物医学工程中心,5：医学成像新技术,由于人体脏器结构是一个三维空间分布，因此仅仅依靠一幅或几幅二维图像来理解三维结构是有一定的局限性的，它不能完全满足临床上在疾病诊断、治疗决策及外科手术研究中的需要。,（1）三维成像,2020/5/30,74,生物医学工程中心,为了给医生提供真正的三维结构显示图，自70年代开始就有人着手研究医学三维成像的方法。早期的三维成像曾经采用过全息摄影等方法。随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，医学三维成像在近十年中有了很大的发展。,2020/5/30,75,生物医学工程中心,三维图像一般是由一系列二维图像叠合构成。将二维数据的集合变成三维数据结构后，人们就可以根据需要取出任意角度下的剖面来观察。这样可以使医生更准确、更全面地了解脏器的内部结构。,2020/5/30,76,生物医学工程中心,此外，医生还可以“剥出”任意局部区域作进一步分析，或模拟外科手术过程，从而制定最佳的手术方案。目前，三维图像已应用于放射学诊断、肿瘤学、心脏学与外科手术的研究中，并已成为计算机辅助制定治疗方案的得力工具。,腹部X刀立体三维重建图像,2020/5/30,77,生物医学工程中心,（2）微型内窥镜,最新型的M2A微型内窥镜，可以像药丸一样服下,2020/5/30,78,生物医学工程中心,微型内窥镜,2020/5/30,79,生物医学工程中心,M2A微型内窥镜的内部结构：1、光学圆盖2、透镜固定环3、透镜4、照明发光二极管5、互补金属氧化物半导体成像器6、电池7、专用集成电路8、天线,微型内窥镜,2020/5/30,80,生物医学工程中心,内窥镜影像-溃疡性腺癌,2020/5/30,81,生物医学工程中心,内窥镜影像-皮革状胃,（3）红外成像,红外图象,（4）医学图象显微图象,医学图象显微图象,2020/5/30,86,生物医学工程中心,其他成像设备,2020/5/30,87,生物医学工程中心,其他成像设备,2020/5/3