数字医学图像处理存档及传输技术(新).ppt

1、数字医学图像处理、存档及传输技术,任课教师：陈炜,第一章 绪论,2020年7月28日,1.1 产生背景,医学图像在医疗诊断中的重要作用 人体内部发生的病变需要借助医学影像这种方式进行诊断 计算机技术的应用对医学影像技术的促进 早期的医学影像诊断模式：“荧光屏-胶片-灯箱-诊断”，由影像科室（放射科）对患者的医学影像体征出具诊断结论后，再交由临床治疗医师，由临床医师依据患者的医学影像诊断结论结合患者的其他体征予以确诊，并选择具体的治疗方案。 全新的医学影像成像技术进入医学领域（超声、CT、DSA、MRI等），提高了医学形态学的诊断水平，实现诊断信息的数字化。 计算机技术对传统医疗领域产生的两次巨

2、大冲击：一是医疗信息系统的建立（极大地提高医院信息管理能力）；二是新的医学图像成像获取方式，特别是数字成像方式的引入。,2020年7月28日,只有以各种医学影像和成像技术及系统为代表的现代医学诊断、临床治疗、医学研究手段的综合运用才可能为患者的疾病治疗提供愈益丰富、详细而精确的信息和医学影像资源，并进而提高医学影像的复用价值和复用率。 医学影像设备和信息的数字化及其所受的计算机处理，从根本上改变了医学影像采集、显示、存储、交换方式和手段。,2020年7月28日,医学信息系统 HIS（hospital information system）医院信息系统：进行一般的信息管理，包括病人自身的描述信息

3、、社会保险信息、诊断及医嘱摘要信息等。 RIS（radiological information stystem）放射信息系统：主要用于医院放射科室，含多种应用功能模块支持放射科室的任务管理，如胶片管理、过程调度、效益分析及统计、报告形成等。为了提高信息共享性并减少信息冗余，RIS还和HIS联接，共享病人的基本信息。 医院信息管理还有如护理信息系统NIS，临床信息系统CIS等。,2020年7月28日,数字成像技术 早期的成像技术主要是通过物理或化学处理过程来完成的。 1972年第一台计算机辅助X射线断层照相扫描仪（CT）的引入临床是医学成像领域的重大突破。这种计算机辅助X射线断层成像及重构技术

4、很快被用于其它成像系统，如单光子发射计算机辅助断层成像（SPECT）、正电子发射断层成像（PET）、核磁共振成像（MRI）等。 数字技术应用于医学领域又产生新的医学诊断和成像技术。如超声（US）、核医学（NM）、数字减影（DSA）及数字荧光透视（DF）等。数字技术的引入和计算机微处理器性能的不断提高，在促进医学成像质量提高的同时，更加方便了对患者病情的诊断和观察。 计算机和数字技术的发展，带来了医学图像数字化的变革；图像处理技术的发展使得医学图像的后期处理和分析成为可能。如何更加有效地在医院内部和医院之间共享医学图像信息，如何高效地处理、保存、管理和检索高质量的数字医学图像，成为一个新的问题。

5、,2020年7月28日,经由计算机的医学图像成像方法 先用某种能量通过人体，与人体相互作用后对该能量进行测量，然后用数学的方法估计出该能量与人体组织相互作用（吸收、衰减、核磁扰动等）的二维、三维分布，并产生图像。 计算机在医学图像中的应用 根据测量数据建立图像 为提取图像的最佳特征而重建图像 显示图像 利用图像处理技术提高图像的质量 存储和检索图像,2020年7月28日,医学影像技术发展历程：从伦琴发现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100多年的发展历程。 1896年，德国西门子公司研制出世界上第一支X线球管，

6、20世纪一二十年代，出现常规X线机；到20世纪60年代中后期医学影像技术已形成较完整的学科体系，称为放射诊断或放射学。 1971年，第一台CT扫描机诞生，开创了计算机人体断层摄影技术。随着CT在临床上的广泛应用，其功能日趋完善，且种类越来越多。CT机是将电子技术、计算机技术和X线技术相结合的革命性产品，为现代医学影像设备学奠定了基础。 20世纪50至60年代超声和放射性核素也相继出现。,2020年7月28日,20世纪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MRI是目前最先进的影像检查方法之一，是一门新兴的无创性显示人体内部结构的影像诊断技

7、术，问世以来得到迅猛发展。 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）成像设备和技术，其后又推出数字X线设备（DR）。 20世纪90年代推出更新、更强的核医学影像设备ECT，包括PET、SPECT等设备。 21世纪随着信息技术、计算机技术和网络、通信技术的快速发展，现代医学影像技术将获得更快的发展。,2020年7月28日,1.2 PACS概念的提出和发展历史,历史回顾 上世纪70 年代开始有了 Digital Radiography 这个名词。 CT、超声波与核医学等数字医疗影像模式在70 代问世。 80年代出现了核磁共振 (MRI)、CR和数字减影 (DSA)。

8、 80年代先出现数字放射系统（DRS）的概念，随后有了 Digital Image Communication and Display (数字影像传输与显示) 概念。 1982 年开了第一届国际 PACS 研讨会，明确了PACS的概念、作用和意义。,2020年7月28日,1983年美国陆军开始了一个 teleradiology （远程放射诊断系统）项目。 1985年美国陆军研制成功 DIN-PACS。 1985 年华盛顿大学西雅图分校 University of Washington (Seattle, WA) 和Georgetown 大学 (Washington DC) 开始 PACS 研究

9、。 1995 年第一代商业 PACS 产品问世。 DICOM 3.0 标准在1993 年定形 ，为PACS的商业化奠定基础。,2020年7月28日,PACS的定义,PACS：医学图像存储和传输系统。主要包含医学图像获取、大容量数据存贮、图像显示和处理、数据库管理及影像传输网络等5个单元。 定义详解 Picture是指医疗检查中产生的各种影像信息。医疗影像在过去主要指CR、DR、MR、CT及DSA等检查的放射科影像，但是现在已经将影像的范围扩大到心血管使用的动态影像，以及超声、内窥镜检查、关节镜检查、组织病理检查、眼球检查等等，包含了大部分在临床上使用的影像。PACS可以保障医疗设备产生的影像质

10、量或提供更高品质的影像。,2020年7月28日,定义详解2 Archiving是指将影像设备检查产生的图像及相关信息，以标准的数字方式获得并进行储存。储存有存储（ Archiving）和备份（Backup）两重概念。储存系统又以存储设备、图像获取时间、访问频繁程度、储存时间长短等为基础分为在线（短期）、近线（中期）、离线（长期）几种。 Archiving在产生医疗影像时，软件上将自动或手动获取影像数据，在在线储存装置上储存，并可根据医疗人员的需要进行查询（不需人工干预，可自动在工作站上进行）。影像资料查询时间短。,2020年7月28日,定义详解3 Backup技术是由技术人员或系统管理者将经过

11、一定时间积累的影像数据集中，往中期或长期储存设备上人为或自动复制。 Backup技术无法在工作站上对较早期的影像数据实现自动查询，必须由技术人员或管理者找出Backup储存的影像后，往工作站导入。因此查询时间较长。,2020年7月28日,定义详解4 Communication是指通过网络将患者基本信息、诊断信息、影像等资料进行传输调阅。为保证不同厂家、不同类型检查设备可以在同一系统内进行无障碍交流，医疗影像设备必须支持DICOM协议。不支持DICOM协议的设备，可通过计算机视频采集卡（Video Capture Card）、网卡（Network Card）及DICOM专业转换软件构成的DICO

12、M网关，将影像资料转换为DICOM格式。 System是指PACS并非单台医疗影像设备，而是各类硬件设备及软件模块用网络进行连接形成的系统集群，是硬件、软件、网络、服务及医学设备的融合，是高层次的管理系统的集成。,2020年7月28日,PACS常与放射科信息系统（RADIOLOGY Information System，RIS）及医院信息系统（Hospital Information System，HIS）连为一体。PACS虽然起源于放射学，但已经应用于大批量图像和语言数据处理的任何科学领域。 PACS系统将计算机处理和现代通信技术应用于医学图像成像系统，将图像变成数字图像信息，以数据文件的形

13、式保存下来，并通过各种公用或专用通信网络在医院各科室、医疗单位之间、地区或国家之间进行传送。 PACS系统的发展和普及对放射医学、影像医学、数字图像技术、计算机应用、现代医疗技术和医院信息系统的建设和发展有重要的促进作用。,2020年7月28日,PACS发展过程,三个阶段。 第一阶段（80年代中期-90年代中期） 计算机自身性能有限，CPU主频仅几十兆，内存只有64兆字节，而且价格昂贵。研究主要集中在如何用有限的计算机资源处理大容量的数字图像，如用各种算法优化、硬件加速等。而显示技术也不能保证图像显示的一致性。因为没有统一的标准，不同设备的图像交换困难，DICOM标准开始出现。 这一时期的PA

14、CS系统以单机为主，速度慢，功能单一，基本上没有RIS (Radiology Information System),显示质量不高，人们普遍认为不可能用软拷贝代替胶片。PACS显然不能满足临床的需要。,2020年7月28日,第二阶段（90年代中期-上世纪末） 计算机技术、网络技术的发展，特别是PC机性能的大大提高，使PACS用户终端的速度和功能加强了。 而显示技术的发展和显示质量控制软件的出现，图像显示质量基本达到读片要求，PACS的诊断价值开始得到临床的认可。应诊断报告和信息保存的要求，RIS系统出现。 临床的应用使人们关注工作流的问题，即在检查登记、图像获取、存储、分发、诊断等等的步骤中P

15、ACS如何与RIS沟通，提高工作效率。,2020年7月28日,第三阶段（上世纪末-现在） DICOM标准被广泛接受，PACS、RIS开始与HIS全面整合，PACS被用于远程诊断。显示质量控制软件技术的进一步发展，新的显示设备的出现，淡化了温度、寿命对显示器显示质量的影响。 PACS系统中引进临床专用软件，以利于辅助诊断和治疗。 无胶片化的进程，促使人们开始研究PACS系统的安全性。,2020年7月28日,PACS发展三个时代 第一代：多采用封闭的集中式体系结构，在小范围内实现医学图像文件的有效共享，但是各PACS所采用的信息格式各不相同，系统间相对孤立，无法进行数据交流。 第二代：开始遵从AC

16、R-NEMA和早期的DICOM标准，能够直接从医学成像设备采集图像数据，并具备了初步的网络通信能力。采用基于Client/Server的体系结构，增强了PACS的互联性和开放性，使系统逐步走向大型化。 第三代：特征为完全遵从医学工业标准，特别是DICOM标准和HL7标准，使得PACS内部、各PACS之间以及PACS与HIS等其他医疗信息系统之间进行信息和数据的交换成为可能。同时新一代的PACS系统对医学图像的质量和图像处理及传输效率有了更高的要求。,2020年7月28日,1.3 PACS的研究和发展现状,国外PACS建设 美国的PACS建设起步较早，目前已趋向于不同成像模式和所有医院科室都使用

17、同一信息系统、共通的登录界面、一致的用户界面。其地域性医疗信息系统的整合和一体化进程均发展很快。如美国退伍军人医疗保健系统的PACS建设包括了全国172家医院和医学中心及门诊部，覆盖人群2500万，它有自己整体的HIS、RIS运作系统和所有病人的电子信息。,2020年7月28日,欧洲对PACS的关注和研究始于上世纪70年代后期。1980年以后英国、法国、德国等国先后着手PACS建设，但在当时多为小型PACS，主要集中在单一科室，如放射科或核医学科等。90年代初开始出现大型的PACS建设。在90年代后期上述这些国家均已有1020个PACS项目开始运转。地域性的PACS也开始建设，如德国萨克森州，

18、其远程医疗服务系统包括了7所大型医学中心，以及许多其它医疗机构和医生诊所，数字化影像和相关资料可在服务系统所涵盖的医院间进行传输和共享。,2020年7月28日,日本的PACS研究也起步较早，1982年召开第一届PACS会议，第一套系统正式运行于1989年，至2002年就拥有1468套PACS。 韩国第一个全面的PACS系统建设始于1994年，同年成立PACS学会。1999年政府出台对PACS建设实施补偿的政策，大大促进了PACS的发展。至2002年，已建成PACS并实现无片化的医院在400床以上的大医院中所占比例为37%。,2020年7月28日,我国的PACS建设,我国的PACS建设起步较晚，

19、90年代中后期开始有少数医院筹建小型或微小型PACS。19992001年间正式建设小型PACS的医院不过10余家。 近年PACS发展较快，但多数在建和使用的仍然是放射科范围内的小型PACS。2006年上海医院的调查数据表明，拥有RIS和PACS的医院共为30家和18家，其中拥有全院PACS的仅有2家。 为建设符合国际标准的PACS体系，搭建、完善中国医疗行业与国际标准DICOM3和IHE、HL7等接轨的技术平台，卫生部在20032005承担国家科技攻关项目“C-PACS”基础上，提出C-PACS系统标准体系技术草案，涉及C-PACS的遵从性、图像处理、图像质量控制、工作流和数据接口、海量数据存

20、储、PACS系统安全和技术壁垒等。,2020年7月28日,1.4 PACS的基本构成和关键技术,PACS是网络环境下集各种医疗成像设备、众多应用功能和海量数据存储于一身的大型应用系统，其系统控制功能和存储结构的良好设计可有效提高系统的使用效率，而图像处理软件和应用功能模块的设计可提高系统的实用性。,2020年7月28日,医院信息系统HIS,放射信息系统RIS,HL7接口,数据流控制器,数据库服务器,图像存档系统,图像获取 接口,成像 设备,图像缓存,图像显示 工作站,图像 预处理器,图像获取子系统,PACS控制器,图像显示子系统,图：PACS基本构成,2020年7月28日,一、PACS基本构成

21、,图像获取子系统：包括成像设备和图像获取接口。 成像设备：如X射线、CT、MRI、超声等 图像获取接口：图像获取主要从各种成像设备上获取图像数据以及相关的文字信息（患者信息、图像采集参数、有关的图像处理等）。 困难：部分医学影像设备的信息输出为胶片，需要将胶片转化为数字图像；不同企业生产的成像设备不符合DICOM标准，需要通过图像采集工作站实现成像计算机与PACS的隔离，将从成像设备获取的医学图像数据转换为PACS标准格式后，送往PACS控制器。,2020年7月28日,图：不同影像获取方式,2020年7月28日,PACS控制器（也可称PACS服务器集群）：三个主要组件为数据流控制器、数据库服务

22、器、图像存档系统。 数据流控制器：PACS系统数据流的控制单元，对图像数据进行智能化管理； 数据库服务器：为已存档的文本文件与图像文件建立索引，提供查询服务，可通过HL7接口与HIS、RIS进行数据交换； 存档系统：负责大容量的图像存储，由不同时间跨度的存储设备构成，使用多种存储介质。,2020年7月28日,PACS控制器基本功能：从图像获取接口得到图像，提取图像文件中的文本描述信息；更新网络数据库；存档图像文件；对数据流进行控制；使数据在适当的时间发往要求的显示系统；自动从存档系统中获取必要的对照信息；执行从显示工作站或其他控制器发出的文档读写操作。,2020年7月28日,图像显示子系统：包

23、括显示预处理器、显示工作站缓存以及显示工作站。 显示预处理器：依照图像显示子系统中显示工作站的特性参数，将从PACS控制器获取的图像数据进行预处理，使其适合在本显示系统中进行显示；或者根据操作者的指令，进行各种图像处理和特征参数计算，并将处理结果通过显示子系统呈现给观测者。 显示工作站缓存：用于存储近期的图像数据，包括预处理前后的图像数据。 显示工作站：是显示子系统的核心，可单独构成显示子系统；是通向PACS环境的窗口，可充分利用整个PACS的资源，并提供一个良好的用户操作界面。,2020年7月28日,图像显示子系统一般包括完成不同功能的多种软件包，如通信组件、数据库、显示组件、资源管理组件及

24、图像处理组件等。 基本功能：从PACS控制器获取信息；提供PACS数据库查询接口；数据库查询结果显示；图像组织；图像增强处理；图像测量和标注；文档编辑和报告生成。,2020年7月28日,PACS服务器集群：包括PACS的服务器组、存储服务器组、转发服务器组、调度服务器组。 服务器组：PACS的核心。负责接收影像检查设备传来的DICOM3格式的影像数据并存储，完成医学图像信息与病人信息的关联，借助数据库对影像信息进行管理，提供影像数据的查询和发送。 存储服务器组：负责磁盘阵列和磁带库中影像文件按时间顺序进行管理。 转发服务器：负责将由医学影像检查设备传送来的图像，按检查登记表中的诊断工作站地址将

25、图像转发到相应的诊断工作站，提供诊断医师读片和写诊断报告；依分发登记表中记录的地址，将图像分发到相应的分发工作站，供临床医师阅片并查看诊断报告。 调度服务器：负责对接收到的医学影像图像文件请求进行应答。 另外，作为一个应用系统，PACS还有非DICOM3格式的图像文件转换网关、影像采集工作站、影像诊断工作站、影像浏览工作站等。,2020年7月28日,二、PACS的软件功能结构,从应用功能的角度，PACS系统组成： 图像服务器、热备份服务器、HIS服务器 图像采集点、医生工作站 医院内部局域网、连接Internet接口 PACS中数据构成： 医学图像的辅助病案信息（文本文件）：包括病人基本信息、

26、医生信息、诊断分析信息等。 医学图像数据（图像文件）：所有类型的医学图像数据。,2020年7月28日,PACS的关键技术,PACS体系结构的设计 数字医学图像获取技术 医学图像的大容量存储技术 遵循相关标准 PACS的数据库技术 网络技术 PACS中的数字图像处理技术及显示技术 医学图像压缩技术,2020年7月28日,三、PACS的主要功能应用,用图像服务计算机来管理和保存图像 医生用影像工作站来看片（大容量数据存储） 用 DICOM 3.0 将医院各科室临床主治医师、放射科医师和专科医师以及各种影像、医嘱和诊断报告联成一网 。 用 Web-email 等现代电子通讯方式来做远程诊断和专家会诊

27、。 用专业二维、三维分析软件辅助诊断。 用专业医疗影像诊断报告软件书写、打印诊断报告。 胶片打印。,2020年7月28日,四、PACS系统的指标评价,性能：是专业性和临床诊断的评价。评价系统中连接的专业诊断工作站是否能有效地帮助医生提高诊断水平。 稳定性及持续运营时间：评价系统的可靠性和稳定性。由于PACS应用在医院这个特殊环境，此项指标是衡量系统性能的重要依据，有数据库和硬件投资决定。 连通性：评价系统内部各设备之间的通信能力，信息是否实现有效共享。,2020年7月28日,开放性：评价系统与HIS、RIS或Internet等的连接能力。 伸缩性：评价系统是否能够根据不同医院的实际情况，在基本

28、功能保证的基础上，建设规模可以适当调整。 可持续发展性：评价系统建设时，是否为后续发展预留足够的扩展空间。,2020年7月28日,传统的医学图像保存和处理方式存在的问题,保存胶片需要很大的存放空间。为了提高胶片的利用价值，影像科不得不建立片库来贮存数量庞大的胶片，这就是所谓的“归档”或“存档”，即对胶片的管理。管理难度与数量同步增长，耗费大量财力、物力、空间。 常规X线摄影沿用胶片-增感屏系统，成像后由胶片记录，需暗室冲洗，在显影、定影、冲洗、烘干、归档等环节上要耗费大量的人力和财力。,2020年7月28日,胶片库手工管理效率低，资料的查询速度慢，图像的传递需要大量时间，效率低，不能满足临床需

29、要，如遇急诊问题就更严重。且容易把胶片归错档，使资料的查找和利用效率更低。 传统X线胶片除了不便于储存和传输，更谈不上实时或快速异地会诊，不便实现多人共享。 胶片的丢失、片损和变质所引起的信息丢失也是一个难以解决的问题，即使一个管理制度十分完善的医院，由于借出、会诊等，胶片的丢失也不可避免。给资料的再次利用和科研工作带来极大的不便。 把CT、MRI等图像硬拷贝到胶片上，保留的只是操作医师认为有用的信息，图像无法后处理，固定的窗宽、窗位已经丢失了大部分原始信息,2020年7月28日,PACS系统的优点,快速、方便地在临床、急诊科室随时调阅胶片图像进行读片与诊断，提高了工作效率，避免了胶片在传递过

30、程中丢失，成为医院现代化的管理手段。 开展复合影像诊断、开展多学科会诊，克服时间和地域上的限制，使医护人员能为各类患者提供及时的诊断、治疗和护理。 系统提供了窗宽窗位调节、数据测量、剪裁等影像后处理功能，医疗人员可获得更多的病变信息；提供对大量图像的有效管理、快速准确的检索手段，使图像容易传递和交流。,2020年7月28日,通过网络，实现数据共享，发挥医院的教学支持作用，从而在整体上提高医院的诊断质量、效率和教学、科研水平。加强了医院间的数据交换和信息共享，在行业中相互学习提高。 极大地改变了传统影像科与其他科室的关系，它的大范围运用必将对放射学实践产生极其深刻的影响，促进更加专业化的发展，迫

31、使行业内出现更为激烈的竞争。 节约了胶片开支及其管理费用，从而进入无胶片时代。 在医疗服务的社会需求不断增长的今天，上述优越性最终将有利于提高医疗质量、缩短患者在医院的滞留时间，从而为医院和患者带来显著的经济效益和社会效益。,2020年7月28日,PACS的缺点,临床使用的诊断显示器分辨率不够时，会影响影像的显示效果和诊断。 长时间停电等因素造成的整体系统不能运行时，会带来医院业务的不便（需自备电源）。 医院如未采用国际标准开发PACS系统，将影响医疗体系的信息共享。 初期投资费用较大，且存在后期完善再投资的问题。 影像资料的安全问题，需建立预防灾害对策（地震、水灾、火灾等）。,2020年7月

32、28日,PACS 建设目标,为医学影像管理服务 为临床诊断服务 为远程医疗服务,2020年7月28日,五、PACS的必要性,提高影像诊断质量的需要 无胶片管理的需要 医学科研和临床治疗的需要 医院竞争的需要,2020年7月28日,PACS直接经济效益,一家中、大型医院每年的胶片费用为几十至几百万元。 以医院的CT检查为例： 假如每天的病人例数为30人，每个病人医院保留1.5张胶片，每张胶片费用约为20元。 使用胶片每天费用： 30 * 20 *1.5=900元 若每张胶片12幅影像，每幅影像1024KB，每天影像存储量最多为30*1.5*12*1024= 0.56GB，CD-ROM光盘（0.6

33、5 GB，每片10元） 使用光盘每天的费用： 5*0.56 /0.65 =4.3元 则每天节省：900-4.3=895.7元 895.7/900 =99%,2020年7月28日,PACS潜在经济效益,加快了医学影像的传输速度。 大大减少医生做出诊断的时间，能够大大提高医院收容处理病人的能力。 扩大医院的影响力。 实现医院影像管理的数字化、无胶片化，电子病例和电子影像的传递，远程医疗服务，从而提升医院的整体竞争力。,第2章 数字医学图像及其获取,2020年7月28日,一、相关的医学图像知识,总结医学诊断的发展历程，只有获得了精确反映病人状态的信息，才有可能做出正确的诊断；有了正确的诊断，才能制定

34、正确的治疗方案，客观的评价治疗结果。 人体的信息可以用数值、曲线、图像等多种形式表示，但在大多数场合，图像所包含的信息量远远超过数值和曲线，所以，图像的应用越来越广泛。,2020年7月28日,医学图像成像,从显微镜到1895年的X线的发明，近100多年的历史证明，医学图像成像技术的每一重大进展都给医学诊断和治疗技术带来极大的改变和发展，医学图像的成像方式也不断增加，而计算机技术和数字图像处理技术的迅速发展和普及，则进一步扩大了医学图像的应用范围。,2020年7月28日,经由计算机的医学图像成像方法,先用某种能量通过人体，与人体相互作用后对该能量进行测量，然后用数学的方法估计出该能量与人体组织相

35、互作用（吸收、衰减、核磁扰动等）的二维、三维分布，并产生图像。,2020年7月28日,计算机在医学图像中的应用 根据测量数据建立图像 为提取图像的最佳特征而重建图像 显示图像 利用图像处理技术提高图像的质量 存储和检索图像,2020年7月28日,由于人体生命现象特殊的复杂性和多样性，医学图像涉及从分子到人体（微观到宏观），从结构到功能，从静态到动态等多个领域和方式，目前的各种医学成像设备只能反映人体某一方面的信息，且对人体内大到组织、小到分子原子各有不同的灵敏度和分辨率，因而有着各自的适用范围和局限性。下面介绍几种主要的医学图像。,2020年7月28日, 光 的 发 明 者 伦 琴,2020年

36、7月28日,X线图像及成像设备,X线图像：利用人体器官和组织对X线的衰减不同，透射的X线的强度也不同这一性质，检测出相应的二维能量分布，并进行可视化转换，从而可获取人体内部结构的图像。 与常规胶片图像的形成过程相比，X线数字成像系统形成数字图像所需的X线剂量较少，能用较低的X线剂量得到清晰图像。可利用计算机图像处理技术对图像进行一系列处理，从而改善图像的清晰度和对比度等性能，挖掘更多的可视化诊断信息。,2020年7月28日,传统X线摄影,X线对人体组织穿透性的差异是X线医学影像学的基础。 X线照射到胶片，由于穿透人体后的强度分布不同，使胶片上的卤化银的感光度发生差异，经显影后产生一定的黑化度，

37、显示出人体不同密度的影像。,2020年7月28日,CR,计算机X线摄影（computed radiography，CR)是X线平片数字化的比较成熟的技术。 CR系统是使用可记录并由激光读出X线成像信息的成像板（imaging plate ，IP）作为载体，经X线曝光及信息读出处理，形成数字式平片图像。,2020年7月28日,CR的关键部件-成像板是实现模拟信息转化为数字信息的载体，可重复使用。 CR系统的X线摄影剂量比常规X线摄影在一定程度上有所降低，减少对患者的辐射损伤，而且延长了X线球管的寿命。 CR灵敏度高，影像的线性度、层次表现好。数据量大，具有多种后处理功能。 CR是非专用机型可与常

38、规的X线摄影设备匹配使用。 适用于复杂部位和体位的X线摄影 ，使用灵活。,2020年7月28日,DR,数字X线摄影(digital radiography，DR）是在X线影像增强器电视系统的基础上，采用模/数转换器将模拟视频信号转换成数字信号后送入计算机系统中进行存储、分析、显示的技术。数字X线摄影包括硒鼓方式、直接数字X线摄影（direct digital radiography，DDR）和电荷藕合器件（charge coupled device，CCD）摄像机阵列方式等。关键部件平板探测器（FPD）可直接数字化X线成像。,2020年7月28日,DR的特点 X线直接转换，成像环节少 图像分辨

39、率（时间、空间）较CR高 专机专用，费用较高 较适用于透视与点片摄影及各种造影检查,2020年7月28日,DSA,数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）是利用数字图像处理技术中的图像几何运算功能，将造影剂注入前后的数字化X线图像进行相减操作，获得两帧图像的差异部分被造影剂充盈的血管图像。 目前DAS有时间减影（temporal subtraction）、能量减影（energy subtraction）、混合减影（hybrid Subtraction）和数字体层摄影减影（digital tomography subtraction）等类型。,2

40、020年7月28日,X线CT图像（Computerized Tomography，CT）是以测定X射线在人体内的衰减系数为物理基础，采用投影图像重建的数学原理，经过计算机高速运算，求解出衰减系数数值在人体某断面上的二维分布矩阵，然后应用图像处理与显示技术将该二维分布矩阵转变为真实图像的灰度分布，从而实现建立断层图像的现代医学成像技术。概括地说，X线CT图像的本质是衰减系数成像。 与传统的X线检查手段相比，CT具有以下优点：能获得真正的断面图像，具有非常高的密度分辨率，可准确测量各组织的X线吸收衰减值，并通过各种计算进行定量分析,2020年7月28日,螺旋CT机是目前世界上最先进的CT设备之一，

41、其扫描速度快，分辨率高，图像质量优。用快速螺旋扫描能在15秒左右检查完一个部位，能发现小于几毫米的病变，如小肝癌、垂体微腺瘤及小动脉瘤等。其功能全面，能进行全身各部检查，可行多种三维成像，如多层面重建、CT血管造影、器官表面重建及仿真肠道、气管、血管内窥镜检查。可进行实时透镜下的CT导引穿刺活检，使用快捷、方便、准确。,2020年7月28日,磁共振图像,磁共振图像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）系统通过对处在静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体组织中的氢原子受到激励而发生磁共振现象，当中止RF脉冲后，氢原子在驰豫过程中发射出射频信号而成像的。目前MR

42、I成像技术的进一步研究仍主要集中在如何提高成像速度方面。另外， 功能性MRI的出现进一步扩大了磁共振影像的临床应用范围。 磁共振血管造影(Magnetic Resonance Angiography，MRA)的研究也取得了重要进展，利用MRA可以发现血管的疾病，与三维显示技术相结合能够为诊断提供更多的可视化立体信息。 磁共振波谱分析(Magnetic Resonance Spectroscopy，MRS)亦是MRI技术研究的热门课题，借助MRS技术，有可能在获得病人解剖结构信息的同时又得到功能信息，将MRS与MRI进行图像融合,能够获得更多的有价值的诊断信息。,2020年7月28日,超声US图

43、像,频率高于20000赫兹的声波称为超声波。超声成像(Ultrasound System,US)就是利用超声波在人体内部传播时组织密度不连续性形成的回波进行成像的技术。,2020年7月28日,超声设备工作原理： 超声波由压电晶体将电能转化为声能，频率为210MHZ，比可听声波（最大20KHZ）高很多。 通过发出的脉冲声波，测量反射回声的能量和到达的时间，主要是测定超声波源和反射体之间的距离。当回声被适当显示时，即可获得研究区域的解剖图像。 超声波成像：利用超声波在人体内部传播时组织密度不连续形成的回波进行成像的技术。,2020年7月28日,依据波束扫描方式和显示技术的不同，超声图像可分为： 一

44、维A超 二维B超、M型超声 多普勒超声（D型超声） 三维超声（四维超声）,2020年7月28日,可能会给医学影像领域带来巨大影响的新的超声成像技术研究，是三维超声成像。三维超声影像具有图像立体感强、可以进行B超图像中无法完成的三维定量测量、能够缩短医生诊断所需的时间等特点，是一种极具发展前景的超声成像技术。,2020年7月28日,三维超声图像：,2020年7月28日,放射性核素图像,放射性核素成像技术是通过将放射性示踪药物引入人体内，使带有放射性核的示踪原子进入要成像的组织，然后测量放射性核素在人体内的分布来成像的一种技术。放射性核素成像技术能够反映人体内的生理生化过程，能够反映器官和组织的功

45、能状态，可显示动态图像，是一种基本无损伤的诊断方法。 按照放射性核素种类的不同，放射性核素图像可以分为单光子发射成像(Single Photon Emission Tomography，SPECT)和正电子发射成像(Positron Emission Tomography，PET)。 因为SPECT和PET都是对从病人体内发射的射线成像，所以统称为ECT。,2020年7月28日,放射性核素图像,2020年7月28日,医用红外图像,人体是天然热辐射源，利用红外线探测器检测人体热源深度及热辐射值，并将其转变为电信号，送入计算机进行成像。红外图像用来诊断与温度有关的疾病。 系统根据正常异常组织区域的

46、热辐射差，得出细胞新陈代谢相对强度分布图，即功能影像图，用于对浅表部位肿瘤、乳腺癌及皮肤伤痛等疾病的诊断。,2020年7月28日,内窥镜图像,内窥镜是一种直接插入人体的腔管内进行实时观察表面形态的光学诊断装置。光纤内窥镜使用的纤维束有两种，一种是传递光源以照明视场的导光束；另一种是回传图像的传像束。 电子内窥镜的发明为内窥镜影像的临床应用提供了一种新的技术，具有轮廓清晰、可以定量测量等特点，三维立体内窥镜系统还可产生逼真的立体图像。,2020年7月28日,显微图像,显微图像一般是指利用显微镜光学系统获得的关于细胞、组织切片的二维影像。目前处理和分析显微图像的主要工具是图像分析仪，它应用数字图像

47、处理技术、计算机技术和形态计量学方法，实现对细胞、组织的定量分析，并可进行三维重组和动态显示。,2020年7月28日,二、数字医学图像及其特点,模拟图像和数字图像 模拟图像就是人们在日常生活中接触到的各类图像，如传统光学照相机所拍的照片、早期医学X光摄影、病理图像、心电图等图形图像，以及眼睛所看到的一切景物图像等，它们都是由各种表达连续变化的色彩、亮度（灰度）的模拟信息组成的图像。 数字图像是指存储在计算机中的一组数字信息的集合，这些数字通过计算机处理后能够再现的图像。数字图像信息往往是通过扫描仪、数码照相机、数字医疗设备等技术手段采集或转换后生成的数字图像信息，这些数字图像信息是由离散的像素

48、点矩阵组成的二维数组表示的计算机信息的集合。如数码相机照片、CT、MRI、DSA等医学影像都是数字图像。,2020年7月28日,模拟图像转化为数字图像的过程 将各种模拟图像转化为数字图像的过程就称为图像数字化，而这一过程也是数字图像处理技术的基础。 对模拟图像进行数字化转换主要包括两个环节：即对二维模拟图像进行采样处理和对每个抽样后的区间进行幅度上的灰度(阶)量化处理。,2020年7月28日,采样：采样处理的具体做法是，首先将一幅模拟图像以一定的宽度（即采样间距）分别在水平和垂直方向上将图像分割形成M行*N列的类似坐标纸上的细小区域。每个被转化成离散的采样点的级小区域称作图像元素（简称像素）。

49、采样分割的越精细，产生的像素点就越多，则数字图像就越清晰。采样处理的结果将产生一个对应模拟图像的每行有M个像素点，每列有N 个像素点组成的离散的像素点阵。整幅图像将产生MN个像素点。,2020年7月28日,模拟图像,采样,量化,白：0,黑：255,灰阶,2020年7月28日,量化：量化处理就是把抽样后的每一个像素点的亮度值逐点真实的采集并记录相应的表示该点明暗程度的灰度值。 对于灰度图像，量化抽样的像素点，记录反映对应该像素点的亮度明暗值，量化值用0255的整数值来表示灰度值。每个像素用一个字节来储存，即8Bit，量化后的灰度值即反映了对应像素点的亮度明暗值。 如果是彩色模拟图像将其抽样和量化

50、后将产生RGB三个颜色分量（或称为颜色通道）的24 位二进制数存储的彩色数字图像，三者共同决定了像素的亮度和色彩，通常每个像素点的取值范围是在0 到255 之间，0表示相应的基色在该像素中没有，而255 则代表相应的基色在该像素中取得最大值。,2020年7月28日,更高精细级别的采样与量化处理将产生几乎接近模拟图像的高清晰的数字图像，如现在的数字医学X图像在存储量化后已达到每个像素点用12Bit来表示，其灰度多达04096个级别。对所有的像素都完成上述转化后，图像就被表示成一个整数矩阵。经过数字化处理后，得到的数字矩阵就被作为计算机处理的对象。,2020年7月28日,经过采样、量化后，一幅模拟

51、图像就会离散成为MN个字节的适用于电子计算机处理的数字图像。在图像数字化过程中把原来连续变化的模拟图像信息变成离散的数字图像信息，即在数字化过程中会带来一定的信息误差，但由于人的眼睛对于空间分辨率都是有限的，因此只要恰当地选取采样间隔与量化的灰度级数，提高图像的采样精度，增加像素点和灰阶级数，上述误差（像素点间距的误差）是可忽略不计的。,2020年7月28日,通常用“分辨率” 描述数字图像的特性： 一般分辨率表示图像垂直与水平方向的像素点的数量。通常用每英寸的像素点数dpi（dotper inch）多少来衡量数字图像的清晰度。数字化图像中，分辨率越高，图像越清晰，所产生的图像文件也就越大，在图

52、像处理工作中所需的内存和CPU处理时间也就越多。一个分辨率相同的图像，如果图像尺寸不同，它的文件大小也不同，尺寸越大所保存的文件也就越大。 医学成像的分辨率分为空间、密度、时间三种。,2020年7月28日,空间分辨率：为图像中相距很近的两个高对比度的物体细节分辨的能力。常用的计量单位是单位距离内多少线对，即Lp/mm。空间分辨率与图像矩阵的大小相关，它与单位面积内含有的像素的数量成正比，又称高对比分辨率。决定数字成像空间分辨率的因素，主要是矩阵和像素，构成图像的矩阵越大，像素数量就越多，像素的点间距就越小，图像的分辨率就越高，图像显示的细节和层次就越清晰。反之，矩阵小，像素的点距增大，图像分辨

53、率就要降低。,2020年7月28日,密度分辨率（灰度或灰阶分辨率）：为图像中可辨认的密度差别的最小极限，即对细微密度差别的分辨能力。以单位图像幅度上包含的灰度级别，也就是亮度层次的多少来计算。每个像素的灰度级一般图像为8bit，高精度图像为12或16bit。 时间分辨率：也称动态分辨率，在医学影像中指设备旋转360度所需的时间。时间分辨率越高，所需扫描成像的时间越短，产生图像运动伪影的几率越少，图像质量越高。目前医学影像设备中（如多排螺旋CT），许多已能实现亚秒时间分辨率。,2020年7月28日,数字化影像的精度等级： 诊断依据：反映原始图像精度 医疗中参考：可进行一定压缩 教学：可进行较大幅

54、度的有损压缩,2020年7月28日,数字图像精度（参见P13表2.1） 医学成像系统产生的数字图像精度，受成像方法的技术限制。 X线投影图像精度：1024*1024*10bit以上 计算机扫描重建图像：512*512*8bit以上 数字医学图像特点：两高一大（高分辨率、高精度（高灰阶值）、大数据量）。,2020年7月28日,常见医学影像信息容量,名 称 一幅图像容量 每次图像数 总容量 MRI 25625612(16) 60 8MB CT 51251212(16) 40 20MB 数字X片 2048204812 2 16MB,2020年7月28日,三、数字医学图像的标准,为了使医学图像信息在不

55、同的设备和系统之间进行信息传输、交互和共享，必须制定通信接口和数据存储格式的标准。 HL7：主要是各种医疗信息系统之间的各项电子资料的标准。重点是规定了关键文本信息在医疗信息系统（如HIS、RIS、PACS）间交换的数据格式和通信协议。,2020年7月28日,DICOM：数字医学图像的标准格式和通信协议，是医学图像和PACS必须遵循的标准。主要目标是为了在各种医疗成像设备产品之间提供一致性接口，使设备实现互操作。 医学图像信息模型：要将不同来源的图像数据集成在一个单一的环境中，必须有一个通用的信息模型来承载图像数据；按病人身体检查的流程和特点，构建了四个层次。（参见P15） 医学图像类型：针对

56、不同成像设备定义了不同类型的图像信息对象（IO），包括特定类型成像设备的详细信息；针对采自视频和胶片方式的图像定义了专门的图像信息对象。,2020年7月28日,四、数字医学图像的获取,数字医学图像获取是数据输入到PACS中的第一步和关键环节。 数字图像采集设备要求具备下列特性： 很容易集成到日常的临床应用环境中； 设备具有高可靠性和容错性 具有简单直观的用户操作接口及较高的执行效率。,2020年7月28日,常见的图像采集设备,图像采集设备的主要作用是采集并量化原始的的模拟图像数据，并将转换后的数字图像保存。计算机在接收到图像的数字信息后，将其读入计算机的内存储区中。 图像采集设备主要涉及成像及

57、模/数转换技术。 常用的图像采集设备有摄像机、图像采集卡、图像扫描仪、数码相机等。,2020年7月28日,图像数据采集及输入系统,影像采集系统构成了医学数字图像进入PACS的一个电子入口，医学数字影像源主要包括模/数转换设备与数字化成像设备两大类。其中模/数转换设备是指能够将模拟影像转换为数字影像的一类装置或设备。 影像数据在网络上进行无障碍传输的基础是遵循DICOM 3.0标准。,2020年7月28日,数据获取来源： 支持DICOM3.0的设备（CR、DR、CT、MRI、PET、DSA等）。 非DICOM3.0格式影像数据 模拟影像数据,2020年7月28日,图：不同影像获取方式,2020年

58、7月28日,放射科检查中，包括颅骨、胸部、乳房、腹部和骨骼等器官的大部分检查结果会保存在X线胶片上，对胶片信息通常采用激光数字化仪、CCD数字化仪等设备将图像转化为数字格式以便进一步处理。,2020年7月28日,由于胶片数字化过程时间长，效率低，因此还有一种更为简单便捷的数字化方法视频扫描技术。主要通过电视摄像机扫描X线胶片，并对获得的视频信号进行模数转换从而得到数字化图像，其特点是获取图像的速度快，操作简单，价格便宜，但图像质量一般。,2020年7月28日,图像采集是PACS系统的“根”，是系统能够正常运行的基本点。只有采集到图像后，才能进行后续的显示、处理等工作，采集的图像质量决定PACS

59、系统是否可用以及是否具有实际意义。 图像的采集可分为两种类型： 静态图像，主要是单帧图片，例如腹部超声发现的结石图像。 动态图像，为一段或多段连续的图像系列，如心脏超声可以采集一个或多个心动周期的图像。根据超声仪器的特点，决定了其图像采集的方式，目前大体有两种方式：数字图像以及视频图像的采集。,2020年7月28日,数字图像采集 数字图像直接通过网络实现图像采集。以超声仪器为例，该方式的前提：一是超声仪器为数字化超声仪，二是其图像支持国际医学图像标准DICOM标准，三是开发支持对应格式的图像存贮、显示等软件。该方式实现起来比较简单，只要超声仪通过网络与图像存贮设备例如图像存贮工作站连接即可。该方式要求超声仪器本身支持DICOM标准。,2020年7月28日,视频图像采集 视频图像的采集是将超声仪器输出的视频信号通过计算机转化为数字信号。具体是通过图像采集卡将超声仪器的图像采集到工作站，然后保存到存贮设备中。,2020年7月28日,DICOM网关（Gateway）：是将不支持DICOM标准的影像数据转换成支持DICOM标准影像数据的装备，它主要是在PC系列中配