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1、医学计算机与信息技术应用基础课程体系课题项目组,第1章 医学影像技术概论,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,课 程 导 航,1.4,医学影像技术发展历程,1.1,1.2,1.3,医学影像系统成像的物理共性,影响对医学图像评价的因素,计算机医学影像,1.5,医学影像设备的分类与组成,第1章 医学影
2、像技术概论,现代医学影像技术的应用与发展，印证了医学、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。医学影像设备和数字影像介入治疗，代表了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
3、能齐全、分类精细，经历了一个0多年的发展过程。以医学影像设备的发展为例，大致分为七个阶段。,第一张X线照片,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，发现了一种肉眼看不见，但具有很强的贯穿本领，能使某些物质发荧光和使胶片感光的新型射线，即X射线或称X线，并用于临床的骨折和体内异物的诊断。,子弹 X线照片,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）由柯马克和郝恩斯费尔首次研制成功。1979年因此项技术的发明，柯马克、郝恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖。到今天为止CT经历了包括滑环技术、螺旋CT、多层CT、电子束CT的5代发展，现在第6代
4、CT正在研发中。,世界上第一台4层CT扫描机,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。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。,X线管,探测器,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20s1min/层，扫描方式为窄扇形束扫描平移-旋转方式。,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
5、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,大大提高了扫描速度,可用于胸,腹部运动器官的扫描。,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,图像重建过程则基本和普通CT机相同,把这种CT机称为电子束CT,也称超高速CT，特点是扫
6、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,可用于心脏一类运动器官的扫描。CT设备的改进和发展很快,主要目标是在提高扫描速度、检查效率、图像质量和尽量简便操作等方面。,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
7、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，他曾试图应用超声如同X射线一样能穿透颅骨把颅内的病变显示出来，后来改进并采用了脉冲反射式A型超声诊断，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，在体外检查可实时显示体内相关部位结构的切面图，使超声诊断有了突破性的进展，从而扩大了应用范围，可以诊断大部分结构异常疾病。随着
8、设备的不断更新，图像分辨不断提高，至今二维超声仍是超声诊断中最基本的技术。,超声技术因为声波的无损伤性好、对软组织的分辨率较高，用于医学诊断使患者在接受检查时，可以不受到X线的照射损伤，很快被广泛的普及应用到人体的各大组织器官的检查中，尤其是腹部超声检查更是多用。超声设备和技术的不断发展，出现了彩色超声和多普勒超声，大大拓宽了超声诊断检查领域，使得医学影像诊疗水平上了一个新台阶。,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（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是目
9、前最为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术，这一技术在问世不到20年的时间里得到了迅猛发展，设备制造技术和诊断理论日臻完善。目前，MRI设备在大中城市医院已较广泛应用，其对人体组织器官高分辨的图像，为临床提供了更为直观的人体内部结构图像信息及更丰富的有意义的诊疗信息。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。,图1.9国产OpenMark 4000
10、 MRI,图1.10 GE Signa Profile/o MRI,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：,MRI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(magnetic resonance angiographer，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(dynamic contras
11、t-enhanced MRA，DCE MRA)，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
12、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（image plate，IP）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
13、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（digital ray DR）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（attenuation value）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
14、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，如癌细胞治疗愈后或癌细胞扩散转移的情况诊断，可谓实现了“大海捞针”的功效。,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
15、影像数据。,1.2.1 源与目标的作用 医学影像系统成像主要包括以下4个共性：1.源 源，这里是指能够获得医学影像信息的物理能源。可以是来至体外的源，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，如医学X线的放射特性、控制以及输出剂量、入射剂量、人体各组织器官对X线衰减值都是已知和可精确控制的。另外的一种源是注入人体内的源，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
16、)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
17、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从X线成为医学影像成像的体外能源以来，人们已经深入的了解并掌握了X线与人体各器官和组织相互作用的关系、剂量的精确量化指标，严格的人体安全耐受标准、图像清晰度（灰阶）与组织分辨率、空
18、间分辨率的关系，二维图像、彩色图像、三维图像各自与图像信息采集的关系。严格意义上说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来决定的。,X光影像设备的性能指标主要有5个：X线光源尺寸、X线剂量、图像分辨率、图像灰度级和信噪比。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
19、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。,1.3.1 点
20、阵与矢量医学影像点阵图(位图)与矢量图的区别；计算机图像分为点阵图(又称位图或栅格图像)和矢量图形两大类，认识彼此的特色和差异，有助于医学图像的采集、转换、存储、输出等编辑和分析与医学数字图像后处理。位图图像和矢量图形没有好坏之分，只是用途不同而已。因此，整合位图图像和矢量图形的优点，才是处理数字图像的最佳方式。,1 点阵图像(Bitmap)点阵图像，亦称为位图图像或绘制图像，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）。由于每一个像素都具有单独染色（灰阶）的量化值，
21、因此可以通过计算机处理图像的每一个像素或对选择区域进行处理而产生近似相片的逼真效果，诸如加深阴影、亮度、对比度和调整颜色灰度值等操作。当缩小或放大位图的尺寸时也会使原图变形（失真），因为此举是通过减少像素或加大像素点距来改变整个图大变小的。,点阵图像是与分辨率有关的，即在一定面幅（尺寸）的图像上包含有固定数量的像素阵列组成。因此，如果在屏幕上以较大的倍数放大显示图像，或以过低的分辨率打印，位图图像会出现锯齿边缘。以照片为例，如果我们把照片扫描成为位图文件并存盘，一般我们可以这样描述这样的照片文件：分辨率用行像素乘列像素，颜色（灰阶）多少位等等。通常这样的位图文件可以用PhotoShop、ACD
22、 see等软件来处理和浏览。通过这些软件，我们可以把图形的局部一直放大，直到最后一定可以看见一个一个象马赛克一样的色块，这就是图形中的最小元素-像素点。到这里，如果我们再继续放大图象，将看见马赛克继续变大，甚至到一个像素占据了整个窗口，窗口就变成单一的颜色,这说明位图图形不能无限放大。当您处理位图图像时，可以逐个像素的编辑修改,优化微小细节以及增强效果。,位图（原始图）,位图（放大5倍图）,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
23、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、kodak photo CD的*.pcd、corel photo paint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
24、，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)（1）矢量图及矢量图的特性 矢量图，也称为面向对象的图形或绘图图形，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（也叫向量
25、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）,（2
26、）矢量图的文件格式 矢量图形格式也很多，如Adobe Illustrator的*.AI、*.EPS和SVG、AutoCAD的*.dwg和dxf、Corel DRAW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。,矢量图和位图的局部放大,矢量图局部放大,位图局部放大,效果清晰,效果模糊,（3）矢量图形
27、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
28、，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。,单色图和灰度图对比,单色图 灰度图,不同位深度的图像对比,24位,256色,16色,黑白色,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
29、将是区分细胞癌变或正常的重要因素之一。还有采用伪彩色的方法处理灰阶图像，可充分显示和识别不易被发现的结构或层次。,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。评价医学图像分辨率的好坏，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
30、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。,图像由像素组成,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
31、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。这些体素信息其实就是空间分辨率的体现，经过计算机处理后，可以完成人体器官的三维图像重建。高空间分辨率图像可以提供影像监控下的手术导航，如介入治疗，颅脑手术等。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）上显示出来，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*
32、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 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 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。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。,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
33、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 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。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(包括不同色彩)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,4、纹理分析纹理分析是指通过一定的图像处理技术提取出纹理特征参数,从而获得纹理的定量或定性描述的处理过程.纹理是对图象的象素灰
34、度级在空间上的分布模式的描述，反映物品的质地，如粗糙度、光滑性、颗粒度、随机性和规范性等。当图象中大量出现同样的或差不多的基本图象元素时，纹理分析是研究这类图象的最重要的手段之一。,5、配准与融合 医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种(或一系列)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。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。医学影像的融合，就是影像信息的融合，即利用计算机技术，将各种影像学检查如CT-MRI，CT-SPECT，MRI-PET、MRI-DSA等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
35、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。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。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
36、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。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。,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;如：多平面重建（MPR）、最大强度投影（MaxIP）、最小密度投影（MinIP）、平均密度投影（AIP）、表面重建(SSD)、CT仿真内窥镜（CTVE）等。,图1
37、.17额骨骨纤维肉瘤三维重建图像,2数字虚拟人 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。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
38、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2048 1216。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。,
39、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。数字化虚拟人包括三个研究阶段：虚拟可视人、虚拟物理人和虚拟生物人。虚拟可视人是从几何角度定量描绘人体结构，属于“解剖人”；如果其中加入人体组织的力学特性和形变等物理特性，就是第二代的虚拟物理人；而研究人体微观结构及生物化学特性的则属于更高级的虚拟生物人，它是真正能从宏观到微观，从表
40、象到本质全方位反映人体的交互式数字化虚拟人体。,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，在临床诊治中有越来越广泛的应用，比如：(1)介入放射学（Interventional Radiology）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
41、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(Stereoscopic Radiotherapy,SRT)立体定向放射治疗也称为立体定向放射外科学，它是一门新的治疗技术。它是利用CT、MRI或DSA等设备和技术，加上立体定向头架装置对颅内病变区做高精度的定位，经过专用计划治疗系统，既具有实时三维立体显示和计算机处理功能的手术计划系统，作出最优化的治疗计划，运用精准锐利的小截面光子束(mV级)，中心照射方式快速聚焦病变部位，产生瞬间的高能量，杀
42、死肿瘤细胞或截断血管来完成手术。照射时，由于照射光束边缘剂量下降很陡峭，就象刀锋一样锐利，因此如用射线照射时就称为“刀”，如用X线照射时就称为“X刀”。目前不仅可以进行颅内放射治疗，还可以进行全身立体定位放射治疗了，使得临床治疗手段有更多的选择。,1.3.6 虚拟内窥镜 虚拟内窥镜技术（Virtual Endoscope，VE）是将CT和MR获得的原始容积数据与计算机三维图像技术相结合，借助导航技术（Navigation）或漫游技术（Flythrough）以及伪彩技术来逼真地模拟腔道内镜检查的一种方法。具体说来，病人在检查时首先作CT、MRI 或超声等扫描，所得数据传入计算机后进行处理，生成便
43、于计算机显示的数据，然后利用类似虚拟现实的手段对所要检查区域进行显示，在计算机的屏幕上观察是否有病变。显然，整个检查过程没有与病人身体有任何接触，避免了不必要的痛苦。,1.3.7 基于影像的计算机辅助外科(computer aided surgery，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、手术导航(navigator)、手术定位、术前规划提供了客观、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
44、环境中的信息进行手术计划、训练，也称虚拟手术。虚拟手术系统能够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
45、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。如果引入CT等三维图像，就可对具体图像与同行进行交流，在虚拟的空间(virtual space)进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间能与现实空间(患者的术野)及位置能够正确地对应，在手术中就可随时以此作为参考。,3、手术导航 1988年由美国美敦力枢法模丹历有限公司发明了全球第一台红外线光学手术导航系统。它的设计原理是现代影像技术、立体定向技术与先进的计算机技术(包括无线电和信号学等相关领域)有机结合的成果。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。它包括医学图像工作站
46、及一套与之相连的空间定位装置。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，一矢中的，直线达到靶点，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。导航系统主要应用于神经外科、耳鼻喉科
47、、矫形科等，已在各种不同的手术中广泛使用，例如颅内肿瘤和囊肿、颅底病变、脑囊虫、骨病变、血管畸形、癫痫、活检、脊椎手术、矫形手术、介入放射学、颅面重建、内窥镜检查手术、脑电极可视化等。,1.3.8 基于医学影像的计算机辅助诊断 计算机辅助诊断在医学中的应用可追溯到20世纪50年代。1959年，美国学者Ledley等首次将数学模型引入临床医学，提出了计算机辅助诊断的数学模型，并诊断了一组肺癌病例，开创了计算机辅助诊断的先河；1966年，Ledley首次提出“计算机辅助诊断”(computer-aided diagnosis CAD)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
48、学信息的量化处理、统计学分析，直至最后得出诊断。,医学影像中各种影像检查技术包括平片、CT、MRI、超声及PET等，均可引入计算机辅助诊断系统。由于放射科医生的诊病过程是阅片、判断过程，会受到医生经验及知识水平的限制和影响；特别是要发现一个病人的细微病灶会面对大量X光断层扫描图像，由于阅片疲劳、个人的判读标准不一等原因，医生诊断时往往容易遗漏某些细微改变，如肺结节，乳腺内的细微钙化等；如果借助计算机提示病灶的存在及位置，就可以大大提高疾病的诊断准确率，减少误诊与漏诊。,1、基于影像的计算机辅助诊断的实现过程 基于影像的计算机辅助诊断实现过程的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
49、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。,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
50、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。这一步中常用的方法包括决策树、神经元网络（ANN）、Bayes网络、规则提取等方法，目前ANN应用十分广泛，并取得较好的效果。,2、肺结节的自动探测 对于放射科医生胸片中肺结节的定位有时是困难的，普通胸片肺结节的漏诊率可达30%以上。这主要是由于早期和较小的结节灶在正常解剖结构的重叠下难以为放射科医生辨认。常用的CT扫描技术一般层厚为810mm，对于10mm左右的微小结节漏诊严重，而多排螺旋CT可以实现常规薄层CT扫描，对解决小结节漏诊问题提供了可能。通常的方
