医学图像处理第1章 绪论_课件.ppt

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1、1,医学影像处理,第一章 医学影像的发展,2,第一章 绪论,主要内容：1.1 伦琴开创了人体图像的先河 1.2 CT技术与三维医学图像 1.3 PET技术与功能医学图像 1.4 分子成像技术 1.5 医学图像后处理,3,医学影像学是医学研究领域中的一个重要研究方向。医学影像由于含有极其丰富的人体信息，能以非常直观的形式向人们展示人体内部组织结构、形态或脏器的功能等。因此，医学影像已成为当前医学研究及临床诊断中最活跃的领域之一。,4,医学影像学包括人体信息的获取以及图像的形成、存储、处理、分析、传输、识别与应用等，主要内容可归纳为三大部分：医学影像物理学（成像原理）、医学影像处理技术和医学影像临

2、床应用技术。医学影像物理学是指图像形成过程的物理原理，主要任务是根据临床的需求或医学研究的需要，对成像原理、成像系统的分析研究，将人体内感兴趣的信息提取出来，以图像的形式进行显示，并对各种医学图像的质量因素进行分析。被提取的信息可以是形态的、功能的或成分的等，信息载体可以是电磁波或机械波，所显示的形式可以是一维的、二维的或三维的甚至是四维的等不同层次的图像。,医学影像学的主要研究内容,5,医学影像处理技术是指对已经获得的图像作进一步的处理，如对其进行分析、识别、分割、分类等，确定哪些部分应增强或某些特征应被提取，其目的是使原来不够清晰的图像变得清晰，或者是为了突出图像中的某些特征信息等。医学影

3、像临床应用技术是在诊断和治疗过程中对于需要解决的医学问题，根据各种医学影像的特点，在临床上以最敏感的信息、最快的速度和最经济的手段获得最客观的诊断和最优治疗方案的选择、确定和实施。,医学影像学的主要研究内容,6,医学影像学,X线成像,可见光 成像,X线 计算机 体层成像,磁共振 成像,红外、微波成像,放射性 核素成像,阻抗 成像,超声 成像,医学影像学的分类,外源型X-ray RadiographyX-ray CTUltrasoundOptical:Reflection,Transillumination,内源型SPECTPET,混合型MRI,fMRIOptical FluorescenceE

4、lectrical Impedance,9,德国物理学家伦琴,伦琴夫人手的X光片,1895年德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Rntgen，）发现一种未知的射线，称做“X”射线，并用“X”射线给他夫人的手拍照。这就是人类史上第一次科学技术医学成像。为了纪念他，人们将X射线又叫做伦琴射线。伦琴本人也因为这一重大贡献获得第一个诺贝尔物理学奖。,1.1 伦琴开创了人体图像的先河,10,Chest Radiograph,此后，X光片应用日益广泛，今天，已经成为几乎所有医院不可或缺的常规医学检验手段。,11,X射线成像原理,X射线成像是基于待成像物体各组成部分的密度不同，因而对X射线的吸收

5、不同，从而透射X射线强度差异，在乳胶片上成像的（左图）。X光图片是X射线通路上物体对射线吸收的积分效果。一个大小和密度相同的肿瘤或病灶，无论在体内前、中或后部，它在X光片上表现的图像是一样的（右图）。也就是说，X光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。,12,如果我们设想将人体水平方向上的剖面划分为许多正方形或长方形的小单元（称做象素），然后在人体周围沿园弧方向不断改变X光源及接收探测器的位置。这样，每次X射线通路上都有不同的象素组合，探测器会记录响应的强度值。采用一定的数学方法，我们可以很容易从这些记录的探测器强度值倒推出各个象素的密度。这就是反投影图像重建技术。,1.2 CT技术与三维医学

6、图像,13,正常组织的CT值,单位：Hu，Hounsfield Unit,14,不同的CT扫描方式,15,不同的CT扫描方式,16,3-D 数据结构,17,Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。,18,磁共振成像Magnetic Resonance Imaging,所有物质的原子核都由质子和中子组成，如果质子和中子的总数是奇数的话，原子核就有自旋并产生磁矩。大多数物质都是由数个具有磁矩的原子核，例如 1H,2H,13C,31Na,31P,等构成。,19,MR成像原理简介,20,横向弛豫与纵向弛豫,自旋-晶格弛豫(spin-lattice relaxa

7、tion),自旋-自旋弛豫(spin-spin relaxation),21,三种加权MRI图像,T1 Weighted,Spin Density Image,T2 Weighted,22,三正交显示平面 3-view Imaging,23,功能磁共振图像 Function MR imaging,24,Bloch和Purcell因发现NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖。,25,发明MRI中Fourier重建方法的Ernst获得1991年诺贝尔化学奖。,26,Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。美国伊利诺大学的劳特布尔（Paul Laut

8、erbur）“核磁共振成像之父”英国诺丁汉大学的曼斯菲尔德（Peter Mansfield）,27,超声成像系统原理Ultrasound Imaging,28,心脏B-超图像B-Mode Imaging of Heart,29,心脏多普勒彩超图像Doppler Imaging of Beating Heart,30,1.3 PET技术与功能医学图像,基本原理：将放射性标记的药物注射体内，人体代谢选择的组织或介质，产生放射性发射（SPECT中的伽玛射线或PET中的正电子)。之后，这些发射的光子被体外的探测器捕获，生成放射性示踪剂的分布，得知人体的功能信息。,31,正电子发射断层扫描成像技术Pos

9、itron emission tomography(PET),PET的基本原理是在人体感兴趣的部位注入经放射性核素标记的生物活性示踪剂，例如脱氧葡萄糖、水、氨基酸和多巴胺等。核素衰变过程中产生的正电子很快与人体内的负电子结合。正负电子对湮灭时产生两个沿1800发射的光子。在人体周围圆环形排列的探测器中某一对若在该时刻同时接收到信号，就表明在这两个探测器连线上有一次核素衰变。不同方向多个探测器的计数可以反映示踪剂的空间分布位置和浓度。常使用的核素如18F、13N、15O、11C等。经过计算机对原始数据重建处理,得到高分辨率、高清晰度的活体断层图像，以显示人脑、心、全身其他器官及肿瘤组织的生理和病

10、理的功能及代谢情况。,32,PET成像原理,33,单光子发射计算机断层成像技术Single photon emission computed tomography(SPECT),放射性药物引入人体，经代谢后在脏器内外或病变部位和正常组织之间形成放射性浓度差异，体外的核射线（射线）探头阵列将探测并记录这些差异，经晶体管放大,光电倍增管放大,通过计算机处理成像。,34,SPECT 成像原理,35,SPECT 图像,36,1.4 分子成像 Molecular imaging,源于放射药理学领域，需要以非介入方式很好地理解生物体内基本分子通路。分子成像指对人体或其它生命体内分子和细胞水平上的生物过程的

11、可视化、特性化和测量。成像模式：磁共振成像（MRI）光学成像单光子发射计算机断层图像（SPECT）正电子发射断层图像（PET）超声图像探针和分子互作成像,37,可视人项目,MRICT组织切片,38,2002年“中国虚拟人男1号”数据集在广州南方医科大学（原第一军医大）构建成功。2003年初，被称为“中国虚拟人女1号”的我国首例女性虚拟人数据集在南方医科大学构建成功。,39,人体内部器官半透明显示,40,1.5 医学影像后处理,41,医学图像处理与分析包括：,图像增强技术图像分割技术图像配准技术图像显示技术图像指导治疗图像引导手术医学虚拟环境,42,医学影像应用,43,Medical Appli

12、cation,放射线治疗,44,计算机辅助外科手术,45,X-Ray,46,47,GE 1250MA心血管造影机（DSA）,48,GE 1250MA心血管造影机（DSA）,49,数字X线影像设备,CR（Computed Radiography)系统,50,DR（Digital Radiography）数字放射摄影系统 DirectRay X光直接数字成像采集系统,51,TOSHIBA（东芝）16层多排螺旋CT,52,CT Scanner&Example of CT Image,53,Colonoscopy with spiral CT,Spiral scan,CT(by Picker),54,

13、55,56,GE 1.5T 高场强磁共振扫描系统(MRI）,57,58,MRI,59,Human NeckPlane:SagittalSequence:Spin Echo,60,Wrist ImageCoil:Asym STSSequence:Spin EchoSlice:CoronalTR/TE:2000/27 ms FOV:8 cmThk:1.5 mmMatrix:256x256Nex:1,61,Hydrocephalus（脑水肿）,MRI Center,University of Rochester Medical School,62,MRI Center,University of R

14、ochester Medical School,63,Motor Activation-Right Index Finger Movement,1 Hz2 Hz 3 Hz,Schlaug,et al,1995,Harvard Medical School and Beth Israel Hospital,64,Asymmetry of Auditory Regions in Musicians with Perfect Pitch,Schlaug,et al,Science 267:699(1995),65,PET,66,普及型B超,67,便携式B超,68,69,超声图象,70,超声图象,Photo courtesy Philips Research,71,超声图象,Photo courtesy Philips Research,72,医学图象,73,医学图象,74,Mammography乳腺造影术,Benign lesion Fibroadenoma良性纤维性瘤,