生物医学工程专业概论-医学图象处理.ppt

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1、生物医学图象（BioMedical Image，BMI）,Lin，JL(Associate Prof.)November 12th，2010BioMedical Engineering Department of Materials School，Sichuang University,生物医学工程的重要分支,遥感图片,计算机合成图象,阿波罗登月（1969年7月20日，人类实现第一次登月着陆）,生物医学图像学（BMI),是一门古老而年轻的学科它的产生可追溯到公元15 16世纪，甚至更早时期现代科学技术和现代医学的飞速发展，使它成为一门蓬勃发展的具有代表性的现代学科,主要内容,1 研究的对象、研

2、究目的2 研究的任务3 主要的医学图象4 医学图象处理的目的、意思、手段,1 研究的对象、研究的目的,自然界中的生物体：小到原生质的分子、原子，大到微生物、动物体和人体。以生物体各种不同层次的组织、结构为主要研究对象；研究获取这些图象的原理、方法和成像技术；并根据不同生物医学图象的特点解决提高图象的质量，进行图象的数据重建等一系列的技术问题，从而探明系统的功能(正常、异常、演变过程)，获取生物技术、医学诊断、治疗有价值的信息和资料。,2 研究任务,生物医学成像技术生物医学图象处理技术生物医学图象临床应用技术,将有用信息提取出来，并以图象的形式进行显示。被提取的信息可以是形态的，功能的，或者是成

3、份的等。所显示的形式可以是一维的、二维的，或者是三维的；甚至是四维等不同层次的图象。,在获得图象之后，对其进行去噪、增强、分割、特征提取、分析、识别、分类、解释等。,达到客观诊断的目的，帮助最优治疗方案的选择、确定和实施。,生物医学成像及生物图象处理,在生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起着重要的作用。X射线、CT、MRI的发现或发明者获得诺贝尔奖。医学成像及图象处理设备占医院投资中的比例越来越高。仅GE公司下属的北京航卫2003年生产的中低档CT，销售额就达30亿元。发达国家高度重视。以美国为例，它是NSF，NIH的重要资助领域，近年美国还成立了NIBIB（National Instit

4、ute of Biomedical Imaging and Bioengineering）机构专门资助医学成像和生物工程领域的研究,分类,生物医学显微图像学(Biomedical micro-imaging，BMMI)研究生物体微观结构和功能为主 人体医学图像处理学(Human body medical imaging，HBMI)以人体宏观解剖学结构及功能为研究对象,主要的显微成像技术,光学显微技术(Optic microscope)电子显微技术(Electron microscopy)扫描隧穿显微技术(Scanning tunnel microscopy，STM)惰性离子显微技术(Inert

5、 ion microscopy，IIM)激光显微技术(Laser microscopy)磁共振显微技术(NMR Microscopy)超声显微技术(Ultrasonic microscopy),医学显微图象,主要的人体浅表图象,人体热图(热像图、红外线分布图等)诊断表皮恶性肿瘤及其转移情况（如皮肤癌、乳腺癌、甲状腺癌）、各类炎症、末梢血管疾病、牙床疾病等人体电位分布图（心电图、脑电图、肌电图、眼电图等）人体磁场分布图（如心磁圈、脑磁图、肌磁图、肺磁图等）以曲线的变化形式展示体内器官或系统的生理状态和生理功能,红外图象,红外图象,静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、增粗，箭头所指处尤为明

6、显。,红外图象,脉管炎患者的腿部远红外热像图，患腿由于血管疾病而血流不畅，导致低温。,EEG,主要的人体医学影像,投影X射线成像(X-ray)X射线计算机断层成像(X-ray Computed Tomography,X-CT)超声成像(ultrasonic，US)放射性核素成像(emission Computed Tomography,ECT)磁共振成像(Magnetic Resonance imaging，MRI)光学、电子学成像(Imaging of optics and electronics)医学成像新技术(微波成像、阻抗成像、磁源成像),重要组成部分,3 主要的医学图象,X-ray,

7、正常肺,气胸,3 主要的医学图象,X|CT,肺肿块,脑膜瘤,肺部病变,白血病,X-CT应用,螺旋CT,CT与常规X射线成像比较,3 主要的医学图象,超声图像,超声图像开端,1942Dr.Karl Theodore Dussik(1908-)第一个发表，用超声波透射脑部,超声图像历史：B-Mode出现,1949Dr.Douglass Howry,W.Roderick Bliss与Gerald Posakony 开发出用人体的反射声波成像之B-mode系统,超声医学图象的特点,无伤害性可以动态显示体内器官的活动情况血流显示目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段分辨率低图象质量差 Speckle

8、noise Dynamic range,超声成像系统的构成,彩色多普勒超声图象（心脏）,彩色多普勒超声图象（肾脏）,我国的超声仪,B超图象（Fetal profile）,B超图象（Fetal profile）,正常颈动脉分叉,颈动脉狭窄,静脉瓣,胆囊Gallbladder,3 主要的医学图象,放射性核素成像ECTPET（正电子CT）,放射性核素成象原理,把放射性同位素标记在药物上引入病人体内，当它被吸收后，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。,ECT：,照相机（Anger照相机）SPECT（S

9、ingle Photon Emission Computerized Tomography 单光子发射计算机断层照相）PET（Positron Emission Computerized Tomography,正电子发射计算机断层扫描，简称PECT或PET）,照相机,输出动态的二维平片（planar）,照相机成像图形显示,输出动态的二维平片（planar）,SPECT,采用横向断层扫描，得到横断面的图像,PET,采用横向断层扫描，得到横断面的图像,CT与PET比较,First Installation in Zurich March 2001,PET/CT,CT与PET硬件、软件同机融合解剖图

10、像与功能图像同机融合同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程高灵敏度、高特异性、高准确性,功能解剖融合图像(Functional Anatomic Mapping，FAM),3 主要的医学图象,MRI,3 主要的医学图象,MRI 颅内错构瘤,MRI图象,MRI成像,MRI设备,GE Signo3.0,MRI功能成像,研究人类视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉与运动，记忆、注意以及人类特有的机能如语言等神经机制方面感觉运动皮质的术前成像用于神经变性疾病、癫痫、中风、中风恢复等临床方面人类特有的精神分裂症、抑郁症、孤独症等精神疾患带来新技术出现，如结

11、合FMRI的MEG、EEG及弥散光学成像(DOT)。,MRI分子成像,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MRI完成于80年代，对医学成像产生意义深远的影响,医学成像方式功能比较-2,功能,特点,X线机,XCT,磁共振,同位素,超声,透视 拍片,无创、无电离辐射 断层成像 实时、动态 形态、功能与定征 设备价格便宜,结构形态 血流测量 组织定征,断层结构,设备简单 电离辐射 影像重叠,断层摄影电

12、离辐射非实时,断层摄影设备昂贵非实时,断层摄影分辨力低放射性药物,断层 结构 代谢 功能,代谢功能,医学成象的发展趋势,多维成象（Multi-Dimensional Imaging）多模式成象（Multi-Modality Imaging）多种图象模式的融合多参数成象(Multi-Parameter Imaging)图象归档与通信系统（Picture Archiving and Communication System:PACS）,4 医学图象处理 之 目的,医学图象处理是一个很复杂的过程利用计算机系统对生物医学图象进行的具有临床医学意义的处理和分析。,4 医学图象处理 之 意义,医学图象作为

13、一种信息源，也和其它有关病人的信息一样，是医生做出判断时的依据。医生在判读医学图象时，要把图象与他的解剖学、生理学和病理学等知识做对照，还要根据经验来捕捉图象中的有重要意义的细节和特征。所以要从一幅或几幅医学图象中判断出是否有异常，或属于什么疾病，是一种高级的脑力劳动。任意拿一张有异常的CT图象、X线照片或超声图象来看，如果不是训练有素的医生，是难以发现图片上的异常的。,图象是人们从客观世界获取信息的重要来源视觉信息占6070，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪。图象信息处理是人类视觉延续的重要手段 人的眼睛只能看到可见光部分，但能够成像的并不仅仅是可见光。一般来说可

14、见光的波长为0.38一0.8m，而迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：射线：0.0030.03nm；X射线：0.033nm 紫外线：3300nm；红外线：0.8300m 微波：0.3100cm,医学图象处理发展的四个阶段,1980年前1984年：医学图像质量较差。二维图像处理与分析，重点是图像分割、配准等。1985年1991年：医学成像设备的发展，MR设备成为越来越重要的数据源。计算机辅助诊断、图像分割、配准、三维重建等是研究重点。1992年1998年：高质量的三维MR图像出现。螺旋CT、超声、SPECT和PET也迅速发展。医学影像处理与分析中的问题越来越复杂，功能图像的处理与分析出现。

15、1999年以后：成像技术更先进。图像处理算法更复杂。例如：功能激活区提取，纤维追踪算法研究。,4 医学图象处理 之 作用,什么是图象？,“图”是物体投射或反射光的分布“象”是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印象或反映。“图象”就是客观和主观的结合。,Photo vs Image,模拟图象（analog image）：照片、电视画面等，特点是速度快，实时并行处理，硬件实现，缺点是精度差，灵活性差，无判断能力和非线性处理能力。数字图象（digital image）：量化的模拟图象，优点是处理精度高，内容丰富，可以进行非线性处理，处理灵活（软件实现），缺点是处理速度、分辨率和精度受限于计算机发展

16、技术。,连续图象数字图象,数字图象的表示,数字图象：用矩阵来表示,医学图象处理的内容,图象增强（灰度变换、直方图修改、图象平滑、边缘增强、伪彩色等）空域增强变换域增强（图象变换：FT、WHT、WT等）图象压缩（变换编码、行程编码、预测编码、差分编码、算术编码等）PACS图象变换：DCT、WT编码方法：如Huffman编码,医学图象分析的内容,图象复原图象分割（特征提取）图象分类与识别（特征提取、模式识别）图象配准与融合多维图象重建与可视化可视化人体数据库虚拟人体,图象增强的目的,采用数学的或数字图象处理的技术手段改善图象的视觉效果，将图象转换成更适合于人眼观察改善图象的特性，使之更适合于机器分

17、析识别的形式，以便从图象中获取更有用的信息。,直方图（Histogram）,Fourier变换：幅度谱,谱的表示,图象增强：对比度调整,图象增强实例：,图象增强实例：,图象增强实例：,伪彩色处理效果,图象增强：滤波,对图象滤波，达到消除图象中的噪声或者增强边缘等提高图象质量，有利于操作者的观察。采用图象滤波处理往往能有效地改善图象的视觉效果。,图象增强：空间域中值滤波,图象增强：自适应加权中值滤波,滤波方法的比较,图象增强：频域滤波,高通滤波低通滤波,边缘检测：什么是边缘？,显微图象的边缘检测,比较,轮廓提取结果,图象压缩（Compression）,Source Image(640 x480

18、pixels)Decompressed at CR=240:1,医学图象编码与压缩的目的,矛盾：图象的数据量巨大图象数据存储和传输能力有限,图象数据量,分割的主要方法,基于门限化的方法基于边缘检测的方法基于象素分类的方法基于人工神经网络的方法基于模糊集理论的方法基于多分辨率分析的方法,图象分割：阈值分割,T,A(x,y),图象分割：边缘提取,图象分割：交互分割,二维分割是对一个个的切片单独分割，将这些分割结果组合起来得到三维的分割结果。三维分割是将所有切片图象数据看作一个整体，由操作者给出初始区域（一般是欲分出的区域中的小块，或欲分出的区域的一些边界点）后，直接在三维空间中用模糊分割等方式进行

19、分割。交互式区域分割是在操作者的干预下，利用同一区域内图象象素在灰度值上的某种一致性，以及同一区域内图象象素在空间上的连续性等等信息来分出区域。它又有三维分割和二维切片分割两种方式。,交互分割示例,图象分割：双特征分割,对于MRI图象，由于多谱图象（T1加权象、T2加权象、质子加权象）具有多参数特性，利用不同加权象提供的信息，系统提供了基于双特征的分割方法，可以获得满意的分割结果。,双特征分割示例,基于“模糊连接”分割的示例,图象分割：灰度剪裁,图象分割：MRI图象,图象分割：细胞显微图象,图象分割：结合纹理,图象分割：滤波后进行,图象分割：三维重建,图象分类,对输入的图象数据进行聚类分析，将

20、图象分成诸如背景，软组织，骨骼等各种不同的类，以便在三维体显示中能辨别不同的类。图象分类可为三维体显示提供参数的。,配准,配准是当把两个或多个现有的图象表示进行符合时所需要的一个处理过程，被配准的对象可以是来自不同时间、不同传感器、不同目标的图象。图象匹配的目的是确定两个图象数据集之间的几何变换关系。,配准与融合,将多种不同成象模态提供的信息联合起来CT&MRI,MRI&PET,MRI&fMRI解剖结构图象和功能图象定义标准的坐标系建立图集和标准数据库引导匹配后的分割或理解对不同图象作算术的和/或统计操作的基础平均统计参数映射变形配准不同时间采集的图象（跟踪病情的发展）,图集和标准数据库,定位

21、、测量,软、硬组织：XCT&MRI,XCT：易于区分软、硬组织MRI：易于区分软组织之间的差别,结构和功能：MRI&PET,Registration of PET&CT,病变的演变和发展,病变的演变和发展,配准中的挑战,多模态图象包含不同的信息形态学和功能联合不同的图象分辨率和各项异性的体素尺度，有时会出现扭曲（失真）多种测量性质（组织、骨、流体、病灶的灰度差异）同一病人的（常为刚性），不同病人的（标准数据库、刚性和弹性），图集与病人之间的（统计特征、刚性和弹性）从刚性到弹性（处理生理与病理的变异性）,特征提取,发现特征 通常特征与图象中的目标有着密切的关系。如：在显微图象中在识别细胞时，细胞

22、的大小、灰度、颜色等是适当的特征。特征选择 从所发现的特征组中的各种各样的评价函数来选定最合适的特征的过程。选定特征应对各种变换的不变性（一般在归一化后均可成立）,图象识别,从图象中识别出所感兴趣的组织、器官或区域,三维局部显示,可以对病变组织或其它感兴趣的组织器官进行分割提取，建立相应的三维模型并进行三维显示。在此基础上可以对病变体或组织器官进行定性甚至定量的分析，辅助医生诊断。,三维局部显示示例,手术模拟,在重建的图象中，模拟手术的切割虚拟现实技术的应用,模拟手术示例,Rendered Images,Rendered Images,医学图象处理与分析中的挑战,对于3D、3Dt和矢量值图象数据，计算机的能力远远超过显示系统的能力。发现表现、科学数据可视化和形状定征的方法，帮助人们理解复杂的、高维的、多模式的图象数据。将图象作为提供场景、可精确测量的工具，进行形态测量、外科手术规划、监控并展现、甚至实时的图象引导的介入治疗。生理/病理解剖目标的变异性将来自于图象的形态测量和功能测量与生物学和病人的结果相关联,