医学图像处理 Medical Image Processing 上海理工大学医疗器械与食品学院 医学影像工程研究所 聂生东 2009.8.6

Outlying Words: everyone should have a dream (ideal，target)（要有梦想/理想） build up the idea of lifetime study（树立终生学习的思想） bring up the character of paying close attention to the front line of subject（培养关注学科前沿的品格） innovative ideology（创新思维/思想）

天道酬勤 It is never too late to learn Learn young，Learn fair

在授课过程中,同学可就授课过程中存在的问题随时向老师提出. 对本课程的简单说明: 上海市教委重点建设课程,专业核心课程 课程组:聂生东,蒋欣,武杰,陈兆学 教材:自编教材(医学图像处理),明年由复旦大学出版社正式出版 参考文献:冈萨雷斯<数字图像处理> 对本课程的基本要求: 按时上课,有事请假 认真听讲,遵守课堂纪律 按时完成作业 通过网络查阅相关资料 在授课过程中,同学可就授课过程中存在的问题随时向老师提出.

Medical Image Processing 医学图像处理 上海理工大学 Medical Image Processing

Introduction of Medical Image Processing 第一章 医学图像处理概论 Introduction of Medical Image Processing

本章主要内容 医学图像处理概述 医学影像技术的发展 医学图像处理技术及其应用 本教材的主要内容

一、医学图像处理概述 1、医学图像处理简介 2、为何设置医学图像处理课程 3、医学图像处理技术的主要内容 4、医学图像处理技术的主要应用领域 5、医学图像处理的基本过程 6、医学图像处理的基本步骤 7、医学图像处理课程需要的基础 8、医学图像处理的主要对象

1、医学图像处理简介 医学图像处理是一门理、工、医等学科高度交叉的新兴学科。为数字图像处理学科的一个重要分支。该学科致力于对人类疾病的发现、诊断、辅助治疗，致力于为探索生命现象提供高水平的科学方法和工程技术手段。因此，医学图像处理学科将始终是朝阳学科。 医学图像处理是利用数学的方法和计算机这一现代化的信息处理工具，对由不同的医学影像设备产生的图像按照实际需要进行处理和加工的技术。

Biomedical image processing has experienced dramatic expansion, and has been an interdisciplinary research field attracting expertise from applied mathematics, computer sciences, engineering, statistics, physics, biology and medicine. 10

Accompanied by a rush of new development of high technology and use of various imaging modalities, more challenges arise; for example, how to process and analyze a significant volume of images so that high quality information can be produced for disease diagnoses and treatment. 11

The principal objectives of this course are to provide an introduction to basic concepts and techniques for medical image processing and to promote interests for further study and research in medical imaging processing. 12

2、为何设置医学图像处理课程 现代医学影像设备一般都配有图像工作站，这些工作站具有丰富的图像处理与分析功能，作为医学影像工程或相关专业的学生应该了解和掌握图像处理的相关内容； 理解和掌握医学图像处理的相关内容，对于充分开发和利用医学影像设备的功能为临床服务至关重要； 理解和掌握医学图像处理的相关内容，也可以为开发出高性能的图像处理软件奠定基础。

3、医学图像处理技术的主要内容 医学图像处理涉及的主要内容包括：医学影像的数字化基础、医学图像的运算、医学图像变换技术、医学图像增强技术、医学图像分割技术、医学图像配准、医学图像三维可视化等。

4、医学图像处理技术的主要应用领域 定量影像学（精确诊断、精确治疗） 基于医学图像的计算机辅助诊断/检测； 虚拟内窥镜； 外科手术术前计划系统； 影像引导下的放射治疗系统； PACS系统/远程诊疗 …

5、医学图像处理的基本过程 打印机 采集 医学影像设备 医学影像 计算机 显示器 PACS INTERNET 远程医疗

6、医学图像处理的基本步骤 针对待处理对象 及处理目的设计算法 修 正 算 编程实现相关算法 法 根据处理结果评价算法 结果好？ N Y 输出结果

7、医学图像处理课程需要的基础 医学成像设备的基本原理：图像的来源、特点（主要目的：了解处理对象） 高等数学：高等代数，积分变换等 计算机程序设计语言(Matlab, C++) 概率论与数理统计

8、医学图像处理的主要对象 X射线(X-ray)图像 CT (Computerized Tomography)图像 MRI (Magnetic Resonance Imaging)图像 超声(Ultrasonic)图像 PET (Positron emission tomography)图像 SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) 图像

二、医学影像技术的发展 1、医学成像技术概述 2、X线成像 3、超声成像 4、CT成像 5、核医学成像 6、MRI/FMRI成像 7、医学图像的发展趋势

1、医学成像技术概述 传统诊断方式及其问题： Look(望），smell(闻），ask(问），feel the pulse(切) X线的发现及其带来的诊断革命 B超成像 X-CT成像 核医学成像 MRI/fMRI成像

Images are the most common and convenient means of conveying or transmitting information. A picture is worth a thousand words. Pictures concisely convey information about positions, sizes and inter-relationships between objects. They portray spatial information that we can recognize as objects. Human beings are good at deriving information from such images,because of our innate visual and mental abilities. About 75% of the information received by human is in pictorial form.

百闻不如一见 One picture is worth more than ten thousand words.

2、X 线 成 像 1895年伦琴发现X线，使得人们通过X线第一次观察到人体内部的结构，为医生确诊疾病的病因提供了重要的信息。

伦琴因发现X射线获得 首届诺贝尔物理学奖（1901年）。

经过百年的发展，应用X 线机可观察人体内部的骨骼、肺结核病变等，通过造影技术，可以观察心脏、血管及消化道等管状器官。X 线机是临床医院必备的医疗设备。随着相关科技的发展，X线投影成像技术，一直在不断地改进和发展。 X线成像技术没有从根本上改变3D物体投影到2D平面的问题。由于处于不同深度的器官的像是重叠在一起的，从而使得X线影像的空间分辨率受到一定限制。

成像模式 X射线成像（最传统X线成像） 原理：X线束直接对准病人需检查的部位，从病人后面透射过人体，借助荧光屏产生可见光并使胶片感光（ 胶片屏幕组合）。组织密度、厚度不同，对X射线吸收、透射X射线强度不同，如肺组织对X线的衰减效应比骨骼小得多。 缺点：不能反映组织和病灶的三维空间；不是数字化的形式

成像模式 X射线成像 原理：透过组织的X线束的强度分布可通过影像增强器转换成电子信号。影像增强器中的荧光屏把X线分布转化成电荷的分布，然后电子被加速，直接打向第二个小荧光屏，放大的光图像就会显示在此屏幕上 优点：无需胶片成像，可以在屏幕上直接显示，图像处理性能强

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DSA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。

The basic principle of DSA

                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。

Computed Radiography, CR

Digital Radiography, DR （Flat Panel Detector, FPD） The main strong points of CR/DR:low radiant dose, high image quality.

CCD-DR X-Ray Tube Flickering Board CCD Reflecting Mirror Lens High Radiation / High Noise Region Low Radiation / Low Noise Region X-Ray Tube Display Image enhancement Flickering Board CCD Raw data capturing Lens Reflecting Mirror

Mammography 乳腺摄影术 Benign lesion - Fibroadenoma

3、超声成像 X线对人体健康是有害的，在第二次世界大战时期发展起来的雷达和声纳的基础上，应用超声脉冲反射原理发展了各种超声成像技术。 超声可以探查出非常细微的病变组织，是X线摄影的有力补充。超声成像也是除了X线以外使用最为广泛的医学成像工具。超声成像依据的是脉冲-回波技术，这个技术和雷达技术相似。 超声成像的缺点是图像对比度差，图像的重复性依赖于操作人员。另外，超声检查的视野有限，难以显示正常组织及较大病变的全貌，也不利于与其它检查图像(如CT，MRI)进行对比。

超声图像 成像模式 原理：利用超声在人体组织内的回波原理，接收回波成像。 16周胎儿的超声图像 肝脏 肾脏 颈动脉

超声图像

超声图像

Ultrasound examination during pregnancy 超声图像 Photo courtesy Philips Research Ultrasound examination during pregnancy

超声图像 Photo courtesy Philips Research 3D ultrasound images

4、CT成像 随着计算机技术的发展，1972年出现了一场医学成像技术的革命。英国工程师Hounsfield因研制成功第一台头部扫描CT，并于1979年获得了诺贝尔医学生物学奖。这是在诺贝尔奖的历史上第一次由工程技术人员获奖。由此可见CT对整个世界的影响。

Hounsfield和Cormack因发明CT获得1979年诺贝尔医学和生理学奖。

成像模式 X-CT计算机断层图像 传统X线图像是投影图像，不能显示真实的器官几何形态，在三维空间前后排列的器官将投射到一个叠加的二维图像上。为了得到一个三维图像，必须获得大量不同角度的图像，通过这些图像，放射学家和医生可构成他们感兴趣的三维图像。 原理：X线管和探测器都装在支架上，可沿一直线移动（平移）和旋转，线管产生已知强度的细束射线，探测器则测量透过的射线强度，得到组织断层图像或三维图像

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。 CT成像解决了传统X线成像因组织重叠造成的图像分辨率不高的问题，实现了组织器官的断层解剖结构的成像。但是，由于与X线成像技术一样，CT成像也是通过检测人体对X射线的吸收量而获得的图像，因此，CT成像对软组织获得的图像的密度分辨率远没有MRI高。

What is CT? CT is a tomographic image modality producing a CT3922, CT AURA CT PRINCIPLES What is CT? CT is a tomographic image modality producing a 2-dimensional representation of a slice of the human body. Voxel Slice X-Ray tube Detector 01.1

Advantage: Disadvantage: CT compared to radiography systems No problem with the superposition of the objects in the human body. Direct visualization of non-calcified soft tissues Disadvantage: More dose Expensive

CT图像

CT图像

CT图像

5、核医学成像 尽管CT技术解决了X线成像技术所不能解决的断层成像问题，但是CT也有其局限性，如对血管病变，消化道腔内病变以及某些病变的难以定性等，而且只能对组织结构进行成像，不能进行功能性成像。 目前常用的影像诊断方法如超声、CT、MRI等提供的是人体解剖学变化的信息。而核医学成像提供的是人体组织器官的新陈代谢变化方面的信息，既功能性信息，这些信息有助于更早地发现疾病，并判断疾病的性质及发展程度。 目前，在核医学领域广泛使用的影像技术是PET 和SPECT ，这两种成像技术又统称为发射型计算机断层ECT（Emission Computed Tomography）。

SPECT(单光子发射CT)成像 原理： 放射性同位素发射伽马射线，经人体后射线衰减，射线透过晶体转换成荧光光子，设备接受光子形成图象。 成像模式 SPECT(单光子发射CT)成像 原理： 放射性同位素发射伽马射线，经人体后射线衰减，射线透过晶体转换成荧光光子，设备接受光子形成图象。 伽马照相机旋转 脑部特性 SPECT可用来处理心脏的三维重建，也可用于脑和骨骼的研究等等

Nuclear medical imaging two imaging modalities: SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography), PET(Positron Emission Tomography) transect

PET 图 像 PET又称正电子发射计算机断层显像仪(Positron Emission Tomography , PET)，是继CT之后出现的又一断层扫描技术，是核医学和CT技术相结合的产物，代表了核医学发展的最高水平，于1976年应用于临床。

PET成像 原理： 放射性同位素注入人体，同位素的正电子在泯灭时发射伽马射线，经检测器阵列接收，根据接收强度成像。 成像模式 PET成像 原理： 放射性同位素注入人体，同位素的正电子在泯灭时发射伽马射线，经检测器阵列接收，根据接收强度成像。 它反映活体靶组织在某一时刻的血流灌注、糖／氨基酸／核酸／氧代谢或受体的分布及其活性状况，可同时给出相应的活性生理功能参数

PET

PET/MRI融合图像

MRI图像与PET图像比较

解剖结构成像（如CT图像）具有很高的空间分辨率，而核医学成像能得到不同器官或脏器的功能性信息。近年来，人们利用图像融合(fusion)技术，把解剖结构图像（CT或MRI图像）与核医学图像融合在一起，使得在一幅图像上既包含组织结构的信息又包含组织功能的信息，这对于神经外科术前计划和脑科学研究中的功能定位等都有重要的作用。

6、MRI/ fMRI成像 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI) 是在X-CT出现后又一重大发明，它是医学、化学、物理学、电子学、电子计算机技术、X-CT技术和磁共振波谱技术等学科相结合的产物。 MRI所提供的信息比X-CT多。因此，有人说MRI是二十一世纪的影像技术。

Isidor Isaac Rabi 1944年诺贝尔物理学奖获得者: 获奖原因:发明了研究气态原子核磁性的共振方法 . 1938年在利用原子核和不均匀磁场研究原子核磁 矩时观察到核磁共振现象.NMR一词就是由他引入.

Bloch和Purcell因发现NMR现象获得1952年诺贝尔物理学奖。 1946年他们分别用不同的方法在常规物质中观察到核磁共振现象,他们的发现和所用的方法成为现代核磁共振的基础.

Alfred Kastler因发明双共振方法——即使原子的光学频率的共振和射频电磁波（赫兹波）的磁共振同时发生的方法,于1966年获得诺贝尔物理学奖。卡斯特勒的方法大大增加了探测磁共振信号的灵敏度，使人们多了一个研究原子能级结构的精密手段，而且从他的工作中已经产生了有价值的实用仪器，例如，在一万年中误差仅为一秒的原子钟和能够测量像地球周围磁场那样弱的磁场的磁强计。

发明MRI中Fourier重建方法的瑞士科学家Richard Ernst获得1991年诺贝尔化学奖。

瑞士科学家Kurt Wüthrich (库尔特·维特里希 )2002年诺贝尔化学奖获得者 瑞士科学家Kurt Wüthrich (库尔特·维特里希 )2002年诺贝尔化学奖获得者.由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究 .

Lauterbur和Mansfield因发明MRI方法获得2003年诺贝尔医学和生理学奖。 美国科学家Paul Lauterbur于1973年发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位置，从而可以得到物体的二维图像；英国科学家Peter Mansfield进一步发展了使用梯度场的方法，指出磁共振信号可以用数学方法精确描述，从而使磁共振成像技术成为可能，他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。

雷曼·达马迪安(Raymond Damadian) 医用磁共振成像仪的发明人

MRI磁共振图像 原理：是以某种方法如通过测量断层组织氢核的密度， 显示身体中某一断面的组织分布图像,由此而获得身体中某断面的二维图像。 成像模式 MRI磁共振图像 原理：是以某种方法如通过测量断层组织氢核的密度， 显示身体中某一断面的组织分布图像,由此而获得身体中某断面的二维图像。 大脑 膝盖 靠近肾脏的动脉 特点：显像时间快、图像清晰

MRI的物理学基础是核磁共振(nuclear magnetic resonance ，NMR)现象，其本质是一种能级间跃迁的量子效应。 MRI较CT具有独特的优点和特点：无电磁辐射损伤，对软组织具有更高的分辩率，多方向、多参数成像方法，无需用造影剂就能对心血管成像。

MRI

MRI图像

fMRI图像

Motor Activation - Right Index Finger Movement %  100 75 50 25 1 Hz 2 Hz 3 Hz Schlaug, et al, 1995, Harvard Medical School and Beth Israel Hospital

Asymmetry of Auditory Regions in Musicians with Perfect Pitch Schlaug, et al, Science 267:699 (1995)

Orthogonal views: sagital , coronal, transverse

Human Neck Plane: Sagittal Sequence: Spin Echo

Wrist Image Coil: Asym STS Sequence: Spin Echo Slice: Coronal TR/TE: 2000/27 ms FOV: 8 cm Thk: 1.5 mm Matrix: 256x256 Nex: 1

Hydrocephalus MRI Center, University of Rochester Medical School

Image Contrast (T2) SIGNAL Tumor White TE

MR Angiography Head S/I Projection MRI Center, University of Rochester Medical School

Proton NMR Spectroscopy in Multiple Sclerosis Normal-Appearing White Matter Active Plaque CHO Choline Cr Creatine NAA N-acetyl aspartate LA Lactate PM Matthews, Neurology 41:1252 (1991)

7、医学图像的发展趋势 根据医学图像发展的历史,可以看出,医学图像的发展是沿着三个方向,即逐步从模拟成像向数字成像,从结构成像向功能成像，从2D成像向3D成像发展.

不同医学影像都有其特点，在临床上扮演着不同的角色，任何一种成像技术都不能代替其他成像技术，它们相辅相成，互相补充。 任何事物的发展都是从量变到质变的过程，肿瘤的发展也是这样。根据统计学方法的研究结果，SPECT可以比CT提前3个月诊断出癌症，PET一般比SPECT还要早3个月诊断出癌症。分子影像学。

由于医学图像能够提供大量用其他方法所不能提供的信息，所以医学成像技术的发展非常迅速，各种新技术几乎无一不在医学成像技术中得到应用。 医学图像几乎全部是把肉眼不可见的信息变成可见信息，从而为临床诊断提供有价值的依据。

医学图像的形式 根据用于成像的物质波的不同，我们可以把医学图像分成五种形式：X线图像，放射性同位素图像，超声图像和磁共振图像. 根据成像设备是对组织结构（形态）成像还是对组织功能（代谢）成像，我们可以把医学图像分成两类，即医学结构图像和医学功能图像.

三、医学图像处理技术及其应用 辅助临床诊断与处置 基于图像导航的手术与治疗 计算机辅助检测与诊断 虚拟现实技术 医学科学研究

Diagnosing Disease CT UV ISE MRI HPLC US Chemist Radiologist TLC Pathologist Neurologist FFM EEG Physician Neuro Physiologist Cardiologist EMG ECG Diagnosis

辅助临床诊断 presurgical surgical patient Medical imaging Image processing Treatment method Surgical treatment surgical

计算机辅助诊断

基于图像导航的手术与治疗

神外导航

计算机辅助检测与诊断 eDiamond (用于乳腺癌普查）

eDiaMoND Mammograms have different appearances, depending on image settings and acquisition systems Temporal mammography Standard Mammo Format Computer Aided Detection 3D View

虚拟现实技术 Endoscopy

虚拟现实技术 Virtual Endoscopy

医学科学研究与发展

四、本教材的主要内容 医学图像的运算 医学图像变换 医学图像增强 医学图像分割 医学图像的重建与可视化 医学图像的配准与融合 医学图像的复原 基于医学图像的计算机辅助诊断技术 fMRI及SWI图像处理分析技术 医学图像存储与传输系统(PACS)

作业1 1.通过互联网查询医学成像技术发展 的有关内容，简要总结医学成像技术的发展过程和发展趋势。 2. 通过互联网查询医学图像处理技术包含哪些主要内容？简要总结医学图像处理技术的主要应用有哪些？