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1、L O G O医学影像成像原理医学影像成像原理第二章第二章 数字图像基础数字图像基础v人眼的光亮感觉780380nm 可见光人眼的视敏特性人眼的视敏特性人眼最敏感的光波长为555 nm， 颜色是草绿色草绿色， 这一区域颜色， 人眼看起来省力， 不易疲劳。人眼的亮度感觉人眼的亮度感觉v人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别v在在不不同同环环境境亮亮度度下下对对同同一一亮亮度度所所产产生生的的主主观观亮亮度度感觉。感觉。v人眼的亮度感觉特点：人眼的亮度感觉特点： 对比度v对对比比度度是是客客观观景景物物最最大大亮亮度度Bmax与与最最小小亮亮度度Bmin之
2、比之比。灰阶v灰阶是亮度的级差或亮度层次，它反映图灰阶是亮度的级差或亮度层次，它反映图像明、暗层次的程度。像明、暗层次的程度。分辨力分辨力v分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。分辨力测试的方法人眼对活动图像的分辨力低于对静止图像的分辨力视觉暂留（视觉惰性）视觉暂留（视觉惰性）v人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度是不同步的。 当一定强度的光突然作用于视网膜时， 不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉， 而是按近似指数规律上升； 当亮度突然消失后， 人眼的亮度感觉并不立即消失， 而是按近似指数规律下降。 人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的， 这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。视觉暂留时间0.050.
3、2s 彩色三要素彩色三要素v亮亮度度：是是指指彩彩色色光光作作用用于于人人眼眼引引起起的的明明暗暗程度的感觉。程度的感觉。v色调：指彩色光的颜色类别。色调：指彩色光的颜色类别。v饱和度：是指颜色的深浅程度。饱和度：是指颜色的深浅程度。三基色原理三基色原理v自然界中一切彩色都可以分解成红、绿、蓝三种自然界中一切彩色都可以分解成红、绿、蓝三种独立色。独立色。v用红、绿、蓝可以按不同比例配成自然界中不同用红、绿、蓝可以按不同比例配成自然界中不同的颜色。的颜色。绿绿黄黄青青红红绿绿蓝蓝品红品红像 素v组成图像的细小（基本）单元称为像素组成图像的细小（基本）单元称为像素v黑白图像两个基本要素黑白图像两个
4、基本要素灰度灰度构成图像至少两个灰度构成图像至少两个灰度空间位置空间位置构成图像至少两个空间位置构成图像至少两个空间位置v彩色图像三个基本要素彩色图像三个基本要素亮度亮度空间位置空间位置色彩色彩色调、饱和度色调、饱和度v活动图像四个基本要素活动图像四个基本要素亮度亮度空间位置空间位置色彩色彩色调、饱和度色调、饱和度时间时间图像的表示方法图像的表示方法v黑白图像二维或三维,以灰度反映客观景物。彩色图像彩色图像v真彩色图像图像色彩与景物色彩完全一致v伪彩色图像人为编制彩色序列与原图像特征成定量对应关系。v假彩色图像人为地赋予图像色彩，与原图像特征无定量关系。函数形式图像函数形式图像v函数形式图像（
5、x,y,z,t,.) 便于书写，无图像直观性数字形式图像数字形式图像便于传输、保存，抗干扰性强，无直观性，需数模转换显示图像。点阵采样什么是数字图象处理什么是数字图象处理v数字图象处理就是利用计算机系统对数字图象进数字图象处理就是利用计算机系统对数字图象进行的具有各种目的的处理。行的具有各种目的的处理。v数字图象处理也离不开模拟技术数字图象处理也离不开模拟技术，为实现人机，为实现人机对话和自然的人机接口，持别需要人去参与观察对话和自然的人机接口，持别需要人去参与观察和判断的情况下，模拟图像处理技术是必不可少和判断的情况下，模拟图像处理技术是必不可少的。的。什么是医学图象处理什么是医学图象处理v
6、医学图象处理就是利用计算机系统对生物医学图医学图象处理就是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。象进行的具有临床医学意义的处理和分析。医学图像处理的意义医学图像处理的意义v图象是人们从客观世界获取信息的重要来源图象是人们从客观世界获取信息的重要来源视觉信息占视觉信息占6070。v图像信息处理是人类视觉延续的重要手段图像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。可成像的射线有：不仅仅是可见光。可成像的射线有： 射线射线X射线紫外线红外线微波射线紫外线红外线微波v利用图像处理技术把这
7、些不可见射线转换成可见利用图像处理技术把这些不可见射线转换成可见图像，大大延伸了医生视觉器官的功能，扩大了图像，大大延伸了医生视觉器官的功能，扩大了诊断范围。诊断范围。数字图象的表示f (x，y)X、y代表空间坐标，函数值f代表该点的灰度格栅化矩阵像素xy层次对比度清清晰晰度度清晰度：被发现的细节图像清晰度：被发现的细节图像清清晰晰度度清清晰晰度度清清晰晰度度清清晰晰度度清清晰晰度度数字图象处理的特点数字图象处理的特点v图像信息量大图像信息量大 一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素一幅图像可看成是由图像矩阵中的像素(pixel)组组成的，每个像素的灰度级一般采用成的，每个像素的灰度级一般采用8b
8、it(灰度图象灰度图象)，高精度的可用，高精度的可用12或或16bit。一。一 般分辨率的图像般分辨率的图像像素数为像素数为256256、512512，高分辨率图像像，高分辨率图像像素数可达素数可达10241024或或20482048。 v图像处理技术综合性强图像处理技术综合性强 在数字图像处理中涉及的基础知识和专业技术相在数字图像处理中涉及的基础知识和专业技术相当广泛：通信技术、计算机技术、电子技术、电当广泛：通信技术、计算机技术、电子技术、电视技术，以及数学、物理学等方面的基础加识。视技术，以及数学、物理学等方面的基础加识。数字图像处理的主要方法及主要内容数字图像处理的主要方法及主要内容一
9、、数字图像处理方法一、数字图像处理方法 1空域法空域法 把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对二维函数进行相应的处理。直接对二维函数进行相应的处理。 2变换域法变换域法首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵列，然后在施行各种处理，处理后再反变换到空间域，然后在施行各种处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。包括：滤波、数据压缩、特征提得到处理结果。包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。取等处理。v图像信息的获取、图像信息的存储、图象信息的图像信息的获取、图像信息的存储、图象信息的传送、图像信息
10、处理；图像信息的输出和显示。传送、图像信息处理；图像信息的输出和显示。1图象获取图象获取 包括摄取图像、光电转换及数字化等包括摄取图像、光电转换及数字化等方法有如下几种：电视摄像机、飞点扫描器、扫方法有如下几种：电视摄像机、飞点扫描器、扫描鼓、扫描仪、显微光密度计、遥感常用图像获描鼓、扫描仪、显微光密度计、遥感常用图像获取取二、数字图像处理主要内容二、数字图像处理主要内容2图象存储图象存储 磁带、磁盘或光盘。为解决海量存储问题，主要磁带、磁盘或光盘。为解决海量存储问题，主要研究数据压缩、图像格式和图像数据库技术等。研究数据压缩、图像格式和图像数据库技术等。3 图像传输图像传输 内部传送多采用内
11、部传送多采用DMA（Direct Memory Access）技术）技术 外部远距离传送主要解决占用带宽外部远距离传送主要解决占用带宽4图像处理图像处理 几何处理、算术处理、图象增强、图像复几何处理、算术处理、图象增强、图像复原、图象重建、图像编码、图像识别和图原、图象重建、图像编码、图像识别和图象理解象理解 v硬拷贝硬拷贝:照相、激光拷贝、彩色喷墨打印等照相、激光拷贝、彩色喷墨打印等v软拷贝软拷贝: CRT显示器、液晶显示器显示器、液晶显示器(LCD)、场致发场致发光显示器光显示器(FED)5. 图像的输出与显示图像的输出与显示医学图象处理及研究内容医学图象处理及研究内容一、超声图象一、超声
12、图象分为回波法和多普勒法两大类分为回波法和多普勒法两大类v回波法是利用超声波在两种声阻抗不同的物质界回波法是利用超声波在两种声阻抗不同的物质界面处的反射来检测脏器的构造及其运动的。面处的反射来检测脏器的构造及其运动的。界面：两个介质的分界面声阻差：两个介质声阻抗 的差值利用回波法成象可以有多种方法利用回波法成象可以有多种方法A型是显示一束超声波及其回波的距离和幅值型是显示一束超声波及其回波的距离和幅值(强强度度)，这种方式不利于图象显示。，这种方式不利于图象显示。把回波的强度用显示光点的辉度来表示即把回波的强度用显示光点的辉度来表示即B型显型显示。示。B型显示中每一射束超声波及其回波与图象型显
13、示中每一射束超声波及其回波与图象中的一行相对应，所以特别有利于形成图象。中的一行相对应，所以特别有利于形成图象。不改变超声波束的方向，把各次超声发射的回波不改变超声波束的方向，把各次超声发射的回波对时间展开构成图象，即成对时间展开构成图象，即成M型超声图象，型超声图象，M型超型超声图象常用来观察脏器的运动。声图象常用来观察脏器的运动。v多普勒法是利用运动物体反射的超声波多普勒多普勒法是利用运动物体反射的超声波多普勒效应来检测运动物体的速度及方向的。效应来检测运动物体的速度及方向的。 在声源与观察者作相对运动时，声波密集，频率增高；在背向运动时声波疏散，频率减低，这种引起声波频率变化的现象为多普
14、勒效应。 探头工作时，换能器发出超声波，由运动着的红细胞发出散射回波，再由接收换能器接收此回波。（6）超声多普勒组织成象）超声多普勒组织成象(DTI)增益调节器增益调节器高通滤波器高通滤波器信号选择信号选择自相关自相关多普勒信号多普勒信号系统控制系统控制DFIDTI速度测量速度测量数字扫描转换数字扫描转换彩色编码彩色编码数模转换数模转换彩色监视器彩色监视器 多多普普勒勒组组织织成成像像流流程程图图（DFI：彩彩色色多多普普勒勒血血流流成成像，像，DTI：多普勒组织成像）：多普勒组织成像）二、X射线图象X线图象建立在当线图象建立在当X线透过人体时，各种线透过人体时，各种脏器与组织对脏器与组织对X
15、线的不同吸收程度的基础上，因而线的不同吸收程度的基础上，因而在接收端将得到不同的射线强度。接收端射线强在接收端将得到不同的射线强度。接收端射线强度的变化，如被记录在底片上就变成灰度的变化，度的变化，如被记录在底片上就变成灰度的变化，如通过影象增强管，则就变成了辉度的变化。如通过影象增强管，则就变成了辉度的变化。X线断层摄影技术线断层摄影技术X线线CT技术技术X光数字减影光数字减影 X光机光机+造影剂造影剂+计算机数字图象系统计算机数字图象系统(1)传统传统X光及光及X光负片，医生肉眼观察光负片，医生肉眼观察 X线管线管荧光屏荧光屏(2) 影像增强器影像增强器 ， 暗室操作暗室操作明室操作明室操
16、作 ，数字存储（图象冻结），数字存储（图象冻结）。 X线管线管影像增强器影像增强器摄象机摄象机监视器监视器录象机录象机数字化仪数字化仪 (3) X光机向数字光机向数字X光机发展光机发展人体组织中大量存在氢原子核（人体组织中大量存在氢原子核（H）或称质子，具有自旋）或称质子，具有自旋及磁矩的物理性能。在外加磁场的作用下，质子以一种特及磁矩的物理性能。在外加磁场的作用下，质子以一种特定方式绕磁场方向旋转。在经受一个频率与质子自旋频率定方式绕磁场方向旋转。在经受一个频率与质子自旋频率相同的射频脉冲激发，便引起质子共振，即所谓核磁共振，相同的射频脉冲激发，便引起质子共振，即所谓核磁共振，并发生质子相位
17、与能级变化。在射频脉冲停止激发后，质并发生质子相位与能级变化。在射频脉冲停止激发后，质子的相位和能级又由非平衡状态转入平衡状态。亦即由激子的相位和能级又由非平衡状态转入平衡状态。亦即由激发后状态转变为激发前状态。这个过程称为弛豫过程，经发后状态转变为激发前状态。这个过程称为弛豫过程，经历的时间称为弛豫时间（历的时间称为弛豫时间（T1和和T2）。这些能级变化和相）。这些能级变化和相位变化所产生的信号均能为位于身体附近的接受器所测得，位变化所产生的信号均能为位于身体附近的接受器所测得，经过电子计算机的运算处理转变成图像。经过电子计算机的运算处理转变成图像。 三、磁共振成像三、磁共振成像MRI四、核
18、医学成像系统四、核医学成像系统 将放射性同位素将放射性同位素(RI)作为示踪物质，直接注入人体，作为示踪物质，直接注入人体，并在体外用测定器对它的分布、聚集、变化等进行测定记并在体外用测定器对它的分布、聚集、变化等进行测定记录，所得的图象即为核医学图象。录，所得的图象即为核医学图象。 核医学图象特长：首先，由于可以选择对特定脏器的核医学图象特长：首先，由于可以选择对特定脏器的生理作用有关连的放射性药物，因而可对不同的脏器做图生理作用有关连的放射性药物，因而可对不同的脏器做图象观察和分析研究，即有做选择性造影的能力；其次，由象观察和分析研究，即有做选择性造影的能力；其次，由于放射性药物可以有不同
19、的寿命，因而有可能对放射性物于放射性药物可以有不同的寿命，因而有可能对放射性物质在体内的活动进行长时间的观察，从而有可能测定体内质在体内的活动进行长时间的观察，从而有可能测定体内各脏器的摄取、排泄、循环以及代谢等机能，即具有动态各脏器的摄取、排泄、循环以及代谢等机能，即具有动态机能测定的能力，这些重大特长都是其它医学图象所不具机能测定的能力，这些重大特长都是其它医学图象所不具有的。有的。放射性同位素扫描仪放射性同位素扫描仪 相机：伪彩色成像，诊断脏器的机能相机：伪彩色成像，诊断脏器的机能正电子正电子CT（PET）单光子单光子CT（SPECT）二二 、三维成像、三维成像二二 维成像维成像PET五
20、、其它医学图象研究五、其它医学图象研究1. 红外热像仪红外热像仪红外摄象机红外摄象机图象采集卡图象采集卡彩色监视器彩色监视器计算机计算机（1）用于诊断乳腺癌、甲状腺及浅表肿瘤）用于诊断乳腺癌、甲状腺及浅表肿瘤；（2）安装在眼底照相机上，研究眼底血液循环；）安装在眼底照相机上，研究眼底血液循环；（3）人体运动检测，运动员训练。）人体运动检测，运动员训练。红外热图静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、静脉曲张患者的腿部远红外热像，血管明显增温、增粗，箭头所指处尤为明显。增粗，箭头所指处尤为明显。2. 显微医学图象系统显微医学图象系统 显微镜显微镜+电视摄象机电视摄象机+计算机图象处理系统计算
21、机图象处理系统（1）血细胞分类研究）血细胞分类研究（2）染色体分类研究）染色体分类研究（3）癌细胞识别研究）癌细胞识别研究（4）微循环研究）微循环研究（5）眼科检验仪器：眼底照相机，验光仪）眼科检验仪器：眼底照相机，验光仪显微医学图象3. 电子显微镜电视图象系统电子显微镜电视图象系统 电子显微镜电子显微镜+电视摄象机电视摄象机+计算机图象处理系统计算机图象处理系统专门研究细胞结构专门研究细胞结构4. 内窥镜电视图象系统内窥镜电视图象系统内窥镜内窥镜+电视摄象机电视摄象机+计算机图象处理系统计算机图象处理系统 电子内窥镜电视图象系统示意图电子内窥镜电视图象系统示意图计算机图象处理系统计算机图象处
22、理系统照明光源照明光源光导纤维光导纤维导光孔道导光孔道光导纤维光导纤维导象孔道导象孔道CCD摄象机摄象机脏脏器器物镜物镜彩色监视器彩色监视器录象机录象机导线导线微型内窥镜微型内窥镜微型内窥镜微型内窥镜M2AM2A微型内窥镜的内部结构：微型内窥镜的内部结构：1、光学圆盖 2、透镜固定环 3、透镜 4、照明发光二极管 5、互补金属氧化物半导体成像器 6、电池 7、专用集成电路 8、天线. PACS系统系统PACS系统系统=医学图象数据库医学图象数据库+Internet. 数字人体数字人体（1）1988年，日本东京慈愚会医科大学医学年，日本东京慈愚会医科大学医学工程室工程室 男女各一，健康青年人，全
23、身每男女各一，健康青年人，全身每15mm做一做一幅幅MRI图象，各图象，各120幅图象。幅图象。 a)任意角度断面像；任意角度断面像； b)全身及部分立体像，任意角度观察全身及部分立体像，任意角度观察头部头部胸部胸部（2）1991年，美国国家医学图书馆年，美国国家医学图书馆(NLM)可视化人体项目可视化人体项目 男女各一，尸体男女各一，尸体 可视化男体：可视化男体： CT：轴向分辨率：轴向分辨率1mm，共，共1871幅幅 解剖切片：轴向分辨率解剖切片：轴向分辨率1mm，共，共1871幅幅 可视化女体：可视化女体： CT：轴向分辨率：轴向分辨率1mm，共，共1730幅幅 解剖切片：轴向分辨率解剖
24、切片：轴向分辨率0.33mm，共，共5189幅幅由CT图象分割出的骨骼,并可视化(立体成像,任意角度旋转显示)计算机绘画影响失真度的因素影响失真度的因素焦体距：越大，放大越小。体片距：越小，放大越小。被照部位的摆放：被照部位的长轴应尽量与胶片平面平行，以减小变形。焦点与被照体的相对位置：将被照体置于焦点的正下方，可以减小歪斜失真。数字线成像概述数字线成像概述X线源人体模拟信号A/D计算机储存器PACSD/A图像显示数字数字X摄影系统的基本过程示意图摄影系统的基本过程示意图数字数字X线成像特点线成像特点v辐射量小 对X线能量利用率高，量子检出效率达60%以上。v密度分辨率高对低对比度物体具有良好
25、检测能力。v图像后处理能力强通过计算机对原始数据进行处理。v图像储存方便储存容量大，高保真，便于传输、调阅、拷贝。模拟影像与数字影像模拟影像与数字影像v所谓模拟影像，是以一种直观的物理量来连续地、形象地表现出另一种物理特性的图案。它的特点是：连续、直观、获取方便。图像表现具有概观性与实时动态获取等特点。但模拟影像重复性较差，一旦成像无法再改变或进行后处理；灰阶动态范围小。 v所谓数字影像，指的是完全以一种有规则的数字量的集合来表现的物理图像。数字影像的特点是：灰阶动态范围大；密度分辩率相对较高；线性好；层次丰富；可进行后处理；辐射剂量小。 模拟影像与数字影像实质上的区别模拟影像与数字影像实质上的区别 、成像类型：一个是模拟，一个是数字；、成像特点：一个是一次采集，固定不变；一个是一次采集，多重成像。、存储与传输方式： 一个是硬性存储与传输；一个是无胶片化，软性传输。
