《生物医学工程专业概论医学图象处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物医学工程专业概论医学图象处理（126页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生物医学图象（BioMedical Image ，BMI ）LinLin，JL (Associate Prof.)JL (Associate Prof.)November 12thNovember 12th，20102010BioMedical Engineering Department of BioMedical Engineering Department of Materials SchoolMaterials School，Sichuang UniversitySichuang University遥感图片计算机合成图象 阿波罗登月阿波罗登月（19691969年年年年7 7月月月月2
2、020日，人类实现第一次登月着陆日，人类实现第一次登月着陆日，人类实现第一次登月着陆日，人类实现第一次登月着陆 ）生物医学图像学（生物医学图像学（BMI)l l是一门古老而年轻的学科是一门古老而年轻的学科l l它的产生可追溯到公元它的产生可追溯到公元15 16世纪世纪，甚，甚至更早时期至更早时期l l现代科学技术现代科学技术和和现代医学现代医学的飞速发展，使的飞速发展，使它成为一门蓬勃发展的具有代表性的现代它成为一门蓬勃发展的具有代表性的现代学科学科 主要内容主要内容l l1 研究的对象、研究目的研究的对象、研究目的l l2 研究的任务研究的任务l l3 主要的医学图象主要的医学图象l l4
3、医学图象处理的医学图象处理的目的、意思、手段目的、意思、手段1 研究的对象、研究的目的研究的对象、研究的目的l l自然界中的生物体：小到原生质的分子、原子，自然界中的生物体：小到原生质的分子、原子，自然界中的生物体：小到原生质的分子、原子，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。大到微生物、动物体和人体。大到微生物、动物体和人体。大到微生物、动物体和人体。l l以生物体各种不同层次的组织、结构为主要研以生物体各种不同层次的组织、结构为主要研以生物体各种不同层次的组织、结构为主要研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、方法和究对象；研
4、究获取这些图象的原理、方法和究对象；研究获取这些图象的原理、方法和究对象；研究获取这些图象的原理、方法和成成成成像技术像技术像技术像技术；并根据不同生物医学图象的特点解决；并根据不同生物医学图象的特点解决；并根据不同生物医学图象的特点解决；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提高图象的质量，进行图象的数据重建等一系提高图象的质量，进行图象的数据重建等一系提高图象的质量，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列的技术问题，从而探明系统的功能列的技术问题，从而探明系统的功能列的技术问题，从而探明系统的功能( (正常、异正常、异正常、异正常、异常
5、、演变过程常、演变过程常、演变过程常、演变过程) )，获取生物技术、医学诊断、治，获取生物技术、医学诊断、治，获取生物技术、医学诊断、治，获取生物技术、医学诊断、治疗有价值的信息和资料。疗有价值的信息和资料。疗有价值的信息和资料。疗有价值的信息和资料。 2 研究任务研究任务l l生物医学成像技术生物医学成像技术l l生物医学图象处理技术生物医学图象处理技术l l生物医学图象临床应用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将有用信息提取出来，并以图象的形式进行将有用信息提取出来，并以图象的形式进行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显示。被提取
6、的信息可以是显示。被提取的信息可以是显示。被提取的信息可以是形态的形态的形态的形态的，功能的功能的功能的功能的，或者是或者是或者是或者是成份的成份的成份的成份的等。所显示的形式可以是一维等。所显示的形式可以是一维等。所显示的形式可以是一维等。所显示的形式可以是一维的、二维的，或者是三维的；甚至是四维等的、二维的，或者是三维的；甚至是四维等的、二维的，或者是三维的；甚至是四维等的、二维的，或者是三维的；甚至是四维等不同层次的图象。不同层次的图象。不同层次的图象。不同层次的图象。在获得图象之后，对其进行在获得图象之后，对其进行在获得图象之后，对其进行在获得图象之后，对其进行去噪去噪去噪去噪、增强增
7、强增强增强、分割分割分割分割、特征提取特征提取特征提取特征提取、分析分析分析分析、识别识别识别识别、分类分类分类分类、解解解解释释释释等。等。等。等。达到达到达到达到客观诊断客观诊断客观诊断客观诊断的目的，帮助最优治疗方案的目的，帮助最优治疗方案的目的，帮助最优治疗方案的目的，帮助最优治疗方案的选择、确定和实施。的选择、确定和实施。的选择、确定和实施。的选择、确定和实施。生物医学成像生物医学成像及生物图象处理生物图象处理在在生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起生命科学研究、医学诊断、临床治疗等方面起着重要的作用
8、。着重要的作用。着重要的作用。着重要的作用。l lX X射线、射线、射线、射线、CTCT、MRIMRI的发现或发明者获得的发现或发明者获得的发现或发明者获得的发现或发明者获得诺贝尔奖诺贝尔奖诺贝尔奖诺贝尔奖。 l l医学成像及图象处理设备占医院投资中的比例越来医学成像及图象处理设备占医院投资中的比例越来医学成像及图象处理设备占医院投资中的比例越来医学成像及图象处理设备占医院投资中的比例越来越高。仅越高。仅越高。仅越高。仅GEGE公司下属的北京航卫公司下属的北京航卫公司下属的北京航卫公司下属的北京航卫20032003年生产的中低年生产的中低年生产的中低年生产的中低档档档档CTCT，销售额就达销售
9、额就达销售额就达销售额就达3030亿元亿元亿元亿元。l l发达国家高度重视。以美国为例，它是发达国家高度重视。以美国为例，它是发达国家高度重视。以美国为例，它是发达国家高度重视。以美国为例，它是NSFNSF，NIHNIH的的的的重要资助领域，近年美国还成立了重要资助领域，近年美国还成立了重要资助领域，近年美国还成立了重要资助领域，近年美国还成立了NIBIBNIBIB（ National National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering Institute of Biomedical Imaging and Bioengine
10、ering ）机构专门资机构专门资机构专门资机构专门资助医学成像和生物工程领域的研究助医学成像和生物工程领域的研究助医学成像和生物工程领域的研究助医学成像和生物工程领域的研究 分类分类l l生物医学显微图像学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研究生物体微观结构和功能为主 l l人体医学图像处理学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以人体宏观解剖学结构及功能为研究对象主要的主要的显微成像技术显微成像技术l l光学显微技术光学显微技术光学显
11、微技术光学显微技术(Optic microscope)(Optic microscope)l l电子显微技术电子显微技术电子显微技术电子显微技术(Electron microscopy)(Electron microscopy)l l扫描隧穿显微技术扫描隧穿显微技术扫描隧穿显微技术扫描隧穿显微技术(Scanning tunnel microscopy(Scanning tunnel microscopy，STM)STM)l l惰性离子显微技术惰性离子显微技术惰性离子显微技术惰性离子显微技术(Inert ion microscopy(Inert ion microscopy，IIM)IIM)l
12、l激光显微技术激光显微技术激光显微技术激光显微技术(Laser microscopy)(Laser microscopy)l l磁共振显微技术磁共振显微技术磁共振显微技术磁共振显微技术(NMR Microscopy)(NMR Microscopy)l l超声显微技术超声显微技术超声显微技术超声显微技术(Ultrasonic microscopy)(Ultrasonic microscopy)医学显微图象医学显微图象主要的人体主要的人体浅表图象浅表图象l l人体热图人体热图人体热图人体热图( (热像图、红外线分布图等热像图、红外线分布图等热像图、红外线分布图等热像图、红外线分布图等) )诊断表皮
13、恶性肿瘤及其转移情况（如皮肤癌、诊断表皮恶性肿瘤及其转移情况（如皮肤癌、诊断表皮恶性肿瘤及其转移情况（如皮肤癌、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、末梢血管疾乳腺癌、甲状腺癌）、各类炎症、末梢血管疾乳腺癌、甲状腺癌）、各类炎症、末梢血管疾乳腺癌、甲状腺癌）、各类炎症、末梢血管疾病、牙床疾病等病、牙床疾病等病、牙床疾病等病、牙床疾病等l l人体电位分布图人体电位分布图人体电位分布图人体电位分布图（心电图、脑电图、肌电图、（心电图、脑电图、肌电图、（心电图、脑电图、肌电图、（心电图、脑电图、肌电图、眼电图等）眼电图等）眼电图等）眼电图等）l l人体磁场分布图人体磁
14、场分布图人体磁场分布图人体磁场分布图（如心磁圈、脑磁图、肌磁图、（如心磁圈、脑磁图、肌磁图、（如心磁圈、脑磁图、肌磁图、（如心磁圈、脑磁图、肌磁图、肺磁图等）肺磁图等）肺磁图等）肺磁图等）以曲线的变化形式展示体内器官或系统的生理以曲线的变化形式展示体内器官或系统的生理以曲线的变化形式展示体内器官或系统的生理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状态和生理功能状态和生理功能状态和生理功能红外图象红外图象红外图象红外图象静静脉脉曲曲张张患患者者的的腿腿部部远远红红外外热热像像，血血管管明明显显增增温温、增增粗粗，箭箭头头所所指指处处尤尤为为明明显显。红外图象红外图象脉脉管管炎炎患患
15、者者的的腿腿部部远远红红外外热热像像图图，患患腿腿由由于于血血管管疾疾病病而而血血流流不不畅畅，导导致致低低温温。EEG主要的人体主要的人体医学影像医学影像l l投影投影投影投影X X X X射线成像射线成像射线成像射线成像(X-ray)(X-ray)l lX X X X射线计算机断层成像射线计算机断层成像射线计算机断层成像射线计算机断层成像(X-ray Computed Tomography, (X-ray Computed Tomography, X-CT)X-CT)l l超声成像超声成像超声成像超声成像(ultrasonic(ultrasonic，US)US) l l放射性核素成像放射性
16、核素成像放射性核素成像放射性核素成像( ( ( ( emission Computed Tomography,ECT) emission Computed Tomography,ECT) l l磁共振成像磁共振成像磁共振成像磁共振成像(Magnetic Resonance imaging(Magnetic Resonance imaging，MRI)MRI)l l光学、电子学成像光学、电子学成像光学、电子学成像光学、电子学成像(Imaging of optics and electronics)(Imaging of optics and electronics)l l医学成像新技术医学成像新
17、技术医学成像新技术医学成像新技术( ( ( (微波成像、阻抗成像、磁源成像微波成像、阻抗成像、磁源成像微波成像、阻抗成像、磁源成像微波成像、阻抗成像、磁源成像) ) ) )重要组重要组重要组重要组成部分成部分成部分成部分3 主要的医学图象主要的医学图象l lX-ray正常肺正常肺气胸气胸3 主要的医学图象主要的医学图象X |CT肺肺肿肿块块脑脑膜膜瘤瘤肺肺部部病病变变白白血血病病X-CT应用应用螺旋螺旋CT CT与常规与常规X射线成像比较射线成像比较 3 主要的医学图象主要的医学图象l l超超声声图图像像O超声图像超声图像开端开端l1942Dr. Karl Theodore Dussik (1
18、908-) 第一个发表，用超声波透射脑部Karl Theodore Dussik (1908-) Dussik的的脑部影像部影像 超声图像超声图像历史：历史：B-Mode出现出现 1949Dr. Douglass 1949Dr. Douglass Howry, W. Roderick Howry, W. Roderick BlissBliss与与与与Gerald Gerald Posakony Posakony 开发出用人开发出用人开发出用人开发出用人体的反射声波成像之体的反射声波成像之体的反射声波成像之体的反射声波成像之B-B-modemode系统系统系统系统 超声医学图象的特点超声医学图象
19、的特点l l无伤害性无伤害性l l可以动态显示体内器官的活动情况可以动态显示体内器官的活动情况l l血流显示血流显示l l目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段手段l l分辨率低分辨率低l l图象质量差图象质量差 Speckle noiseSpeckle noise Dynamic rangeDynamic range超声成像系统的构成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（心脏）彩色多普勒超声图象（肾脏）彩色多普勒超声图象（肾脏）我国的超声仪我国的超声仪B超图象（超图象（Fetal profile）B超图象（超图象（Fetal p
20、rofile）正常颈动脉分叉正常颈动脉分叉颈动脉狭窄颈动脉狭窄静脉瓣静脉瓣 胆囊胆囊Gallbladder3 主要的医学图象主要的医学图象l l放射性核素成像放射性核素成像放射性核素成像放射性核素成像ECTECTECTECTPETPET（正电子（正电子（正电子（正电子CTCT）放射性核素成象原理放射性核素成象原理l l把放射性同位素标记在药物上引入病人体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内，当它被吸收后，人体自身便成了放射源。源。l l放射性同位素在衰变过程中，将向体外辐放射性同位素在衰变过程中，将向体外辐射射 射线。射线。l l用核子探测器在体外定量地观
21、察这些放射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。性同位素在体内的分布情况，以此成象。ECT：l l 照相机照相机照相机照相机（ AngerAnger照相机照相机照相机照相机）l lSPECTSPECT（ Single Photon Emission Computerized Single Photon Emission Computerized Tomography Tomography 单光子发射计算机断层照相）单光子发射计算机断层照相）单光子发射计算机断层照相）单光子发射计算机断层照相）l lPETPET（Positron Emission Compute
22、rized Tomography,Positron Emission Computerized Tomography,正正正正电子发射计算机断层扫描，简称电子发射计算机断层扫描，简称电子发射计算机断层扫描，简称电子发射计算机断层扫描，简称PECTPECT或或或或PETPET）照相机照相机输出动态的二维平片（输出动态的二维平片（输出动态的二维平片（输出动态的二维平片（planarplanar）照相机成像图形显示照相机成像图形显示输出动态的二维平片（输出动态的二维平片（输出动态的二维平片（输出动态的二维平片（planarplanar）SPECT采用横向断层扫描，得到横断面的图像采用横向断层扫描，得
23、到横断面的图像采用横向断层扫描，得到横断面的图像采用横向断层扫描，得到横断面的图像PET采用横向断层扫描，得到横断面的图像采用横向断层扫描，得到横断面的图像采用横向断层扫描，得到横断面的图像采用横向断层扫描，得到横断面的图像CT与与PET比较比较First Installation in Zurich March 2001PET/CTl lCT与与PET硬件、软件同机融合硬件、软件同机融合l l解剖图像与功能图像同机融合解剖图像与功能图像同机融合l l同一幅图象既有精细的解剖结构又有同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息丰富生理、生化分子功能信息l l可用于肿瘤诊断、治疗及
24、预后随诊全可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程过程l l高灵敏度、高特异性、高准确性高灵敏度、高特异性、高准确性衰减校正衰减校正衰减校正衰减校正功能解剖融合图像功能解剖融合图像功能解剖融合图像功能解剖融合图像( ( (Functional Anatomic MappingFunctional Anatomic MappingFunctional Anatomic Mapping，FAM)FAM)FAM)CTSPECT/PET同机同机同机同机图像融合图像融合图像融合图像融合3 主要的医学图象主要的医学图象l lMRIMRI3 主要的医学图象主要的医学图象MRI MRI 颅内错构瘤颅内错构瘤颅内错
25、构瘤颅内错构瘤MRI图象图象MRI成像成像MRI设备设备GE Signo3.0GE Signo3.0MRI功能成像功能成像l l研究人类视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉研究人类视觉、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如语言等神经机制方面l l感觉运动皮质的术前成像用于神经变性疾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病、癫痫、中风、中风恢复等临床方面l l人类特有的精神分裂症、抑郁症、孤独症人类特有的精神分裂症、抑郁症、孤独症等精神疾患等精神疾患l l带来新技术出现，如结合带来新技术出现，
26、如结合FMRI的的MEG、EEG及弥散光学成像及弥散光学成像(DOT)。MRI分子成像分子成像MRI的突出优点的突出优点l l基于核磁共振，无高能（基于核磁共振，无高能（基于核磁共振，无高能（基于核磁共振，无高能（X XRayRay）辐射，故安）辐射，故安）辐射，故安）辐射，故安全、对人体无创全、对人体无创全、对人体无创全、对人体无创l l可以对人体组织作出形态和功能的诊断；可以对人体组织作出形态和功能的诊断；可以对人体组织作出形态和功能的诊断；可以对人体组织作出形态和功能的诊断；l lfMRIfMRI：磁共振功能成像：磁共振功能成像：磁共振功能成像：磁共振功能成像l l提供精细的解剖结构信息
27、提供精细的解剖结构信息提供精细的解剖结构信息提供精细的解剖结构信息l lMRIMRI分辨率可达分辨率可达0.5mm0.5mm；l l获取人体的三维图像数据较容易获取人体的三维图像数据较容易获取人体的三维图像数据较容易获取人体的三维图像数据较容易l l直接产生三维数据，无需重建直接产生三维数据，无需重建直接产生三维数据，无需重建直接产生三维数据，无需重建MRIMRI完成于完成于完成于完成于8080年代，年代，年代，年代， 对医学成像产生意义深远的影响对医学成像产生意义深远的影响对医学成像产生意义深远的影响对医学成像产生意义深远的影响医学成像方式功能比较医学成像方式功能比较-2功功能能特特点点X线
28、机线机XCT磁共振磁共振同位素同位素超声超声 透视透视 拍片拍片 无创、无电离辐射无创、无电离辐射 断层成像断层成像 实时、动态实时、动态 形态、功能与定征形态、功能与定征 设备价格便宜设备价格便宜结构形态结构形态 血流测量血流测量 组织定征组织定征断层断层结构结构 设备简单设备简单 电离辐射电离辐射 影像重叠影像重叠断层摄影断层摄影电离辐射电离辐射非实时非实时断层摄影断层摄影设备昂贵设备昂贵非实时非实时断层摄影断层摄影分辨力低分辨力低放射性药放射性药物物 断层断层 结构结构 代谢代谢 功能功能代谢代谢功能功能医学成象的发展趋势医学成象的发展趋势l l多维成象（多维成象（Multi-Dimen
29、sional Imaging）l l多模式成象（多模式成象（Multi-Modality Imaging）l l多种图象模式的融合多种图象模式的融合多种图象模式的融合多种图象模式的融合l l多参数成象多参数成象(Multi-Parameter Imaging)l l图象归档与通信系统（图象归档与通信系统（Picture Archiving and Communication System: PACS）4 医学图象处理医学图象处理 之之 目的目的l l医学图象处理是一个很复杂的过程医学图象处理是一个很复杂的过程l l利用计算机系统对生物医学图象进行的具利用计算机系统对生物医学图象进行的具有有临床
30、医学意义临床医学意义的的处理和分析处理和分析。4 医学图象处理医学图象处理 之之 意义意义l医学图象作为一种信息源，也和其它有关病人医学图象作为一种信息源，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、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，是一种常
31、，或属于什么疾病，是一种高级的脑力劳动高级的脑力劳动。任意拿一张有异常的任意拿一张有异常的CT图象、图象、X线照片或超声线照片或超声图象来看，如果不是训练有素的医生，是难以图象来看，如果不是训练有素的医生，是难以发现图片上的异常的。发现图片上的异常的。l l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视觉信息占视觉信息占60607070，人眼灵敏度高，鉴别能力强，人眼灵敏度高，鉴别能力强，人眼灵敏度高，鉴别能力强，人眼灵敏度高，鉴别能力强，不仅可以辨别景物，还能辨别人
32、的情绪。不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪。不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪。不仅可以辨别景物，还能辨别人的情绪。l l图象信息处理是人类视觉延续的重要手段图象信息处理是人类视觉延续的重要手段图象信息处理是人类视觉延续的重要手段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人的眼睛只能看到可见光部分，但能够成像的并不仅仅人的眼睛只能看到可见光部分，但能够成像的并不仅仅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。一般来说可见光的波长为是可见光。一般来说可见光的波长为是可见光。一般来说可见光的波长为是可见光。一般来说可见光的波长为0.380.
33、38一一一一0.80.8 mm，而，而，而，而迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如：迄今为止人类发现可成像的射线已有多种，如： 射线：射线：射线：射线：0.0030.03nm0.0030.03nm；X X射线：射线：射线：射线：0.033nm 0.033nm 紫外线：紫外线：紫外线：紫外线：3300nm3300nm；红外线：；红外线：；红外线：；红外线：0.83000.8300 m m 微波：微波：微波：微波：0.30.3100cm100cm医学图象处理发展的四个阶段医学图象处理发展的四个阶段l l1980
34、198019801980年前年前年前年前1984198419841984年：医学图像质量较差。年：医学图像质量较差。年：医学图像质量较差。年：医学图像质量较差。二维图像处理与二维图像处理与二维图像处理与二维图像处理与分析分析分析分析，重点是，重点是，重点是，重点是图像分割、配准图像分割、配准图像分割、配准图像分割、配准等。等。等。等。l l1985198519851985年年年年1991199119911991年：医学成像设备的发展，年：医学成像设备的发展，年：医学成像设备的发展，年：医学成像设备的发展，MRMRMRMR设备成为越来设备成为越来设备成为越来设备成为越来越重要的数据源。越重要的数
35、据源。越重要的数据源。越重要的数据源。计算机辅助诊断、图像分割、配准、三计算机辅助诊断、图像分割、配准、三计算机辅助诊断、图像分割、配准、三计算机辅助诊断、图像分割、配准、三维重建维重建维重建维重建等是研究重点。等是研究重点。等是研究重点。等是研究重点。l l1992199219921992年年年年1998199819981998年：高质量的三维年：高质量的三维年：高质量的三维年：高质量的三维MRMRMRMR图像出现。螺旋图像出现。螺旋图像出现。螺旋图像出现。螺旋CTCTCTCT、超、超、超、超声、声、声、声、SPECTSPECTSPECTSPECT和和和和PETPETPETPET也迅速发展。
36、医学影像处理与分析中的问也迅速发展。医学影像处理与分析中的问也迅速发展。医学影像处理与分析中的问也迅速发展。医学影像处理与分析中的问题越来越复杂，题越来越复杂，题越来越复杂，题越来越复杂，功能图像的处理与分析功能图像的处理与分析功能图像的处理与分析功能图像的处理与分析出现。出现。出现。出现。l l1999199919991999年以后：成像技术更先进。图像处理算法更复杂。例年以后：成像技术更先进。图像处理算法更复杂。例年以后：成像技术更先进。图像处理算法更复杂。例年以后：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。如：功能激活区提取，纤维追踪算法研究。如：功能激
37、活区提取，纤维追踪算法研究。如：功能激活区提取，纤维追踪算法研究。4 医学图象处理医学图象处理 之之 作用作用什么是图象？什么是图象？“图图”是物体投射或反射光的分布是物体投射或反射光的分布“象象”是人的视觉系统对图的接受是人的视觉系统对图的接受在大脑中形成的印象或反映。在大脑中形成的印象或反映。 “图象图象”就是客观和主观的结合。就是客观和主观的结合。Photo vs Imagel l模拟图象（模拟图象（模拟图象（模拟图象（analog imageanalog image）：照片、电视画面）：照片、电视画面）：照片、电视画面）：照片、电视画面等，特点是速度快，实时并行处理，硬件实现，等，特点
38、是速度快，实时并行处理，硬件实现，等，特点是速度快，实时并行处理，硬件实现，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，无判断能力和非线缺点是精度差，灵活性差，无判断能力和非线缺点是精度差，灵活性差，无判断能力和非线缺点是精度差，灵活性差，无判断能力和非线性处理能力。性处理能力。性处理能力。性处理能力。l l数字图象（数字图象（数字图象（数字图象（digital imagedigital image）：量化的模拟图象，）：量化的模拟图象，）：量化的模拟图象，）：量化的模拟图象，优点是处理精度高，内容丰富，可以进行非线优点是处理精度高，内容丰富，可以进行非线优点是处理精度高
39、，内容丰富，可以进行非线优点是处理精度高，内容丰富，可以进行非线性处理，处理灵活（软件实现），缺点是处理性处理，处理灵活（软件实现），缺点是处理性处理，处理灵活（软件实现），缺点是处理性处理，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技术。速度、分辨率和精度受限于计算机发展技术。速度、分辨率和精度受限于计算机发展技术。速度、分辨率和精度受限于计算机发展技术。 连续图象连续图象数字图象数字图象对连续图象对连续图象 f（x，y）进行数字化进行数字化空间上，图象抽样空间上，图象抽样空间上，图象抽样空间上，图象抽样幅度上，灰度级量化幅度上，灰度级量化幅度上，灰度级量化幅度上，灰
40、度级量化x x方向：抽样方向：抽样方向：抽样方向：抽样MM行行行行y y方向：每行抽样方向：每行抽样方向：每行抽样方向：每行抽样N N点点点点整个图象共抽样整个图象共抽样整个图象共抽样整个图象共抽样MM N N个象素点个象素点个象素点个象素点一般取一般取一般取一般取 M=N=2M=N=2n n=64=64，128128，256256， 512512，10241024，20482048xy数字图象的表示数字图象的表示数字图象：用矩阵来表示数字图象：用矩阵来表示医学图象处理的内容医学图象处理的内容l l图象增强（灰度变换、直方图修改、图象图象增强（灰度变换、直方图修改、图象平滑、边缘增强、伪彩色等
41、）平滑、边缘增强、伪彩色等）l l空域增强空域增强空域增强空域增强l l变换域增强（图象变换：变换域增强（图象变换：变换域增强（图象变换：变换域增强（图象变换：FTFT、WHTWHT、WTWT等）等）等）等）l l图象压缩（变换编码、行程编码、预测编图象压缩（变换编码、行程编码、预测编码、差分编码、算术编码等）码、差分编码、算术编码等）PACSl l图象变换：图象变换：图象变换：图象变换：DCTDCT、WTWTl l编码方法：如编码方法：如编码方法：如编码方法：如HuffmanHuffman编码编码编码编码医学图象分析的内容医学图象分析的内容l l图象复原图象复原l l图象分割（特征提取）图象
42、分割（特征提取）l l图象分类与识别（特征提取、模式识别）图象分类与识别（特征提取、模式识别）l l图象配准与融合图象配准与融合l l多维图象重建与可视化多维图象重建与可视化l l可视化人体数据库可视化人体数据库l l虚拟人体虚拟人体图象增强的目的图象增强的目的l l采用数学的或数字图象处理的技术手段采用数学的或数字图象处理的技术手段l l改善图象的视觉效果，将图象转换成更适合改善图象的视觉效果，将图象转换成更适合改善图象的视觉效果，将图象转换成更适合改善图象的视觉效果，将图象转换成更适合于人眼观察于人眼观察于人眼观察于人眼观察l l改善图象的特性，使之更适合于机器分析识改善图象的特性，使之更
43、适合于机器分析识改善图象的特性，使之更适合于机器分析识改善图象的特性，使之更适合于机器分析识别的形式，以便从图象中获取更有用的信息。别的形式，以便从图象中获取更有用的信息。别的形式，以便从图象中获取更有用的信息。别的形式，以便从图象中获取更有用的信息。直方图（直方图（Histogram）Fourier变换：幅度谱变换：幅度谱幅度谱原图象vu图象表示图象表示函数图形表示函数图形表示谱的表示谱的表示图象增强：对比度调整图象增强：对比度调整图象增强实例：图象增强实例：图象增强实例：图象增强实例：图象增强实例：图象增强实例：伪彩色处理效果伪彩色处理效果图象增强：滤波图象增强：滤波l l对图象滤波，达到
44、消除图象中的噪声或者对图象滤波，达到消除图象中的噪声或者增强边缘等提高图象质量，有利于操作者增强边缘等提高图象质量，有利于操作者的观察。的观察。l l采用图象滤波处理往往能有效地改善图象采用图象滤波处理往往能有效地改善图象的视觉效果。的视觉效果。 图象增强：空间域中值滤波图象增强：空间域中值滤波图象增强：自适应加权中值滤波图象增强：自适应加权中值滤波原始图象结果图象结果图象滤波方法的比较滤波方法的比较(c)AWMF(b)MEDIAN(a)原图图象增强：频域滤波图象增强：频域滤波l l高通滤波高通滤波l l低通滤波低通滤波边缘检测：边缘检测：什么是边缘什么是边缘？A(x)A(x)A(x)A(x)
45、xxxx显微图象的边缘检测显微图象的边缘检测比较比较轮廓提取结果轮廓提取结果(A1)(A2)(A3)(A4)(A5)(A6)(A7)(B1)(B2)(B3)(B5)(B6)(B4)(B7)(C)（A1）原始旋转扫描超声图；（A2）自适应加权滤波后的A1；（A3）A1的二值图；（A4）形态学滤波后的A3；（A5）初始轮廓；（A6）初始轮廓在原图A1中的位置；（A7）A1的最终轮廓；（B1）插值后的超声图；（B2）自适应加权滤波后的B1；（B3）B1的二值图；（B4）形态学滤波后的B3；（B5）B1的初始轮廓；（B6）初始轮廓在原图B1中的位置；（B7）B1的最终轮廓；（C）原始旋转扫描超声图A1
46、在自适应 加权滤波后的Sobel梯度图图象压缩（图象压缩（Compression）Source Image (640x480 pixels) Decompressed at CR = 240:1医学图象编码与压缩的目的医学图象编码与压缩的目的l l矛盾：矛盾：l l图象的数据量巨大图象的数据量巨大图象的数据量巨大图象的数据量巨大l l图象数据存储和传输能力有限图象数据存储和传输能力有限图象数据存储和传输能力有限图象数据存储和传输能力有限图象数据量图象数据量一幅图象（位）一幅图象（位） 图象数图象数/检查检查 文件文件/检查检查 核医学（核医学（NM） 128*128*12 30-60 1-2M
47、B 磁共振成象（磁共振成象（MRI） 256*256*12 60 8MB 超声（超声（US） 512*512*8 20-230 5-60MB 数字减影血管造影数字减影血管造影（DSA） 512*512*8 15-40 4-10MB 计算机断层扫描计算机断层扫描（CT） 512*512*12 40 20MB 计算机放射成象计算机放射成象（CR） 2048*2048*12 2 16MB 数字化数字化X射线摄影射线摄影 2048*2048*12 2 16MB 数字化数字化X射线乳腺摄影射线乳腺摄影 4096*4096*12 4 128MB 分割的主要方法分割的主要方法l l基于门限化的方法基于门限化
48、的方法l l基于边缘检测的方法基于边缘检测的方法l l基于象素分类的方法基于象素分类的方法l l基于人工神经网络的方法基于人工神经网络的方法l l基于模糊集理论的方法基于模糊集理论的方法l l基于多分辨率分析的方法基于多分辨率分析的方法l l图象分割：阈值分割TA(x,y)图象分割：边缘提取图象分割：边缘提取图象分割：图象分割：交互分割交互分割l l二维分割二维分割二维分割二维分割是对一个个的切片单独分割，将这些分割结是对一个个的切片单独分割，将这些分割结是对一个个的切片单独分割，将这些分割结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。果组合起来得到三维的分割结果。果组
49、合起来得到三维的分割结果。果组合起来得到三维的分割结果。l l三维分割三维分割三维分割三维分割是将所有切片图象数据看作一个整体，由操是将所有切片图象数据看作一个整体，由操是将所有切片图象数据看作一个整体，由操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，作者给出初始区域（一般是欲分出的区域中的小块，作者给出初始区域（一般是欲分出的区域中的小块，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，直接在三维空间或欲分出的区域的一些边界点）后，直接在三维空间或欲分出的区域的一些边界点）后，直接在三维空间或欲分出的区域的一些边界点）后，
50、直接在三维空间中用模糊分割等方式进行分割。中用模糊分割等方式进行分割。中用模糊分割等方式进行分割。中用模糊分割等方式进行分割。l l交互式区域分割交互式区域分割交互式区域分割交互式区域分割是在操作者的干预下，利用同一区域是在操作者的干预下，利用同一区域是在操作者的干预下，利用同一区域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灰度值上的某种一致性，以及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。内图象象素在空间上的连续性等等信息来分出区域。内图象象
51、素在空间上的连续性等等信息来分出区域。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。它又有三维分割和二维切片分割两种方式。它又有三维分割和二维切片分割两种方式。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图象分割：双特征分割：双特征分割l l对于对于MRI图象，由于多谱图象（图象，由于多谱图象（T1加权象、加权象、T2加权象、质子加权象）具有多参数特性，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，可以获得满意的基于双特征的分割方法，可以获得满意的分割结果。分
52、割结果。 双特征分割示例双特征分割示例基于基于“模糊连接模糊连接”分割的示例分割的示例 图象分割：灰度剪裁图象分割：灰度剪裁图象分割： MRI图象图象图象分割：细胞显微图象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：滤波后进行(a)原图(b)经中值滤波处理(c)经AWMF滤波处理图象分割：三维重建图象分类l l对输入的图象数据进行聚类分析，将图象对输入的图象数据进行聚类分析，将图象分成诸如背景，软组织，骨骼等各种不同分成诸如背景，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的类，以便在三维体显示中能辨别不同的类。类。l l图象分类可为三维体显示提供参数的。图象分类
53、可为三维体显示提供参数的。配准配准l l配准是当把两个或多个现有的图象表示进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、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。两个图象数据集之间的几何变换关系。 配准与融合配准与融合l l将多种不同成象模态提供的信息联合起来将多种不同成象模态提供的信息联合起来将多种不同成象模态提供的信息联合起来将多种不同成象模态提供的信息联合起来l lCT & MRI, M
54、RI & PET, MRI & fMRICT & MRI, MRI & PET, MRI & fMRIl l解剖结构图象和功能图象解剖结构图象和功能图象解剖结构图象和功能图象解剖结构图象和功能图象l l定义标准的坐标系定义标准的坐标系定义标准的坐标系定义标准的坐标系l l建立图集和标准数据库建立图集和标准数据库建立图集和标准数据库建立图集和标准数据库l l引导匹配后的分割或理解引导匹配后的分割或理解引导匹配后的分割或理解引导匹配后的分割或理解l l对不同图象作算术的和对不同图象作算术的和对不同图象作算术的和对不同图象作算术的和/ /或统计操作的基础或统计操作的基础或统计操作的基础或统计操作的基
55、础l l平均平均平均平均l l统计参数映射统计参数映射统计参数映射统计参数映射l l变形变形变形变形l l配准不同时间采集的图象（跟踪病情的发展）配准不同时间采集的图象（跟踪病情的发展）配准不同时间采集的图象（跟踪病情的发展）配准不同时间采集的图象（跟踪病情的发展）图集和标准数据库图集和标准数据库定位、测量定位、测量Brain MRIVentricle MeasurementCortex Localization软、硬组织：软、硬组织：XCT & MRIl lXCT：易于区分软、硬组织：易于区分软、硬组织l lMRI：易于区分软组织之间的差别：易于区分软组织之间的差别结构和功能：结构和功能：M
56、RI&PETRegistration of PET & CT病变的演变和发展病变的演变和发展病变的演变和发展病变的演变和发展配准中的挑战配准中的挑战l l多模态图象包含不同的信息多模态图象包含不同的信息多模态图象包含不同的信息多模态图象包含不同的信息l l形态学和功能形态学和功能形态学和功能形态学和功能l l联合不同的图象分辨率和各项异性的体素尺度，联合不同的图象分辨率和各项异性的体素尺度，联合不同的图象分辨率和各项异性的体素尺度，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）有时会出现扭曲（失真）有时会出现扭曲（失真）有时会出现扭曲（失真）l l多种测量性质（组织、骨、流体
57、、病灶的灰度多种测量性质（组织、骨、流体、病灶的灰度多种测量性质（组织、骨、流体、病灶的灰度多种测量性质（组织、骨、流体、病灶的灰度差异）差异）差异）差异）l l同一病人的（常为刚性），不同病人的（标准同一病人的（常为刚性），不同病人的（标准同一病人的（常为刚性），不同病人的（标准同一病人的（常为刚性），不同病人的（标准数据库、刚性和弹性），图集与病人之间的数据库、刚性和弹性），图集与病人之间的数据库、刚性和弹性），图集与病人之间的数据库、刚性和弹性），图集与病人之间的（统计特征、刚性和弹性）（统计特征、刚性和弹性）（统计特征、刚性和弹性）（统计特征、刚性和弹性）l l从刚性到弹性（处理生理与
58、病理的变异性）从刚性到弹性（处理生理与病理的变异性）从刚性到弹性（处理生理与病理的变异性）从刚性到弹性（处理生理与病理的变异性）特征提取特征提取l l发现特征发现特征发现特征发现特征l l 通常特征与图象中的目标有着密切的关系。如：在通常特征与图象中的目标有着密切的关系。如：在通常特征与图象中的目标有着密切的关系。如：在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，细胞的大小、灰度、颜显微图象中在识别细胞时，细胞的大小、灰度、颜显微图象中在识别细胞时，细胞的大小、灰度、颜显微图象中在识别细胞时，细胞的大小、灰度、颜色等是适当的特征。色等是适当的特征。色等是适当的特征。色等
59、是适当的特征。l l特征选择特征选择特征选择特征选择 从所发现的特征组中的各种各样的从所发现的特征组中的各种各样的从所发现的特征组中的各种各样的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。选定特评价函数来选定最合适的特征的过程。选定特评价函数来选定最合适的特征的过程。选定特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（一般在归一化后均征应对各种变换的不变性（一般在归一化后均征应对各种变换的不变性（一般在归一化后均征应对各种变换的不变性（一般在归一化后均可成立）可成立）可成立）可成立）图象识别图象识别l l从图象中识别出所感兴趣的组织、器官或从图象中识别出所
60、感兴趣的组织、器官或区域区域三维局部显示l l可以对病变组织或其它感兴趣的组织器官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，辅助组织器官进行定性甚至定量的分析，辅助医生诊断。医生诊断。 三维局部显示示例手术模拟l l在重建的图象中，模拟手术的切割在重建的图象中，模拟手术的切割l l虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的应用模拟手术示例Rendered ImagesRendered Images医学图象处理与分析中的挑战医学图象处理与
61、分析中的挑战l l对于对于对于对于3D3D、3D3Dt t和矢量值图象数据，计算机的和矢量值图象数据，计算机的和矢量值图象数据，计算机的和矢量值图象数据，计算机的能力远远超过显示系统的能力。能力远远超过显示系统的能力。能力远远超过显示系统的能力。能力远远超过显示系统的能力。l l发现表现、科学数据可视化和形状定征的方法，发现表现、科学数据可视化和形状定征的方法，发现表现、科学数据可视化和形状定征的方法，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、多模式的图象帮助人们理解复杂的、高维的、多模式的图象帮助人们理解复杂的、高维的、多模式的图象帮助人们理解复杂的、高维的、多模
62、式的图象数据。数据。数据。数据。l l将图象作为提供场景、可精确测量的工具，进将图象作为提供场景、可精确测量的工具，进将图象作为提供场景、可精确测量的工具，进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、甚行形态测量、外科手术规划、监控并展现、甚行形态测量、外科手术规划、监控并展现、甚行形态测量、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。至实时的图象引导的介入治疗。至实时的图象引导的介入治疗。至实时的图象引导的介入治疗。l l生理生理生理生理/ /病理解剖目标的变异性病理解剖目标的变异性病理解剖目标的变异性病理解剖目标的变异性l l将来自于图象的形态测量和功能测量与生物学将来自于图象的形态测量和功能测量与生物学将来自于图象的形态测量和功能测量与生物学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和病人的结果相关联和病人的结果相关联和病人的结果相关联
