医学数字成像技术

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1、医学数字成像技术医学数字成像技术内容医学数字成像技术内容n n计算机X线摄影(computed radiography,CR)n n数字X 线摄影(digital radiography,DR)n n直接数字X 线摄影(direct digital radiography,DDR)(direct digital radiography,DDR)n n计算机体层摄影计算机体层摄影(computed tomoraphy,CT)(computed tomoraphy,CT)n n磁共振成像磁共振成像(magnetic resonance image;MRI)(magnetic resonance i

2、mage;MRI)n n数字减影血管造影数字减影血管造影(digital subtraction (digital subtraction angiography;DSA)angiography;DSA)n n超声成像超声成像(ulstransonography,USG)(ulstransonography,USG)n n正电子发射体层成像正电子发射体层成像(positron emission tomography, (positron emission tomography, PET)PET)n n技术的共同点技术的共同点: :以计算机技术为基础以计算机技术为基础, ,使图像信息数字化使图像

3、信息数字化, ,以便以便实施对图像的后处理。实施对图像的后处理。n n发展动向发展动向n n技术的发展充实，完善了设备的硬件与软技术的发展充实，完善了设备的硬件与软件功能件功能n n低档设备努力充实与提高硬件的性能，并且低档设备努力充实与提高硬件的性能，并且把中高档设备较成熟的功能与软件移植过来，把中高档设备较成熟的功能与软件移植过来，拓宽了低档设备的适用范围。拓宽了低档设备的适用范围。第第1 1节节 医学数字成像技术的发展医学数字成像技术的发展n nCRCR把传统的把传统的X X线数字化，线数字化，DDRDDR利用平板探测器利用平板探测器将将X X线信息直接数字化。线信息直接数字化。n nC

4、TCT已发展到宽探测器多层螺旋已发展到宽探测器多层螺旋CTCT。确定了更。确定了更薄层厚、更短采集时间。各种专业软件应用包，薄层厚、更短采集时间。各种专业软件应用包，实现脑实现脑CTCT灌注成像早期诊断急性脑猝中等灌注成像早期诊断急性脑猝中等n nMRMR实时成像技术，并实现了实时成像技术，并实现了MRMR透视，像显微透视，像显微细胞学、分子水平、基因水平发展。细胞学、分子水平、基因水平发展。n n超声：三维彩色超声超声：三维彩色超声第第1节节医学数字成像技术的基础医学数字成像技术的基础一、医疗影象设备用计算机 n n输入信息除了接收来自键盘输入的信息外，还可接收自身数据采集系统(data a

5、cquisition system; DAS) 。n n主控汁算机控制着多级的彼此相互独立的CPU系统。多CPU提高处理速度。n n图象存储设备：硬盘、磁带、光盘、磁盘阵列等。 二、数据采集二、数据采集 1 1、数据采集系统的组成、数据采集系统的组成 n n发射源 ：不同的成像方法发射源的介质不同uCR、DR、DDR、DSA和CT其发射源为X射线；uMRI的发射源是射频脉冲；uUSG的发射源是超声波；uNM的发射源是某些具有放射性的同位素。 。 n n 被检体：当被捡体受接到来自发射源的信号后，体内组织使信号发生改变，离开被检体到探测器/接收器。n n探测器/接收器：探测器/接收器是收集经过人

6、体后并带有体内信息的信号，再转递到下一个采集单元。n n采样器 ：采样器接收到上一级转递的信号，首先经滤过器对它进行滤过，再经模数转换器(analogue-to-digital converter，A/D)将模拟图象(analogue image)转化成数字图像(digital image)。采集到的原始数据必须送到RDCP n n数据收集处理器：数据收集处理器(reconstruction and data collection processor，RDCP)可以把原始数据根据诊断的需要进行各种后处理。 n n记录： 采集数据的最终目的是为了记录人体内的不同组织信息，供疾病的诊断，治疗和复查

7、2、数据采集的原理n n模拟采样：X线片的密度(density)是随空间位置分布的连续函数，照片上点和点之间是连续的，中间没有间隔，而感光密度随坐标点的变化也是连续的。它反映了入射线的X线强度的空间分布。n n数字影像的图像矩阵(matrix)则是一个整数数值的二维数组。整幅图像被分解成有限个小区域，每个这种小区域中图像密度的平均值用一个整数来表示，这个小区域被称为象素（pixel）。 n n图图2-7A2-7A为为一一幅幅手手的的X X线线照照片片。其其中中有有一一条条横横线线。图图2-7B2-7B给给出出了了横横线线上上的的一一维维像像的的密密度度随随距距离离变变化化的的连连续续函函数数；

8、图图2-7C2-7C是是用用数数字字表表示示的的维维数数字字图图像像。在在进进行行数数字字化化时时，采采取取每每2mm2mm间间隔隔采采一一个个点点。即即每每个个象象素素的的宽宽度度为为2mm2mm。像像素素密密度度数数值值用用O-255O-255共共256256个个整整数数表表不不。256=2256=28 8，像像素素密度用密度用8 8位二进制数表示。位二进制数表示。n n取取横横线线宽宽度度力力1mm1mm，把把整整幅幅图图像像划划分分为为若若干干条条横横线线，这这样样每每个个象象素素即即为为1mm1mm2mm2mm。在在扫扫描描中中，这这个个宽宽度度叫叫层层厚厚（slice slice

9、thickness)thickness)。每每条条横横线线可可获获得得一一幅幅一一维维图图像像。这这些些一一维维数数字字图图像像就就可以组合成一幅二维数字图像。可以组合成一幅二维数字图像。n n将二维图像变成一系列一维图像的过程，在物理上可用时间扫描来完成。再通过A/D转换器变为离散的数字序列。这样，原始的数字图像就产生了。3 3、A/DA/D与与D/AD/A转换器转换器 完完成成数数据据的的采采集集要要用用A/DA/D转转换换器器，而而数数据据的的精精确确还还取取决决A/DA/D转转换换器器的的量量化化精精度度。数数字字图图像像要要在在屏屏幕幕上上显显示示，也也离离下下开开D/AD/A转转换

10、换器器。它它主主要要有以下两项性能指标。有以下两项性能指标。（1 1）转换速度）转换速度连连续续模模拟拟信信号号首首先先在在时时间间上上进进行行采采样样，将将连连续续的的时时间间信信号号用用按按一一定定间间隔隔采采集集的的离离散散值值来来表表示示。采采样样定定理理告告诉诉我我们们，当当采采样样的的频频率率高高于于连连续续时时间间信信号号最最高高频频率率两两倍倍以以上上时时，用用采采样样得得到到的的离离散散时时间间序序列列可可以以完完全全恢恢复复原原来来的的连连续续时时间间信信号号而而不不损损失失任任何何信信息息。采采样样频频率率就就是是A/DA/D转转换换器器的变换频率。的变换频率。 （2）变

11、化精度和动态范围 n n模拟信息的表示范围没有限制，但所接收到模拟量具有有限的动态范围。 n n整数数字量的变化是离散的，数字位数愈多，能表示的数字量的范围就愈大。 n n A/D转换器的精度应与所转换的模拟信号的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR）动态范围相适应。 n nD/A转换器的精度和动态范围要求较A/D转换器略低一些 4、数字图像的表达要素 n n 数数字字图图像像是是由由一一个个整整数数数数值值的的二二维维数数组组组组成成的的，整整幅幅图图像像被被分分解解成成了了有有限限个个小小区区域域，即即数数字字图图像像是是由由不不同同亮亮度度和和颜颜色色的的点点组组成

12、成的的二二维维点点阵；阵； n n数数字字在在这这里里不不仅仅意意味味着着数数码码，而而且且表表示示了了某某点点的的亮亮度度或或颜颜色色。当当个个点点阵阵含含有有足足够够多多的的点点时时，并并且且点点与与点点之之间间足足够够近近时时，看看起起来来就就是是幅幅完完整的图像整的图像 ；n n表表达达数数字字图图像像的的两两个个要要素素：即即点点阵阵的的大大小小和和每每个个点点的的灰灰度度值值。存存储储一一幅幅数数字字图图像像只只要要记记录录下下点阵的大小和每个点的灰度值即可。点阵的大小和每个点的灰度值即可。n n灰灰度度值值：某某一一点点的的亮亮度度或或色色彩彩在在给给定定亮亮度度或或色色彩彩序序

13、列中次序的数值。列中次序的数值。第第3 3节节 图象后处理图象后处理 1 1、窗宽与窗位、窗宽与窗位n n窗窗宽宽（windows windows widthwidth，WWWW） ：是是指指对对应应于于图图像灰度级的范围。像灰度级的范围。n n窗窗位位(windows (windows levellevel， WL) WL) ：是是指指对对应应灰灰度度级级的中心位置。的中心位置。n n在在灰灰度度级级内内每每级级灰灰度度与与窗窗宽宽内内值值呈呈线线性性关关系系，当当保保持持窗窗宽宽不不变变，窗窗位位变变大大时时，原原置置全全白白的的具具有有较较大大值值的的组组织织进进人人灰灰度度显显示示区区

14、，原原灰灰度度显显示示区区内内具具较较小小值值的的组组织织将将置置全全黑黑，从从而而整整个个图图像像逐渐变暗，这就是所谓的线性窗。逐渐变暗，这就是所谓的线性窗。 n n窗宽与窗位的关系：窗宽与窗位的关系：n n窗位变大、窗宽不变：图象变暗；窗位变大、窗宽不变：图象变暗；n n窗位不变、窗宽增大：图象对比度下降。窗位不变、窗宽增大：图象对比度下降。2、边缘增强 n n原理：把图像边缘的象素值重新计算，得出一个新象素值，它所表示的灰度值与原象素值有明显的差异，如果象素的灰度显示为白(或亮)，那么，新象素的灰度则显示为更白(或更亮)。n n边缘增强实际上是模拟人眼传递视觉信息的一种图像处理方法。它的

15、作用是把人眼难以辨认的轮廓得以增强，使其能清晰的显示毗邻的解剖关系。3、对比度增强 对比度增强是DSA中一种必不可少的环节。在减影像中，由于对比度大的人体组织，如骨、肌肉、软组织等已被消除，只剩下相对对比度小的血管像，一般相减处理的数值都比较小，为了便于观察，必须做对比度处理。 4、多平面重建多 平 面 重 建 (multiple plana reformatting，MPR)是后处理功能中最常用的方法之一，它是通过薄层的容积采集获取数据，经计算机处理获得多方位、多平面的图像。该方法操作简便、图像逼真。通过MPR后，可以得到三维的立体效果。特别是对肝肾之间的占位病变、椎管内占位病变和颅内占位病

16、变的显示，更具有独到之处。 5、最大强度投影 n n最 大 强 度 投 影 (maximum intensity projection，MIP) 是把一组信号强度最大的象素元通过投影方式叠加在一起，形成一幅只有高信号强度的影像。MIP投影叠加以后，再用切割、剪裁或选择主体形式把一些多余的背影信号去掉。再在3D窗选择旋转方向，就可以得到不同视角连续显示的影像，从而展现出立体效果。6、表面重建n n表面重建(surfafe reformatting ) 在施行表面重建前需先给出一个阈值，阈值的大小对重建的效果起很重要的作用，阈值过大，图像偏白，看不清表面轮廓和颅内的脑组织；阈值过小，图像表面就会有

17、“破孔”现象产生。 第第4 4节节 图像质量图像质量n n医学数字图像的质量决定于成像方式、设备的整体性能和操作者选用的成像参数。 n n数字成像过程它包括患者、成像系统、系统操作者、图像以及观察者五个部分。n n成像的目的是要让观察看能够看到患者体内的某一客体(病变)及其与周围组织的关系。n n评价数字图像的指标有：噪声、信噪比、对比度、分辨力和伪影1、噪声 噪声(noise)是在成像过程中，微粒子随机产生的空间波动。这些微粒子都是彼此独立的随机分布在被采集的客体中，就像刚下雨时初落在地面上的雨摘是稀疏不均的。信号采集完成后，这些微粒子的信号就不均匀的分布在图像上表现为图像噪声。噪声的大小决

18、定于在一个小区域内不同点之间微粒子的密集程度，噪声从原则上讲是难以消除的。n n图像噪声的存在，可使获得的影像不清晰，最重要的是噪声的存在掩盖或降低了图像中的其些特征的可见度。可见度的损失对对比度低的物体尤为明显。如对图像中血管未稍的显示。；n n为了抑制图像噪声，可将图像对比度调低，即低窗位、高窗宽，可使图像的视觉噪声明显降低。另外，可以使用图像平滑化的方法来减少噪声。再可选择能得到满意图像的成像因素以获得最小的噪声。 2、信噪比 信噪比(signal-noise，SNR)是评价图像质量的重要指标之一。所谓SNR是指信号强度与噪声强度的比值。信号是指某一兴趣区内象素的平均值。噪声是指同一兴趣

19、区等量象素的标准差。为了避免其他因素如影像均匀度的干扰，兴趣区要小，一般为一百个象素。叠加在信号上的噪声使象素值以平均值为轴振荡，振荡的幅度越大，SNR越低，图像就变得越模糊。n n数字成像是一个受噪声干扰的过程，噪声可直接降低低对比度物体的可见度，还可间接降低图像的空间分辨力。 n n图像质量部分是由每个像素信号与噪声强度的对比关系决定的，减少噪声的干扰通常采用减小噪声强度或者增大形成图像信号强度的方法来解决。 3、对比度对比度（contrast）是指兴趣区的相对信号强度的差异。在一幅图像中，对比度的形成可表现为不同灰阶梯度、光强度或颜色。对比度是图像最基本的特征。若用一个量来说明对比度时，

20、它是指图像内两个具体点或区域之间的差别。身体内一个客体要在图像上看出来，那么至少它对周围组织来说有足够的物理对比度，如图2-15所示。n n客体在图像中显示时，对物理客观对比度的要求取决于成像方法和成像系统的特征。成像系统建立在图像对比度和客观对比度之间的相互关系，主要表现在它的对比灵敏度。4、分辨力分辨力(resolution)是图像对客体的分辨能力，它包括空间分辨力、密度分辨力和时间分辨。n n空空间间分分辨辨力力(spatial (spatial resolution)resolution)为为图图像像中中可可辨辨认认的的邻邻近近组组织织空空间间几几何何尺尺寸寸的的最最小小极极限限，即即

21、对对影影像像细细微微结结构构的的分分辨辨能能力力。常常用用的的单单位位是是距距离离内内多多少少线线对对，即即Lp/mmLp/mm。空空间间分分辨辨力力与与图图像像矩矩阵阵的的大大小小相相关关，它它与与单单位位面面积积内内含含有有的象素数目成正比。的象素数目成正比。n n密密度度分分辨辨力力(density (density resolution)resolution)为为图图像像中中可可辨辨认认的的密密度度差差别别的的最最小小极极限限，即即对对细细微微密密度度差差别别的的分分辨辨能能力力。密密度度分分辨辨力力与与图图像像中中每每一一个个象象素素间间的的微粒子数目成正比。微粒子数目成正比。 n

22、n时时间间分分辨辨力力(temprol (temprol resolution)resolution)也也称称动动态态分分辨辨力力，表表征征的的是是系系统统对对运运动动部部位位血血管管的的瞬瞬间间成成像像能能力力。时时间间分分辨辨力力愈愈高高，对对运运动动器器官官的的成成像像就就愈愈清清晰晰，DSADSA的时间分辨力最高。的时间分辨力最高。n n 对对比比分分辨辨力力(contrast(contrast，resolution)resolution)表表征征的的是是系系统统对对小小的的血血管管显显示示的的分分辨辨能能力力。对对比比分分辨辨力力高高的的系系统统，只只需需使使用用少少的的对对比比剂剂或或不不用用对对比比剂剂，就就能得到较好的血管影像。能得到较好的血管影像。