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1、医学图像处理与分析医学图像处理与分析上海交通大学医学院陈瑛，2010年医学医学图像的成像模式像的成像模式第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式1 1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1.常规光学透射(或反射)成像光密度光密度与数字图像的灰度值成正比与数字图像的灰度值成正比p 成分、结构、浓度成分、结构、浓度p 光密度OD，透光强度p 图像灰度值v对比度增强机制：对比度增强机制： 提高图像对比度提高图像对比度 增强光密度差异增强光密度差异 细胞HE染色免疫组化染色1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1.常规光学透射(或反射)成像2
2、.荧光(或生物发光)成像某些物质的受激电子从某些物质的受激电子从高能高能状态经系统内交调迁移到中间状态经系统内交调迁移到中间振动状态，再从振动状态，再从振动状态振动状态迁移回到迁移回到稳态稳态的过程中发出的过程中发出磷光磷光 物质吸收光能，从物质吸收光能，从基态基态激发到激发到激发态激发态( (高能高能) )分子很快从分子很快从高能高能到一个到一个不稳定的不稳定的高能级高能级分子从不稳定的分子从不稳定的高能级高能级返回返回基态基态时会伴随光子时会伴随光子产生，即产生，即荧光荧光产生产生400nm760nm荧光波长p 荧光强度p 特定物质量p 图像灰度1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息1
3、.常规光学透射(或反射)成像2.荧光(或生物发光)成像3.光学成像的一般技术性能3.光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能灵敏度 1.光学CCDnCCD的背景噪声CCD读取噪声CCD暗电流热噪声荧光背景光3.光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能灵敏度 1.光学CCD2.冷却CCD3.10-910-6 mM3.光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 1.取决于光源深度2.荧光穿透组织的厚度3.1.5 2 mm3.光学成像的一般技术性能光学成像的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率1.实时成像2.仅取决于CCD数据的读出3.光学成像的一般技术性能光学成像
4、的一般技术性能灵敏度 空间分辨率 时间分辨率稳定性好、毒性小 第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式1 1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息2 2X X线及线及X-CTX-CT及其图像信息及其图像信息X光的发现与发展v1895 伦琴伦琴 发现发现X光光v1896 爱迪生爱迪生 制造制造X光透射机光透射机v1901 伦琴伦琴 获得第一届诺贝尔物理奖获得第一届诺贝尔物理奖CT(Computed Tomography)v1963 美国物理学家美国物理学家Cormark 提出数学重建提出数学重建算法算法v1971 英国工程师英国工程师Hounsfield 设计成功第设计成功第一台颅脑
5、一台颅脑CT机机v1974 美国美国 Georgetown医学中心医学中心 全身全身CT机机v1979 Hounsfield 和和 Cormark 分享了诺贝尔分享了诺贝尔生理学或医学奖。生理学或医学奖。2X线及线及X-CT及其图像信息及其图像信息1.X线及线及X-CT的成像原理的成像原理线性吸收系数：线性吸收系数：不同的生物组织和不同的厚度，对于X射线的衰减程度各不相同X线吸收系数，物质固有属性图像的明暗程度像的明暗程度( (灰度灰度)Vs.X)Vs.X线吸收系数吸收系数 1.1.X-CTX-CT的数学基础：由投影重建图像的数学基础：由投影重建图像X-CT的扫描：投影的产生2X线及线及X-C
6、T及其图像信息及其图像信息1.X线及线及X-CT的成像原理的成像原理2.X-CT的图像信息的图像信息CTCT值值( (相对线性吸收系数相对线性吸收系数) )线性吸收系数比例因子假设：空气0，骨2，（已知，水1 ）若：k=1000，则，空气CT=-1000，骨CT=1000 k=2000，则，？水的线性吸收系数CT值的信息p 特定物质（人体组织）p 线性吸收系数p CT值p 图像灰度值CT值和图像灰度相关，但可能超出图像灰度范围。 对比度增强机制对比度增强机制 改变线性吸收系数及改变线性吸收系数及CT值值 a)图像的灰度对比度反映了不同组织成分的吸收系数的差异b)组织密度和线性吸收系数接近、CT
7、值相近时，可采用对比度增强剂（碘） c)异常血管增生，局部血液丰富，血脑屏障破坏（碘含量增加）d)口服硫酸钡溶液（肠道、食道）2X线及线及X-CT及其图像信息及其图像信息1.X线及线及X-CT的成像原理的成像原理2.X-CT的图像信息的图像信息3.X-CT的一般技术性能的一般技术性能3.3.X-CTX-CT的一般技术性能的一般技术性能灵敏度1.密度相差不大（软组织）的区分能力不强2.1 mM3.3.X-CTX-CT的一般技术性能的一般技术性能灵敏度空间分辨率1.临床CT：1 mm2.动物CT：10 m3.3.X-CTX-CT的一般技术性能的一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率第二章第二章 医
8、学图像的成像模式医学图像的成像模式1 1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息2 2X X线及线及X-CTX-CT及其图像信息及其图像信息3 3磁共振成像及其图像信息磁共振成像及其图像信息MRIv1952，发现核磁共振現象的美国科学家 Bloch 和 Purcell获诺贝尔物理学奖v1977，第一台MRI问世v1991，发明核磁共振高解像技术的 Ernst获诺贝尔化学奖v2002，发明核磁共振三唯空间解像的 Wuthrich获诺贝尔化学奖v2003，MRI的发明人美国化学家Lauterbur和英国物理学家Mansfield 获诺贝尔医学奖3 3磁共振成像磁共振成像1.1.MRIMRI成像原理
9、成像原理原子核的常态原子核的常态( (稳态稳态) )和非常态和非常态 弛豫过程弛豫过程(relaxation)(relaxation)和驰豫时间和驰豫时间驰豫时间驰豫时间 vs. vs. 原子核的种类与数量原子核的种类与数量 纵向弛豫纵向弛豫(T1)(T1)，横向弛豫，横向弛豫(T2) (T2) v磁共振成像的图像表现弛豫时间是物质固有的物理属性医学MRI主要用氢核（1H）不同的测量时间T1/T2，表现了不同的物质对象1.1. MRIMRI中不同的灰度值中不同的灰度值中不同的灰度值中不同的灰度值 X-CTX-CT以线性吸收系数反映物质的固有属性以线性吸收系数反映物质的固有属性以线性吸收系数反映
10、物质的固有属性以线性吸收系数反映物质的固有属性3 3磁共振成像磁共振成像1.1.MRIMRI成像原理成像原理2.2.MRIMRI成像的图像信息成像的图像信息2.2.MRIMRI成像的图像信息成像的图像信息医学医学MRIMRI成像均采用氢核（成像均采用氢核（1 1H H）人体内的氢核大多包含在水分子中人体内的氢核大多包含在水分子中T1/T2T1/T2的生物学意义的生物学意义1.1.不同组织的不同组织的T1T1和和T2T2值各异值各异2.2.同一组织在不同生理或病理状态的同一组织在不同生理或病理状态的T1T1和和T2T2值也不相同值也不相同 2.MRI成像的图像信息医学医学MRIMRI成像均采用氢
11、核（成像均采用氢核（1 1H H）人体内的氢核大多包含在水分子中人体内的氢核大多包含在水分子中T1/T2T1/T2的生物学意义的生物学意义MRIMRI图像中的像素灰度反映了图像中的像素灰度反映了T1T1或或T2T2值值对比度增强机制对比度增强机制对比度增强剂对比度增强剂1.1.MRIMRI： 1.（1）软组织本身可区分 2.（2）加入磁性物质，使得磁场表现不同3. 2.2.CTCT：（1）软组织密度相近，图像中难以区分（2）重金属吸收密度不同，明显差异 3 3磁共振成像磁共振成像1.1.MRIMRI成像原理成像原理2.2.MRIMRI成像的图像信息成像的图像信息3.3.MRIMRI的一般技术性
12、能的一般技术性能3. MRI3. MRI的一般技术性能的一般技术性能灵敏度灵敏度v高于高于X-CTX-CT，低于核素成像和光学成像，低于核素成像和光学成像v10-3 1 mM3. MRI3. MRI的一般技术性能的一般技术性能灵敏度灵敏度空间分辨率空间分辨率v稍逊于稍逊于X-CTX-CT，高于其他医学成像方式，高于其他医学成像方式v临床临床MRIMRI：1 mmv动物动物MRIMRI：100 m 3. MRI3. MRI的一般技术性能的一般技术性能灵敏度灵敏度空间分辨率空间分辨率时间分辨率时间分辨率第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式1 1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息
13、2 2X X线及线及X-CTX-CT及其图像信息及其图像信息3 3磁共振成像及其图像信息磁共振成像及其图像信息4 4超声成像及其图像信息超声成像及其图像信息超声成像（US）v1912，出现了利，出现了利用用声波摄取声波摄取影影像的像的技术技术1.侦测冰山2.声纳二次大战v1949，美国医生，美国医生Howry创建了创建了初步的初步的超超声声波波仪器仪器4 4超声成像超声成像1.B型超声成像原理超声成像原理v超声波在不同介质内传播的速度不同。v不同的生物组织会产生不同的反射波强度。v当声波从一个介质进入另一个介质的时候，声波频率不变，波长和声波速度将随着介质的不同而改变。超声成像原理v超声通过多
14、个界面时的反射和透射形成回波v依照接受回波的先后次序及时间长短，可标定出所发声波行进路线上的各介质存在的位置4 4超声成像超声成像1.B型超声成像原理2.超声成像的图像信息1.1.2.2. 超声成像的图像信息超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 v声阻抗是生物组织的固有特性，是一种反射回波v声阻抗=介质的密度*声速v声阻抗 反射波强度 图像灰度值1.1.2.2. 超声成像的图像信息超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗 回波强度可反映介质的声阻抗n图像灰度值反映了超声波回波的强度n具有不同声阻抗介质的界面1.1.2.2. 超声成像的图像信息超声成像的图像信息不同组织具有不同的声阻抗
15、回波强度可反映介质的声阻抗对比度增强v增强散射增强散射v理论上可采用充气的微泡理论上可采用充气的微泡 4 4超声成像超声成像1.B型超声成像原理2.超声成像的图像信息3.超声成像的一般技术性能3. 超声成像的一般技术性能灵敏度n和探测深度有关和探测深度有关3. 超声成像的一般技术性能灵敏度空间分辨率v角度分辨率 v轴向分辨率 3. 超声成像的一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率n超声速度、角度分辨率超声速度、角度分辨率n最大径向检测范围最大径向检测范围第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式1 1光学成像及其图像信息光学成像及其图像信息2 2X X线及线及X-CTX-CT及其图像信
16、息及其图像信息3 3磁共振成像及其图像信息磁共振成像及其图像信息4 4超声成像及其图像信息超声成像及其图像信息5 5放射性核素放射性核素( (发射型计算机断层发射型计算机断层) )成像成像及其图像信息及其图像信息PET的出现v19431943，瑞典化学家赫维西，瑞典化学家赫维西(George Charles de Hevesy)(George Charles de Hevesy)，发现了用于人体检测的安全发现了用于人体检测的安全有效的放射性追踪剂，有效的放射性追踪剂，获得诺贝尔化学奖。获得诺贝尔化学奖。v19951995，FDAFDA核准核准PETPET的临床使用。的临床使用。第二章第二章 医
17、学图像的成像模式医学图像的成像模式5放射性核素成像放射性核素成像1.放射性核素成像原理放射性核素成像原理1.1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 v放射性核素发射放射性核素发射 射线射线v体外检测体外检测 射线可确定体内放射性核素活度射线可确定体内放射性核素活度v放射性核素是外源性的放射性核素是外源性的v 射线活度取决于组织的血流、代谢、排泄、射线活度取决于组织的血流、代谢、排泄、细胞功能、细胞数量、细胞功能、细胞数量、 内源性 结构成像 外源性 功能成像1.1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 ECT的数学基础1.1. 放射性核素成像原理ECT的物理基础 ECT的数学基础ECT的种类
18、v单光子发射（SPECT）v正电子发射（PET） v体外的示踪剂注入体内，聚集在体内靶标组织，核素在衰变过程中发射高能量光子束或正电子，穿透人体组织后向外辐射 v核素能与血流、代谢、组织等相结合v检测到不同方位上的“投影”信号后，可据此重建放射性核素在靶标组织内分布的映射图像 功能成像 第二章第二章 医学图像的成像模式医学图像的成像模式5放射性核素成像放射性核素成像1.放射性核素成像原理放射性核素成像原理2.核素成像的图像信息核素成像的图像信息2. 核素成像的图像信息（1）图像的灰度直接反映了体内放射性核素的活度的强弱（浓度高低）直接反映了放射性核素的空间浓度分布间接反映了靶标组织的空间分布间
19、接反映了组织浓度分布或生物活动程度2. 核素成像的图像信息（1）图像的灰度直接反映了体内放射性核素的活度的强弱（浓度高低）（2）根据不同的实验，可间接地反映特定功能的强弱或特定物质的多少（3）对比度增强剂vSPECT：1.同位素的半衰期较长；2.不是人体本身所具备的元素；3.生理/生化过程的显示受到限制。vPET：1.同位素的半衰期较短；2.都是人体组织所富有的元素；3.排泄快，影响小；4.如果要进行生物过程的长期比较，不合适。 v成像模式本身就体现出对比度强的特点成像模式本身就体现出对比度强的特点成像模式本身就体现出对比度强的特点成像模式本身就体现出对比度强的特点 第二章第二章 医学图像的成
20、像模式医学图像的成像模式5放射性核素成像放射性核素成像1.放射性核素成像原理放射性核素成像原理2.核素成像的图像信息核素成像的图像信息3.核素成像的一般技术指标核素成像的一般技术指标3. 一般技术性能灵敏度vSPECTSPECT：10-6 10-8 mMvPETPET：10-8 10-9 mM3. 一般技术性能灵敏度空间分辨率nSPECTSPECT：mmmm等级等级nPETPET：1-2 mm1-2 mmn空间分辨率较低空间分辨率较低3. 一般技术性能灵敏度空间分辨率时间分辨率小结小结各种成像模式的原理、图像信息及对比度增强比较小结各种成像模式的技术性能及其在分子成像中适用性的比较讨论1.一个X-CT机的CT值范围为：-1000HU+1000HU，2.（1）图像处理系统的灰度分辨率为8bit，该系统能分辨出的最小CT值的变化是多少？3.（2）若要求图像处理系统能识别CT值相差2HU的不同组织（即能反映最小为2HU的CT值的变化），则其灰度分辨率至少应达到多少？ 讨论2. 有CT值范围为-1000HU+1000HU、灰度分辨率为8bit的X-CT机，如何使其可识别某一组织或器官内CT值相差2HU的差异？
