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文檔簡介
山東大學控制學院生物醫(yī)學工程系劉忠國生物醫(yī)學圖像生物醫(yī)學工程概論之2023/2/51生物醫(yī)學工程中心生物醫(yī)學圖象(BiomedicalImaging)劉忠國:liuzhg@Tel:88384192cellphonemagingtechnologiesarechangingthewayscienceisdone(R.P.Crease,Science,Vol.261,July1993)2023/2/52生物醫(yī)學工程中心0.引言象鳥一樣飛翔EngineeringTurnideasintoreality!人類的夢想2023/2/53生物醫(yī)學工程中心人類的夢想:飛翔2023/2/54生物醫(yī)學工程中心醫(yī)生的夢想:看到“看不到”的微小的內部的生理的患者的夢想:無創(chuàng)無痛安全EngineeringTurnideasintoreality!2023/2/55生物醫(yī)學工程中心醫(yī)學和患者的共同夢想2023/2/56生物醫(yī)學工程中心課程背景傳統(tǒng)看?。和?、聞、問、切(以定性為主)依賴于醫(yī)生的經驗現(xiàn)代醫(yī)療:定性(經驗)到定量(知識)將人體信息數(shù)字化、可視化,由計算機輔助醫(yī)生診斷。提高診斷的正確性2023/2/57生物醫(yī)學工程中心結構成像看到病變X-RAYCT成像圖像處理與分析系統(tǒng)2023/2/58生物醫(yī)學工程中心功能成像看到功能fMRI功能核磁共振成像PET正電子斷層成像SPECT單光子發(fā)射斷層成像2023/2/59生物醫(yī)學工程中心分子成像看到細胞、分子水平的變化光學成像核磁共振成像核素成像實時、在體2023/2/510生物醫(yī)學工程中心
從信息量的角度看,一幅圖像所包含的信息遠比一條曲線或幾個數(shù)據要多。它以直觀的形式向醫(yī)生展示人體內部的結構或有關生理參數(shù)的空間分布,為醫(yī)生的診斷提供重要依據,成為臨床診斷與醫(yī)學研究中不可缺少的工具。百聞不如一見2023/2/511生物醫(yī)學工程中心圖像科學包含圖像的形成、獲取、傳輸、存儲、分析、識別等。在醫(yī)學圖像研究領域中主要包含以下兩個相對獨立的研究方向:醫(yī)學成像系統(tǒng)(MedicalImagingSystem)和醫(yī)學圖像處理(MedicalImageProcessing)。醫(yī)學圖象研究2023/2/512生物醫(yī)學工程中心醫(yī)學圖象研究醫(yī)學成象系統(tǒng)(MedicalImagingSystem)圖象形成的過程成象機理、成象設備、成象系統(tǒng)分析醫(yī)學圖象處理與分析(MedicalImageProcessingandAnalysis)對已獲得的圖象,采用各種算法進一步處理增強、特征提取、模式分類、分割、識別等醫(yī)學圖象應用研究(MedicalApplication)臨床基礎醫(yī)學2023/2/513生物醫(yī)學工程中心醫(yī)學圖像涉及物理學、電子學、計算機技術等廣泛的學術領域。隨著各項高新科技的發(fā)展,醫(yī)學圖像已經從形態(tài)到功能、從靜態(tài)到動態(tài)、從平面到立體、從局部到整體獲得了飛速的發(fā)展。在實際應用中,醫(yī)學圖像與計算機圖形學結合可以讓醫(yī)生從各個不同角度觀察人體內部結構,醫(yī)學圖像與計算機及通信技術結合可以完成圖像的傳輸、歸檔、管理等復雜的工作,例如PACS系統(tǒng)。醫(yī)學圖象研究2023/2/514生物醫(yī)學工程中心
醫(yī)學成像系統(tǒng)概述醫(yī)學成像技術的發(fā)展歷史一般可追溯到1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。X射線在醫(yī)學上的應用使醫(yī)生有可能觀察到人體內部的結構,而且能夠實現(xiàn)對人體微創(chuàng)或無創(chuàng),為醫(yī)生診斷疾病提供了重要的信息。倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線獲得首屆諾貝爾物理學獎。2023/2/515生物醫(yī)學工程中心從五十年代開始,醫(yī)學成像技術逐步進入了飛速發(fā)展的年代,各種新技術相繼被應用于醫(yī)學成像系統(tǒng)中。新的成像方式不斷出現(xiàn),所成的圖像不僅提供了人體組織在解剖上的形態(tài)結構,而且為器官功能檢查提供了可能。所用的技術包括超聲、核素成像等。
醫(yī)學成像系統(tǒng)發(fā)展2023/2/516生物醫(yī)學工程中心ElectromagneticSpectrum超聲超聲2023/2/517生物醫(yī)學工程中心今天,幾乎所有的物理方法都已或多或少地滲透到了醫(yī)學成像的領域,如X射線成像、超聲成像、放射性同位素成像及磁共振成像等。這些不同的成像方式所提供的人體結構或生理參數(shù)的圖像為提高臨床診斷與治療的有效性發(fā)揮了極大的作用。醫(yī)學成像設備已成為現(xiàn)代化醫(yī)院的一個重要的標志。醫(yī)學成像方法2023/2/518生物醫(yī)學工程中心主要醫(yī)學成象系統(tǒng)投影X射線成象數(shù)字減影(DigitalSubtractionAngiography)X射線計算機斷層成象(X-CT:X-rayComputedTomography)磁共振成象(MRI:MagneticResonanceImaging)放射性核素成象(SPECTandPET)超聲成象(UltrasonicImaging)……2023/2/519生物醫(yī)學工程中心主要醫(yī)學成象系統(tǒng)2023/2/520生物醫(yī)學工程中心醫(yī)學成像的作用2023/2/521生物醫(yī)學工程中心醫(yī)學圖象在臨床診斷中的應用提高臨床診斷的水平實現(xiàn)治療中的監(jiān)護,提高治療中的有效性外科手術的規(guī)劃圖象的計算機管理PACS系統(tǒng):picturearchivingandcommunicationsystem2023/2/522生物醫(yī)學工程中心ApplicationsMRIandPETshowinglesionsinthebrain2023/2/523生物醫(yī)學工程中心ApplicationsPETscanonthebrainshowingParkinson’sDisease2023/2/524生物醫(yī)學工程中心1.X射線成像系統(tǒng)
X射線的發(fā)現(xiàn)使人們意識到了X射線在醫(yī)學成像中的應用前景。在此后的幾十年中,X射線攝影技術有了不小的發(fā)展,包括使用旋轉陽極X射線管、影像增強管及采用運動斷層攝影等。(1)
投影X射線成像系統(tǒng)
2023/2/525生物醫(yī)學工程中心X-Ray(Eberhart’sManualofHighFrequncyCurrents,Ch.10,1911)(GundelachTube,1898–1905)OakRidgeAssociatedUniversitiesHealthPhysics
InstrumentationMuseumX-RayImaging(Principle)2023/2/526生物醫(yī)學工程中心HighFrequency
X-RayTube(Eberhart’sManualofHighFrequncyCurrents,Chap.10,1911)PortableSystemX-RayImaging(Principle)2023/2/527生物醫(yī)學工程中心2023/2/528生物醫(yī)學工程中心投影X射線成像系統(tǒng)2023/2/529生物醫(yī)學工程中心普通X光機2023/2/530生物醫(yī)學工程中心床式X光機2023/2/531生物醫(yī)學工程中心X光片(平片)2023/2/532生物醫(yī)學工程中心X-RayImaging2023/2/533生物醫(yī)學工程中心
但由于常規(guī)的X射線成像技術是將人體三維結構投影到一個二維平面上,會產生圖像重疊,造成讀片困難。此外,投影X射線成像對軟組織的分辨能力較差,使得它在臨床中的應用也受到一定的限制。投影X射線成像缺點2023/2/534生物醫(yī)學工程中心為了獲得臟器的清晰圖像,人們又設計了一些特殊的X射線成像裝置。如X射線數(shù)字減影裝置(digitalsubtractionangiography,簡稱DSA)就是一個例子。(2)數(shù)字減影血管造影技術2023/2/535生物醫(yī)學工程中心
DSA的基本工作原理是:將X射線機對準人體的某一部位,并將X射線造影劑注入人體血管中。如果在注入造影劑的前后分別攝取這同一部位的X射線圖像,然后再將這兩幅圖像相減,那么就可以消除圖像中相同結構的部分,而突出注人造影劑的血管部分。DSA在臨床中已成功地用于血管網絡的功能檢查。數(shù)字減影血管造影技術2023/2/536生物醫(yī)學工程中心DSA2023/2/537生物醫(yī)學工程中心DSA2023/2/538生物醫(yī)學工程中心手部DSA肺部DSA2023/2/539生物醫(yī)學工程中心移動式血管造影系統(tǒng)2023/2/540生物醫(yī)學工程中心移動式血管造影系統(tǒng)診斷圖2023/2/541生物醫(yī)學工程中心(3)X射線計算機斷層成像
X射線計算機斷層成像(X-raycomputedtomography,簡稱X-CT)。六十年代早期,計算機斷層攝影技術的出現(xiàn)使醫(yī)學成像技術的發(fā)展達到了一個高峰。它從根本上克服了傳統(tǒng)X線成像中影像重疊的問題,獲得了高分辨率的清晰的斷層圖像。是X線診斷學上的一次重大革命性飛躍。也是二十世紀科學技術的重大成就之一。2023/2/542生物醫(yī)學工程中心
實現(xiàn)X-CT的理論基礎是從投影重建圖像的數(shù)學原理。當代圖像重建理論最杰出的貢獻者之一是美國的物理學家A.M.Cormack。他自20世紀50年代開始發(fā)表了一系列的論文,不僅證明了在醫(yī)學領域中從X射線投影數(shù)據重建圖像的可能性,而且提出了相應的實現(xiàn)方法并完成了仿真與實驗研究。X射線計算機斷層成像的重建理論2023/2/543生物醫(yī)學工程中心真正設計出一個裝置來實現(xiàn)人體斷面成像是在1972年,一位名叫G.N.Hounsfield的工程師公布了計算機斷層成像的結果。這項研究成果可以說是在X射線發(fā)現(xiàn)后的七八十年中放射醫(yī)學領域里最重要的突破性進展,也是20世紀科學技術的重大成就之一。1979年的諾貝爾生理與醫(yī)學獎破例地授給了這兩位沒有專門醫(yī)學資歷的科學家。X射線計算機斷層成像的裝置實現(xiàn)2023/2/544生物醫(yī)學工程中心Hounsfield和Cormack因發(fā)明CT獲得1979年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。1979年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎2023/2/545生物醫(yī)學工程中心自從X—CT問世以來,技術有了很大的發(fā)展,設備裝置也不斷地更新?lián)Q代。早期的X-CT掃描儀,數(shù)據采集與圖像重建的計算過程需要較長的時間,圖像分辨率相對較低,而病人接受的射線照射劑量卻相對比較大。較新的X-CT裝置采用多個檢測器構成的扇形掃描方式,它不僅減少了掃描與數(shù)據處理的時間,減少了照射劑量,同時還改善了圖像的分辨率。X射線計算機斷層成像的發(fā)展2023/2/546生物醫(yī)學工程中心
在這個發(fā)展過程中,大量的研究工作是在努力開發(fā)高速有效的圖像重建算法,包括代數(shù)方法與解析方法。目前的X-CT裝置其成像厚度可以小到1mm,斷面中的圖像分辨率也已經可以做到小于1mm。X射線計算機斷層成像的發(fā)展2023/2/547生物醫(yī)學工程中心(a)OriginalEMICTheadscanner(MayoClinic,Rochester,Minn,circa1973)(b)an80x80-matrixheadCTimageobtainedwithit.2023/2/548生物醫(yī)學工程中心2023/2/549生物醫(yī)學工程中心CT機2023/2/550生物醫(yī)學工程中心2023/2/551生物醫(yī)學工程中心CT螺旋CT西門子64層螺旋CT2023/2/552生物醫(yī)學工程中心SpiralscanCT(byPicker)
2023/2/553生物醫(yī)學工程中心CTScanning2023/2/554生物醫(yī)學工程中心2023/2/555生物醫(yī)學工程中心CT掃描部分X光球管高壓發(fā)生器探測器數(shù)據采集系統(tǒng)2023/2/556生物醫(yī)學工程中心2023/2/557生物醫(yī)學工程中心X射線成像的缺點X射線X射線像物體2023/2/558生物醫(yī)學工程中心I0
:入射X-射線強度;I
:輸出X-射線強度;
:組織的線性衰減系數(shù);x:組織的厚度。CT成像原理-1mx朗伯定律xμ1μ2μnI0I2023/2/559生物醫(yī)學工程中心CT成像原理-2X射線束通過非均勻介質:xμ1μ2μnI0I2023/2/560生物醫(yī)學工程中心CT圖像體素:將選定層面分成若干個體積相同的立方體。數(shù)字矩陣:每個體素的X線衰減系數(shù)排列成矩陣。像素:數(shù)字矩陣中的每個數(shù)字轉為由黑到白不等灰度的小方塊。2023/2/561生物醫(yī)學工程中心為了鑒別組織線性衰減系數(shù)的微小差別,并使組織特性定量化,定義CT值:其中μt、μwater分別為組織及水的線性衰減系數(shù),單位為Hounsfield,簡稱Hu。由上式顯見,水的CT值為0。實驗得知:μ骨≈2μwater,μ空氣≈0。因此,骨的CT值為1000,空氣的CT值為0。CT值(Hu單位)01000-1000空氣脂肪水軟組織致密骨骼2023/2/562生物醫(yī)學工程中心傳統(tǒng)X射線裝置:幾何聚焦,二維X光片、縱向信息重疊;圖像后處理應用少;成像劑量可選(粗),劑量大;動態(tài)范圍小;密度分辨率低,不能區(qū)別軟組的細節(jié);空間分辨率高;不易與醫(yī)院其它數(shù)字化設備互聯(lián)。CT:圖像重建,三維斷層、圖像清晰;通過圖像后處理,可獲得多平面圖像;成像劑量可選(精細),劑量??;動態(tài)范圍大;密度分辨率高,對軟組織分辨率能力高;空間分辨率較低;易與醫(yī)院其它數(shù)字化設備互連。CT與傳統(tǒng)X射線裝置的對比2023/2/563生物醫(yī)學工程中心CT機的發(fā)展CT機按其適用范圍分為頭顱CT和全身CT,CT機的發(fā)展常用代(Generation)來表示;CT機從上世紀70年代問世以來,已經經歷了5代。2023/2/564生物醫(yī)學工程中心FirstGeneration2023/2/565生物醫(yī)學工程中心SecondGeneration2023/2/566生物醫(yī)學工程中心ThirdGeneration(FromSiemens)2023/2/567生物醫(yī)學工程中心FourthGeneration2023/2/568生物醫(yī)學工程中心在技術上屬于第三代CT,是在滑環(huán)技術上的進一步發(fā)展,分為單層和多層螺旋CT
。螺旋CT機2023/2/569生物醫(yī)學工程中心2023/2/570生物醫(yī)學工程中心5thGenerationE-BeamCTScannerSpeed:50,100msThickness:1.5,3,6,10mmECGtriggercardiacimages(FromImatron)2023/2/571生物醫(yī)學工程中心CTScanner2023/2
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