第1章醫(yī)學(xué)圖像的發(fā)展

1、醫(yī)學(xué)圖像處理與分析醫(yī)學(xué)圖像處理與分析Medical Image Processing and Analysis羅述謙羅述謙 周果宏周果宏科學(xué)出版社科學(xué)出版社 2010第一章第一章 醫(yī)學(xué)圖像的發(fā)展醫(yī)學(xué)圖像的發(fā)展n影像學(xué)是醫(yī)學(xué)科學(xué)的一個(gè)重要方面，用于人體解剖結(jié)構(gòu)、功能或代謝信息的可視化。n人體結(jié)構(gòu)與功能成像對(duì)于理解人體的解剖、生理過(guò)程、器官的功能，以及器官整體或一部分在異常生理?xiàng)l件或疾病的影響下的行為具有 十分重要作用。醫(yī)學(xué)圖像及其重要性醫(yī)學(xué)成像模式Medical Imaging Modalities根據(jù)成像的源劃分n外源型nX-ray RadiographynX-ray CTnUltrasoun

2、dnOptical: Reflection, Transilluminationn內(nèi)源型 nSPECTnPETn混合型nMRI, fMRInOptical FluorescencenElectrical Impedance醫(yī)學(xué)成像信息Medical Imaging Informationn解剖信息 AnatomicalnX-Ray RadiographynX-Ray CTnMRInUltrasoundnOpticaln功能/代謝信息 Functional/MetabolicnSPECTnPETnfMRInUltrasoundnOptical FluorescencenElectrical Im

3、pedance德國(guó)物理學(xué)家倫琴 倫琴夫人手的X光片1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Conrad Rntgen，）發(fā)現(xiàn)一種未知的射線，稱(chēng)做“X”射線，并用“X”射線給他夫人的手拍照。這就是人類(lèi)史上第一次科學(xué)技術(shù)醫(yī)學(xué)成像。為了紀(jì)念他，人們將X射線又叫做倫琴射線。倫琴本人也因?yàn)檫@一重大貢獻(xiàn)獲得第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Chest Radiograph此后，X光片應(yīng)用日益廣泛，今天，已經(jīng)成為幾乎所有醫(yī)院不可或缺的常規(guī)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)手段。 X射線成像原理 X射線成像是基于待成像物體各組成部分的密度不同，因而對(duì)X射線的吸收不同，從而透射X射線強(qiáng)度差異，在乳膠片上成像的（左圖）。X光圖片是X射線通路上物體

4、對(duì)射線吸收的積分效果。一個(gè)大小和密度相同的腫瘤或病灶，無(wú)論在體內(nèi)前、中或后部，它在X光片上表現(xiàn)的圖像是一樣的（右圖）。也就是說(shuō)，X光圖片不能反映組織或病灶的三維空間位置。如果我們?cè)O(shè)想將人體水平方向上的剖面劃分為許多正方形或長(zhǎng)方形的小單元（稱(chēng)做象素），然后在人體周?chē)貓@弧方向不斷改變X光源及接收探測(cè)器的位置。這樣，每次X射線通路上都有不同的象素組合，探測(cè)器會(huì)記錄響應(yīng)的強(qiáng)度值。采用一定的數(shù)學(xué)方法，我們可以很容易從這些記錄的探測(cè)器強(qiáng)度值倒推出各個(gè)象素的密度。這就是反投影圖像重建技術(shù)。 組織類(lèi)別組織類(lèi)別 CT值值 (Hu) 水 0腦脊液38血液1332出血 6484脾臟5065肝臟5070鈣化8030

5、0肺組織-600-800骨皮質(zhì) 400脂肪-2080正常組織的CT值：該物質(zhì)吸收系數(shù)；水的吸收系數(shù)；值mwwwmCT:1000單位：Hu，Hounsfield Unit不同的CT掃描方式Ring of DetectorsSourceSourceRotation PathX-raysObject3-D 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)yxzX-Y SlicesxzyIin(x; y,z)Iout(x; y,z)(x,y; z)11229215124252627282磁共振成像Magnetic Resonance Imagingn美國(guó)科學(xué)家Paul Lauterbur 1973年首次將磁共振原理應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像，2003年

6、獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。n所有物質(zhì)的原子核都由質(zhì)子和中子組成，如果質(zhì)子和中子的總數(shù)是奇數(shù)的話(huà)，原子核就有自旋并產(chǎn)生磁矩。n大多數(shù)物質(zhì)都是由數(shù)個(gè)具有磁矩的原子核，例如 1H, 2H, 13C, 31Na, 31P, 等構(gòu)成。MR成像原理簡(jiǎn)介橫向弛豫與縱向弛豫自旋-晶格弛豫(spin-lattice relaxation)自旋-自旋弛豫(spin-spin relaxation)MRI重要方面n多種MRI.成像模式nT1 , T2 和Pd 加權(quán)像n不同脈沖序列采集信號(hào)nMR 波譜儀 MR spectroscopy nMR 血流成像 Blood flow imagingnMR 灌注成像 Perfu

7、sion imagingnMR 功能成像 Functional imaging自旋回波脈沖掃描Spin-Echo S = k r (1-exp(-TR/T1) exp(-TE/T2)面向不同的應(yīng)用，有多種脈沖掃描序列三種加權(quán)MRI圖像T1 WeightedSpin Density ImageT2 Weighted3T 和1.5TMR的T1 ， T2 參考值三正交顯示平面 3- view ImagingxzyyxxyzzSagitalCoronalAxial軸向圖 冠狀圖 矢狀圖磁共振波譜儀 MR spectroscopy 功能磁共振圖像 Function MR imaging超聲成像系統(tǒng)原理U

8、ltrasound ImagingPiezoelectric crystalAcoustic absorbersBlockersImagingObjectTransmitter/Receiver CircuitControlCircuitPulseGeneration and TimingData-Acquisition Analog to Digital ConverterComputer Imaging Storage and ProcessingDisplay心臟B-超圖像B-Mode Imaging of Heart心臟多普勒彩超圖像Doppler Imaging of Beating

9、 Heart核醫(yī)學(xué)成像 Nuclear Medicine Imaging基本原理：將放射性標(biāo)記的藥物注射體內(nèi)， 人體代謝選擇的組織或介質(zhì)，產(chǎn)生放射性發(fā)射（SPECT中的伽瑪射線或PET中的正電子).。之后，這些發(fā)射的光子被體外的探測(cè)器捕獲， 生成放射性示蹤劑的分布，得知人體的功能信息。單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層圖像Single photon emission computed tomography (SPECT)n 放射性藥物引入人體，經(jīng)代謝后在臟器內(nèi)外或病變部位和正常組織之間形成放射性濃度差異，體外的核射線（射線）探頭陣列將探測(cè)并記錄這些差異，經(jīng)晶體光放大, 光電倍增管放大,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理成像。S

10、PECT 成像原理Object EmittingGamma PhotonsScintillation Detector Arrays Coupled withPhotomultiplier Tubes99mTc (140 keV) SPECT 圖像正電子發(fā)射斷層掃描圖像Positron emission tomography (PET) PET的基本原理是利用加速器生產(chǎn)的超短半衰期同位素,如18F、13N、15O、11C等作為示蹤劑注入人體,參與體內(nèi)的生理生化代謝過(guò)程。這些超短半衰期同位素是組成人體的主要元素，利用它們發(fā)射的正電子與體內(nèi)的負(fù)電子結(jié)合釋放出一對(duì)伽瑪光子,被探頭的晶體所探測(cè),經(jīng)過(guò)計(jì)

11、算機(jī)對(duì)原始數(shù)據(jù)重建處理,得到高分辨率、高清晰度的活體斷層圖像，以顯示人腦、心、全身其他器官及腫瘤組織的生理和病理的功能及代謝情況。PET成像原理Object EmittingPositronsScintillation Detector Arrays Point of Positron EmissionPoint of Positron AnnihilationPosition Dependent Photomultiplier Tubes CoincidenceDetectionSystemComputerDisplayDetector Ring FDG PET 圖像分子成像 Molecular imaging源于放射藥理學(xué)領(lǐng)域，需要以非介入方式很好地理解生物體內(nèi)基本分子通路。分子成像指對(duì)人體或其它生命體內(nèi)分子和細(xì)胞水平上的生物過(guò)程的可視化、特性化和測(cè)量。成像模式：n磁共振成像（MRI）n光學(xué)成像n單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層圖像（SPECT）n正電子發(fā)射斷層圖像（PET）n超聲圖像n探針和分子互作成像醫(yī)學(xué)成像和圖像分析Medical Imaging and Image Analysisn成像設(shè)備的進(jìn)步激勵(lì)了新的計(jì)算機(jī)圖像重建、處理與分析方法的發(fā)展，便于更好地對(duì)醫(yī)學(xué)圖像