醫(yī)學(xué)影像成像原理課件

醫(yī)學(xué)影像成像原理第二章數(shù)字圖像基礎(chǔ)人眼的光亮感覺780~380nm可見光人眼的視敏特性人眼最敏感的光波長為555nm，顏色是草綠色，這一區(qū)域顏色，人眼看起來省力，不易疲勞。人眼的亮度感覺人眼所能感覺到的最大亮度與最小亮度的差別在不同環(huán)境亮度下對同一亮度所產(chǎn)生的主觀亮度感覺。人眼的亮度感覺特點：

對比度對比度是客觀景物最大亮度Bmax與最小亮度Bmin之比?；译A灰階是亮度的級差或亮度層次，它反映圖像明、暗層次的程度。分辨力分辨力是指人眼在觀看景物時對細(xì)節(jié)的分辨能力。分辨力測試的方法人眼對活動圖像的分辨力低于對靜止圖像的分辨力視覺暫留（視覺惰性）人眼的主觀亮度感覺與客觀光的亮度是不同步的。當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于視網(wǎng)膜時，不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺，而是按近似指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng)亮度突然消失后，人眼的亮度感覺并不立即消失，而是按近似指數(shù)規(guī)律下降。人眼的亮度感覺總是滯后于實際亮度的，這一特性稱為視覺惰性或視覺暫留。視覺暫留時間0.05~0.2s彩色三要素亮度：是指彩色光作用于人眼引起的明暗程度的感覺。色調(diào)：指彩色光的顏色類別。飽和度：是指顏色的深淺程度。三基色原理自然界中一切彩色都可以分解成紅、綠、藍(lán)三種獨立色。用紅、綠、藍(lán)可以按不同比例配成自然界中不同的顏色。綠黃青紅綠藍(lán)品紅像素組成圖像的細(xì)?。ɑ荆﹩卧Q為像素黑白圖像兩個基本要素灰度——構(gòu)成圖像至少兩個灰度空間位置——構(gòu)成圖像至少兩個空間位置彩色圖像三個基本要素亮度空間位置色彩——色調(diào)、飽和度活動圖像四個基本要素亮度空間位置色彩——色調(diào)、飽和度時間圖像的表示方法黑白圖像二維或三維,以灰度反映客觀景物。彩色圖像真彩色圖像圖像色彩與景物色彩完全一致偽彩色圖像人為編制彩色序列與原圖像特征成定量對應(yīng)關(guān)系。假彩色圖像人為地賦予圖像色彩，與原圖像特征無定量關(guān)系。函數(shù)形式圖像函數(shù)形式圖像Ｉ（x,y,z,t,λ,…..)便于書寫，無圖像直觀性數(shù)字形式圖像

便于傳輸、保存，抗干擾性強(qiáng)，無直觀性，需數(shù)模轉(zhuǎn)換顯示圖像。點陣采樣什么是數(shù)字圖象處理數(shù)字圖象處理就是利用計算機(jī)系統(tǒng)對數(shù)字圖象進(jìn)行的具有各種目的的處理。數(shù)字圖象處理也離不開模擬技術(shù)，為實現(xiàn)人－機(jī)對話和自然的人機(jī)接口，持別需要人去參與觀察和判斷的情況下，模擬圖像處理技術(shù)是必不可少的。什么是醫(yī)學(xué)圖象處理醫(yī)學(xué)圖象處理就是利用計算機(jī)系統(tǒng)對生物醫(yī)學(xué)圖象進(jìn)行的具有臨床醫(yī)學(xué)意義的處理和分析。醫(yī)學(xué)圖像處理的意義圖象是人們從客觀世界獲取信息的重要來源視覺信息占60％－70％。圖像信息處理是人類視覺延續(xù)的重要手段人的眼睛只能看到可見光部分，但能夠成像的并不僅僅是可見光?？沙上竦纳渚€有：

γ射線X射線紫外線紅外線微波利用圖像處理技術(shù)把這些不可見射線轉(zhuǎn)換成可見圖像，大大延伸了醫(yī)生視覺器官的功能，擴(kuò)大了診斷范圍。數(shù)字圖象的表示

f(x，y)X、y代表空間坐標(biāo)，函數(shù)值f代表該點的灰度格柵化矩陣像素xy層次對比度清晰度清晰度：被發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)圖像清晰度清晰度清晰度清晰度清晰度數(shù)字圖象處理的特點圖像信息量大一幅圖像可看成是由圖像矩陣中的像素(pixel)組成的，每個像素的灰度級一般采用8bit(灰度圖象)，高精度的可用12或16bit。一般分辨率的圖像像素數(shù)為256×256、512×512，高分辨率圖像像素數(shù)可達(dá)1024×1024或2048×2048。

圖像處理技術(shù)綜合性強(qiáng)在數(shù)字圖像處理中涉及的基礎(chǔ)知識和專業(yè)技術(shù)相當(dāng)廣泛：通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電視技術(shù)，以及數(shù)學(xué)、物理學(xué)等方面的基礎(chǔ)加識。數(shù)字圖像處理的主要方法及主要內(nèi)容一、數(shù)字圖像處理方法

1．空域法把圖像看作是平面中各個像素組成的集合，然后直接對二維函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2．變換域法首先對圖像進(jìn)行正交變換，得到變換域系數(shù)陣列，然后在施行各種處理，處理后再反變換到空間域，得到處理結(jié)果。包括：濾波、數(shù)據(jù)壓縮、特征提取等處理。圖像信息的獲取、圖像信息的存儲、圖象信息的傳送、圖像信息處理；圖像信息的輸出和顯示。1．圖象獲取包括攝取圖像、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等方法有如下幾種：電視攝像機(jī)、飛點掃描器、掃描鼓、掃描儀、顯微光密度計、遙感常用圖像獲取二、數(shù)字圖像處理主要內(nèi)容2．圖象存儲磁帶、磁盤或光盤。為解決海量存儲問題，主要研究數(shù)據(jù)壓縮、圖像格式和圖像數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。3．圖像傳輸內(nèi)部傳送多采用DMA（DirectMemoryAccess）技術(shù)外部遠(yuǎn)距離傳送主要解決占用帶寬4．圖像處理幾何處理、算術(shù)處理、圖象增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖象重建、圖像編碼、圖像識別和圖象理解

硬拷貝:照相、激光拷貝、彩色噴墨打印等軟拷貝:CRT顯示器、液晶顯示器(LCD)、場致發(fā)光顯示器(FED)5.圖像的輸出與顯示醫(yī)學(xué)圖象處理及研究內(nèi)容一、超聲圖象分為回波法和多普勒法兩大類回波法是利用超聲波在兩種聲阻抗不同的物質(zhì)界面處的反射來檢測臟器的構(gòu)造及其運動的。界面：兩個介質(zhì)的分界面聲阻差：兩個介質(zhì)聲阻抗的差值利用回波法成象可以有多種方法A型是顯示一束超聲波及其回波的距離和幅值(強(qiáng)度)，這種方式不利于圖象顯示。把回波的強(qiáng)度用顯示光點的輝度來表示即B型顯示。B型顯示中每一射束超聲波及其回波與圖象中的一行相對應(yīng)，所以特別有利于形成圖象。不改變超聲波束的方向，把各次超聲發(fā)射的回波對時間展開構(gòu)成圖象，即成M型超聲圖象，M型超聲圖象常用來觀察臟器的運動。多普勒法是利用運動物體反射的超聲波多普勒效應(yīng)來檢測運動物體的速度及方向的。

在聲源與觀察者作相對運動時，聲波密集，頻率增高；在背向運動時聲波疏散，頻率減低，這種引起聲波頻率變化的現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)。

探頭工作時，換能器發(fā)出超聲波，由運動著的紅細(xì)胞發(fā)出散射回波，再由接收換能器接收此回波。（6）超聲多普勒組織成象(DTI)增益調(diào)節(jié)器高通濾波器信號選擇自相關(guān)多普勒信號系統(tǒng)控制DFIDTI速度測量數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換彩色編碼數(shù)模轉(zhuǎn)換彩色監(jiān)視器

多普勒組織成像流程圖（DFI：彩色多普勒血流成像，DTI：多普勒組織成像）二、X射線圖象

X線圖象建立在當(dāng)X線透過人體時，各種臟器與組織對X線的不同吸收程度的基礎(chǔ)上，因而在接收端將得到不同的射線強(qiáng)度。接收端射線強(qiáng)度的變化，如被記錄在底片上就變成灰度的變化，如通過影象增強(qiáng)管，則就變成了輝度的變化。X線斷層攝影技術(shù)X線CT技術(shù)X光數(shù)字減影

X光機(jī)+造影劑+計算機(jī)數(shù)字圖象系統(tǒng)(1)傳統(tǒng)X光及X光負(fù)片，醫(yī)生肉眼觀察X線管熒光屏(2)影像增強(qiáng)器，暗室操作明室操作，數(shù)字存儲（圖象凍結(jié)）。

X線管影像增強(qiáng)器攝象機(jī)監(jiān)視器錄象機(jī)數(shù)字化儀(3)X光機(jī)向數(shù)字X光機(jī)發(fā)展人體組織中大量存在氫原子核（H）或稱質(zhì)子，具有自旋及磁矩的物理性能。在外加磁場的作用下，質(zhì)子以一種特定方式繞磁場方向旋轉(zhuǎn)。在經(jīng)受一個頻率與質(zhì)子自旋頻率相同的射頻脈沖激發(fā)，便引起質(zhì)子共振，即所謂核磁共振，并發(fā)生質(zhì)子相位與能級變化。在射頻脈沖停止激發(fā)后，質(zhì)子的相位和能級又由非平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入平衡狀態(tài)。亦即由激發(fā)后狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)前狀態(tài)。這個過程稱為弛豫過程，經(jīng)歷的時間稱為弛豫時間（T1和T2）。這些能級變化和相位變化所產(chǎn)生的信號均能為位于身體附近的接受器所測得，經(jīng)過電子計算機(jī)的運算處理轉(zhuǎn)變成圖像。三、磁共振成像MRI四、核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)

將放射性同位素(RI)作為示蹤物質(zhì)，直接注入人體，并在體外用測定器對它的分布、聚集、變化等進(jìn)行測定記錄，所得的圖象即為核醫(yī)學(xué)圖象。核醫(yī)學(xué)圖象特長：首先，由于可以選擇對特定臟器的生理作用有關(guān)連的放射性藥物，因而可對不同的臟器做圖象觀察和分析研究，即有做選擇性造影的能力；其次，由于放射性藥物可以有不同的壽命，因而有可能對放射性物質(zhì)在體內(nèi)的活動進(jìn)行長時間的觀察，從而有可能測定體內(nèi)各臟器的攝取、排泄、循環(huán)以及代謝等機(jī)能，即具有動態(tài)機(jī)能測定的能力，這些重大特長都是其它醫(yī)學(xué)圖象所不具有的。放射性同位素掃描儀相機(jī)：偽彩色成像，診斷臟器的機(jī)能正電子CT（PET）單光子CT（SPECT）二、三維成像二維成像PET五、其它醫(yī)學(xué)圖象研究1.紅外熱像儀紅外攝象機(jī)圖象采集卡彩色監(jiān)視器計算機(jī)（1）用于診斷乳腺癌、甲狀腺及淺表腫瘤；（2）安裝在眼底照相機(jī)上，研究眼底血液循環(huán)；（3）人體運動檢測，運動員訓(xùn)練。紅外熱圖靜脈曲張患者的腿部遠(yuǎn)紅外熱像，血管明顯增溫、增粗，箭頭所指處尤為明顯。2.顯微醫(yī)學(xué)圖象系統(tǒng)顯微鏡+電視攝象機(jī)+計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)（1）血細(xì)胞分類研究（2）染色體分類研究（3）癌細(xì)胞識別研究（4）微循環(huán)研究（5）眼科檢驗儀器：眼底照相機(jī)，驗光儀顯微醫(yī)學(xué)圖象3.電子顯微鏡電視圖象系統(tǒng)電子顯微鏡+電視攝象機(jī)+計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)專門研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)4.內(nèi)窺鏡電視圖象系統(tǒng)內(nèi)窺鏡+電視攝象機(jī)+計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)

電子內(nèi)窺鏡電視圖象系統(tǒng)示意圖計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)照明光源光導(dǎo)纖維導(dǎo)光孔道光導(dǎo)纖維導(dǎo)象孔道CCD攝象機(jī)臟器物鏡彩色監(jiān)視器錄象機(jī)導(dǎo)線微型內(nèi)窺鏡M2A微型內(nèi)窺鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：1、光學(xué)圓蓋2、透鏡固定環(huán)3、透鏡4、照明發(fā)光二極管5、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體成像器6、電池7、專用集成電路8、天線５.PACS系統(tǒng)PACS系統(tǒng)=醫(yī)學(xué)圖象數(shù)據(jù)庫+Internet６.數(shù)字人體（1）1988年，日本東京慈愚會醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)工程室男女各一，健康青年人，全身每15mm做一幅MRI圖象，各120幅圖象。a)任意角度斷面像；b)全身及部分立體像，任意角度觀察頭部胸部（2）1991年，美國國家醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)可視化人體項目男女各一，尸體

可視化男體：CT：軸向分辨率1mm，共1871幅解剖切片：軸向分辨率1mm，共1871幅

可視化女體：CT：軸向分辨率1mm，共1730幅解剖切片：軸向分辨率0.33mm，共5189幅由CT圖象分割出的骨骼,并可視化

(立體成像,任意角度旋轉(zhuǎn)顯示)

計算機(jī)繪畫影響失真度的因素①焦－體距：越大，放大越小。②體－片距：越小，放大越小。③被照部位的擺放：被照部位的長軸應(yīng)盡量與膠片平面平行，以減小變形。④焦點與被照體的相對位置：將被照體置于焦點的正下方，可以減小歪斜失真。數(shù)字Ｘ線成像概述X線源人體模擬信號A/D計算機(jī)儲存器PACSD/A圖像顯示數(shù)字X攝影系統(tǒng)的基本過程示意圖數(shù)字X線成像特點輻射量小對X線能量利用率高，量子檢出效率達(dá)60%以上。密度分辨率高對低對比度物體具有良好檢測能力。圖像后處理能力強(qiáng)通過計算機(jī)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖像儲存方便儲存容量大，高保真，便于傳輸、調(diào)閱、拷貝。模擬影像與數(shù)字影像所謂模擬影像，是以一種直觀的物理量來連續(xù)地、形象地表現(xiàn)出另一種物理特性的圖案。它的特點是：連續(xù)、直