2第2章 医学成像及处理技术基础ppt课件.ppt

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1、2第2章 医学成像及处理技术基础高等学校计算机基础教育课程高等学校计算机基础教育课程“十二五十二五”规划教材规划教材2011.3医学成像及处理技术医学成像及处理技术|2.1 医学成像及处理系统概述|2.2 医学图像的数字化|本章小结|思考与练习2|理解医学成像与图像处理的基本概念|了解医学成像系统的分类及成像原理|了解医学图像处理研究的内容和医学图像处理系统的组成|掌握采样和量化过程|了解采样定理和数字图像频谱的内容|掌握图像质量与采样和量化的关系|了解数字图像的矩阵表示方法|掌握图像数据量的计算方法|采样和量化过程|采样定理和数字图像频谱|图像质量与采样和量化的关系|数字图像的矩阵表示与图像

2、数据量| 医学成像及处理系统就过程而言它主要包括医学图像信号的采集、量化和后处理等；就设备而言它主要由成像系统和计算机系统等组成。|模拟图像模拟图像是指空间坐标以及明暗程度都连续变化的图像，又称为连续图像，是不能直接被计算机处理的图像，如照相机所拍的照片、医学用的X线底片一类的光学图像以及眼睛所看到的一切景物图像等。|数字图像数字图像是指模拟图像经采样后得到若干离散的像素，并将各像素的颜色值用量化的离散值即整数值来表示的图像。像素是其基本元素，即数字图像是将模拟图像经过数字化过程转变而成的，又被称为离散图像。|一幅图像可以表示成一个矩阵的形式，矩阵的每个元素表示每个像素的灰度值，如图2-1所示

3、。数字图像的表示法|医学成像医学成像是借助于某种介质（如 X线、电磁场、超声波、放射性核素等）与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等，以图像的方式表达出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学图像中所提供的信息进行判断，从而对病人的健康状况进行判断的一门科学技术。|医学成像的医学成像的 目的目的是通过各种方式探测人体，获得人体内部结构的形态、功能等信息，将其转变为各种图像显示出来，进行医学研究和诊断。|图像处理图像处理是改善输入图像质量的处理过程，也指为某种预期目的而对图像进行一系列操作的技术。|图像处理又分为模拟图像处理和数字图像处理两大类。|1.灵活性

4、大|2.精确度高|3.再现性好|现代医学成像系统按其信息载体可分为四种基本类型：|1.X线成像系统（1）普通X线（2）X线计算机体层成像技术（CT）（3）数字减影血管造影技术（DSA）|2.超声成像系统|3.核医学成像系统|4.磁共振成像（MRI）系统|（1）普通X线 X线线成像原理成像原理 X线具有穿透性和摄影效应。X线波长很短，具有很强的穿透力，能穿透被照射的人体组织，在穿透过程中由于受到一定程度的吸收会发生衰减，由于被穿透的组织结构在密度和厚度上有所差异，导致剩余下来的X线量有差别，经过显像这一步骤后，例如经X线片、荧屏或电视屏显示就能获得具有黑白对比、层次差异的X线影像。|（1）普通X

5、线 X线线分类及应用分类及应用 普通X线分为透视和X线照相两种。 透视透视是指由于荧光效应，当X线透过人体被检查部位时转换成波长较长的荧光并在荧光屏上形成影像。透视能看到心脏、横膈及胃肠等活动情况，多用于胸部及胃肠检查。|（1）普通X线 X线线分类及应用分类及应用 照相，亦称摄影，是指X线透过人体被检查的部位并在胶片上形成影像。照片所见影像比透视清楚，适用于头颅、脊椎及腹部等部位检查。胸部X射线照相图像（2）X线计算机体层成像技术（CT）CT是计算机和X线相结合的一项诊断技术， 它利用人体组织对X线吸收系数（CT值）的差别来进行成像。CT图像密度分辨率高，比普通X线照片高1020倍，以不同的灰

6、度来表示，反映器官和组织对X线的吸收程度，能准确测出某一平面上各种不同组织之间的放射衰减特性的微小差异，分辨出各种软组织的不同密度，下图分别是头部和牙齿的CT断层图像。头部CT断层图像牙齿的CT断层图像（3）数字减影血管造影技术（DSA）DSA技术技术是基于顺序图像的数字减影，将同一部位的两帧造影和未造影的图像（即减影对）分别经影像增强器增强，摄像机扫描矩阵化，再经模/数转换进行数字化，两者相减而获得数字化图像，最后经过数/模转换形成减影图像，其结果消除了整个骨骼和软件组织结构，从而将血管在减影图中显示出来，具有很强的对比度。（3）数字减影血管造影技术（DSA）DSA用于机体各系统器官的血管造

7、影，并广泛应用于临床。图2-5所示为主动脉X射线造影图像。 主动脉X射线造影图像|概念：超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在20 000 Hz以上。|原理：超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。根据接收到回声的强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像，这被称为声像图。|应用：利用超声多普勒系统，能探查心脏活动和胎儿活动以及血流状态。如图所示为两幅胎儿超声波图像。胎儿超声波图像|核医学成像核医学成像是一种以脏器内外或脏器内部正常组织与病变组织之间的放射性差别为基础的脏器或病变的显像方法，通过有选择地测量摄入体

8、内的放射性核素所放出的射线来实现人体成像。 |核医学成像技术包括相机成像技术、发射型计算机断层成像技术（ECT）、单光子发射型计算机断层成像技术（SPECT）和正电子发射型计算机断层成像技术（PET）。射线成像得到的骨骼扫描图像 PET图像|磁共振成像磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建后成像的一种成像技术。|含单数质子的原子核，例如人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，有如一个小磁体。通常氢原子核自旋轴的排列没有规律。|但如在均匀的强磁场中，则氢原子核的自旋轴将按磁场磁力线的方向重新排列。用特定频率的射频脉冲进行激发，氢原子核吸收一定的能量而共振，即发生

9、了磁共振现象。停止发射射频脉冲，则被激发的氢原子核把所吸收的能量逐步释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。|这一恢复过程称为弛豫过程，而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间。人体不同器官的正常组织与病理组织的纵向弛豫时间T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，横向弛豫时间T2也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。膝盖的MRI图像脊椎的MRI图像医学图像处理研究的内容医学图像处理研究的内容包括：医学图像增强、恢复、分割等预处理技术，医学图像配准，医学信息三维可视化，虚拟现实技术，PACS系统与DICOM标准，图像引导手术等。图像预处理技术图像预处理技术可以对

10、图像进行各种处理，以得到更好的显示效果。几何变换几何变换可以使观察者从不同角度、不同方位观察图像。滤波、增强、滤波、增强、恢复恢复等操作可以消除图像数据中的噪声，提高图像的质量。如对X-CT或MRI的数据进行滤波处理，可以消减图像数据中的噪声，突出其中感兴趣的组织。l解剖图像解剖图像主要描述人体的生理解剖结构，其来源包括X-CT、MRI及超声等，功能图像功能图像主要来描述人体在不同状态下组织、器官的功能及其活动状况，包括PET、单光子发射器的计算机断层成像等。l将来自不同设备不同模态的影像信息结合起来，方便医生诊断，首先要使不同图像在空间中的排列保持一致，即图像配准图像配准。l目前，图像配准技

11、术已在图像引导神经外科手术、脑功能区的定位、脑结构变化的研究等方面得到应用。|医学图像的三维可视化技术三维可视化技术可从二维图像中获取三维图像模型，为医生提供更逼真的显示手段和定性定量分析工具，有利于准确确定病变空间位置、大小、几何形状及周围生物组织之间的关系，便于医生从多角度、多层次进行观察和分析，有效地参与医学图像数据的处理与分析过程。|医学图像的三维可视化技术在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面有着及其重要的作用，也是仿真内镜技术的基础。l虚拟现实技术虚拟现实技术，是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，即采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环

12、境，用户以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，可产生亲临等同真实环境的感受和体验。l虚拟现实技术应用于医学，称之为虚拟医虚拟医学或仿真医学学或仿真医学。该技术在医学上已应用于医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面。PACS利用计算机网络将计算机设备与各种影像设备相连接，利用磁光存储技术，将图像数据以数字方式存储、管理、传送和显示。优点优点有：l无失真地存储影像信息l方便检索和数字化显示l突破了空间限制，实现专家知识和经验的共享l利用计算机对医学影像进行多种处理|DICOM是专门用于医学图像的存储和传输的标准，提供与制造商无关的数字图像，统一通信和存储的格式，简化

13、医学影像信息的交换，提供广泛的分布式诊断和查询。nDICOM标准涵盖了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等几乎所有信息交换的协议n定义了一套医学诊断图像及其相关的对象集n定义了用于信息传递、交换的服务类与命令集，以及消息的标准响应n详述了唯一标识各类信息对象的技术n提供了应用于网络环境的服务支持n结构化地定义了制造厂商的兼容性声明。|医学影像引导下的外科手术医学影像引导下的外科手术，借助计算机和医学影像来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，包括数据获取及处理、手术规划、手术导航和术中反馈与更新四个方面，使外科手术向着微创化、接触少的方向发展。|其中数据获取及处理包括从X-CT、MRI及

14、超声等医学影像设备中获取医学图像，然后进行图像分割、图像配准和图像三维显示等一系列处理过程。|医学图像处理系统的硬件组成硬件组成一般包括：主计算机和图像处理机，以及围绕它们配备的图像输入设备、图像输出设备、计算机外围设备和人机交互控制设备等医学图像处理系统l主计算机和图像处理机主计算机和图像处理机是图像处理系统的中心，拥有较大的图像存储器及外围存储设备，用于存储图像数据库、模型库与图像处理分析程序库。l目前，较流行的图像处理系统均包含图像处理新算法的开发环境，一般将通用计算机作为主机，向图像处理专用机发送命令，然后将处理结果再传送回主机，比如VIEWSTATION图像处理系统采用的是较先进的服

15、务器-客户端的模式。医学图像输入设备的功能输入设备的功能是完成对原始医学图像的摄取、光/电转换、模/数转换等，即进行图像数字化的过程。光信号首先经过图像传感器变成电信号，再由A/D转换器经过采样、量化转换为数字图像信号，图像数据被送往图像处理机进行处理，最后由图像输出设备输出。（1）鼓式扫描器及飞点扫描器l鼓式扫描器鼓式扫描器光束都聚焦在光检测器上，各个检测器根据光强度记录对应当前位置的图像灰度值。l飞点扫描器飞点扫描器工作时飞点管发出的光点照射到输入图像上，每一瞬间只照射一个像素，被照亮的像素反射的光射到光电倍增管上转换成电信号。（2）扫描仪|从原理原理上讲，扫描仪是一种光机电一体化的产品，

16、它由光源、透镜、CCD、A/D转换、信号处理电路以及机械传动机构组成，其核心部件是CCD传感器，即一种半导体光电成像器件，扫描仪通过CCD完成光电转换。（2）扫描仪|按输入对象分类分类，扫描仪可分为正片和负片；按与计算机接口的类型分类，扫描仪可分为EPP接口、USB接口、SCSI接口三种类型；按色彩分类，扫描仪可分为彩色型和灰度型；按工作方式分类，扫描仪可分为平台式、手持式、滚筒式三类。|主要指标主要指标有分辨率、灰度等级、微机接口方式、最大扫描幅度等。平台式扫描仪的原理图（3）摄像机|图像处理中的摄像机是指其功能部件中的摄像器件，主要任务是把输入景物光像转变为适宜处理和传输的电信号。z摄像机

17、按照记录信号的类型，可分为模拟摄像机和数字摄像机两大类z按照摄像器件的组成，分为电子管摄像机和固体器件摄像机两类。电子管摄像机又可细分为外光电效应摄像机和内光电效应摄像机。固体器件摄像机分为CCD固体器件摄像机和BBD固体器件摄像机。|电子管摄像机和固体器件摄像机的基本工作过程(4)数码相机|电荷耦合器件电荷耦合器件CCD把光信号转变成模拟的电信号，电信号经过A/D转换电路输出数字图像，最后经过MPU对其进行处理后存储在内置的存储器中，也可以通过接口将数码照片传送到计算机上，供计算机打印、调用、传输。|数码相机的分辨率分辨率用ppi表示，它表示每英寸所能采集像素的数目。ppi的值越大，扫描精度

18、越高。（5）图像采集卡|将已生成的模拟图像信号转换成数字图像信号并输入计算机的设备，也称为图像捕捉卡，可以对模拟图像信号进行捕捉、数字化、定格、存储、输出等多种操作。|图像采集卡的分类|功能功能将经过处理的数字图像再经过D/A转换，成为光图像信号或将其硬拷贝下来长期保存。|图像输出方式图像输出方式分软拷贝（屏幕）和硬拷贝（打印机、扫描仪）两类。（1）CRT显示器|CRT显示器通过在显示管内表面涂抹一层荧光粉，由计算机控制磁场，再用磁场来控制由电子枪发射出来的电子束偏向的原理进行扫描显示的，像点灰度控制电子束强度。（2）液晶显示器|液晶显示器是在两块平行的玻璃板间填充液晶材料，通过电压来改变液晶

19、材料内部分子的排列状况，利用透光和遮光来显示图像。LCD工作原理（TN型）（3）打印机|打印机可分为三种类型：喷墨打印机 激光打印机 自给色打印机其中激光打印机是采用电子成像技术进行打印的医学图像存储设备有磁带、磁盘、光盘、磁光盘、DVD及磁盘阵列等。|功能在图像处理过程中实现人机对话，从而避免完全由机器带自动操作的弊端，即根据上一阶段的处理结果确定下一步应采取什么处理技术或输入什么参数。|人机交互过程所需装置有键盘、鼠标、图形输入板、人的语言指令和动作指令识别装置。|大致分为图像采集、图像预处理（图像变换、增强、恢复、分割等）、图像配准、图像重建及图像的压缩、存储与传输几个方面。|采集采集指

20、PACS获取医学影像的数字信号及其辅助信息的技术与功能。目前采集方式采集方式有两种：|一是通过成像设备的数字接口按照DICOM标准进行数字图像采集，如B超、彩超、CT、MRI等；|另一种是通过医学专用胶片扫描仪遵循TWAIN标准进行胶片的数字化，如X光片的数字化目前均采用这种方式。（1）图像变换 把图像从空间域转换到变换域（如频率域）的过程（2）图像增强 增强图像中用户感兴趣的信息（3）图像恢复 对失真的图像进行处理，使处理后的图像尽量接近原始的未失真的图像（4）图像分割 根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，利于对图像进行分析、识别、压缩编码等|图像配准图像配准指同一目标的两幅或多幅

21、图像在空间位置上的对准，其技术过程，称为图像匹配，或者图像相关。|利用图像配准技术，可以将解剖图像和功能图像两大类图像结合起来，在一幅图像上表达多方面的信息。|利用人体某一部位的一系列的二维断层图像重建三维图像重建三维图像，完成对患者器官、软组织和病变体的三维显示，辅助临床医生对患者病变体和周围组织进行分析，以准确确定患者病变体的空间位置、大小、几何形状及其与周围生物组织间的空间关系。|利用图像压缩来减少图像数据量，即将一个大的数据文件转换成较小的同性质的文件，以利于存储和传输。|图像数字化图像数字化分为采样和量化两个步骤。对空间坐标离散化的过程称为采样采样，对幅度（灰度值）离散化的过程称为量

22、化量化。图像的数字化过程模拟图像与数字图像的比较数字图像的质量很大程度上取决于采样和量化中所用的采样点数和灰度级数。|采样采样就是把空间域上或时间域上连续的模拟图像转换成离散的采样点(像素)集合的一种操作，即空间坐标的离散化。采样时先沿垂直方向采样，然后将得到的扫描线再沿水平方向采样。采样示意图X光片经采样后效果|若函数f(x,y)表示一幅模拟图像，则有如下二维采样定理：|若函数若函数f(x,y)的傅里叶变换的傅里叶变换F(u,v)在频在频域中的一个有限区域外处处为零，设域中的一个有限区域外处处为零，设uc和和vc为其频谱宽度，只要采样间隔为其频谱宽度，只要采样间隔x1/2uc和和y1/2vc

23、时就能由时就能由f(x,y)的采样值精确重建的采样值精确重建f(x,y)。|通常称x1/2uc，y1/2vc为奈奎斯特条件。采样函数与采样网格(a)原函数频谱 (b)采样后函数频谱采样图像频谱|采样后图像的频谱是由原连续图像频谱及无限多个它的周期平移频谱组成的，只是幅值上差一个因子1/xy，重复周期在u轴和v轴上分别为1/x和1/y。当满足x1/2uc，y1/2vc即奈奎斯特条件时，即可利用低通滤波器获得原连续图像的频谱，然后利用反傅里叶变换就可以精确重建f(x,y)。|在图2-18(b)中，采样网格选择的是长方形阵列，当采样间隔x=y时，就变成了正方形阵列正方形阵列，此时， x=y 1/2R

24、 （2-1）其中R为图像可达到的最高空间频率。正方形排列的像素采样条件|当采样间隔以蜂窝状六边形排列，即各相邻像素之间的距离全部相等设为d，如图2-21，此时进行正确采样的条件为 （2-2）六边形排列的像素采样条件|当采样间隔过大而不满足奈奎斯特条件时，导致采样图像的频谱中，原始连续图像的频谱与它的平移复制品重叠，其中高频分量摄入到它的中频或低频分量中，中频分量摄入到高频分量中，这种现象称为混叠混叠。|部分解决混叠的办法部分解决混叠的办法是：首先让图像通过一个适当的低通滤波器，滤除一部分高频分量，然后再进行取样，这样可以避免一部分高频分量的射入。混叠现象|把采样后所得的各像素的灰度值从模拟量转

25、换为离散量称为量化量化，即量化是灰度值的离散化。量化的操作过程称为量化过程。灰度值的量化|量化方法有两种，即均匀量化和非均匀量化。|（1）均匀量化均匀量化。均匀量化就是简单地把采样点的灰度范围等间隔地分割并进行量化，即将灰度值域划分成若干个等长的子区间，而各子区间的等级灰度为子区间的中点对应的灰度。|（2）非均匀量化非均匀量化,又称为非等间隔量化。其基本思想是依据一幅图像具体的灰度值分布的概率密度函数，按总的量化误差最小的原则来进行量化。即像素灰度值频繁出现的灰度值范围，量化间隔取小一些，而对那些像素灰度值极少出现的灰度值范围，量化间隔则取大一些。|1.空间分辨率和灰度分辨率|空间分辨率空间分

26、辨率常指图像中可辨别的最小细节，用来衡量采样结果质量的高低，采样实质上就是要用多少像素来描述一幅图像。|所谓灰度级分辨率灰度级分辨率，是指在图像灰度级中可分辨的最小变化，通常把大小为MN、灰度级为L的数字图像称为空间分辨率为MN、灰度级分辨率为L级的数字图像。灰度级的表示|2. 空间分辨率与图像质量 空间分辨率越高，图像质量越高图像空间分辨率变化所产生的效果|当量化级数Q一定时，随着采样点数的减少，若要保持空间分辨率不变，则图像尺寸会越来越小。空间分辨率不变，图像尺寸变化情况|灰度级越多，图像层次越丰富，灰度级分辨率越高，视觉效果越好；灰度级越少，图像层次越单调，灰度级分辨率越低，图像的视觉效

27、果越差，并会出现虚假轮廓现象。灰度级分辨率变化所产生的效果|4.空间和灰度分辨率同时变化时，图像质量的退化比单独变换空间分辨率或幅度分辨率时要更快。空间分辨率和灰度级分辨率同时变化所产生的效果|综上所述，图像质量与空间分辨率和灰度分辨率之间的关系如下：| (1) 对一幅图像，当量化级数Q一定时，采样点数MN对图像质量有着显著的影响。采样点数越多，图像质量越好；当采样点数减少时，图上的块状效应就逐渐明显。| (2) 同理，当图像的采样点数一定时，采用不同量化级数的图像质量也不一样。量化级数越多，图像质量越好，当量化级数越少时，图像质量越差，图像会出现虚假轮廓，量化级数最小的极端情况就是二值图像。

28、|数字图像大小一定时, 为了得到质量较好的图像，一般可采用如下原则：|（1）对灰度变化缓慢、细节较少的图像，应该细量化、粗采样，即采样点数MN可以少些，量化等级取值应多些，这样可以避免出现虚假轮廓。|（2）对细节较多、具有复杂景物的图像，应细采样、粗量化，即采样点数MN可以多些，量化等级取值应少些，这样避免模糊(混叠)。|（3）对于彩色图像，应该按照颜色成分即红(R)、绿(G)、蓝(B)分别进行采样和量化。|1.数字图像的矩阵表示表示数字图像的坐标定义|对采样、量化后的数字图像可用以下矩阵F表示： （2-3）|根据图像量化级数的不同，可以将图像分为黑白图像、灰度图像和彩色图像。图2-31 黑白

29、图像的矩阵表示灰度图像的矩阵表示图2-33 彩色图像的矩阵表示|假定图像的空间分辨率为MN，每个像素量化后的灰度二进制位数为Q，一般Q总是取为2的整数幂，即Q=2k, 则存储一幅数字图像所需的二进制位数b为： b=MNQ （2-4）|占用的字节数B为： B=b/8 （2-5）|此时b越小，即量化后用来表示灰度值的位数越小，其量化误差越大。|1. 医学成像与图像处理的基本概念。|2. 医学成像系统的分类及成像原理。|3. 医学图像处理研究的内容。|4. 医学图像处理系统的组成。|5. 采样与量化的过程。|6. 图像质量与采样和量化的关系。|7. 数字图像的矩阵表示与图像数据量的计算。|2-1 数字图像有何优点？|2-2 写出下面常见医学成像方式的中文含义： CT、PET、MRI、DSA。|2-3 医学图像处理系统的研究内容有哪些？|2-4 简述一个图像处理系统的基本组成及画出方框示意图。|2-5 解释数字图像处理的有关名词：采样、量化、空间分辨率、灰度分辨率。|2-6 简述图像质量与采样和量化的关系。|2-7采样和量化应遵从哪些原则？|2-8 在图像量化中，有非均匀量化技术，在灰度级低的时候用它比较有效，但是为什么在灰度级级数高时几乎不用？