医学成像技术-第一章-概论1课件

第一章 绪论,主讲：刘老师,主要内容,1.1 医学影像技术发展历程 1.2 医学影像成像的物理共性 1.3 计算机医学影像 1.4 医学影像设备的分类与组成 1.5 图像存储、传输系统 1.6 远程放射学系统 1.7 医学影像展望,医学影像技术是借助于某种介质（如X线、电磁场、超声波，放射性核素等）与人体相互作用，用理工学基础理论和技术，把人体内部组织器官的结构、功能等具有医疗情报的信息源传递给影像信息接收器，最终以影像的方式表现出来，提供给诊断医生，使医生能根据自己的知识和经验对医学影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。,1.1 医学影像技术发展历程,从1895年德国物理学家伦琴发现X光并由此拍出世界上第一张伦琴夫人手部的X线透视照片以来，医学影像技术从无到有、从不完善到功能齐全、分类精细，经历了一个0多年的发展过程。 教学目标： 了解X射线、CT、超声、MRI、DSA、CR、 DR、核医学（ECT、PET、SPECT）等医学影像技术的发展历程,1、1895年11月8日，德国物理学家伦琴在做真空管、高压、放电实验时，发现了X射线或称X线，并用于临床的骨折和体内异物的诊断。 1896年，德国西门子公司研制出世界上第一支X线球管。 20世纪10-20年代，出现了常规X线机。 20世纪60年代中、末期形成了较完整的放射诊断或放射学（radiology）学科体系。,第一张X线照片,伦琴,国产直接数字化X摄影系统,1.1 医学影像技术发展历程-X线机,2、1971年，世界上第一台用于颅脑的CT扫描机（计算机人体断层摄影术）由柯马克(A.M.Cormack)和郝恩斯费尔(G.N.Hounsfield)首次研制成功。1979年因此项技术的发明，柯马克、郝恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖。,世界上第一台4层CT扫描机,豪恩斯费尔德,1.1 医学影像技术发展历程-CT,CT机的分代主要以其线管和探测器的关系、探测器的数目、排列方式以及线管与探测器的运动方式来划分。到今天为止CT经历了5代发展，第6代CT正在研发中。 第1代CT机只有一个探测器，扫描角度为1º，扫描时间270s/层。仅用头部的扫描, 图像质量差, 以平移加旋转的扫描运动方式进行,称为平移/旋转型。,1.1 医学影像技术发展历程-CT,第2代CT机探测器的数目增加520个左右，X线束呈扇型，扫描角度增加为360º,扫描时间仍较长,一般在20s1min/层，扫描方式为窄扇形束扫描平移-旋转方式 。,1.1 医学影像技术发展历程-CT,第3代CT探测器数目一般多超过100个，有的接近1000个，X线扇形束扩大到40º50º，足以覆盖人体的横径,这样扫描就不需要再平移，而只需要旋转就可以了,故称为旋转/旋转型。扫描时间一般均在几秒钟,最快速度0.5s，实现了亚秒级扫描。,1.1 医学影像技术发展历程-CT,第1代到第3代CT机的X线管和探测器都是同步旋转的，而第4代CT机与之不同，探测器呈360º环状固定排列在机架内(目前有的机型多达4800个探测器)，X线则围绕人体和机架作360º旋转,把第4代称固定/旋转型(螺旋CT属此型)。,1.1 医学影像技术发展历程-CT,第5代CT机与第1到第4代CT机不同，在成像过程中X线管不需环绕机架作机诫运动，它是用电子束方法产生旋转的X线源,再穿透人体由探测器接受,这种CT机称为电子束CT,也称超高速CT，特点是扫描速度很快,50100ms/层,每秒最多可扫34层,就其扫描速度是普通CT的40倍，螺旋CT的20倍,可用于心脏一类运动器官的扫描。,1.1 医学影像技术发展历程-CT,第1代CT：扫描方式为平移(translate)+旋转(rotate)(T+R)方式的CT。 第2代CT：扫描方式为平移(translate)+旋转(rotate)(T+R)方式的CT。 第3代CT：扫描方式为旋转+旋转(R+R)扫描方式的CT。 第4代CT：扫描方式为静止(stationary)+旋转(S+R)扫描方式的CT。 第5代CT：扫描方式为静止+静止(SS)电子束扫描方式的CT。,现代螺旋CT结构图,第二代16层CT,第五代CT,1.1 医学影像技术发展历程-CT,3、20世纪50年代和60年代超声和放射性核素也相继出现。 1942年奥地利科学家达西科（Dussik）首先将超声技术应用与临床诊断，从此开始了医学超声影像设备的发展。 1954年瑞典人应用M型超声显示运动的心壁，称为超声心动图。 人类从20世纪50年代开始研究二维B型超声，至70年代中期，实时二维超声开始应用。,超声检查 (二尖瓣粘连),彩色超声检查 (胎儿发育),1.1 医学影像技术发展历程-超声,4、70年代末80年代初，超声、放射性核素、MR-CT和数字影像设备与技术逐步兴起。其中磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是目前最为先进的影像检查方法之一。 MRI是基于MR现象的医学影像技术。MR现象是1946年分别由美国斯坦福大学物理系Bloch教授和哈佛大学的Puecell教授领导的小组同时独立发现的。由于这一发现在物理、化学上具有重大意义，Bloch和Puecell共同获得了1952年的诺贝尔物理学奖。,曼斯.菲尔德,裴奥.劳特伯,GE Signa Profile/o MRI,1.1 医学影像技术发展历程-MRI,5、20世纪80年代推出了数字减影血管造影（DSA）和计算机X线摄影（CR）成像设备与技术，其后又推出了数字X线设备（DR）。 数字减影血管造影术是常规造影术与电子计算机处理技术相结合的一种新型成像技术。血管造影检查是对注入血管造影剂前后的图像进行相减，得到无骨骼，内脏，软组织背景的清晰的血管影象，而血管的形态，结构反映了多种疾病的基本信息。,1.1 医学影像技术发展历程-数字X线设备,计算机X线摄影（CR）是将X线摄照的影像信息记录在影像板（IP板）上，这种可重复使用的IP影像板，替代了胶片，不需要冲印，因此也称为干板。干板经激光读取装置读取，由计算机精确计算处理后，即可得到高清数字图像，最后经数字/模拟转换器转换，在荧屏上显示出灰阶图像，有利于观察不同的组织结构。,1.1 医学影像技术发展历程-CR,直接数字化X射线摄影系统（digital ray DR）是利用电子技术将X线信息的其它载体转变为电子载体，X线照射人体后不直接作用于胶片，被探测器（Detector）接收并转换为数字化信号，获得X线衰减值（attenuation value）的数字矩阵，经计算机处理，重建成图像。,1.1 医学影像技术发展历程-DR,6、20世纪90年代推出了更新、更强的核医学影像设备ECT，包括PET、SPECT等设备。PET也称正光电子成像设备，主要的优势是超强的医学影像识别与诊断能力，尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循环可以动态地、靶向目标清晰地显示被检部位形态和功能的异常情况，甚至可以检查出细胞级别的病变。,1.1 医学影像技术发展历程-核医学影像,1.1 医学影像技术发展历程-中国,我国医学影像设备的发展 1911年 河北中华医院 小型X线机 我国最早的X线设备。 1951年 上海精密医疗器械厂试制200mA四管单相全波整流X线机 1953年以“和平号”批量生产。 1973年 上海第二医学院 乳腺摄影X线机 1983年 第一台颅脑CT试制成功，1988年第二代颅脑CT试制成功，1990年，第三代全身CT研制成功。 1989年以来，先后研制出永磁型和超导型MRI、X-刀、全身r-刀等设备,1.2 医学影像系统成像的物理共性,医学影像成像源共性是充分和准确的利用成像源的物理作用，获得人体内携带有某种物理量分布信息的影像数据。 医学影像系统成像主要包括以下4个共性 : 信息源 源与物体(目标)的相互作用 检测器 电子系统,1.2.1 信息源与目标的作用 1. 信息源 体外源:如X射线源、磁场源、超声源、电磁波源、红外线源等，这些人体外部的能源称为外源。 外源共同的特点是对人体组织或器官具有已知和可控的作用。 体内源:如注入人体内部的同位素辐射源，或人体自身的热辐射源等。这些增强显影剂的辐射非常低，对人体无损害，但由此产生的医学影像却非常的清晰，并且受检查的部位靶向性（命中率）准确。,1.2 医学影像系统成像的物理共性,2. 源与物体(目标)的相互作用 例如：X射线穿过人体时，就可以准确检测出某种源与每部分人体组织器官相互作用后的结果、指标和参数，据此来进行医学影像的诊断或治疗。 注意：源的生物安全剂量，质量指标和检测标准。,1.2 医学影像系统成像的物理共性,3. 检测器 检测器的主要作用是在体外检测携带有体内信息的信号。 检测器的形式与各种源的类型有一一对应的关系。 这些影像信号检测器共同的作用和主要功能评价指标很多是一样的，如检测弱信号的灵敏度，检测与处理信号的速度，以及检测用的源剂量的低强度，达到向更清晰、更快速、更安全、更多维和更智能的方向发展。,1.2 医学影像系统成像的物理共性,1.2.2 源的控制与信号检测 医学图像信息的清晰或准确与否，最基本和最重要的关键问题就在于对产生图像信息源的精确控制与信号检出灵敏度的设计。 例如：X光影像设备的性能指标主要有5个：X线光源尺寸、X线剂量、图像分辨率、图像灰度级和信噪比。目前对X线剂量控制指标： 1、X光源尺寸： 一般包括光源直径和X光发射角度。 2、X线剂量又可分为入射剂量、表面剂量、出射剂量、图像接收器剂量、身体剂量和有效剂量6种。 3、图像分辨率，用于测量一台设备能记录或生成的空间细节精度。分辨率越高，细节越精细。,1.2 医学影像系统成像的物理共性,4、图像灰度级，灰度级的数量由2N决定，N是二进制数的位数，常称为位，用来表示每个像素的灰阶精度。如果N=8则有256个灰度级，图像灰度精度的范围为灰度分辨力，也称为图像的对比度分辨力。位数越大，图像的灰度分辨力越高。 5、信噪比，有用的图像信息(信号)与无用信息(噪声)的数量之比。 X线图像占医院中全部影像的80左右，是目前医学影像检查的主要方法。常规X线成像操作简单、费用低廉，它一直是临床诊断中的主要成像设备。,1.2 医学影像系统成像的物理共性,1.3 计算机医学影像,教学要求： 1、了解点阵与矢量医学影像 格式 2、熟悉医学图像处理常用技术，虚拟医学影像、虚拟内窥镜、基于影像的计算机辅助外科与辅助诊断。 3、掌握数字医学影像的颜色或灰度及计算机医学图像的分辨率概念,1.3.1 点阵与矢量医学影像 点阵图(位图)与矢量图的区别:计算机图像分为点阵图(又称位图或栅格图像)和矢量图形两大类。 1.点阵图像 (Bitmap) 点阵图像，亦称为位图图像或绘制图像，是由称作像素的单个点按行列有序排列点阵组成的。这些点以其不同的排列位置和染色（灰阶）程度构成图（形）像。 一幅二维的医学数字灰阶影像是由M行*N列的像素点构成，其中每个像素点用28212个二进制数位来记录该位像素的灰度值，即每个像素可以保存2564096灰度值,1.3 计算机医学影像,2点阵图的文件格式 点阵图可以被保存成的文件类型很多，如*.bmp、*.pcx、*.gif、*.jpg、*.tif、Photoshop的*.psd、kodak photo CD的*.pcd、corel photo paint的*.cpt等。 点阵图文件大小的规律： 图形面积越大，文件的字节数越多，文件的色彩越丰富，文件的字节数越多，这些特征是所有点阵图文件所共有的。,1.3 计算机医学影像,3. 矢量图 (vector) （1）矢量图及矢量图的特性 矢量图，也称为面向对象的图形或绘图图形，数学上定义矢量图为一系列由线连接的点。 矢量图主要由线条和色块组成，这些图形可以分解为单个的线条、文字、圆、矩形、多边形等单个的图形元素，再用一个代数式来表达每个被分解出来的元素。 例如：一个矩形可以通过指定左上角的坐标(x