1、生物醫學工程導論生物醫學工程導論第十一講第十一講 醫學圖象處理醫學圖象處理汪天富汪天富深圳大學信息工程學院深圳大學信息工程學院深圳市生物醫學工程重點實驗室深圳市生物醫學工程重點實驗室2一、什么是醫學圖象處理一、什么是醫學圖象處理二、醫學圖象處理方法二、醫學圖象處理方法 三、醫學圖象處理臨床應用實例三、醫學圖象處理臨床應用實例 竇房結功能定量評價竇房結功能定量評價 醫學超聲圖象濾波醫學超聲圖象濾波 醫學超聲圖象邊界提取醫學超聲圖象邊界提取 左心室節段功能建模與映射左心室節段功能建模與映射 3圖象圖象 “圖圖”是物體投射或反射光的分布，是物體投射或反射光的分布，“象象”是人的是人的視覺系統對圖的接

2、受在大腦中形成的印象或反映。視覺系統對圖的接受在大腦中形成的印象或反映。 “圖象圖象”就是客觀和主觀的結合。就是客觀和主觀的結合。一、什么是醫學圖象處理一、什么是醫學圖象處理4562 2、數字圖象、數字圖象 模擬圖象（模擬圖象（analog imageanalog image）：照片、電視等，特點）：照片、電視等，特點是速度快，實時并行處理，硬件實現，缺點是精度是速度快，實時并行處理，硬件實現，缺點是精度差，處理靈活性差，無判斷能力和非線性處理能力。差，處理靈活性差，無判斷能力和非線性處理能力。 數字圖象（數字圖象（digital imagedigital image）：量化的模擬圖象，優）：

3、量化的模擬圖象，優點是處理精度高，內容豐富，可以進行非線性處理，點是處理精度高，內容豐富，可以進行非線性處理，處理靈活（軟件實現），缺點是處理速度、分辨率處理靈活（軟件實現），缺點是處理速度、分辨率和精度受限于計算機發展技術。和精度受限于計算機發展技術。78阿波羅登月阿波羅登月910數字圖象處理數字圖象處理 定義？定義？ 數字圖象處理就是利用計算機系統對數字圖象進行數字圖象處理就是利用計算機系統對數字圖象進行的具有各種目的的處理。的具有各種目的的處理。 廣義上講，一般的數字圖象很難為人所理解，因此，廣義上講，一般的數字圖象很難為人所理解，因此，數字圖象處理也離不開模擬技術，為實現人機對數字圖象

4、處理也離不開模擬技術，為實現人機對話和自然的人機接口，特別需要人去參與、觀察和話和自然的人機接口，特別需要人去參與、觀察和判斷的情況下，模擬圖象處理技術是必不可少的。判斷的情況下，模擬圖象處理技術是必不可少的。 203 3、醫學圖象、醫學圖象 X-X-射線圖象射線圖象 超聲圖象超聲圖象 MRMR圖象圖象 PETPET、SPECTSPECT圖象圖象 顯微醫學圖象顯微醫學圖象 紅外醫學圖象紅外醫學圖象 內窺鏡圖象內窺鏡圖象 腦電圖象腦電圖象 微波微波CTCT，阻抗，阻抗CTCT 中醫舌像中醫舌像 ECT:X X線線片片CTCT片片MRIMRI22What is it?SARS的胸片表現23CT (

5、Computed Tomography) 計算機斷層攝影術肝臟和胃的橫斷平面 CT 圖像CT 掃描投射成像24便攜便攜Portable價格低價格低Low-Cost安全安全Safe實時實時Real-TimeCardiacObstetricsVascularKidneyLiver25PET Images of Cancer轉移瘤轉移瘤 綠箭頭所示綠箭頭所示BrainHeartBladder器官的正常器官的正常攝取攝取藍箭頭所示藍箭頭所示治療后的腫瘤治療后的腫瘤在邊緣復發在邊緣復發26紅外熱圖紅外熱圖靜脈曲張患者的腿部遠紅外熱像，血管明顯增溫、增粗，箭靜脈曲張患者的腿部遠紅外熱像，血管明顯增溫、增粗

6、，箭頭所指處尤為明顯。頭所指處尤為明顯。274 4、醫學圖象處理、醫學圖象處理 定義？定義？ 醫學圖象處理就是利用計算機系統對生物醫學圖醫學圖象處理就是利用計算機系統對生物醫學圖象進行的具有臨床醫學意義的處理和分析。象進行的具有臨床醫學意義的處理和分析。l醫學圖象作為一種信息源，是醫生臨床診斷的依據。醫學圖象作為一種信息源，是醫生臨床診斷的依據。l醫生在判讀醫學圖象時，要把圖象與解剖學、生理學醫生在判讀醫學圖象時，要把圖象與解剖學、生理學和病理學等知識做對照，還要根據經驗來捕捉圖象中和病理學等知識做對照，還要根據經驗來捕捉圖象中有重要意義的細節和特征。有重要意義的細節和特征。l所以要從一幅或幾

7、幅醫學圖象中判斷出是否有異常，所以要從一幅或幾幅醫學圖象中判斷出是否有異常，或屬于什么疾病，是一種高級的腦力勞動。或屬于什么疾病，是一種高級的腦力勞動。l任意一張有異常的任意一張有異常的CTCT圖象、圖象、X X線照片或超聲圖象來看線照片或超聲圖象來看，如果不是訓練有素的醫生，是難以發現圖象上的異，如果不是訓練有素的醫生，是難以發現圖象上的異常的。常的。Photo courtesy Philips Research Photo courtesy Philips Research 312D 3D 4D3D imaging in real-time32CT三維成像三維成像北京大學深圳醫院日常診療中

8、的應用二、醫學圖象處理方法二、醫學圖象處理方法 1 1、幾何處理、幾何處理(Geometrical processing)(Geometrical processing) 幾何處理主要包括坐標變換，圖象的幾何處理主要包括坐標變換，圖象的放大、縮小、旋轉、移動、圖象配準、放大、縮小、旋轉、移動、圖象配準、畸變校正、扭曲校正和周長、面積、體畸變校正、扭曲校正和周長、面積、體積計算等。積計算等。3435圖象變形（圖象變形（Image MorphingImage Morphing）變形是使圖象中的一個物體逐漸變形是使圖象中的一個物體逐漸變形為另外一個物體的過程。變形為另外一個物體的過程。36圖象幾何變

9、換37圖象配準圖象配準3839變形的臉變形的臉40返老還童不是夢（在屏幕上）成 長41哭笑不得的表情是怎樣生成的？422 2、醫學圖象處理方法、醫學圖象處理方法 (2)(2)算術處理算術處理(Arithmetic processing)(Arithmetic processing) 算術處理主要對圖象施以、算術處理主要對圖象施以、 等運算，雖然該處理主要針對等運算，雖然該處理主要針對象素點，但非常有用，如醫學圖象的象素點，但非常有用，如醫學圖象的減影處理就有顯著的效果。減影處理就有顯著的效果。X射線數字減影血管造影術射線數字減影血管造影術4546相減相減DSA473 3、圖象增強、圖象增強(I

10、mage enhancement)(Image enhancement) 圖象增強處理主要是突出圖象中感圖象增強處理主要是突出圖象中感興趣的信息，而減弱或去除不需要興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用信息得到加強，的信息，從而使有用信息得到加強，便于區分或解釋。主要方法有直方便于區分或解釋。主要方法有直方圖增強、偽彩色增強法、灰度窗口圖增強、偽彩色增強法、灰度窗口等技術。等技術。二、醫學圖象處理的基本方法二、醫學圖象處理的基本方法48495051523 3、圖象分割、圖象分割(Image segmentation)(Image segmentation)二、醫學圖象處理的基本方法二

11、、醫學圖象處理的基本方法 什么是圖像分割？什么是圖像分割？ 是指把圖像分成各具特征的區域是指把圖像分成各具特征的區域, ,并提取出感興趣目標的并提取出感興趣目標的技術和過程。技術和過程。 是圖像處理、圖像分析和計算機視覺領域中最重要的研是圖像處理、圖像分析和計算機視覺領域中最重要的研究課題，也是最大的難點之一究課題，也是最大的難點之一 。 醫學圖像分割的意義醫學圖像分割的意義 圖像配準、融合等。圖像配準、融合等。 人體組織、器官和病灶的定量測量。人體組織、器官和病灶的定量測量。 三維可視化：便于外科手術方案的制定和仿真、病理研三維可視化：便于外科手術方案的制定和仿真、病理研究、藥物療效的評估等

12、。究、藥物療效的評估等。 在不丟失有用信息的前提下進行數據的壓縮和傳輸在不丟失有用信息的前提下進行數據的壓縮和傳輸 。5354555657584 4、圖象復原、圖象復原(image restoration)(image restoration)二、醫學圖象處理方法二、醫學圖象處理方法 u圖象復原處理的主要目的是去除干擾和模糊，恢復圖象復原處理的主要目的是去除干擾和模糊，恢復圖象的本來面目圖象的本來面目u去噪屬于典型的復原處理，圖象噪聲包括隨機噪聲去噪屬于典型的復原處理，圖象噪聲包括隨機噪聲和相干噪聲，隨機噪聲干擾表現為麻點干擾，相干和相干噪聲，隨機噪聲干擾表現為麻點干擾，相干噪聲表現為內紋干擾

13、。噪聲表現為內紋干擾。u去模糊也是復原處理的任務，這些模糊來自透鏡散去模糊也是復原處理的任務，這些模糊來自透鏡散焦，相對運動、大氣湍流，以及云層遮擋等。焦，相對運動、大氣湍流，以及云層遮擋等。u可用維納濾波、逆濾波、同態濾波等方法可用維納濾波、逆濾波、同態濾波等方法624 4、圖象重建、圖象重建(Image reconstruction)(Image reconstruction)二、醫學圖象處理的基本方法二、醫學圖象處理的基本方法二維圖象重建的主要算法有代數法、迭代法、傅立二維圖象重建的主要算法有代數法、迭代法、傅立葉反投影法、卷積反投影法等，其中以卷積反投影葉反投影法、卷積反投影法等，其中

14、以卷積反投影法運用最為廣泛，因為它的運算量小、速度快。法運用最為廣泛，因為它的運算量小、速度快。三維重建算法發展很快，把多個二維圖象合成三維三維重建算法發展很快，把多個二維圖象合成三維圖象，并加以光照模型和各種渲染技術，能生成各圖象，并加以光照模型和各種渲染技術，能生成各種具有強烈真實感及純凈的高質量圖象。三維重建種具有強烈真實感及純凈的高質量圖象。三維重建技術也是當今頗為熱門的虛擬現實和科學可視化技技術也是當今頗為熱門的虛擬現實和科學可視化技術的基礎。術的基礎。6364Virtual Surgery System65Tele-virtual-surgery 664 4、圖象編碼、圖象編碼(i

15、mage coding)(image coding)二、醫學圖象處理方法二、醫學圖象處理方法 通常圖象編碼的目的有三個：通常圖象編碼的目的有三個：(1)(1)減少數據存儲量；減少數據存儲量；(2)(2)降低數據率以減少傳輸帶寬降低數據率以減少傳輸帶寬; ;(3)(3)壓縮信息量，便于特征抽取，為識別作準備壓縮信息量，便于特征抽取，為識別作準備現代編碼法的特點是：現代編碼法的特點是：(1)(1)充分考慮人的視覺特性；充分考慮人的視覺特性；(2)(2)恰當地考慮對圖象信號的分解與表述；恰當地考慮對圖象信號的分解與表述；(3)(3)采用圖象的合成與識別方案壓縮數據率。采用圖象的合成與識別方案壓縮數據

16、率。710.5bpp（左側為（左側為JPEG2000，右側為，右側為JPEG）720.25bpp （左側為（左側為JPEG2000，右側為右側為JPEG）730.125bpp （左側為（左側為JPEG2000，右側為右側為JPEG）744 4、圖象理解、圖象理解(image understanding)(image understanding)二、醫學圖象處理方法二、醫學圖象處理方法 圖象理解是由模式識別發展起來的方法，該圖象理解是由模式識別發展起來的方法，該處理輸入的是圖象，輸出的是一種描述。處理輸入的是圖象，輸出的是一種描述。這種描述并不僅是單純的用符號作出詳細的這種描述并不僅是單純的用符

17、號作出詳細的描繪，而且要利用客觀世界的知識使計算機描繪，而且要利用客觀世界的知識使計算機進行聯想、思考及推論，從而理解圖象所表進行聯想、思考及推論，從而理解圖象所表現的內容。現的內容。圖象理解有時也叫景物理解，在這一領域還圖象理解有時也叫景物理解，在這一領域還有相當多的問題需要進行深入研究。有相當多的問題需要進行深入研究。75三、醫學圖象處理臨床應用實例三、醫學圖象處理臨床應用實例 竇房結功能定量評價竇房結功能定量評價 醫學超聲圖象濾波醫學超聲圖象濾波 醫學超聲圖象邊界提取醫學超聲圖象邊界提取 左心室節段功能建模與映射左心室節段功能建模與映射 76竇房結功能定量研究和分析竇房結功能定量研究和分

18、析 竇房結功能異常將導致致死性的心律失常。竇房結功能異常將導致致死性的心律失常。 現有的竇房結檢測方法不能在體、實時、同步觀察其現有的竇房結檢測方法不能在體、實時、同步觀察其解剖結構和電位變化：解剖結構和電位變化：解剖結構解剖結構離體標本切片離體標本切片心肌電位心肌電位心電標測心電標測不能確定解剖結構與心肌電位變化的準確時空關系不能確定解剖結構與心肌電位變化的準確時空關系不能精確引導治療導管到達病變組織并實時監控不能精確引導治療導管到達病變組織并實時監控 臨床急需一種能夠在體、實時、同步觀察，并精確制臨床急需一種能夠在體、實時、同步觀察，并精確制導心臟介入導管治療竇房結疾病的方法。導心臟介入導

19、管治療竇房結疾病的方法。77上腔靜脈上腔靜脈肺動脈肺動脈竇房結竇房結右心耳右心耳竇房結定位大體解剖與局部解剖位置竇房結功能定量研究和分析竇房結功能定量研究和分析 竇房結定位局部解剖及其超聲切面展開的展開的上腔靜脈前壁上腔靜脈前壁展開的展開的右心耳上嵴右心耳上嵴竇房結竇房結標記線標記線竇房結竇房結上腔靜脈上腔靜脈右心耳右心耳上上下下 后后前前竇房結定位局部解剖及組織病理切片展開的展開的上腔靜脈前壁上腔靜脈前壁展開的展開的右心耳上嵴右心耳上嵴竇房結竇房結標記線標記線竇房結竇房結上腔上腔靜脈靜脈內膜內膜上腔上腔靜脈靜脈外膜外膜竇房結竇房結中央動脈中央動脈5050倍倍 HEHE標記線標記線上腔上腔靜脈

20、靜脈內膜內膜上腔上腔靜脈靜脈外膜外膜竇房結竇房結中央動脈中央動脈5050倍倍 HEHE標記線標記線竇房結竇房結上腔靜脈上腔靜脈右心耳右心耳上上下下 后后前前竇房結定位超聲切面及組織病理切片竇房結中央動脈病理切片竇房結竇房結中央動脈中央動脈200200倍倍 HEHE82 解剖結構的參照：上腔靜脈、右心耳 灰度圖象中的特征：與周圍組織回聲的差別 DTA圖象中的特征：與周圍組織加速度變化的差別83動物實驗與圖象采集雜種犬雜種犬7 7只，體重約只，體重約3030公斤公斤84導管直徑導管直徑10F10F，具有組織多普勒顯像功能經頸內靜脈進入上腔靜脈，具有組織多普勒顯像功能經頸內靜脈進入上腔靜脈85上腔靜脈上腔靜脈右心耳右心耳竇房結竇房結ARAA竇房結竇房結上腔靜脈上腔靜脈右心耳右心耳AcuNav CatheterB86竇房結功能定量研究和分析竇房結功能定量研究和分析 12345678910111287激動中激動中激動后激動后右心耳右心耳右心耳右心耳上腔靜脈上腔靜脈上腔靜脈上腔靜脈BC激動前激動前竇房結竇房結上腔靜脈上腔靜脈右心耳右心耳A竇房結激動過程88SVCRA89三個心動周期內的竇房三個心動周期內的竇房結區域加速度結區域加速度- -時間曲線時間曲線 0.0000.0000.0050.005