生物醫(yī)學(xué)圖象

（BioMedicalImage，BMI

）Lin，JL(AssociateProf.)November12th，2010BioMedicalEngineeringDepartmentofMaterialsSchool，SichuangUniversity生物醫(yī)學(xué)工程的重要分支遙感圖片計算機(jī)合成圖象阿波羅登月

（1969年7月20日，人類實(shí)現(xiàn)第一次登月著陸）1是一門古老而年輕的學(xué)科2它的產(chǎn)生可追溯到公元15～16世紀(jì)，甚至更早時期3現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，使它成為一門蓬勃發(fā)展的具有代表性的現(xiàn)代學(xué)科生物醫(yī)學(xué)圖像學(xué)（BMI)010203042研究的任務(wù)3主要的醫(yī)學(xué)圖象4醫(yī)學(xué)圖象處理的目的、意思、手段1研究的對象、研究目的主要內(nèi)容自然界中的生物體：小到原生質(zhì)的分子、原子，大到微生物、動物體和人體。以生物體各種不同層次的組織、結(jié)構(gòu)為主要研究對象；研究獲取這些圖象的原理、方法和成像技術(shù)；并根據(jù)不同生物醫(yī)學(xué)圖象的特點(diǎn)解決提高圖象的質(zhì)量，進(jìn)行圖象的數(shù)據(jù)重建等一系列的技術(shù)問題，從而探明系統(tǒng)的功能(正常、異常、演變過程)，獲取生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)診斷、治療有價值的信息和資料。1研究的對象、研究的目的§2研究任務(wù)生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)生物醫(yī)學(xué)圖象處理技術(shù)生物醫(yī)學(xué)圖象臨床應(yīng)用技術(shù)將有用信息提取出來，并以圖象的形式進(jìn)行顯示。被提取的信息可以是形態(tài)的，功能的，或者是成份的等。所顯示的形式可以是一維的、二維的，或者是三維的；甚至是四維等不同層次的圖象。在獲得圖象之后，對其進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、分割、特征提取、分析、識別、分類、解釋等。達(dá)到客觀診斷的目的，幫助最優(yōu)治療方案的選擇、確定和實(shí)施。X射線、CT、MRI的發(fā)現(xiàn)或發(fā)明者獲得諾貝爾獎。醫(yī)學(xué)成像及圖象處理設(shè)備占醫(yī)院投資中的比例越來越高。僅GE公司下屬的北京航衛(wèi)2003年生產(chǎn)的中低檔CT，銷售額就達(dá)30億元。發(fā)達(dá)國家高度重視。以美國為例，它是NSF，NIH的重要資助領(lǐng)域，近年美國還成立了NIBIB（NationalInstituteofBiomedicalImagingandBioengineering）機(jī)構(gòu)專門資助醫(yī)學(xué)成像和生物工程領(lǐng)域的研究在生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、臨床治療等方面起著重要的作用。生物醫(yī)學(xué)成像及生物圖象處理分類生物醫(yī)學(xué)顯微圖像學(xué)(Biomedicalmicro-imaging，BMMI)

研究生物體微觀結(jié)構(gòu)和功能為主人體醫(yī)學(xué)圖像處理學(xué)(Humanbodymedicalimaging，HBMI)

以人體宏觀解剖學(xué)結(jié)構(gòu)及功能為研究對象主要的顯微成像技術(shù)光學(xué)顯微技術(shù)(Opticmicroscope)電子顯微技術(shù)(Electronmicroscopy)掃描隧穿顯微技術(shù)(Scanningtunnelmicroscopy，STM)惰性離子顯微技術(shù)(Inertionmicroscopy，IIM)激光顯微技術(shù)(Lasermicroscopy)磁共振顯微技術(shù)(NMRMicroscopy)超聲顯微技術(shù)(Ultrasonicmicroscopy)醫(yī)學(xué)顯微圖象01人體熱圖(熱像圖、紅外線分布圖等)03人體電位分布圖（心電圖、腦電圖、肌電圖、眼電圖等）02診斷表皮惡性腫瘤及其轉(zhuǎn)移情況（如皮膚癌、乳腺癌、甲狀腺癌）、各類炎癥、末梢血管疾病、牙床疾病等04人體磁場分布圖（如心磁圈、腦磁圖、肌磁圖、肺磁圖等）以曲線的變化形式展示體內(nèi)器官或系統(tǒng)的生理狀態(tài)和生理功能05主要的人體淺表圖象紅外圖象紅外圖象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。紅外圖象logo脈管炎患者的腿部遠(yuǎn)紅外熱像圖，患腿由于血管疾病而血流不暢，導(dǎo)致低溫。EEG主要的人體醫(yī)學(xué)影像投影X射線成像(X-ray)X射線計算機(jī)斷層成像(X-rayComputedTomography,X-CT)超聲成像(ultrasonic，US)

放射性核素成像(emissionComputedTomography,ECT)磁共振成像(MagneticResonanceimaging，MRI)光學(xué)、電子學(xué)成像(Imagingofopticsandelectronics)醫(yī)學(xué)成像新技術(shù)(微波成像、阻抗成像、磁源成像)重要組成部分3主要的醫(yī)學(xué)圖象X-ray正常肺氣胸§3主要的醫(yī)學(xué)圖象X|CT肺腫塊腦膜瘤肺部病變白血病X-CT應(yīng)用螺旋CTCT與常規(guī)X射線成像比較

§3主要的醫(yī)學(xué)圖象超聲圖像O超聲圖像開端1942—Dr.KarlTheodoreDussik(1908-)第一個發(fā)表，用超聲波透射腦部

KarlTheodoreDussik(1908-)

Dussik的腦部影像超聲圖像歷史：B-Mode出現(xiàn)1949—Dr.DouglassHowry,W.RoderickBliss與GeraldPosakony開發(fā)出用人體的反射聲波成像之B-mode系統(tǒng)無傷害性01血流顯示03分辨率低05可以動態(tài)顯示體內(nèi)器官的活動情況02目前心臟功能評價和心臟疾病診斷的主要手段04圖象質(zhì)量差SpecklenoiseDynamicrange06超聲醫(yī)學(xué)圖象的特點(diǎn)超聲成像系統(tǒng)的構(gòu)成彩色多普勒超聲圖象（心臟）彩色多普勒超聲圖象（腎臟）我國的超聲儀B超圖象（Fetalprofile）B超圖象（Fetalprofile）正常頸動脈分叉頸動脈狹窄靜脈瓣膽囊Gallbladder3主要的醫(yī)學(xué)圖象放射性核素成像ECT－－PET（正電子CT）把放射性同位素標(biāo)記在藥物上引入病人體內(nèi)，當(dāng)它被吸收后，人體自身便成了放射源。01放射性同位素在衰變過程中，將向體外輻射射線。02用核子探測器在體外定量地觀察這些放射性同位素在體內(nèi)的分布情況，以此成象。03放射性核素成象原理γ照相機(jī)（Anger照相機(jī)）SPECT（SinglePhotonEmissionComputerizedTomography單光子發(fā)射計算機(jī)斷層照相）PET（PositronEmissionComputerizedTomography,正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描，簡稱PECT或PET）321E－CT：γ照相機(jī)logo輸出動態(tài)的二維平片（planar）γ照相機(jī)成像圖形顯示輸出動態(tài)的二維平片（planar）SPECT采用橫向斷層掃描，得到橫斷面的圖像PET采用橫向斷層掃描，得到橫斷面的圖像CT與PET比較PET/CTCT與PET硬件、軟件同機(jī)融合解剖圖像與功能圖像同機(jī)融合同一幅圖象既有精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)又有豐富生理、生化分子功能信息可用于腫瘤診斷、治療及預(yù)后隨診全過程高靈敏度、高特異性、高準(zhǔn)確性FirstInstallationinZurichMarch2001衰減校正功能解剖融合圖像(FunctionalAnatomicMapping，F(xiàn)AM)CTSPECT/PET同機(jī)圖像融合3主要的醫(yī)學(xué)圖象MRI3主要的醫(yī)學(xué)圖象MRI－－顱內(nèi)錯構(gòu)瘤MRI圖象MRI成像MRI設(shè)備GESigno3.0人類特有的精神分裂癥、抑郁癥、孤獨(dú)癥等精神疾患研究人類視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺與運(yùn)動，記憶、注意以及人類特有的機(jī)能如語言等神經(jīng)機(jī)制方面感覺運(yùn)動皮質(zhì)的術(shù)前成像用于神經(jīng)變性疾病、癲癇、中風(fēng)、中風(fēng)恢復(fù)等臨床方面帶來新技術(shù)出現(xiàn)，如結(jié)合FMRI的MEG、EEG及彌散光學(xué)成像(DOT)。MRI功能成像MRI分子成像MRI的突出優(yōu)點(diǎn)基于核磁共振，無高能（X－Ray）輻射，故安全、對人體無創(chuàng)可以對人體組織作出形態(tài)和功能的診斷；fMRI：磁共振功能成像提供精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)信息MRI分辨率可達(dá)0.5mm；獲取人體的三維圖像數(shù)據(jù)較容易直接產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)，無需重建MRI完成于80年代，對醫(yī)學(xué)成像產(chǎn)生意義深遠(yuǎn)的影響醫(yī)學(xué)成像方式功能比較-2功能特點(diǎn)X線機(jī)X－CT磁共振同位素超聲

透視拍片

無創(chuàng)、無電離輻射斷層成像實(shí)時、動態(tài)形態(tài)、功能與定征設(shè)備價格便宜結(jié)構(gòu)形態(tài)血流測量組織定征斷層結(jié)構(gòu)

設(shè)備簡單電離輻射影像重疊斷層攝影電離輻射非實(shí)時斷層攝影設(shè)備昂貴非實(shí)時斷層攝影分辨力低放射性藥物

斷層結(jié)構(gòu)代謝功能代謝功能1多維成象（Multi-DimensionalImaging）2多模式成象（Multi-ModalityImaging）3多種圖象模式的融合4多參數(shù)成象(Multi-ParameterImaging)5圖象歸檔與通信系統(tǒng)（PictureArchivingandCommunicationSystem:PACS）醫(yī)學(xué)成象的發(fā)展趨勢醫(yī)學(xué)圖象處理是一個很復(fù)雜的過程01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。024醫(yī)學(xué)圖象處理之目的4醫(yī)學(xué)圖象處理之意義醫(yī)學(xué)圖象作為一種信息源，也和其它有關(guān)病人的信息一樣，是醫(yī)生做出判斷時的依據(jù)。醫(yī)生在判讀醫(yī)學(xué)圖象時，要把圖象與他的解剖學(xué)、生理學(xué)和病理學(xué)等知識做對照，還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來捕捉圖象中的有重要意義的細(xì)節(jié)和特征。所以要從一幅或幾幅醫(yī)學(xué)圖象中判斷出是否有異常，或?qū)儆谑裁醇膊。且环N高級的腦力勞動。任意拿一張有異常的CT圖象、X線照片或超聲圖象來看，如果不是訓(xùn)練有素的醫(yī)生，是難以發(fā)現(xiàn)圖片上的異常的。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％，人眼靈敏度高，鑒別能力強(qiáng)，不僅可以辨別景物，還能辨別人的情緒。圖象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。一般來說可見光的波長為0.38一0.8μm，而迄今為止人類發(fā)現(xiàn)可成像的射線已有多種，如：

γ射線：0.003—0.03nm；X射線：0.03—3nm紫外線：3—300nm；紅外線：0.8—300μm微波：0.3—100cm1980年前—1984年：醫(yī)學(xué)圖像質(zhì)量較差。二維圖像處理與分析，重點(diǎn)是圖像分割、配準(zhǔn)等。011985年—1991年：醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的發(fā)展，MR設(shè)備成為越來越重要的數(shù)據(jù)源。計算機(jī)輔助診斷、圖像分割、配準(zhǔn)、三維重建等是研究重點(diǎn)。021992年—1998年：高質(zhì)量的三維MR圖像出現(xiàn)。螺旋CT、超聲、SPECT和PET也迅速發(fā)展。醫(yī)學(xué)影像處理與分析中的問題越來越復(fù)雜，功能圖像的處理與分析出現(xiàn)。031999年以后：成像技術(shù)更先進(jìn)。圖像處理算法更復(fù)雜。例如：功能激活區(qū)提取，纖維追蹤算法研究。04醫(yī)學(xué)圖象處理發(fā)展的四個階段4醫(yī)學(xué)圖象處理之作用“象”是人的視覺系統(tǒng)對圖的接受在大腦中形成的印象或反映。“圖象”就是客觀和主觀的結(jié)合。“圖”是物體投射或反射光的分布什么是圖象？模擬圖象（analogimage）：照片、電視畫面等，特點(diǎn)是速度快，實(shí)時并行處理，硬件實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是精度差，靈活性差，無判斷能力和非線性處理能力。01數(shù)字圖象（digitalimage）：量化的模擬圖象，優(yōu)點(diǎn)是處理精度高，內(nèi)容豐富，可以進(jìn)行非線性處理，處理靈活（軟件實(shí)現(xiàn)），缺點(diǎn)是處理速度、分辨率和精度受限于計算機(jī)發(fā)展技術(shù)。01PhotovsImage連續(xù)圖象數(shù)字圖象對連續(xù)圖象f（x，y）進(jìn)行數(shù)字化空間上，圖象抽樣幅度上，灰度級量化x方向：抽樣M行 y方向：每行抽樣N點(diǎn)整個圖象共抽樣M

N個象素點(diǎn)一般取M=N=2n=64，128，256，512，1024，2048xy數(shù)字圖象的表示數(shù)字圖象：用矩陣來表示圖象增強(qiáng)（灰度變換、直方圖修改、圖象平滑、邊緣增強(qiáng)、偽彩色等）1空域增強(qiáng)2變換域增強(qiáng)（圖象變換：FT、WHT、WT等）3圖象壓縮（變換編碼、行程編碼、預(yù)測編碼、差分編碼、算術(shù)編碼等）——PACS4圖象變換：DCT、WT5編碼方法：如Huffman編碼6醫(yī)學(xué)圖象處理的內(nèi)容圖象復(fù)原01圖象分割（特征提取）02圖象分類與識別（特征提取、模式識別）03圖象配準(zhǔn)與融合04多維圖象重建與可視化05可視化人體數(shù)據(jù)庫06虛擬人體07醫(yī)學(xué)圖象分析的內(nèi)容1采用數(shù)學(xué)的或數(shù)字圖象處理的技術(shù)手段3改善圖象的特性，使之更適合于機(jī)器分析識別的形式，以便從圖象中獲取更有用的信息。2改善圖象的視覺效果，將圖象轉(zhuǎn)換成更適合于人眼觀察圖象增強(qiáng)的目的直方圖（Histogram）Fourier變換：幅度譜幅度譜原圖象譜的表示vu圖象表示函數(shù)圖形表示圖象增強(qiáng)：對比度調(diào)整圖象增強(qiáng)實(shí)例：圖象增強(qiáng)實(shí)例：”圖象增強(qiáng)實(shí)例：偽彩色處理效果對圖象濾波，達(dá)到消除圖象中的噪聲或者增強(qiáng)邊緣等提高圖象質(zhì)量，有利于操作者的觀察。采用圖象濾波處理往往能有效地改善圖象的視覺效果。壹貳圖象增強(qiáng)：濾波圖象增強(qiáng)：空間域中值濾波圖象增強(qiáng)：自適應(yīng)加權(quán)中值濾波原始圖象結(jié)果圖象濾波方法的比較(c)AWMF(b)MEDIAN(a)原圖高通濾波A低通濾波B圖象增強(qiáng)：頻域?yàn)V波邊緣檢測：什么是邊緣？A(x)A(x)A(x)A(x)xxxx顯微圖象的邊緣檢測比較輪廓提取結(jié)果(A1)(A2)(A3)(A4)(A5)(A6)(A7)(B1)(B2)(B3)(B5)(B6)(B4)(B7)(C)（A1）原始旋轉(zhuǎn)掃描超聲圖；（A2）自適應(yīng)加權(quán)濾波后的A1；（A3）A1的二值圖；（A4）形態(tài)學(xué)濾波后的A3；（A5）初始輪廓；（A6）初始輪廓在原圖A1中的位置；（A7）A1的最終輪廓；（B1）插值后的超聲圖；（B2）自適應(yīng)加權(quán)濾波后的B1；（B3）B1的二值圖；（B4）形態(tài)學(xué)濾波后的B3；（B5）B1的初始輪廓；（B6）初始輪廓在原圖B1中的位置；（B7）B1的最終輪廓；（C）原始旋轉(zhuǎn)掃描超聲圖A1在自適應(yīng)加權(quán)濾波后的Sobel梯度圖圖象壓縮（Compression）SourceImage(640x480pixels)DecompressedatCR=240:1矛盾：圖象的數(shù)據(jù)量巨大圖象數(shù)據(jù)存儲和傳輸能力有限醫(yī)學(xué)圖象編碼與壓縮的目的圖象數(shù)據(jù)量一幅圖象（位）圖象數(shù)/檢查文件/檢查核醫(yī)學(xué)（NM）128*128*1230-601-2MB磁共振成象（MRI）256*256*12608MB超聲（US）512*512*820-2305-60MB數(shù)字減影血管造影（DSA）512*512*815-404-10MB計算機(jī)斷層掃描（CT）512*512*124020MB計算機(jī)放射成象（CR）2048*2048*12216MB數(shù)字化X射線攝影2048*2048*12216MB數(shù)字化X射線乳腺攝影4096*4096*124128MB基于門限化的方法基于邊緣檢測的方法基于象素分類的方法基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法基于模糊集理論的方法基于多分辨率分析的方法……分割的主要方法圖象分割：閾值分割TA(x,y)圖象分割：邊緣提取二維分割是對一個個的切片單獨(dú)分割，將這些分割結(jié)果組合起來得到三維的分割結(jié)果。01三維分割是將所有切片圖象數(shù)據(jù)看作一個整體，由操作者給出初始區(qū)域（一般是欲分出的區(qū)域中的小塊，或欲分出的區(qū)域的一些邊界點(diǎn)）后，直接在三維空間中用模糊分割等方式進(jìn)行分割。01交互式區(qū)域分割是在操作者的干預(yù)下，利用同一區(qū)域內(nèi)圖象象素在灰度值上的某種一致性，以及同一區(qū)域內(nèi)圖象象素在空間上的連續(xù)性等等信息來分出區(qū)域。它又有三維分割和二維切片分割兩種方式。01圖象分割：交互分割交互分割示例圖象分割：雙特征分割對于MRI圖象，由于多譜圖象（T1加權(quán)象、T2加權(quán)象、質(zhì)子加權(quán)象）具有多參數(shù)特性，利用不同加權(quán)象提供的信息，系統(tǒng)提供了基于雙特征的分割方法，可以獲得滿意的分割結(jié)果。雙特征分割示例基于“模糊連接”分割的示例圖象分割：灰度剪裁圖象分割：MRI圖象圖象分割：細(xì)胞顯微圖象圖象分割：結(jié)合紋理圖象分割：濾波后進(jìn)行(a)原圖(b)經(jīng)中值濾波處理(c)經(jīng)AWMF濾波處理圖象分割：三維重建STEP2STEP1對輸入的圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將圖象分成諸如背景，軟組織，骨骼等各種不同的類，以便在三維體顯示中能辨別不同的類。圖象分類可為三維體顯示提供參數(shù)的。圖象分類配準(zhǔn)是當(dāng)把兩個或多個現(xiàn)有的圖象表示進(jìn)行符合時所需要的一個處理過程，被配準(zhǔn)的對象可以是來自不同時間、不同傳感器、不同目標(biāo)的圖象。圖象匹配的目的是確定兩個圖象數(shù)據(jù)集之間的幾何變換關(guān)系。配準(zhǔn)010201配準(zhǔn)與融合將多種不同成象模態(tài)提供的信息聯(lián)合起來CT&MRI,MRI&PET,MRI&fMRI解剖結(jié)構(gòu)圖象和功能圖象定義標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系建立圖集和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫引導(dǎo)匹配后的分割或理解對不同圖象作算術(shù)的和/或統(tǒng)計操作的基礎(chǔ)平均統(tǒng)計參數(shù)映射變形配準(zhǔn)不同時間采集的圖象（跟蹤病情的發(fā)展）圖集和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫定位、測量BrainMRIVentricleMeasurementCortexLocalizatio