醫(yī)學圖像成像模式全解

1、醫(yī)學圖像處理與分析,上海交通大學醫(yī)學院,醫(yī)學圖像的成像模式,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式光學成像及其圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像及其圖像信息常規(guī)光學透射(或反射)成像,,cy.image@yahoo.com.cn,,光密度,,與數(shù)字圖像的灰度值成正比,cy.image@yahoo.com.cn,成分、結構、濃度 光密度OD，透光強度 圖像灰度值,,cy

2、.image@yahoo.com.cn,,對比度增強機制： 提高圖像對比度 ← 增強光密度差異 細胞HE染色免疫組化染色,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像及其圖像信息常規(guī)光學透射(或反射)成像熒光(或生物發(fā)光)成像,,cy.image@yahoo.com.cn,,某些物質的受激電子從高能狀態(tài)經系統(tǒng)內交調遷移到中間振動狀態(tài)，再從振動狀態(tài)遷移回到穩(wěn)態(tài)的過程中發(fā)出磷光,物質吸收光能，從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)(高能)分

3、子很快從高能到一個不穩(wěn)定的高能級分子從不穩(wěn)定的高能級返回基態(tài)時會伴隨光子產生，即熒光產生,,,,cy.image@yahoo.com.cn,,400nm,760nm,熒光波長,,cy.image@yahoo.com.cn,熒光強度 特定物質量 圖像灰度,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像及其圖像信息常規(guī)光學透射(或反射)成像熒光(或生物發(fā)光)成像光學成像的一般技術性能,,cy.image@yahoo.com

4、.cn,光學成像的一般技術性能靈敏度 光學CCD,cy.image@yahoo.com.cn,CCD的背景噪聲CCD讀取噪聲CCD暗電流熱噪聲熒光背景光,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像的一般技術性能靈敏度 光學CCD冷卻CCD10-9~10-6 mM,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率 取決于光源深度熒光穿透組織的厚度1.5 ~ 2 mm

5、,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率 時間分辨率實時成像僅取決于CCD數(shù)據(jù)的讀出,cy.image@yahoo.com.cn,光學成像的一般技術性能靈敏度 空間分辨率 時間分辨率穩(wěn)定性好、毒性小,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式光學成像及其圖像信息X線及X-CT及其圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,X光的發(fā)

6、現(xiàn)與發(fā)展,1895 倫琴 發(fā)現(xiàn)X光1896 愛迪生 制造X光透射機1901 倫琴 獲得第一屆諾貝爾物理獎,cy.image@yahoo.com.cn,CT(Computed Tomography),1963 美國物理學家Cormark 提出數(shù)學重建算法1971 英國工程師Hounsfield 設計成功第一臺顱腦CT機1974 美國 Georgetown醫(yī)學中心 全身CT機1979 Hounsfield 和 Co

7、rmark 分享了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。,,cy.image@yahoo.com.cn,X線及X-CT及其圖像信息X線及X-CT的成像原理,,cy.image@yahoo.com.cn,,,,線性吸收系數(shù)：不同的生物組織和不同的厚度，對于X射線的衰減程度各不相同X線吸收系數(shù)，物質固有屬性,,cy.image@yahoo.com.cn,,圖像的明暗程度(灰度) Vs. X線吸收系數(shù),cy.image@yahoo.com.cn,,X-

8、CT的數(shù)學基礎：由投影重建圖像,,,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的掃描：投影的產生,cy.image@yahoo.com.cn,X線及X-CT及其圖像信息X線及X-CT的成像原理X-CT的圖像信息,,cy.image@yahoo.com.cn,,CT值(相對線性吸收系數(shù)),假設：空氣?＝0，骨?＝2，（已知，水?＝1 ）若：k=1000，則，空氣CT=-1000，骨CT=1000 k=20

9、00，則，？,cy.image@yahoo.com.cn,,CT值的信息,,,,特定物質（人體組織） 線性吸收系數(shù) CT值 圖像灰度值,cy.image@yahoo.com.cn,,CT值和圖像灰度相關，但可能超出圖像灰度范圍。,cy.image@yahoo.com.cn,,對比度增強機制 —— 改變線性吸收系數(shù)及CT值 圖像的灰度對比度反映了不同組織成分的吸收系數(shù)的差異組織密度和線性吸收系數(shù)接近、CT值相近時，可采

10、用對比度增強劑（碘） 異常血管增生，局部血液豐富，血腦屏障破壞（碘含量增加）口服硫酸鋇溶液（腸道、食道）,cy.image@yahoo.com.cn,X線及X-CT及其圖像信息X線及X-CT的成像原理X-CT的圖像信息X-CT的一般技術性能,,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的一般技術性能靈敏度密度相差不大（軟組織）的區(qū)分能力不強1 mM,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的一般

11、技術性能靈敏度空間分辨率臨床CT：1 mm動物CT：10 ?m,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的一般技術性能靈敏度空間分辨率時間分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式光學成像及其圖像信息X線及X-CT及其圖像信息磁共振成像及其圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,MRI,1952，發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象的美國科學家 Bloch 和 Purce

12、ll獲諾貝爾物理學獎1977，第一臺MRI問世1991，發(fā)明核磁共振高解像技術的 Ernst獲諾貝爾化學獎2002，發(fā)明核磁共振三唯空間解像的 Wuthrich獲諾貝爾化學獎2003，MRI的發(fā)明人美國化學家Lauterbur和英國物理學家Mansfield 獲諾貝爾醫(yī)學獎,cy.image@yahoo.com.cn,磁共振成像MRI成像原理,,cy.image@yahoo.com.cn,,原子核的常態(tài)(穩(wěn)態(tài))和非常態(tài)

13、 弛豫過程(relaxation)和馳豫時間馳豫時間 vs. 原子核的種類與數(shù)量 縱向弛豫(T1)，橫向弛豫(T2),cy.image@yahoo.com.cn,,磁共振成像的圖像表現(xiàn)弛豫時間是物質固有的物理屬性醫(yī)學MRI主要用氫核（1H）不同的測量時間T1/T2，表現(xiàn)了不同的物質對象 MRI中不同的灰度值,,,X-CT以線性吸收系數(shù)反映物質的固有屬性,,cy.image@yahoo.com.cn,磁共

14、振成像MRI成像原理MRI成像的圖像信息,,cy.image@yahoo.com.cn,,MRI成像的圖像信息醫(yī)學MRI成像均采用氫核（1H）人體內的氫核大多包含在水分子中T1/T2的生物學意義,cy.image@yahoo.com.cn,,不同組織的T1和T2值各異同一組織在不同生理或病理狀態(tài)的T1和T2值也不相同,cy.image@yahoo.com.cn,,MRI成像的圖像信息醫(yī)學MRI成像均采用氫核（1

15、H）人體內的氫核大多包含在水分子中T1/T2的生物學意義MRI圖像中的像素灰度反映了T1或T2值對比度增強機制,cy.image@yahoo.com.cn,,對比度增強劑MRI： （1）軟組織本身可區(qū)分 （2）加入磁性物質，使得磁場表現(xiàn)不同CT：（1）軟組織密度相近，圖像中難以區(qū)分（2）重金屬吸收密度不同，明顯差異,cy.image@yahoo.com.cn,磁共振成像MRI成像原理MRI成像的圖像信息M

16、RI的一般技術性能,,cy.image@yahoo.com.cn,,3. MRI的一般技術性能靈敏度高于X-CT，低于核素成像和光學成像10-3 ~ 1 mM,cy.image@yahoo.com.cn,,3. MRI的一般技術性能靈敏度空間分辨率稍遜于X-CT，高于其他醫(yī)學成像方式臨床MRI：1 mm動物MRI：100 ?m,cy.image@yahoo.com.cn,,3. MRI的一般技術性能靈敏度空間分辨率

17、時間分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式光學成像及其圖像信息X線及X-CT及其圖像信息磁共振成像及其圖像信息超聲成像及其圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,超聲成像（US）,1912，出現(xiàn)了利用聲波攝取影像的技術偵測冰山聲納——二次大戰(zhàn)1949，美國醫(yī)生Howry創(chuàng)建了初步的超聲波儀器,cy.image@yahoo.com.cn,,超聲成像B型超聲成像原理,c

18、y.image@yahoo.com.cn,超聲成像原理,超聲波在不同介質內傳播的速度不同。不同的生物組織會產生不同的反射波強度。當聲波從一個介質進入另一個介質的時候，聲波頻率不變，波長和聲波速度將隨著介質的不同而改變。,cy.image@yahoo.com.cn,超聲成像原理,超聲通過多個界面時的反射和透射形成回波依照接受回波的先后次序及時間長短，可標定出所發(fā)聲波行進路線上的各介質存在的位置,cy.image@yahoo.com.

19、cn,,超聲成像B型超聲成像原理超聲成像的圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,,2. 超聲成像的圖像信息不同組織具有不同的聲阻抗,cy.image@yahoo.com.cn,,聲阻抗是生物組織的固有特性，是一種反射回波聲阻抗=介質的密度*聲速聲阻抗 ←→ 反射波強度 ←→ 圖像灰度值,cy.image@yahoo.com.cn,,2. 超聲成像的圖像信息不同組織具有不同的聲阻抗 回波強度可反映介質的聲阻抗

20、圖像灰度值反映了超聲波回波的強度具有不同聲阻抗介質的界面,cy.image@yahoo.com.cn,,2. 超聲成像的圖像信息不同組織具有不同的聲阻抗 回波強度可反映介質的聲阻抗對比度增強增強散射理論上可采用充氣的微泡,cy.image@yahoo.com.cn,,超聲成像B型超聲成像原理超聲成像的圖像信息超聲成像的一般技術性能,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 超聲成像的一般技術性能靈敏度和

21、探測深度有關,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 超聲成像的一般技術性能靈敏度空間分辨率角度分辨率 軸向分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 超聲成像的一般技術性能靈敏度空間分辨率時間分辨率超聲速度、角度分辨率最大徑向檢測范圍,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式光學成像及其圖像信息X線及X-CT及其圖像信息磁共振成像及其圖像信息超聲成像

22、及其圖像信息放射性核素(發(fā)射型計算機斷層)成像及其圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,PET的出現(xiàn),1943，瑞典化學家赫維西(George Charles de Hevesy)，發(fā)現(xiàn)了用于人體檢測的安全有效的放射性追蹤劑，獲得諾貝爾化學獎。1995，F(xiàn)DA核準PET的臨床使用。,cy.image@yahoo.com.cn,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式,放射性核素成像放射性核素成像原理,cy.ima

23、ge@yahoo.com.cn,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基礎 放射性核素發(fā)射?射線體外檢測?射線可確定體內放射性核素活度放射性核素是外源性的?射線活度取決于組織的血流、代謝、排泄、細胞功能、細胞數(shù)量、……,cy.image@yahoo.com.cn,,內源性 結構成像,外源性 功能成像,cy.image@yahoo.com.cn,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基礎 ECT的數(shù)學基礎,cy.imag

24、e@yahoo.com.cn,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基礎 ECT的數(shù)學基礎ECT的種類單光子發(fā)射（SPECT）正電子發(fā)射（PET）,cy.image@yahoo.com.cn,,體外的示蹤劑注入體內，聚集在體內靶標組織，核素在衰變過程中發(fā)射高能量γ光子束或正電子，穿透人體組織后向外輻射 核素能與血流、代謝、組織等相結合檢測到不同方位上的“投影”信號后，可據(jù)此重建放射性核素在靶標組織內分布的映射圖像 —— 功

25、能成像,cy.image@yahoo.com.cn,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式,放射性核素成像放射性核素成像原理核素成像的圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,,2. 核素成像的圖像信息（1）圖像的灰度直接反映了體內放射性核素的活度的強弱（≈濃度高低）直接反映了放射性核素的空間濃度分布間接反映了靶標組織的空間分布間接反映了組織濃度分布或生物活動程度,cy.image@yahoo.com.cn,,2. 核素成像

26、的圖像信息（1）圖像的灰度直接反映了體內放射性核素的活度的強弱（≈濃度高低）（2）根據(jù)不同的實驗，可間接地反映特定功能的強弱或特定物質的多少（3）對比度增強劑,cy.image@yahoo.com.cn,,SPECT：同位素的半衰期較長；不是人體本身所具備的元素；生理/生化過程的顯示受到限制。PET：同位素的半衰期較短；都是人體組織所富有的元素；排泄快，影響?。蝗绻M行生物過程的長期比較，不合適。 成像模式本身

27、就體現(xiàn)出對比度強的特點,cy.image@yahoo.com.cn,第二章 醫(yī)學圖像的成像模式,放射性核素成像放射性核素成像原理核素成像的圖像信息核素成像的一般技術指標,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 一般技術性能靈敏度SPECT：10-6 ~ 10-8 mMPET：10-8 ~ 10-9 mM,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 一般技術性能靈敏度空間分辨率SPECT：mm等級P

28、ET：1-2 mm空間分辨率較低,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 一般技術性能靈敏度空間分辨率時間分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,小結,cy.image@yahoo.com.cn,小結,各種成像模式的原理、圖像信息及對比度增強比較,cy.image@yahoo.com.cn,小結,各種成像模式的技術性能及其在分子成像中適用性的比較,cy.image@yahoo.com.cn,討論,一個X-

29、CT機的CT值范圍為：-1000HU～+1000HU，（1）圖像處理系統(tǒng)的灰度分辨率為8bit，該系統(tǒng)能分辨出的最小CT值的變化是多少？（2）若要求圖像處理系統(tǒng)能識別CT值相差2HU的不同組織（即能反映最小為2HU的CT值的變化），則其灰度分辨率至少應達到多少？,cy.image@yahoo.com.cn,討論,2. 有CT值范圍為-1000HU～+1000HU、灰度分辨率為8bit的X-CT機，如何使其可識別某一組織或器官內CT值