醫(yī)學(xué)圖像成像模式全解

1、醫(yī)學(xué)圖像處理與分析,上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院,醫(yī)學(xué)圖像的成像模式,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學(xué)圖像的成像模式光學(xué)成像及其圖像信息,cy.image@yahoo.com.cn,光學(xué)成像及其圖像信息常規(guī)光學(xué)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(jié)構(gòu)、濃度 光密度OD，透光強(qiáng)度 圖像灰度值,,cy

2、.image@yahoo.com.cn,,對(duì)比度增強(qiáng)機(jī)制： 提高圖像對(duì)比度 ← 增強(qiáng)光密度差異 細(xì)胞HE染色免疫組化染色,cy.image@yahoo.com.cn,光學(xué)成像及其圖像信息常規(guī)光學(xué)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(zhì)的受激電子從高能狀態(tài)經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)交調(diào)遷移到中間振動(dòng)狀態(tài)，再?gòu)恼駝?dòng)狀態(tài)遷移回到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中發(fā)出磷光,物質(zhì)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(gè)不穩(wěn)定的高能級(jí)分子從不穩(wěn)定的高能級(jí)返回基態(tài)時(shí)會(huì)伴隨光子產(chǎn)生，即熒光產(chǎn)生,,,,cy.image@yahoo.com.cn,,400nm,760nm,熒光波長(zhǎng),,cy.image@yahoo.com.cn,熒光強(qiáng)度 特定物質(zhì)量 圖像灰度,cy.image@yahoo.com.cn,光學(xué)成像及其圖像信息常規(guī)光學(xué)透射(或反射)成像熒光(或生物發(fā)光)成像光學(xué)成像的一般技術(shù)性能,,cy.image@yahoo.com

4、.cn,光學(xué)成像的一般技術(shù)性能靈敏度 光學(xué)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(xué)成像的一般技術(shù)性能靈敏度 光學(xué)CCD冷卻CCD10-9~10-6 mM,cy.image@yahoo.com.cn,光學(xué)成像的一般技術(shù)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(xué)成像的一般技術(shù)性能靈敏度 空間分辨率 時(shí)間分辨率實(shí)時(shí)成像僅取決于CCD數(shù)據(jù)的讀出,cy.image@yahoo.com.cn,光學(xué)成像的一般技術(shù)性能靈敏度 空間分辨率 時(shí)間分辨率穩(wěn)定性好、毒性小,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學(xué)圖像的成像模式光學(xué)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(ài)迪生 制造X光透射機(jī)1901 倫琴 獲得第一屆諾貝爾物理獎(jiǎng),cy.image@yahoo.com.cn,CT(Computed Tomography),1963 美國(guó)物理學(xué)家Cormark 提出數(shù)學(xué)重建算法1971 英國(guó)工程師Hounsfield 設(shè)計(jì)成功第一臺(tái)顱腦CT機(jī)1974 美國(guó) Georgetown醫(yī)學(xué)中心 全身CT機(jī)1979 Hounsfield 和 Co

7、rmark 分享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,,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(duì)于X射線的衰減程度各不相同X線吸收系數(shù)，物質(zhì)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(xué)基礎(chǔ)：由投影重建圖像,,,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的掃描：投影的產(chǎn)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(duì)線性吸收系數(shù)),假設(shè)：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(zhì)（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(guān)，但可能超出圖像灰度范圍。,cy.image@yahoo.com.cn,,對(duì)比度增強(qiáng)機(jī)制 —— 改變線性吸收系數(shù)及CT值 圖像的灰度對(duì)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(shí)，可采

10、用對(duì)比度增強(qiáng)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(shù)性能,,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的一般技術(shù)性能靈敏度密度相差不大（軟組織）的區(qū)分能力不強(qiáng)1 mM,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的一般

11、技術(shù)性能靈敏度空間分辨率臨床CT：1 mm動(dòng)物CT：10 ?m,cy.image@yahoo.com.cn,,X-CT的一般技術(shù)性能靈敏度空間分辨率時(shí)間分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學(xué)圖像的成像模式光學(xué)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(guó)科學(xué)家 Bloch 和 Purce

12、ll獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1977，第一臺(tái)MRI問(wèn)世1991，發(fā)明核磁共振高解像技術(shù)的 Ernst獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)2002，發(fā)明核磁共振三唯空間解像的 Wuthrich獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)2003，MRI的發(fā)明人美國(guó)化學(xué)家Lauterbur和英國(guó)物理學(xué)家Mansfield 獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),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(guò)程(relaxation)和馳豫時(shí)間馳豫時(shí)間 vs. 原子核的種類(lèi)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(shí)間是物質(zhì)固有的物理屬性醫(yī)學(xué)MRI主要用氫核（1H）不同的測(cè)量時(shí)間T1/T2，表現(xiàn)了不同的物質(zhì)對(duì)象 MRI中不同的灰度值,,,X-CT以線性吸收系數(shù)反映物質(zhì)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(xué)MRI成像均采用氫核（1H）人體內(nèi)的氫核大多包含在水分子中T1/T2的生物學(xué)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(xué)MRI成像均采用氫核（1

15、H）人體內(nèi)的氫核大多包含在水分子中T1/T2的生物學(xué)意義MRI圖像中的像素灰度反映了T1或T2值對(duì)比度增強(qiáng)機(jī)制,cy.image@yahoo.com.cn,,對(duì)比度增強(qiáng)劑MRI： （1）軟組織本身可區(qū)分 （2）加入磁性物質(zhì)，使得磁場(chǎng)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(shù)性能,,cy.image@yahoo.com.cn,,3. MRI的一般技術(shù)性能靈敏度高于X-CT，低于核素成像和光學(xué)成像10-3 ~ 1 mM,cy.image@yahoo.com.cn,,3. MRI的一般技術(shù)性能靈敏度空間分辨率稍遜于X-CT，高于其他醫(yī)學(xué)成像方式臨床MRI：1 mm動(dòng)物MRI：100 ?m,cy.image@yahoo.com.cn,,3. MRI的一般技術(shù)性能靈敏度空間分辨率

17、時(shí)間分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學(xué)圖像的成像模式光學(xué)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(shù)偵測(cè)冰山聲納——二次大戰(zhàn)1949，美國(guó)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(zhì)內(nèi)傳播的速度不同。不同的生物組織會(huì)產(chǎn)生不同的反射波強(qiáng)度。當(dāng)聲波從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)的時(shí)候，聲波頻率不變，波長(zhǎng)和聲波速度將隨著介質(zhì)的不同而改變。,cy.image@yahoo.com.cn,超聲成像原理,超聲通過(guò)多個(gè)界面時(shí)的反射和透射形成回波依照接受回波的先后次序及時(shí)間長(zhǎng)短，可標(biāo)定出所發(fā)聲波行進(jìn)路線上的各介質(zhì)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(zhì)的密度*聲速聲阻抗 ←→ 反射波強(qiáng)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(qiáng)度可反映介質(zhì)的聲阻抗

20、圖像灰度值反映了超聲波回波的強(qiáng)度具有不同聲阻抗介質(zhì)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(qiáng)度可反映介質(zhì)的聲阻抗對(duì)比度增強(qiáng)增強(qiáng)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(shù)性能,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 超聲成像的一般技術(shù)性能靈敏度和

21、探測(cè)深度有關(guān),cy.image@yahoo.com.cn,,3. 超聲成像的一般技術(shù)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(shù)性能靈敏度空間分辨率時(shí)間分辨率超聲速度、角度分辨率最大徑向檢測(cè)范圍,cy.image@yahoo.com.cn,,第二章 醫(yī)學(xué)圖像的成像模式光學(xué)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(jì)算機(jī)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(xué)家赫維西(George Charles de Hevesy)，發(fā)現(xiàn)了用于人體檢測(cè)的安全有效的放射性追蹤劑，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1995，F(xiàn)DA核準(zhǔn)PET的臨床使用。,cy.image@yahoo.com.cn,第二章 醫(yī)學(xué)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(chǔ) 放射性核素發(fā)射?射線體外檢測(cè)?射線可確定體內(nèi)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(xì)胞功能、細(xì)胞數(shù)量、……,cy.image@yahoo.com.cn,,內(nèi)源性 結(jié)構(gòu)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(chǔ) ECT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),cy.imag

24、e@yahoo.com.cn,,1. 放射性核素成像原理ECT的物理基礎(chǔ) ECT的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)ECT的種類(lèi)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(nèi)，聚集在體內(nèi)靶標(biāo)組織，核素在衰變過(guò)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(jié)合檢測(cè)到不同方位上的“投影”信號(hào)后，可據(jù)此重建放射性核素在靶標(biāo)組織內(nèi)分布的映射圖像 —— 功

25、能成像,cy.image@yahoo.com.cn,第二章 醫(yī)學(xué)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(nèi)放射性核素的活度的強(qiáng)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(biāo)組織的空間分布間接反映了組織濃度分布或生物活動(dòng)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(nèi)放射性核素的活度的強(qiáng)弱（≈濃度高低）（2）根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)，可間接地反映特定功能的強(qiáng)弱或特定物質(zhì)的多少（3）對(duì)比度增強(qiáng)劑,cy.image@yahoo.com.cn,,SPECT：同位素的半衰期較長(zhǎng)；不是人體本身所具備的元素；生理/生化過(guò)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??；如果要進(jìn)行生物過(guò)程的長(zhǎng)期比較，不合適。 成像模式本身

27、就體現(xiàn)出對(duì)比度強(qiáng)的特點(diǎn),cy.image@yahoo.com.cn,第二章 醫(yī)學(xué)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(shù)指標(biāo),cy.image@yahoo.com.cn,,3. 一般技術(shù)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(shù)性能靈敏度空間分辨率SPECT：mm等級(jí)P

28、ET：1-2 mm空間分辨率較低,cy.image@yahoo.com.cn,,3. 一般技術(shù)性能靈敏度空間分辨率時(shí)間分辨率,cy.image@yahoo.com.cn,小結(jié),cy.image@yahoo.com.cn,小結(jié),各種成像模式的原理、圖像信息及對(duì)比度增強(qiáng)比較,cy.image@yahoo.com.cn,小結(jié),各種成像模式的技術(shù)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(gè)X-

29、CT機(jī)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(shí)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(yīng)達(dá)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(jī)，如何使其可識(shí)別某一組織或器官內(nèi)CT值