医学数字成像技术

医学数字成像技术医学数字成像技术内容计算机X线摄影(computedradiography,CR)数字X线摄影(digitalradiography,DR)直接数字X线摄影(directdigitalradiography,DDR)计算机体层摄影(computedtomoraphy,CT)磁共振成像(magneticresonanceimage;MRI)数字减影血管造影(digitalsubtractionangiography;DSA)超声成像(ulstransonography,USG)正电子发射体层成像(positronemissiontomography,PET)技术的共同点:以计算机技术为基础,使图像信息数字化,以便实施对图像的后处理。发展动向技术的发展充实，完善了设备的硬件与软件功能低档设备努力充实与提高硬件的性能，并且把中高档设备较成熟的功能与软件移植过来，拓宽了低档设备的适用范围。第1节医学数字成像技术的发展CR把传统的X线数字化，DDR利用平板探测器将X线信息直接数字化。CT已发展到宽探测器多层螺旋CT。确定了更薄层厚、更短采集时间。各种专业软件应用包，实现脑CT灌注成像早期诊断急性脑猝中等MR实时成像技术，并实现了MR透视，像显微细胞学、分子水平、基因水平发展。超声：三维彩色超声第1节医学数字成像技术的基础一、医疗影象设备用计算机输入信息除了接收来自键盘输入的信息外，还可接收自身数据采集系统(dataacquisitionsystem;DAS)。主控汁算机控制着多级的彼此相互独立的CPU系统。多CPU提高处理速度。图象存储设备：硬盘、磁带、光盘、磁盘阵列等。二、数据采集1、数据采集系统的组成发射源：不同的成像方法发射源的介质不同uCR、DR、DDR、DSA和CT其发射源为X射线；uMRI的发射源是射频脉冲；uUSG的发射源是超声波；uNM的发射源是某些具有放射性的同位素。。被检体：当被捡体受接到来自发射源的信号后，体内组织使信号发生改变，离开被检体到探测器/接收器。探测器/接收器：探测器/接收器是收集经过人体后并带有体内信息的信号，再转递到下一个采集单元。采样器：采样器接收到上一级转递的信号，首先经滤过器对它进行滤过，再经模数转换器(analogue-to-digitalconverter，A/D)将模拟图象(analogueimage)转化成数字图像(digitalimage)。采集到的原始数据必须送到RDCP数据收集处理器：数据收集处理器(reconstructionanddatacollectionprocessor，RDCP)可以把原始数据根据诊断的需要进行各种后处理。记录：采集数据的最终目的是为了记录人体内的不同组织信息，供疾病的诊断，治疗和复查2、数据采集的原理模拟采样：X线片的密度(density)是随空间位置分布的连续函数，照片上点和点之间是连续的，中间没有间隔，而感光密度随坐标点的变化也是连续的。它反映了入射线的X线强度的空间分布。数字影像的图像矩阵(matrix)则是一个整数数值的二维数组。整幅图像被分解成有限个小区域，每个这种小区域中图像密度的平均值用一个整数来表示，这个小区域被称为象素（pixel）。图2-7A为一幅手的X线照片。其中有一条横线。图2-7B给出了横线上的一维像的密度随距离变化的连续函数；图2-7C是用数字表示的—维数字图像。在进行数字化时，采取每2mm间隔采一个点。即每个象素的宽度为2mm。像素密度数值用O-255共256个整数表不。256=28，像素密度用8位二进制数表示。取横线宽度力1mm，把整幅图像划分为若干条横线，这样每个象素即为1mm×2mm。在扫描中，这个宽度叫层厚（slicethickness)。每条横线可获得一幅一维图像。这些一维数字图像就可以组合成一幅二维数字图像。将二维图像变成一系列一维图像的过程，在物理上可用时间扫描来完成。再通过A/D转换器变为离散的数字序列。这样，原始的数字图像就产生了。3、A/D与D/A转换器完成数据的采集要用A/D转换器，而数据的精确还取决A/D转换器的量化精度。数字图像要在屏幕上显示，也离下开D/A转换器。它主要有以下两项性能指标。（1）转换速度连续模拟信号首先在时间上进行采样，将连续的时间信号用按一定间隔采集的离散值来表示。采样定理告诉我们，当采样的频率高于连续时间信号最高频率两倍以上时，用采样得到的离散时间序列可以完全恢复原来的连续时间信号而不损失任何信息。采样频率就是A/D转换器的变换频率。（2）变化精度和动态范围模拟信息的表示范围没有限制，但所接收到模拟量具有有限的动态范围。整数数字量的变化是离散的，数字位数愈多，能表示的数字量的范围就愈大。A/D转换器的精度应与所转换的模拟信号的信噪比(signal-to-noiseratio，SNR）动态范围相适应。D/A转换器的精度和动态范围要求较A/D转换器略低一些4、数字图像的表达要素数字图像是由一个整数数值的二维数组组成的，整幅图像被分解成了有限个小区域，即数字图像是由不同亮度和颜色的点组成的二维点阵；数字在这里不仅意味着数码，而且表示了某点的亮度或颜色。当—个点阵含有足够多的点时，并且点与点之间足够近时，看起来就是—幅完整的图像；表达数字图像的两个要素：即点阵的大小和每个点的灰度值。存储一幅数字图像只要记录下点阵的大小和每个点的灰度值即可。灰度值：某一点的亮度或色彩在给定亮度或色彩序列中次序的数值。第3节图象后处理1、窗宽与窗位窗宽（windowswidth，WW）：是指对应于图像灰度级的范围。窗位(windowslevel，WL)：是指对应灰度级的中心位置。在灰度级内每级灰度与窗宽内值呈线性关系，当保持窗宽不变，窗位变大时，原置全白的具有较大值的组织进人灰度显示区，原灰度显示区内具较小值的组织将置全黑，从而整个图像逐渐变暗，这就是所谓的线性窗。窗宽与窗位的关系：窗位变大、窗宽不变：图象变暗；窗位不变、窗宽增大：图象对比度下降。2、边缘增强原理：把图像边缘的象素值重新计算，得出一个新象素值，它所表示的灰度值与原象素值有明显的差异，如果象素的灰度显示为白(或亮)，那么，新象素的灰度则显示为更白(或更亮)。边缘增强实际上是模拟人眼传递视觉信息的一种图像处理方法。它的作用是把人眼难以辨认的轮廓得以增强，使其能清晰的显示毗邻的解剖关系。3、对比度增强对比度增强是DSA中一种必不可少的环节。在减影像中，由于对比度大的人体组织，如骨、肌肉、软组织等已被消除，只剩下相对对比度小的血管像，一般相减处理的数值都比较小，为了便于观察，必须做对比度处理。4、多平面重建多平面重建(multipleplanareformatting，MPR)是后处理功能中最常用的方法之一，它是通过薄层的容积采集获取数据，经计算机处理获得多方位、多平面的图像。该方法操作简便、图像逼真。通过MPR后，可以得到三维的立体效果。特别是对肝肾之间的占位病变、椎管内占位病变和颅内占位病变的显示，更具有独到之处。5、最大强度投影最大强度投影(maximumintensityprojection，MIP)是把一组信号强度最大的象素元通过投影方式叠加在一起，形成一幅只有高信号强度的影像。MIP投影叠加以后，再用切割、剪裁或选择主体形式把一些多余的背影信号去掉。再在3D窗选择旋转方向，就可以得到不同视角连续显示的影像，从而展现出立体效果。6、表面重建表面重建(surfafereformatting)在施行表面重建前需先给出一个阈值，阈值的大小对重建的效果起很重要的作用，阈值过大，图像偏白，看不清表面轮廓和颅内的脑组织；阈值过小，图像表面就会有“破孔”现象产生。第4节图像质量医学数字图像的质量决定于成像方式、设备的整体性能和操作者选用的成像参数。数字成像过程它包括患者、成像系统、系统操作者、图像以及观察者五个部分。成像的目的是要让观察看能够看到患者体内的某一客体(病变)及其与周围组织的关系。评价数字图像的指标有：噪声、信噪比、对比度、分辨力和伪影1、噪声噪声(noise)是在成像过程中，微粒子随机产生的空间波动。这些微粒子都是彼此独立的随机分布在被采集的客体中，就像刚下雨时初落在地面上的雨摘是稀疏不均的。信号采集完成后，这些微粒子的信号就不均匀的分布在图像上表现为图像噪声。噪声的大小决定于在一个小区域内不同点之间微粒子的密集程度，噪声从原则上讲是难以消除的。图像噪声的存在，可使获得的影像不清晰，最重要的是噪声的存在掩盖或降低了图像中的其些特征的可见度。可见度的损失对对比度低的物体尤为明显。如对图像中血管未稍的显示。；为了抑制图像噪声，可将图像对比度调低，即低窗位、高窗宽，可使图像的视觉噪声明显降低。另外，可以使用图像平滑化的方法来减少噪声。再可选择能得到满意图像的成像因素以获得最小的噪声。2、信噪比信噪比(signal-noise，SNR)是评价图像质量的重要指标之一。所谓SNR是指信号强度与噪声强度的比值。信号是指某一兴趣区内象素的平均值。噪声是指同一兴趣区等量象素的标准差。为了避免其他因素如影像均匀度的干扰，兴趣区要小，一般为一百个象素。叠加在信号上的噪声使象素值以平均值为轴振荡，振荡的幅度越大，SNR越低，图像就变得越模糊。数字成像是一个受噪声干扰的过程，噪声可直接降低低对比度物体的可见度，还可间接降低图像的空间分辨力。图像质量部分是由每个像素信号与噪声强度的对比关系决定的，减少噪声的干扰通常采用减小噪声强度或者增大形成图像信号强度的方法来解决。3、对比度对比度（contrast）是指兴趣区的相对信号强度的差异。在一幅图像中，对比度的形成可表现为不同灰阶梯度、光强度或颜色。对比度是图像最基本的特征。若用一个量来说明对比度时，它是指图像内两个具体点或区域之间的差别。身体内一个客体要在图像上看出来，那么至少它对周围组织来说有足够的物理对比度，如图2-15所示。客体在图像中显示时，对物理客观对比度的要求取决于成像方法和成像系统的特征。成像系统建立在图像对比度和客观对比度之间的相互关系，主要表现在它的对比灵敏度。4、分辨力分辨力(resolution)是图像对客体的分辨能力，它包括空间分辨力、密度分辨力和时间分辨。空间分辨力(spatialresolution)为图像中可辨认的邻近组织空间几何尺寸的最小极限，即对影像细微结构的分辨能力。常用的单位是距离内多少线对，即Lp/mm。空间分辨力与图像矩阵的大小相关，它与单位面积内含有的象素数目成正比。密度分辨力(densityresolution)为图像中可辨认的密度差别的最小极限，即对细微密度差别的分辨能力。密度分辨力与图像中每一个象素间的微粒子数目成正比。时间分辨力(temprolresolution)也称动态分辨力，表征的是系统对运动部位血管的瞬间成像能力。时间分辨力愈高，对运动器官的成像就愈清晰，DSA的时间分辨力最高。对比分辨力(contrast，resolution)表征的是系统对小的血管显示的分辨能力。对比分辨力高的系统，只需使用少的对比剂或不用对比剂，就能得到较好的血管影像。