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医学成像系统及医学图像处理孙文红从信息量的角度看，一幅图像所包含的信息远比一条曲线或几个数据要多。它以直观的形式向医生展示人体内部的结构或有关生理参数的空间分布，为医生的诊断提供重要依据，成为临床诊断与医学研究中不可缺少的工具。图像科学包含图像的形成、获取、传输、存储、分析、识别等。在医学图像研究领域中主要包含以下两个相对独立的研究方向：医学成像系统（MedicalImagingSystem）和医学图像处理（MedicalImageProcessing）。成像系统是指图像形成的过程，它研究从源到像的物理过程，包括对成像机理、成像设备、成像系统的分析等问题的研究；图象处理是指对已经获得的图像作进一步的处理，其目的一是使原来不够清晰的图像复原；二是为了突出图像中的某些特征信息（如突出图像轮廓边缘）；三是对图像作模式分类等。医学图像涉及物理学、电子学、计算机技术等广泛的学术领域。随着各项高新科技的发展，医学图像已经从形态到功能、从静态到动态、从平面到立体、从局部到整体获得了飞速的发展。在实际应用中，医学图像与计算机图形学结合可以让医生从各个不同角度观察人体内部结构，医学图像与计算机及通信技术结合可以完成图像的传输、归档、管理等复杂的工作。医学成像系统概述医学成像技术的发展历史一般可追溯到1895年伦琴发现X射线。X射线在医学上的应用使医生有可能观察到人体内部的结构，为医生诊断疾病提供了重要的信息。从五十年代开始，医学成像技术逐步进入了飞速发展的年代，各种新技术相继被应用于医学成像系统中。新的成像方式不断出现，所成的图像不仅提供了人体组织在解剖上的结构，而且为器官功能检查提供了可能。所用的技术包括超声、核素成像等。六十年代早期，计算机断层摄影技术的出现使医学成像技术的发展达到了一个高峰。它从根本上克服了传统X线成像中影像重叠的问题，获得了高分辨率的清晰的断层图像。是八十多年来X线诊断学上的一次重大革命性飞跃。也是二十世纪科学技术的重大成就之一。发明者因此获得了1979年度的诺贝尔医学奖。今天，几乎所有的物理方法都已或多或少地渗透到了医学成像的领域，如X射线成像、超声成像、放射性同位素成像及磁共振成像等。这些不同的成像方式所提供的人体结构或生理参数的图像为提高临床诊断与治疗的有效性发挥了极大的作用。医学成像设备已成为现代化医院的一个重要的标志。常见医学图像医学成像系统简介投影X射线成像系统X射线计算机断层成像超声成像系统放射性核素成像磁共振成像系统红外线成像系统医学成像新技术1.投影X射线成像系统X射线的发现使人们意识到了X射线在医学成像中的应用前景。在此后的几十年中，X射线摄影技术有了不小的发展，包括使用旋转阳极X射线管、影像增强管及采用运动断层摄影等。但由于常规的X射线成像技术是将人体三维结构投影到一个二维平面上，会产生图像重叠，造成读片困难。此外，投影X射线成像对软组织的分辨能力较差，使得它在临床中的应用也受到一定的限制。为了获得脏器的清晰图像，人们又设计了一些特殊的X射线成像装置。如X射线数字减影装置(digitalsubtractionangiography，简称DSA)就是一个例子。DSA的基本工作原理是：将X射线机对准人体的某一部位，并将X射线造影剂注入人体血管中。如果在注入造影剂的前后分别摄取这同一部位的X射线图像，然后再将这两幅图像相减，那么就可以消除图像中相同结构的部分，而突出注人造影剂的血管部分。DSA在临床中已成功地用于血管网络的功能检查。2.X射线计算机断层成像X射线计算机断层成像（X－raycomputedtomography，简称X－CT），成功地解决了投影X射线成像中出现的影像重叠问题。实现X－CT的理论基础是从投影重建图像的数学原理。当代图像重建理论最杰出的贡献者之一是美国的物理学家A.M.Cormack。他自20世纪50年代开始发表了一系列的论文，不仅证明了在医学领域中从X射线投影数据重建图像的可能性，而且提出了相应的实现方法并完成了仿真与实验研究。真正设计出一个装置来实现人体断面成像是在1972年，一位名叫G.N.Hounsfield的工程师公布了计算机断层成像的结果。这项研究成果可以说是在X射线发现后的七八十年中放射医学领域里最重要的突破性进展，也是20世纪科学技术的重大成就之一。1979年的诺贝尔生理与医学奖破例地授给了这两位没有专门医学资历的科学家。自从X—CT问世以来，技术有了很大的发展，设备装置也不断地更新换代。早期的X－CT扫描仪，数据采集与图像重建的计算过程需要较长的时间，图像的分辨率相对比较低，而病人接受的射线照射剂量却相对比较大。较新的X－CT装置采用多个检测器构成的扇形扫描方式，它不仅减少了扫描与数据处理的时间，减少了照射剂量，同时还改善了图像的分辨率。在这个发展过程中，大量的研究工作是在努力开发高速有效的图像重建算法，包括代数方法与解析方法。目前的X－CT装置其成像厚度可以小到lmm，断面中的图像分辨率也已经可以做到小于lmm。3.超声成像系统超声成像设备是目前医院中仅次于投影X射线机使用得最频繁的成像设备。目前临床上使用的超声成像系统基本上都是采用脉冲回波方式成像(即B型超声显像仪)。超声成像的突出优点是对人体无损、无创、无电离辐射，同时又能提供人体断面实时的动态图像。因此广泛地用于心脏或腹部的检查。除断面成像外，血流测量也是超声成像设备中的重要组成部分。超声血流测量是借助多普勒原理完成的。射入人体的一定频率的超声波在遇到运动的红血球时，血球产生的后向散射信号会出现多普勒频移。通过对多普勒回波信号的分析就能得到血流的方向与速度信息，这些信息是心血管疾病与脑血管疾病诊断中的重要依据。20世纪80年代初问世的超声彩色血流图（colorflowmapping，以下简称CFM）是目前临床上使用的高档超声诊断仪。它的特点是把血流信息叠加到二维B型图像上。凡是指向换能器的血流在B超图中用红颜色表示，而背离换能器的血流则用蓝颜色表示。由于在一张图像上既能看到脏器的解剖形态，又能看到动态血流，它在心血管疾病的诊断中发挥了很大的作用。4.放射性核素成像放射性核素成像是把某种放射性同位素标记在药物上，然后引人病人体内，当它被人体组织吸收后，人体自身便成了辐射源。放射性同位素在衰变的过程中，向体外放射γ射线，可以用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况。从所得的放射性同位素图像中，不仅可以看到器官的形态，更重要的是可以从中了解到人体脏器新陈代谢的情况。这是其他成像系统所不容易做到的。因此，尽管放射性同位素图像的分辨率比较低（约为1cm左右），但它仍是临床诊断中的重要工具。早期的同位素成像装置是同位素扫描仪，成像速度非常低。目前临床上用得比较多的是γ照相机，可快速地拍摄体内脏器的图片，并从一系列连续的图像中了解器官新陈代谢的功能。发射型CT（emissioncomputedtomography，简称ECT）是放射性同位素成像系统的较新发展。ECT可分为单光子发射型CT（singlephotonECT，简称SPECT）和正电子CT（positronemissiontomography，简称PET）两类。目前，SPECT在临床上已得到较广泛的应用。它是将γ照相机的探测器围绕探查部位旋转并采集相应的投影数据，然后采用与X－CT类似的重建算法计算出放射性同位素分布的断层图像。PET是根据有一类放射性同位素在衰变过程中释放正电子的物理现象来设计的。正电子与电子相互作用发生湮灭现象后，会产生两个能量为51Kev且传播方向完全相反的光子，用一个符合检测器就可以检测出这种成对出现的γ射线光子。根据这样采集到的数据同样能重建出断层图像。由于PET系统价格昂贵，目前主要是在实验室或研究中心使用。5.磁共振成像系统1945年美国学者Block和Purcell首先发现了核磁共振现象，从此产生了核磁共振谱学这门科学。它在广泛的学科领域中迅速发展成为对物质的最有效的非破坏性分析方法之一。核磁共振作为一种成像方法的应用是一个较新的发展。1973年P.C.Lauterbur第一个做出了仿真模块的二维核磁共振图像。之后又有人完成了对小物体成像。直至70年代后期，对人体的成像才获得成功。核磁共振成像系统也称为磁共振成像（magneticresonanceimaging，简称MRI）系统。磁共振成像的过程是将人体置人一强磁场中，如果同时对人体施加一个一定频率的交变射频场，那么被探查的质子就会产生共振，并向外辐射共振信号，在接受线圈中就会有感应电势产生。所接收到的信号经过计算机处理后，就可以得到清晰的人体断面图像。磁共振成像的突出优点是对人体无创、无电离辐射，并且可以对人体组织做出形态与功能两方面的诊断。此外，磁共振图像的分辨率比较高，而且可以较容易地获取人体的三维图像。6.红外线成像系统红外线热成像技术在医学上的应用是在五十年代后期开始的。目前有不少国家用于临床诊断和基础研究，成为健康普查的一常规手段。红外线热成像是一种非接触无损伤式的体表温度测量方法。它利用红外辐射成像的原理研究人体表面温度。能把体表某一部分的温度分布以热图像的形式显示或记录下来，温度分辨率可达0.03℃~0.1℃，用作早期发现近表皮恶性肿瘤及其转移情况（如皮肤癌、乳腺癌、甲状腺癌等），协助诊断一般良性肿瘤、各类炎症、末梢血管疾病等。目前来说，红外热成像仪也有一些不足之处：一是造价昂贵，二是使用条件要求高，这些缺点是影响红外热成像仪普及推广的重要原因。但无论如何，红外热成像仪是一项新技术，很有发展前途。对于它的研究国内外都很重视。如研制廉价的室温条件下工作的红外检测器，设法用电子扫描取代现有的机械扫描系统，并将扫描成像合为一体，组成固体成像器件，从而大大减少成本和体积重量。将热成像仪与计算机配套，由计算机处理热像信息，构成热成像自动诊断，研究热图像数字化仪以提高分析诊断的效率和精度。医学成像新技术由于人体脏器结构是一个三维空间分布，因此仅仅依靠一幅或几幅二维图像来理解三维结构是有一定的局限性的，它不能完全满足临床上在疾病诊断、治疗决策及外科手术研究中的需要。为了给医生提供真正的三维结构显示图，自70年代开始就有人着手研究医学三维成像的方法。早期的三维成像曾经采用过全息摄影等方法。随着计算机技术的发展及计算机图形学的成熟应用，医学三维成像在近十年中有了很大的发展。三维图像一般是由一系列二维图像叠合构成。将二维数据的集合变成三维数据结构后，人们就可以根据需要取出任意角度下的剖面来观察。这样可以使医生更准确、更全面地了解脏器的内部结构。此外，医生还可以“剥出”任意局部区域作进一步分析，或模拟外科手术过程，从而制定最佳的手术方案。目前，三维图像已应用于放射学诊断、肿瘤学、心脏学与外科手术的研究中，并已成为计算机辅助制定治疗方案的得力工具。随着计算机技术的发展，各类医学图像的数据库与医学图像的管理系统也日趋成熟。医学图像的管理是建立在实现大容量数字图像存储的基础上的。现在，一张12in（1in=25.4mm）的光盘大约可存储近2000幅1024×1024像素的图像，并能根据需要很快地分门别类调出所需的图像。此外，利用现有的计算机网络或其他通信系统进行数字图像的通信也已成为现实，形成了当今所谓的“图像归档与通信系统”（picturearchivingandcommunicationssystem，简称PACS）。医学成像技术投影X线成像技术数字X线成像的发展X线计算机断层摄影（X-CT）放射性核素成像磁共振成像系统一.投影X线成像技术1.X线的基础知识(1)X线的产生在医学诊断用的X线管中，被加热的灯丝发射出电子，在30~200千伏高压的作用下，灯丝射出的电子被吸引到阳极靶子上，这些电子与靶内的原子相互作用产生X射线，X射线穿过管壁发射出来。在X线产生的过程中伴生出大量的热，只有少于1%的入射电子能量转换成了X射线，为了使热能从被轰击的区域尽快散除，以免损坏靶面，现代X线管中设计了旋转阳极。(2)X线的性质X线在本质上