计算机医学图像处理摘要: 本文着重介绍了计算机在医学图像处理方面的应用。
主要表现为CT、数字减影技术、超声图像以及目前正在国际上兴起的体视化技术( Volume Visualization) 等。
关键词: 计算机医学图像体视化技术1医学图像的种类及其分类1. 1医学图像种类现代医学离不开医学影像( 图像) 信息的支持。
而医学研究和临床诊断所需要的医学影像是多种多样的, 如病理切片图像、X 射线透视图像、CT 和MRI 扫描影像、核医学影像、超声影像、红外线热成像图像及窥镜图像等等。
1. 2医学图像分类及用途功能各异的医学影像分为结构影像技术和功能影像技术两大类。
前者主要用于获取人体各器官解剖结构图像, 借助此类结构透视图像, 不需要解剖检查, 医学人员就可以诊断出人体器官的器质性病变。
CT 及MRI 便属于此类结构影像的代表。
然而在人体器官发生早期病变, 但器官外形结构仍表现为正常时, 器官的某些生理功能, 如新陈代谢等却开始发生异常变化。
此时采用结构影像做结构解剖性检查便无法及时诊断出病变的器官, 而需借助基于SPECT 及PET 的功能影像技术。
功能影像能够检测到人体器官的生化活动状况, 并将其以功能影像的方式呈现出来。
2计算机对医学图像的处理应用2. 1直接控制成像过程( CT ) 的应用CT 的本质是一种借助于计算机进行成像和数据处理的断层图像技术。
虽然X 线透视和照相可使人们了解人体的内部结构, 断层摄影可粗略地表示病灶的位置, 影像增强系统和静电摄影提高了透视和断层摄影的分辨率, 但只有CT 通过计算机在排除散射线和重叠影像的干扰并对X 线人体组织吸收系统矩阵作定量分析后, 才从根本上解决了分辨率问题。
与普通的X 线透视横断层图像不同的是在CT 技术中, 用测量X 线强度的检测系统代替作为图像接受器的胶片, X 线管与检测器系统同步旋转运动: 用检测器以数据矩阵形式多次采集的投影值,依据反投影原理和一定的数学模型重建图像代替一次投影直接成像。
总之, 计算机在CT 系统中的作用是至关重要的。
它要完成测量数据的采集、图像建立、图像重建、图像评价和图像存储等任务, 它还要将透过人体的X 线所组成的数字矩阵经处理、运算后又变为可见的图像输出。
没有计算机技术, CT 设备的发展是不可想象的。
目前临床上常用的CT 除X-CT 外还有磁共振CT ( MR-CT) 、正电子CT 和超声CT。
MR-CT 与X-CT 的区别在于MR-CT 是基于人体中具有核自旋的原子, 在外加静磁场中受到相应的射频作用产生磁共振显象, 并在射频作用消失后发出与自旋核数和驰豫时间有关的信号, 图像是自旋核子密度和驰豫时间的函数; X-CT 是基于人体不同组织对X线有着不同的吸收函数, 是密度成像。
2. 2超声图像的应用超声图像是当前影像诊断中四大成像方法之一．它利用超声波与生物之间的相互作用作为成像基础, 具有无电离辐射、无放射性、无禁忌症、检查时间短、设备价格低等优点, 特别适合于对软组织( 如胎儿) 和运动器官( 如心脏) 的检查诊断。
超声成像的方式有一维的A、M 型和二维的B 型( B 超) 。
另外还有专门用于测量血流速度和胎音的, 其原理是利用向人体内部发射的超声波遇到运动器官后, 由于探头与运动器官的界面或血流间有相对运动, 反射波频率与入射频率不同, 出现多普勒现象而设计的超声多普勒仪器。
计算机在超声图像类设备中的重要应用是处理位置信号、控制图像建立。
计算机在处理位置信号、控制图像建立方面的应用还可见于超声CT ( U -CT ) 和核医学图像处理的ECT ( 正电子CT ) 、及提供动态图像而用于了解代谢过程的伽玛相机上。
计算机提高图片对比度的功能还可应用于临床医学中, 诸如细胞图像、电镜图像、X 线照片和红外图像以提高对微小病灶的检出率。
2. 3数字减影技术的应用数字减影技术是计算机在图像诊断方面的又一成功应用。
数字减影是分别将使用造影剂前后的图像同时输入计算机, 通过计算机以特定的模式对图像重建, 从而提高图片质量。
常用的减影模式有时间法、能量法和断层法。
数字减影技术发展很快, 现在可以利用减影技术作到血管定量造影。
类似的还有近几年发展较快的磁共振数字减影( DSMR) 。
2. 4体视化技术的应用及意义2. 4. 1体视化( volume visualizat ion) 与可视化( visualizatio n) 的关系目前, 一种新兴的建立在计算机体视化( volumevisualizat io n) 技术基础之上的三维医学影像正在国际上兴起, 并得到愈来愈广泛的应用。
计算机体视化技术是从可视化( visualizatio n) 技术发展而来的。
“可视化”顾名思义就是使原先不能直接反映在人们视觉中的事物或现象成为直观可见的, 即把数据变换成易于被人类接受和理解的图形形式。
医学图像诊断装置的出现本身也正是医学诊断走向可视化的表现。
2. 4. 2体视化( volume visualizat ion) 技术在医疗诊断方面的应用在医疗诊断中, 观察病人的一组二维断层图像是医生诊断病情的常规方式。
但是, 要准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围组织之间的空间关系, 仅凭医生“在头脑中进行重建”是十分困难的。
因此迫切需要一种行之有效的工具来完成对人体器官、软组织和病变体的三维重建和三维显示。
体视化技术就是辅助医生对病变体和周围组织进行分析和显示的有效工具, 它极大地提高了医疗诊断的准确性和科学性。
目前, 美国依阿华大学放射学部的多媒体实验室提供了虚拟医院。
网络上的这个虚拟医院采用Internet 现有的通信标准和WWW 技术, 把整个医院各个科室的内外部环境, 以多媒体知识库系统的方式尽可能逼真地在网络上再现。
它的出现给医生、患者及所有从事卫生保健事业的人员带来了极大的方便。
以真实的医院科室环境为基础的多媒体知识库,不仅可以提供良好的医疗咨询服务, 还可以为院外甚至边远地区的开业医生及其他医务人员提供生动的教学素材。
2. 4. 3体视化( vo lume visualizat io n) 技术在其它方面的意义体视化不仅提高了医疗诊断水平, 同时还在手术规划与模拟、解剖学教育和医学研究中发挥着重要的作用。
具体表现在: 提供器官和组织的三维结构信息, 使医生对病情做出正确的判断; 进行手术规划和手术过程模拟, 提高手术的可靠性和安全性;根据三维重建所得到的几何描述, 用计算机辅助制造系统( CAM) 自动和加工人体器官( 如假肢) ;作为医学研究和教学的工具; 结构分析及关于各种器官和组织的温度、应力的有限元分析; 人体血液或体液的动态分析。
未来的医学影像不但可“观看”,还可实现虚拟现实, 创造逼真的虚拟环境, 让操作者在这个虚拟环境中参予对人体三维影像的操作和改造活动。
操作者就像置身于现实世界中一样。
该技术可让医生在虚拟手术室对病人的模型实施各种手术方案, 模拟手术过程, 使医生在手术之前就可以进行多次演练,以帮助制定最佳手术方案和提高手术的安全性。
虽然目前这种技术在我国还未兴起, 相信随着计算机技术在医学领域的不断发展, 不远的将来, 我们一定会看到体视化技术, 即三维医学影像在我国医学行业中成功实现。
参考文献1康晓东主编. 计算机在医疗方面的最新应用. 北京: 电子工业出版社, 1999: 8～9( 收稿: 2001-04-06)计算机图形图像技术在医学中的应用冯毅1, 孔冬莲2( 1. 天津铁道职业技术学院, 天津300240; 2. 鄂州大学电子系, 湖北鄂州436000)摘要: 该文通过医学应用和研究领域几个有代表性的例子引入了计算机图形图像相关技术在医学中的应用, 同时简单介绍了这些相关技术的概念、意义和发展。
关键词: 计算机图形图像技术; 医学影像; 数字人; 图像分割; 三维重构1医学应用背景简介1. 1诊断1. 1. 1基于医学影像信息的三维视图1895年, 伦琴发现了X 射线, 医学影像技术从此得到发展。
利用仪器设备获得人体有关部位的断层影像, 这一方法给医生对病情诊断带来了革命性的飞跃。
随着相应技术和研究的发展, 先后有了计算机断层扫描成像技术( CT)、螺旋CT技术、磁共振成像技术(MR I)、正电子放射断层成像技术( PET)等。
医生可以通过对医学影像设备获得的照片分析病因。
然而, 因为照片都是二维的, 分析起来对医生的想象力和经验要求都很高,而且对病灶的判断也不很直观。
另一方面, 这些照片通常是通过胶片的形式储存, 对影像数据的管理和充分利用都十分不方便。
为了弥补这些不足, 引入了信息处理技术, 主要包括从这些二维图像信息中重构出三维模型直接在计算机显示设备中显示出来, 让医生通过三维的角度来观察感兴趣的部位。
若需要, 还可将数据按一定的数据库模式存储起来建立相应的图像资料库供建立医疗档案使用。
这样不仅可以让医生看到生动而且具体的三维图形, 直观地查找病灶, 同时也对影像信息进行了充分利用[ 1]1. 1. 2虚拟内窥镜技术内窥镜技术也是医学诊断中的一种重要手段。
诊断时, 通过向病人体内插入内窥探头, 利用光纤的导光性, 将探头所及部位的情形传导并显示出来。
虽然这一技术给疾病的诊疗带来了方1. 1. 2虚拟内窥镜技术内窥镜技术也是医学诊断中的一种重要手段。
诊断时, 通过向病人体内插入内窥探头, 利用光纤的导光性, 将探头所及部位的情形传导并显示出来。
虽然这一技术给疾病的诊疗带来了方便, 但在实施过程中对病人造成很大的痛苦, 也不便于医生的操作。
引入计算机图形图像技术以后, 通过对病人有关部位影像信息的提取和三维重建, 构建出虚拟的人体器官图形, 并能像真正的内窥镜一样在其中漫游, 甚至有更强的操控性。
这样不仅没有给病人带来插入探头的痛苦, 同时还可以置身于探头不能到达的人体部位。
这种通过三维重构图形来得到内窥镜效果的方法便叫做虚拟内窥镜技术( V irtual Endoscope, VE) [ 2] 。
虚拟内窥镜技术是随着计算机技术、计算机图形学、计算机图像处理尤其是虚拟现实等学科的发展而逐步形成的一种独特的医学图像处理技术。
1. 2数字人研究1. 2. 1简介数字人研究是基于人体真实切片图像数据,通过计算机技术, 进行人体组成及功能研究的一个新领域, 是信息技术与医学等学科相互结合的前沿性交叉课题。
1989年美国就开启了这一项目的先河, 由美国国立医学图书馆( N ational L ibraryofMed icine, NLM )提出, 称之为可视人计划( V isib leHuman Pro jec,t VHP )。