学科导论结业论文

所属学院：信息工程学院

专业班级：生物医学工程111班

姓名:彭延林

学号：6103411034

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医学图像处理概论

生物医学工程111班 彭延林

医学图像处理是一门综合了数学、计算机科学、医学影像学等多个学科的交叉科学，是利用数学的方法和计算机这一现代化的信息处理工具，对由不同的医学影像设备产生的图像按照实际需要进行处理和加工的技术。医学图像处理的对象主要是X射线图像，CT(Computerized Tomography)图像，MRI(Magnetic Resonance Imaging)图像，超声(Ultrasonic)图像，PET(Positron emission tomography)图像和SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)图像等。医学图像处理的基本过程大体由以下几个步骤构成：首先，要了解待处理的对象及其特点，并按照实际需要利用数学的方法针对特定的处理对象，设计出一套切实可行的算法；其次，利用某种编程语言（C语言，Matlab或其他计算机语言）将设计好的算法编制成医学图像处理软件，最终由计算机实现对医学图像的处理；最后，利用相关理论和方法或对处理结果进行检验，以评价所设计处理方法的可靠性和实用性。因此，要正确掌握医学图像处理技术，除了具备算法设计（高等数学基础）和计算机程序设计能力外，对所要处理的对象及其特点的了解也是非常重要的，以下就对医学影像技术的发展及相关成像技术做简要的介绍。

第一节 医学影像技术的发展

现代医学影像技术的发展源于德国科学家伦琴于1895年发现的X射线并由此产生的X线成像技术(Radiography)。在发现X射线以前，医生都是靠“望、闻、问、切”等一些传统的手段对病人进行诊断。医生主要凭经验和主观判断确定诊断结果，诊断结果的正确与否与医生的临床经验直接相关。X射线的发现彻底改变了传统的诊断方式，它第一次无损地为人类提供了人体内部器官组织的解剖形态照片，由此引发了医学诊断技术的一场革命，从此使诊断正确率得到大幅度的提高。至今放射诊断学仍是医学影像学中的主要内容，应用普遍。因此，X射线的发现为现代医学影像技术的发展奠定了基础。

自伦琴发现X线以后不久，X线就被用于对人体检查，进行疾病诊断，形成了放射诊断学(diagnostic radiology)的新学科，并奠定了现代医学影像学(medical

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imageology)的基础。上世纪50年代到60年代开始应用超声与核素扫描进行人体检查出现了超声成像和?闪烁成像(?-scintigraphy)。上世纪70年代和80年代又相继出现了X线计算机体层成像(CT)、磁共振成像（MRI）和发射体层成像(Emission Computed Tomography，ECT)，如单光子发射体层成像SPECT与正电子发射体层成像PET等新的成像技术。这样，仅100多年的时间就形成了包括X线诊断的影像诊断学(diagnostic imageology)。虽然各种成像技术的成像原理与方法不同，诊断价值与限度亦各异，但都是使人体内部结构和器官形成影像，临床医生通过这些影像获得人体解剖与生理功能状况以及病理变化的信息，以达到诊断的目的。上世纪70年代迅速兴起的介入放射学 (interventional radiology)，不仅扩大了医学影像学对人体的检查范围，提高了诊断水平，而且可以对某些疾病进行治疗。因此，不同成像技术的发展大大地扩展了医学影像学的内涵，并使其成为医疗工作中的重要支柱。

近20年来，随着计算机技术的飞速发展，与计算机技术密切相关的影像技术也日新月异，医学影像学已经成为医学领域发展最快的学科之一。常规X线成像正逐步从胶片转向计算机放射摄影（Computed Radiography，CR）或更为先进的直接数字化摄影（Digital Radiography，DR）的数字化时代。诞生时即与计算机紧密相关的CT、MRI则发展速度更为惊人。CT已从早期的单纯的头颅CT发展为超高速多排螺旋CT、电子束CT。在速度提高的同时，扫描最薄层厚也从早期的10mm到现在的0.5mm以下，图像分辨率也达到了1024*1024。这些使CT的应用不仅在于早期横断面成像，同时可以作细腻的三维重建，虚拟内窥镜，手术立体定向，CT血管成像（Computed Tomography Angiography，CTA）等。MRI也从早期的永磁体、低场强发展到现在的超导、高场强，分辨率在常规扫描时间下提高了数千倍，磁共振血管成像（Magnetic Resonance Angiography，MRA）已成为常规检查项目，同时磁共振功能成像以及磁共振波谱（MRS）技术正在迅速发展之中。

一、 X线成像

1895年伦琴发现X线，使人们通过X线第一次无须手术就能观察到人体内部的结构，为医生确诊疾病的病因提供了重要直观的信息。

发现X射线以来，医学影像学领域发生了几次具有重大意义的历史性变革。传统的X-ray成像第一次为人类提供了人体内部器官组织的解剖形态照片，由此

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引发了医学诊断技术的一场革命，并形成了放射诊断学。

传统的X射线成像得到的是组织或器官的投影像，照片上某个像素的亮度反映穿过人体到达胶片的X射线的强度，它与人体对X射线的吸收量成反比，它将三维空间的图像投影到一个二维平面上，使厚度方面的信息都重叠地加在一起，造成了某些细节因信息重叠而丢失。因此，这种成像方式难以检测较小的病灶。X线成像技术到目前已经经历了100多年发展的历程，由最初单一的X线摄影发展到X线透视、X线数字减影血管造影 (Digital Subtraction Angiography， DSA)、X线介入治疗等多种诊断和治疗方式，其中在X线介入治疗基础上形成的介入放射学(Interventional Radiology)开创了诊断技术应用于临床治疗的先河。除此之外，X线成像的方式也发生了根本的变化，开始由模拟成像逐步向数字成像方式发展，如目前已经在临床上广泛应用的CR、DR以及数字胃肠机等。尽管如此，X线成像技术没有从根本上改变3D物体投影到2D平面的问题。由于处于不同深度的组织的像是重叠在一起的，从而使得X线影像的空间分辨率受到一定限制。

尽管X线成像存在不足之处，但在临床很多方面（例如胃肠道仍主要使用X线检查，骨骼肌肉系统和胸部也多首先应用X线检查等），X线检查仍然是首选的影像学常规检查手段。

二、超声成像

超声可以探查出非常细微的病变组织，是X线摄影的有力补充。超声成像也是除了X线以外使用最为广泛的医学成像工具。超声成像依据的是脉冲-回波技术，这个技术和雷达技术相似。在第二次世界大战时期发展起来的雷达和声纳的基础上，应用超声脉冲反射原理发展了各种超声成像技术，后来又发展了超声多普勒技术和超声计算机断层技术。目前，三维超声成像技术也在发展之中。

超声波成像从发明到现在已经有了很大的进步。目前已经从过去的单探头发展成为今天的探测器阵列，从模拟系统发展到全数字化和图像实时显示系统。

超声仪使用的成像物质波源是震动频率在人的听觉范围以外的机械震动波。所以，超声成像是用不可见的也听不到的超声波能量实现的人体成像，不象X射线，超声波对人体无辐射伤害。人们常说的B超只是超声波成像仪的一种。它适合对人体解剖结构和血流进行成像。由于超声成像安全可靠，价格低廉，所以在临床诊断和介入治疗中都得到了迅速发展，成为目前临床上广泛使用的四大医学影像设备之一。超声成像的缺点是图像对比度差，图像的重复性依赖于操作人员。

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