诊断设备之一，在四大医学影像系统中，磁共振成像也是功能最强大、技术含量最高、软组织图像最清晰、也是目前应用最广、在世界上装机容量最多的医学影像设备之一，是典型的高新技术产品。技术的进步，使MRI的应用领域不断扩大，它在医学诊断中所起的作用也愈加重要。它的多参数成像，可提供丰富的诊断信息；其高对比度成像，可得出详尽的解剖图谱；任意方位断层，使医学界从三维空间上观察人体成为现实；人体能量代谢研究，有可能直接观察细胞活动的生化蓝图；不使用造影剂，可观察心脏和血管结构；无电离辐射，一定条件下可进行介入MRI治疗。MRI的上述特点，已经使得 这一技术成了临床和科学研究的重要工具。

功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是上世纪九十年代初期在磁共振成像技术的基础上迅速发展起来的能够反映大脑功能活动的一种磁共振成像方法，它的突出特点是可以利用超快速的成像技术，反映出大脑在受到刺激或发生病变时脑功能的变化。它突破了过去仅从生理学或病理生理学角度对人脑实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆和认知等领域对大脑进行探索的大门。

fMRI的出现，大大推动了脑科学的发展。fMRI主要是反映被激活脑区血氧水平和血流变化的一种技术。在fMRI出现之前，科学家们主要是依靠PET研究脑功能，现在由于fMRI成像质量高，扫描速度快，检查成本低以及不需要具有放射性的示踪剂等特点，在脑科学研究领域已经占有了非常重要的位置，许多PET能实现的功能可以由fMRI来完成。近年来应用于临床的磁共振成像设备基本上都具有结构成像和功能性成像的双重功能。

利用MRI技术可获得大脑解剖结构相关信息的高清晰图像，单凭肉眼就可以从MRI图像中识别出脑组织的解剖位置及其结构特点，病变部位及其大小。与脑结构MRI技术不同的是，fMRI技术是通过检测由神经活动引发的脑区域的血液动力学的变化，获得脑的功能活动信息。由于脑的各功能区域都处于脑皮层中，而脑皮层又处于脑灰质中，血液仅占灰质的%6左右。因此，当受到刺激时，脑的功能活动造成的血液动力学的信号改变是极其微弱的，在1.5T的磁场中，功能信号约占%1到5%左右。由于噪声与伪影的影响，人眼难以分辨出这些微弱的功能信号到底处于大脑功能活动区域的哪个区域。因此，要通过fMRI技术对大脑的功能区域进行精确定位，必须借助于有关图像处理和分析技术从这些功能映射

9

图上把微弱的脑活动区域提取出来，并与MRI解剖图像进行融合，才能最终得到脑功能的定位图像。

六、 小结

医学图像几乎全部是把肉眼不可见的信息变成可见信息，从而为临床诊断提供有价值的依据。由于医学图像能够提供大量用其他方法所不能提供的信息，所以医学成像技术的发展非常迅速，各种新技术几乎无一不在医学成像技术中得到应用。

从以上医学图像的发展情况看，我们不难看出医学成像技术的发展轨迹：其一，是逐步从模拟成像向数字化成像技术发展；其二，是从组织的形态学成像向组织的功能性成像发展；其三，是从平面成像（2D）向立体（3D）成像技术和动态成像技术（在3D的基础上再加时间，构成所谓的4D成像）发展。

从医学图像的发展，我们可以归纳出到目前为止的医学图像存在的形式。根据用于成像的物质波的不同，我们可以把医学图像分成四种形式： X线图像，放射性同位素图像，超声图像和磁共振图像。X线图像主要有：X线平片，DSA图像，CR图像，DR图像和CT图像等。放射性同位素图像主要有：PET图像，SPECT图像；超声图像主要是目前我们熟知的B超图像；而磁共振图像主要是MRI图像和fMRI图像。

根据成像设备是对组织结构（形态）成像还是对组织功能（代谢）成像，我们可以把医学图像分成两类，即医学结构图像和医学功能图像。医学结构图像主要有：X线图像，CT图像，MRI图像，B超图像等；而医学功能图像主要有：PET图像，SPECT图像和功能磁共振图像（fMRI）。

根据医学影像设备最终形成的图像信号是模拟信号还是数字信号，我们还可以把医学图像分成模拟图像和数字图像。数字医学图像的主要表现形式是：MRI图像和fMRI图像，CT图像，PET图像，SPECT图像，DSA图像，CR图像，DR图像等。而模拟医学图像主要是由传统的X线成像设备形成的图像。

另外我们还可以把医学图像分成二维（2D）图像、三维（3D）图像和四维图像（4D）。

第二节 医学图像处理技术及其应用

一 、引言

现代医学越来越离不开医学图像提供的信息，医学图像往往在疾病的确诊、

10

分期以及选择治疗方法和手段方面起决定性的作用。由于医学图像能够直观地反映病人的病情，从而大大提高了医生的诊断正确率。现代科学已经证明，人们通过图像获得的信息占其获得总信息的70%以上，所谓：百闻不如一见。在医学领域也不例外，医学图像能够最大限度的向医生提供病人的信息。医生在临床上越来越依赖医学图像，医学图像在现代医学中占有越来越重要的位置。

然而，自从德国科学家伦琴发现X射线并产生各种医学图像以来，放射科医生对医学图像的判读仍然停留在定性阶段，即仅凭放射科医生对医学图像的定性判读，最终给出诊断结论。随着医学成像技术特别是数字化医学影像技术的发展，医学图像的定性判读方式已经越来越不能适应临床的需要。其中的主要原因是，医学成像技术的发展，使得越来越多的医学影像设备应用到临床诊断领域，从而使得放射科、超声科和核医学科等以影像诊断为主的科室的门诊量越来越大，对每个病人每次采集的数据量也越来越多，例如，多层螺旋CT对患者肺部的薄层扫描获得的图像数量可能超过1000幅。另外，利用医学影像设备对某种疾病（如乳腺癌）进行普查时，也会产生大量的医学图像。这就造成了两个问题：一方面，阅读病人的检查影像成为医生的一项非常繁重的工作，由于长时间判读图像，使放射科医生容易疲劳和分心，从而造成诊断正确率的下降；另一方面，仅凭借医生自身的经验很难保证不会出现漏诊和误诊的情况，并且很难对影像资料进行一致的定量分析，而对医学图像的定量分析是医学影像学发展的必然要求。在此背景下，医学图像处理与分析技术在医学影像学中的地位就显得越来越重要。

所谓医学图像处理与分析就是借助计算机这一工具，根据临床特定的需要利用数学的方法对医学图像进行各种加工和处理，以便为临床提供更多的诊断信息或数据。例如，对于对比度不理想和信噪比不高的图像，利用图像增强和滤波的方法改变图像的对比度，提高图像的信噪比，从而提供给放射科医生较高质量的图像，以便于放射科医生对图像的判读；对于由先进的医学影像设备产生的大量医学图像数据，可以先由计算机进行图像处理后，把可疑的病灶全部标记出来，然后再由放射科医生对标记出来的可疑病灶进行判读。这样可以节省放射科医生大量的读片时间，使他们得以把注意力集中在可疑病灶上，从而为正确诊断奠定基础，这就是目前在医学影像学领域得到广泛关注并发展迅速的医学图像计算机辅助诊断技术（Computer-Aided Diagnosis/Detection，CAD）。另外，医学图像处理与分析技术在外科手术术前计划的制订，神经外科导航，虚拟内窥镜以及放射

11

治疗计划的制订等方面都具有重要的应用价值。

二、 医学图像处理及其应用

医学图像处理技术早期在临床上的应用主要是通过对医学影像数据的处理为临床医生提供对比度好的图像，以便于医生的判读，这个时期所应用的医学图像处理技术主要是一些简单的图像增强和滤波技术等。随着医学成像技术的飞速发展，各种新型的医学成像设备大量应用于临床，如多排螺旋CT等，这些设备每天都会产生大量的医学图像数据，这就给临床医生带来了很大的工作负担。要对如此多的图像进行正确的判读，需要临床医生付出很大的体力和精力，长时间的读片会造成精神和视觉的疲劳，容易造成误诊。在此情况下，借助于计算机的医学图像处理技术可以为临床医生提供极大地帮助，使临床医生从繁重的读片工作中解脱出来，把精力放在由医学图像处理技术“筛选”出的可疑病灶上。

医学图像处理也是医学影像学从定性影像学发展到定量影像学的必要手段。在医学影像学发展的早期，医生基本上是利用不同医学影像设备提供的人体不同部位的二维切片图像对患者进行定性诊断，并通过这些图像利用医生对病灶的空间想象，大体确定病灶的体积大小和空间位置，进而制定出手术计划或放疗计划。随着医学影像学的发展，对患者的诊断与治疗已经进入到精确诊断、精确计划和精确治疗的时代，所有这些都是以定量影像学为基础，而定量影像学的技术基础就是医学图像处理。通过利用图像分割、配准、融合及三维重构及可视化技术，对病灶或感兴趣区进行精确测量和精确定位，进而制定出精确的治疗计划和方案，为最终对患者的精确治疗打下基础。

虚拟内窥镜是虚拟现实技术在医学中的典型应用。虚拟内窥镜是利用CT、MRI或超声波获得的二维断层图像，通过三维重建与可视化处理，在计算机屏幕上生成具有内窥镜可视效果的、病人结构组织序列的三维可视化图像。目前，虚拟内窥镜已经在脑血管诊断、直肠诊断等许多方面得到应用。虚拟内窥镜的技术基础主要是三维重建与可视化技术。

医学图像处理通常是指在完成医学影像学检查之后，对所获得的图像进行再加工的过程，通常情况下我们把这种图像处理方式称为医学图像的后处理(post-processing)。目前几乎所有医学影像学手段(包括CT、MRI、DSA、CR、DR、超声、SPECT和PET等)都可以直接获得数字化图像，这就给对这些图像进行处理提供了很大的方便。与医学图像的后处理对应的是医学图像的前处理

12