医学影像后处理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/11/14,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/11/14,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/11/14,*,医学影像后处理,医学影像后处理医学影像后处理123医学影像后处理功能医学影像后处理的其它应用和发展医学影像后处理应用2020/11/142,医学影像后处理医学影像后处理医学影像后处理123医学影像后处,1,2,3,医学影像后处理功能,医学影像后处理的其它应用和发展,医学影像后处理应用,2020/11/14,2,123医学影像后处理功能医学影像后处理的其它应用和发展医学影,1,2,3,医学影像后处理功能,医学影像后处理的其它应用和发展,医学影像后处理应用,2020/11/14,3,123医学影像后处理功能医学影像后处理的其它应用和发展医学影,医学影像后处理功能,辅助观察,通过向医生提供更多的观察方式，给医生更多的参考，有利于医生更加快速做出正确的诊断。,辅助诊断,提供给医生一些诊断的建议，包括测量得到的数据、分割和检测的结果，以及融合配准后新图像的信息。,2020/11/14,4,医学影像后处理功能辅助观察通过向医生提供更多的观察方式，给医,辅助观察,多平面重建,(Multi-Planar Reformation, MPR),曲面重建,(Curved Planar Reformation, CPR),表面遮盖,(Surface Shaded Display, SSD),最大密度投影,(Maximum Intensity Projection, MIP),最小密度投影,(Minimum Intensity Projection, MinIP),容积重现,(Volume Rendering, VR),虚拟内窥镜,(Virtual Endoscopy, VE),2020/11/14,5,辅助观察多平面重建(Multi-Planar Reforma,多平面重建(MPR),MPR,是把横断面的像素叠加起来回到三维容积排列上，根据需要组成的不同方位，重新组合新的断层图像。,横断面,矢状面,冠状面,较好地显示组织器官内复杂解剖关系，弥补横断图像观察的不足，有利于病变的准确定位。,2020/11/14,6,多平面重建(MPR)MPR是把横断面的像素叠加起来回到三维容,曲面重建(CPR),CPR,与,MPR,类似，不同点是叠加成三维容积排列后，重新选取截面时按曲线走行。,延展,CPR,与拉直,CPR(,心血管,),优点：,帮助医生在短时间内观察和研究血管组织。,缺点：,重建路径的偏差对较小病灶容易遗漏或造成假性狭窄。,2020/11/14,7,曲面重建(CPR)CPR与MPR类似，不同点是叠加成三维容积,表面遮盖(SSD),SSD,是提取组织结构边缘的体素信息，把容积数据转换为一系列多边形表面片拟合的等值面，然后根据光照、明暗模型进行消隐和渲染。,用途：,胸腹大血管、肺门及肺内血管、肠系膜血管、肾血管及骨与关节的三维显示。,缺点：,容易造成虚假显示或显示面上产生空洞，且无法显示数据体内部的细节信息。,颈动脉,CTA,的,SSD,图像,2020/11/14,8,表面遮盖(SSD)SSD是提取组织结构边缘的体素信息，把容积,最大密度投影(MIP),MIP,是沿着虚拟的操作者视线方向，将相对密度最高的体素值投射到屏幕上，而形成的新的投影平面。,最大密度投影图像,(,冠脉,),优势：,较真实的反映组织的密度差异，主要用于显示具有相对较高密度的组织结构。,用途：,观察血管的狭窄、扩张、充盈和缺损，可发现血管钙化，显示骨折情况，反映骨密度变化，清晰显示对内固定装置。,2020/11/14,9,最大密度投影(MIP)MIP是沿着虚拟的操作者视线方向，将相,最小密度投影(MinIP),MinIP,与,MIP,相似，是将每一条沿视线方向所遇到的体素最小值投影到二维平面上，从而形成,MinIP,重建图像。,最小密度投影图像,(,肺气管,),优势：,主要用于显示密度差异较大的低密度结构组织，典型应用于肺疾病检测。,用途：,肺部气管直观、立体的显示；肺气肿、间质性肺炎等弥漫性肺疾病诊断；屏蔽肺血管和肺裂等高密度结构；在术前为外科医生提供有价值的指导信息。,2020/11/14,10,最小密度投影(MinIP)MinIP与MIP相似，是将每一条,容积重现(VR),VR,是沿着虚拟操作者视线方向，将容积数据的所有体素的颜色和透明度的进行融合后，投射到屏幕上，实现三维显示。,容积重现,(,脊柱侧弯,),优势：,最大限度的保留了原始数据的细节，能够显示具有高质量的三维立体空间关系组织，而且操作简便。,用途：,用于血管、骨骼、关节、尿路、支气管树、肌束的三维显示。,2020/11/14,11,容积重现(VR)VR是沿着虚拟操作者视线方向，将容积数据的所,虚拟内窥镜(VE),VE,是利用医学影像作为原始数据，融合图像处理、计算机图形学、科学计算可视化、虚拟现实技术，模拟传统光学内窥镜的一种技术。,优势：,克服传统光学内窥镜需要插入体内的缺点，是一种完全无接触的检查方法。,用途：,应用于辅助诊断、手术规划、实现手术的精确定位和医务人员的培训等；可用于具有空腔结构的器官检查。,结肠虚拟内窥镜,360,度全景展开,2020/11/14,12,虚拟内窥镜(VE)VE是利用医学影像作为原始数据，融合图像处,辅助诊断,测量,分割,检测,配准融合,在医学图像后处理中计算机辅助诊断,(Computer Aided Diagnosis, CAD),是很重要的一种应用，主要包括：,2020/11/14,13,辅助诊断测量在医学图像后处理中计算机辅助诊断(Compute,测量,图像测量是指对图像中目标或区域的特征进行测量，包括图像的灰度特征、纹理特征和几何特征。,定量分析腔体、肿瘤的体积，血管的直径，三维区域的平均密度；,二维基础上的距离、面积、角度和统计分布等测量；,三维基础上的空间距离、曲线长度、表面积和体积等测量；,鉴别有无病变、病灶的大小和空间方位，提供定性诊断及预测的参考依据。,血管直径测量,乳腺,ROI,区域测量,2020/11/14,14,测量图像测量是指对图像中目标或区域的特征进行测量，包括图像的,分割(概述),根据目标物体特征，把图像划分为,若干个互不相交的区域,，使得这些特征在同一区域内，表现为一致性或相似性，在不同区域表现明显不同。,依据：,灰度、空间纹理、几何形状等特征。,应用：,各种细胞、组织与器官。,难点：,受分割物体的复杂度，成像方式和成像质量的影响。,2020/11/14,15,分割(概述)根据目标物体特征，把图像划分为若干个互不相交的区,分割(方法),基于区域的分割,基于统计学的分割,基于结构的分割,基于轮廓模型的分割,基于,Level Set,的分割,基于变换、模型的分割,基于模式识别的分割,血管分割,左右肺分割,结肠分割,2020/11/14,16,分割(方法)基于区域的分割血管分割左右肺分割结肠分割2020,分割(意义),可辅助医生进行诊断和制定对病人的治疗方案；,用于医学图像的分析，如三维重建；,用于计算机引导于术，如外科手术的制定，病理的研究；,有利于数据的压缩和传输，提高在,PACS,和远程传输的应用。,2020/11/14,17,分割(意义)可辅助医生进行诊断和制定对病人的治疗方案；202,检测(概述),计算机辅助检测是利用先进的计算机软硬件来分析和处理医学图像，以发现并检出病变，从而辅助医生临床诊断，提高工作效率。,方法：,特征分析法、双能量减影法和时间减影法。,应用：,乳腺、胸部。,2020/11/14,18,检测(概述)计算机辅助检测是利用先进的计算机软硬件来分析和处,检测(作用),乳腺：,可提供乳腺癌诊断的敏感度，降低致密型乳腺内病变、直径小的钙化灶、导管内癌及浸润性导管癌的漏诊率。,胸部：,胸片的心脏和肺野的自动分析，肺结节、气胸的检测，肿块和钙化的分类、鉴别。,钙化簇,团块肿块,心脏血管疾病检测,肺结节检测,2020/11/14,19,检测(作用)乳腺：可提供乳腺癌诊断的敏感度，降低致密型乳腺内,配准融合(配准),配准：,是指对于一幅医学图像采用一种,(,或一系列,),空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。,配准,2020/11/14,20,配准融合(配准)配准：是指对于一幅医学图像采用一种(或一系列,配准融合(融合),融合：,将两幅,(,或两幅以上,),来自不同成像设备或不同时刻获取的已配准图像，采用某种算法把各个图像的优点或互补性有机结合起来，获得信息量更为丰富的新图像技术。,融合,2020/11/14,21,配准融合(融合)融合：将两幅(或两幅以上)来自不同成像设备或,融合配准(方法),基于特征的图像配准,控制点配准算法,自动角点检测配准算法,基于轮廓特征的配准算法,基于,SIFT(,尺度不变特征变换,),的配准算法,基于区域的图像配准,相关法,对数极坐标变换方法,最大互信息配准法,基于图像灰度的融合算法,加权平均法,基于感兴趣区域图像融合方法,Toet,算法,对比度调制法,基于变换域的融合方法,配准：,融合：,2020/11/14,22,融合配准(方法) 基于特征的图像配准基于图像灰度的融合算法配,融合配准(意义),用于临床医疗诊断,用于外科手术、放射治疗计划的制定,病理变化的跟踪和治疗效果的评价,勾画肿瘤的轮廓线,计算放射剂量的大小及剂量分布,2020/11/14,23,融合配准(意义)用于临床医疗诊断2020/11/1423,1,2,3,医学影像后处理功能,医学影像后处理的其它应用和发展,医学影像后处理应用,2020/11/14,24,123医学影像后处理功能医学影像后处理的其它应用和发展医学影,医学影像后处理应用,医学影像后处理已经可以应用到大部分组织器官的影像结果分析中，针对不同部位的不同疾病都有特定的方法和流程来进行分析。,脑部,胸腹部,四肢,妇科,2020/11/14,25,医学影像后处理应用医学影像后处理已经可以应用到大部分组织器官,脑部(背景),世界上每年有,570,万人因脑卒中而失去生命,世界第二大致死病因,我国每年脑卒中新发病例为,250,万，死于卒中的病例为,150,万,医疗开支以及损失大,全世界所面临的艰巨问题,灌注,2020/11/14,26,脑部(背景)世界上每年有570万人因脑卒中而失去生命灌注20,灌注,脑部灌注增强造影,灌注成像的理论基础,灌注图像后处理算法,灌注图像后处理结果,2020/11/14,27,灌注脑部灌注增强造影2020/11/1427,脑部灌注增强造影,脑部的生理性功能活动以及病理活动与组织血流微循环状态密切相关,脑部灌注增强造影对脑部组织生理、病理变化非常敏感,可了解血液动力学及功能上的变化,可比,CT,平扫等常规影像技术更早更准确地诊断脑组织缺血等疾病,2020/11/14,28,脑部灌注增强造影脑部的生理性功能活动以及病理活动与组织血流微,灌注成像的理论基础(1/3),核医学放射性示踪剂稀释理论以及中心容积定律：,血容量,=,血流量,平均通过时间,通过直接测量,CT,值随时间的变化曲线获得组织内碘对比剂浓度随时间变化的曲线,(Time-Density Curve, TDC),，从而获得：,脑血流量,(Cerebral Blood Flow, CBF),脑血容量,(Cerebral Blood Volume, CBV),平均通过时间,(Mean Transit Time, MTT),达峰时间,(Time TO Peak, TTP),2020/11/14,29,灌注成像的理论基础(1/3)核医学放射性示踪剂稀释理论以及中,灌注成像的理论基础(2/3),分期,机体调节状态,脑局部的变化状态,脑循环储备力发挥作用,脑血流动力学发生异常变化，脑血流灌注压在一定的范围内波动时，机体可以通过小动脉和毛细血管平滑肌的代偿性扩张或收缩来维持脑血流的相对动态稳定。,脑代谢储备力发挥作用,脑循环储备力失代偿，,CBF,达电衰竭阈值以下，神经元的功能出现异常，机体通过脑代谢储备力的作用来维持神经元代谢稳定。,表,1,脑局部缺血的病理生理变化,2020/11/14,30,灌注成像的理论基础(2/3)分期机体调节状态脑局部的变化状态,灌注成像的理论基础(3/3),分期,脑血流状态,微循环状态,灌注表现,0,CBF,无下降,脑局部侧支循环建立良好,各参数图均正常,1,CBF,在电衰竭阈值以上,脑局部微血管无代偿性扩张,TTP,延长，,MTT,、,CBF,和,CBV,正常,2,CBF,在电衰竭阈值以上,脑局部微血管代偿性扩张,TTP,和,MTT,延长，,CBF,正常,/,轻微下降，,CBV,升高,1,CBF,在电衰竭阈值和膜衰竭之间,脑局部微血管受压轻度狭窄,TTP,和,MTT,延长，,CBF,下降，,CBV,升高,2,CBF,在电衰竭阈值和膜衰竭之间,脑局部微血管受压明显狭窄,TTP,和,MTT,延长，,CBF,下降，,CBV,下降,表,2,脑梗死前期脑局部缺血影像分期,2020/11/14,31,灌注成像的理论基础(3/3)分期脑血流状态微循环状态灌注表现,灌注图像后处理算法 (1/2),最大斜率法把器官或组织看作一个“黑箱”，示踪剂经由一条动脉进入“黑箱”，然后快速渗透到毛细血管和细胞外间质中，经过很短的一段时间后开始从一条静脉随血流流出。,组织中的对比剂总量等于流入的对比剂总量减去流出的对比剂总量。,最大斜率法,2020/11/14,32,灌注图像后处理算法 (1/2)最大斜率法把器官或组织看作一个,灌注图像后处理算法 (2/2),模型原理：,房室模型的一种，研究器官或组织的系统响应函数。对理想状态下，瞬时注射单位质量的示踪剂产生的组织增强曲线，即组织的脉冲响应函数,(IRF),进行处理。脉冲响应函数反映了物质在组织中随着时间的分布情况 。,去卷积法,2020/11/14,33,灌注图像后处理算法 (2/2)模型原理：去卷积法2020/1,灌注图像后处理结果,CT,脑灌注分析参数结果伪彩图,(CBF,，,CBV,，,MTT,，,TTP),MR,灌注分析参数结果伪彩图,(CBF,，,CBV,，,MTT,，,TTP),2020/11/14,34,灌注图像后处理结果CT脑灌注分析参数结果伪彩图(CBF，CB,胸腹部,心脏,肺,结肠,泌尿,2020/11/14,35,胸腹部心脏2020/11/1435,心脏(背景1),影像诊断方式,X,射线,(X-Ray),超声心动图,(Ultrasonic Echocardiogram, UCG),心血管造影,(Angiography),血管内超声,(Intravascular Ultrasound, IVUS),放射性核素检查,核磁共振,(Magnetic Resonance, MR),计算机断层,(Computed Tomography, CT),MSCT,2020/11/14,36,心脏(背景1)影像诊断方式X射线(X-Ray)MSCT202,心脏(背景2),影像诊断缺点,只能定性观察，没有定量信息,严重依赖医生的经验和能力,影像诊断早期困难,影像诊断受医生个人工作状态影像严重,CAD,2020/11/14,37,心脏(背景2)影像诊断缺点只能定性观察，没有定量信息CAD2,心脏CAD,心脏组织自动分割,血管树解析,血管病变组织检测与分析,血管狭窄度检测与分析,血管斑块检测与分析,2020/11/14,38,心脏CAD心脏组织自动分割2020/11/1438,心脏组织自动分割,心脏组织自动分割包括：左心房、左心室、右心房、右心室、升主动脉和左右冠状动脉的分割。,心脏,VR,视图,可直观展示各支冠脉血管与心脏的对应关系。其劣势是无法显示血管腔内病变，且有些冠状动脉无法得到最佳显示角度。,冠状动脉的,VR,视图,只显示部分升主动脉和冠状动脉血管，可转动图像至最佳角度显示需要观察的冠状动脉。,。,2020/11/14,39,心脏组织自动分割心脏组织自动分割包括：左心房、左心室、右心房,血管树解析,血管树的解析过程是冠脉中心线的自动提取和分析的过程。,在心血管的狭窄分析与检测、虚拟内窥镜自动导航漫游、冠状动脉多平面重建的视图显示、血管曲面重建等图像几何形态分析及相关领域中，管状器官的中心线具有非常广泛的应用。,2020/11/14,40,血管树解析 血管树的解析过程是冠脉中心线的自动提取和分析,血管病变组织检测与分析(1/3),血管狭窄度检测与分析,将狭窄处官腔直径,(,面积,),与相邻近端和远端正常官腔直径作比较，得出比值。,直径,(,面积,),测量法：,狭窄,远端,近端,2020/11/14,41,血管病变组织检测与分析(1/3)血管狭窄度检测与分析将狭窄处,血管病变组织检测与分析(2/3),狭窄度评判标准：,狭窄度,30%,，认为正常；,狭窄度,30%,，认为轻度狭窄；,狭窄度,50%,，认为中度狭窄；,狭窄度,70%,，认为重度狭窄。,血管病变类型：,A,型病变：指不连续,(20%),、远端极度扭曲等病变。,2020/11/14,42,血管病变组织检测与分析(2/3)狭窄度评判标准：狭窄度50,岁,),2020/11/14,60,骨密度测量(背景)骨质疏松症2020/11/1460,骨密度测量(方法),X,射线摄片,光子吸收法,双能,X,射线吸收法,超声测量法,定量,CT(Quantitative Computed Tomography, QCT),2020/11/14,61,骨密度测量(方法)X射线摄片2020/11/1461,QCT测量骨密度,对平片的手动测量,对三维重建序列的测量,BMD = a CTValue + b,测量部位的分割,皮质骨与松质骨的分离,数值的测量,腰椎分割效果图,股骨分割效果图,2020/11/14,62,QCT测量骨密度对平片的手动测量对三维重建序列的测量BMD,图像拼接(背景),图像拼接是将数张有重叠部分的图像(可能是不同时间、不同视角或者不同传感器获得的)拼成一幅大型的无缝高分辨路图像的技术。,图像配准,图像融合,2020/11/14,63,图像拼接(背景)图像拼接是将数张有重叠部分的图像(可能是不同,图像拼接(结果),X,射线胸椎拼接,X,射线腿部拼接,MR,脊柱拼接,2020/11/14,64,图像拼接(结果)X射线胸椎拼接X射线腿部拼接MR脊柱拼接20,妇科,乳腺,CAD,超声、,MR,、,X,射线,女性生命安全的第一大杀手,每年以,3%,的速度上升,关键在于早期诊断,乳腺钼靶,X,射线摄影,2020/11/14,65,妇科乳腺CAD超声、MR、X射线2020/11/1465,乳腺CAD,乳腺图像预处理，目标识别，特征提取，智能学习等，其焦点几乎都集中在肿块、钙化点或肿块、组织异常或肿块、钙化点和组织异常的自动检测及其检测性能的提高上。,由计算机检出病变,(,钙化簇、团状肿块、腋窝淋巴结等,),。,根据特征量的分析，对检出病变的良恶性进行鉴别。,求取病灶阴影的定量尺度，提供客观的数值分析。,进行高反差的图像处理，病灶阴影得以突出，提供易于检出的图像。,应用：,2020/11/14,66,乳腺CAD乳腺图像预处理，目标识别，特征提取，智能学习等，其,乳腺CAD在病变检出中的应用(1/2),钙化检测,肿块检测,40%,以上的乳腺疾病伴有微钙化,钙化点大小不一、直径一般小于,0.5mm,，形状不规则，往往表现为多形性,CAD,使图像中的钙化点增强，常常可检测到人眼所不能分辨的微小钙化灶,传统的图像处理技术,基于形态学的检测方法,基于小波变换的多分辨分析法,差值图像法,高斯统计检测法,基于模糊神经网络和图像特征提取的检测方法,乳腺,CAD,检出簇状钙化灶的结果,2020/11/14,67,乳腺CAD在病变检出中的应用(1/2) 钙化检测 肿块检,乳腺CAD在病变检出中的应用(2/2),钙化检测,肿块检测,在,80%90%,的乳腺病例中存在致密肿块阴影,灰度较高的团块，直径大约为,0.55cm,，密度高于周围腺体组织或乳头的密度,边缘不清，常伴有分叶状和毛刺状改变,肿块区域分割,：,区域生长、基于主动轮廓模型的图像分割、基于水平集的图像分割方法等。,肿块,特征提取,：,人工神经网络法、线性鉴别分析法、模糊聚类法、支持向量机等等,。,良性肿块,恶性肿块,2020/11/14,68,乳腺CAD在病变检出中的应用(2/2) 钙化检测 肿块检测,1,2,3,医学影像后处理功能,医学影像后处理的其它应用和发展,医学影像后处理应用,2020/11/14,69,123医学影像后处理功能医学影像后处理的其它应用和发展医学影,医学影像后处理的其它应用和发展,医学影像后处理在超声成像中的应用,医学影像后处理在,MRI,中的应用,医学影像后处理的不足和发展趋势,2020/11/14,70,医学影像后处理的其它应用和发展医学影像后处理在超声成像中的应,超声图像去噪与增强,超声图像分割,超声图像与,CT/MRI,图像的融合及配准,超声图像数据三维重建,体积测量,医学影像后处理在超声成像中的应用,分割右肾超声图像结果,肝脏的,CT,图像与超声图像的非刚性配准,2020/11/14,71,超声图像去噪与增强医学影像后处理在超声成像中的应用分割右肾超,医学影像后处理在MRI中的应用,磁共振成像组织分辨率高、解剖结构显示清晰，特别适用于中枢神经系统的诊断。,图像几何变换,图像显示增强,三维重建、可视化处理,解剖结构方面应用：,血氧水平依赖磁共振成像,(,Blood Oxygenation Level Dependent, BOLD),灌注加权成像,(,perfusion-weighted imaging, PWI),弥散加权成像,(,diffusion-weighted imaging, DWI),弥散张量成像,(,diffusion tensor imaging, DTI),及磁共振波谱分析,(,magnetic resonance spectroscopy, MRS),功能成像方面的应用：,2020/11/14,72,医学影像后处理在MRI中的应用磁共振成像组织分辨率高、解剖结,医学影像后处理的不足和发展趋势,图像分割结果仍然不理想,医学图像配准融合方法的通用性不强,检测算法的准确性存在一定的不足,三维可视化结果的交互性局限,无统一的评判标准,2020/11/14,73,医学影像后处理的不足和发展趋势图像分割结果仍然不理想2020,谢谢,谢谢,