医学成像技术知识点大全（笔记）

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1.课程简介

2.医学成像技术简介

    在医院里面，放射科是由三部分组成：
1.扫描技师（Technologist）。负责每天扫描病人，在控制室里面，在磁共振（CT）控制室里面，给病人准备换衣服、静脉注射，然后把病人推到磁共振设备或者CT设备里面，然后进行扫描，这是扫描技师的工作。
2.放射科医生（Radiologist）。负责在电脑跟前，将每个病人的图片进行传送从而展示在显示屏上，通过读片子来做出诊断。
3.医学物理师（Medical Physicist）。负责每个医疗成像设备的正常运行，而且能确保得到的图片都是高质量的图片。

    医学成像技术分类：
1.X光成像（X-ray imaging）。有核辐射，需要采用高能量的X光或者伽马光子；应用领域如胸透、拍片、乳腺癌钼靶成像、CT（Computed Tomography，通过旋转拍摄得到不同角度透射的图片，然后根据这个图片来做重建，最后得到人体横断面的图片）、荧光成像（Fluoroscopy）。
2.超声成像（UltraSound imaging）。没有那些辐射而且用的是声波，只不过频率要比声波要高，所以是安全的且特别方便，应用领域如解剖成像（Anatomical imaging）、多普勒超声（Doppler flow imaging，可以测量血管里面血流的速度和方向）、胎儿成像（Fetal Ultrasound）、心脏的超声成像（Echocardiography）。
3.磁共振成像（Magnetic Resonance，MR）。采用的是射频电波，安全且没有核辐射；应用领域如解剖成像（Anatomical imaging）、磁共振做血管成像（MR Angiography）、磁共振做功能成像（Functional MRI）。
4.核素成像（Radionuclide imaging）。有核辐射，需要采用高能量的X光或者伽马光子；应用领域如单光子平面或成像（Planar single photon imaging）、单光子发射的CT（Single Photon EmissionCT，SPECT）、正电子发射成像（Positron Emission Tonography），这三类都是需要通过往人体里面进行静脉注射一种核素，这种核素需要释放出光子或者释放出正电子来回到它的稳态，如果释放出光子，这光子高能光子穿过人体就会被探测器接收到，然后用来做成像。
其他的分类，譬如形态学成像（Morphological imaging，一种就是只反映出来各个器官的形态大小形状），功能成像（Functional imaging，就是反映出来每个器官的功能血流或者供血从而成像），诊断成像（Diagnostic imaging），治疗成像（Therapeutic imaging）。

Radiography（X光成像）

上图中：
A和B两张都是胸透的片子，但就是X光穿过人体的位置方式不一样。
A是从前往后或者是从后往前这么照的；
B是侧着从左往右或者是从右向左这么照的；
C是颈椎（Lateral cervical spine）的成像，也是从左往右或者是从右向左这么照的；
D是手腕（Wrist）的成像，可以看清楚腕关节；
E是脚踝（Ankle）成像；
F是膝关节（Knee）成像；
G是髋关节（Hip）成像（里面还有一些金属的物体（钛合金）用来固定髋关节骨头）；

综上可知X光看骨骼比较清除，比如一些骨折通过拍X光或者胸透。

Fluoroscopy—Real time radiography（荧光成像——实时的X光成像）

上图通过打钡对比剂。

Mammography（乳腺癌钼靶成像）

分辨率很高。

A：数字化钼靶片（digital mammography），是透射图像，相当于整个乳腺的每一层的组织都把它重叠到一张图。
B：层析X射线照相组合（Tomosynthesis），通过不同的角度得到透视图，从而重建出断面的图像，看的更清楚，就可以去掉那些不同高度的图像组织的重叠。

Computed Tomography（CT成像）

A: Sagittal;（矢状位）
B: Coronal；（冠状位）
C: Axial；（轴向的）
D: CT angiography of the head；（头部CT成像，通过静脉注射碘对比剂吸收X光）
E: Blood volume；（头部供血状况）
F: Pseudocolored 3D organ segmentation（三维的器官分割，用来进行体积或距离的测量）

Ultrasound imaging（超声成像）

A：胎儿超声图像
B：胎儿头部直径测量
C：通过多个二维图片，可以进行三维成像建模
D:血管成像多普勒超声成像，红颜色、蓝颜色、绿颜色都反映出这个血流得方向和大小

Magnetic Resonance Imaging (MRI，磁共振成像)

磁共振对软组织看的更清楚些。

磁共振可以把软骨看得很清楚。

Gamma Camera/Scintillation Camera（核素成像）

心脏成像

总结3种成像方式：

• 非X光成像：超声波成像，核磁共振成像
• 基于x光成像：X光成像，乳腺癌钼靶成像，荧光成像，CT
• 核素成像：伽玛相机，SPECT，PET

3.成像图像质量

图像质量组成部分:

• 对比度
• 空间分辨率
• 噪声

对比度

对比度是指图像上的差异、灰度之间紧密相邻图像上的区域。

对比度的分类：
1)对象本身得对比度
2)探测器（胶片或采集系统）的对比
3)显示成像的对比（给医生看的屏幕对比度怎么样）

X光穿过人体，如骨头吸收的多或者厚的组织吸收的X光多一点，薄的或者如空气、水等吸收X光少一点，则就会出现差别，它们的吸收率（吸收X光的强度）不一样，吸收率公式如下：



上图中使用了对比剂（通常是碘），可以增强肿瘤与正常脑组织的对比。如碘注射到血液中，在血管里面，可以吸收很多的X光，肿瘤这个部位因为血管多所以碘的含量高，可以吸收很多的X光，就被照亮了。

Display contrast（显示器地对比度）

医学图片中希望把最黑的、最亮的、中间的能够完美地显示出来。
上图中如何将灰度转换为显示器上的实际密度：
窗口宽度（Window width，W）
window level（L）
饱和至黑色：L - W/2
饱和至白色：L + W/2

1.检测器信号范围是0-4000计数/像素。
2.PC显示器相对亮度0-2000。
3.图像具有有用区域的信号范围为500-3000计数/像素。

像CT的话，窗口很宽，从负一千到正一千，如果全部显示出来的话，人眼不一定能够把那些细节检测出来看出来，所以针对CT，可以调整图像。

上图所示，左图中，我们的目的是将软组织显示清除，其他的如骨头、空气等等不需要看的那么清楚，于是就可以使用Soft Tissue窗口；右图中，如果想看清楚如有些骨折或者有一些异常的关于骨头的，就可以使用Bone窗口。
可以局部的或者针对某个区域、某个具体的组织，在显示方面可以进行优化。

DICOM GSDF

显示器需要调，我们的显示器用的时间长了以后，它的颜色显示可能就会出现一个弱化，那么需要进行调节，将原始的图用黑白色在屏幕上面的亮暗进行最优的显示。


DICOM（医学数字影像和通讯）有个标准叫GSDF，用来把屏幕的显示进行优化校准，目前的显示器都有一键校准的功能。

上图的左边，黑颜色的线就是校准之后的，白颜色的线是校准之前不满足GSDF的曲线。
可以看到，未校准之前黑色的方块在灰色的方块中不那么明显，校准之后黑色的方块在灰色的方块中很明显，对比度增强了。

分辨率

复合成像系统的MTF

任何成像系统的MTF都是该系统各部件MTF的乘积。在每毫米5个周期的空间频率下，x射线胶片-屏幕成像系统各部件的MTF为焦斑0.9，运动0.8，和强化屏幕0.7。
则复合成像系统的MTF为0.9 × 0.8 × 0.7=0.5。

4.什么是DICOM

所有的磁共振、医学影像设备里面出来的医学图片的格式，叫做DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine），是医疗设备的语言。

DICOM不只是图片的格式，还包括图片之间的传输交流格式和网络之间的协议。

由以下学会联合制定的标准：

• ACR：美国放射学学会
• NEMA：国家电气制造业协会
• AAPM：美国医学物理协会
• RSNA：北美放射学会

1993年的第3版改进了网络支持，并将名称改为DICOM，至今为止DICOM仍然是版本3，并且从那时起定期更新。

DICOM支持的成像模式

• Magnetic Resonance Imaging（磁共振成像）
• Nuclear Medicine（核医学）
• Computed Tomography（计算机断层扫描）
• Positron Emission Tomography（正电子发射断层扫描）
• Ultrasound（超声波）
• Digital X-Ray & X-Ray Angiography（数字X射线和X射线血管造影）
• Electron Microscope（电子显微镜）
• Digital Microscopy（数码显微镜）
• 等等…

DICOM支持各种不同的设备

• 打印机
• 投影仪
• 监控
• 电影数字化仪
• 存储服务器/ RAID
• CD-R驱动器
• Photoshop
• 等等

DICOM文件的格式
从影像设备里面出来的每个图片都是DICOM的格式，那么我们把文件从电脑上打开，把它拷贝或者把它打开看的话，其实它是由两部分组成，一部分是黑白图片（里面有骨头、软组织等等，显示出来人体的横截面或投影的一些信息），还有一部分是头文件（header），头文件和图像本身组合在一起。header非常重要里面包含很多的信息（如病人的信息、扫描设备的信息和扫描的时候如何进行扫描的信息）。

• 标题和图像数据存储在同一个文件中，所以重要的信息不会丢失；
• 存储了数百条关于病人、机器和数据采集的数据信息；
• 制造商需要遵照1993年颁布版本3的DICOM
• 支持每个文件一个切片（尽管有一些解决方法）

数据集（Data Set）和数据元素（Data Elements）
Tag（地址）：譬如0020 0010地址
VR（可选项）：可选字段依赖于协商的传输语法
Value Length（值长度）：譬如名字给16位、字符给8位，根据值长度确定后面的Value Field（值域）

每一个信息都有一个标签（Tag），且是唯一的；
每个数据字段都有一个唯一的标记或键；
标签是是两个四位的16进制数来组成的，比如（7EF0 0010）就定义为tag标签。

DCM(DICOM)医学影像文件格式详解
https://blog.csdn.net/weixin_42352178/article/details/109082457

5.DICOM图片指向

DICOM医学图片都是断面的图片。

Image Orientation-1

DICOM3.0格式影像文件中和坐标有关的部分主要是以下几个数据元素:

• (0018,5100) Patient Position CS 1
• (0020,0032) Image Position (Patient) DS 3
• (0020,0037) Image Orientation (Patient) DS 6（用来表示斜着的轴状位、冠状位、矢状位）
• (0028,0030) Pixel Spacing DS 2（用来表示图片中每个像素所代表的X和Y水平方向和竖直方向的尺寸是多少、像素有多大）
• (0018,0050) Slice Thickness DS 1（用来表示切很多层，那每一层的厚度是多少）

Image Orientation-2

(0018,5100) Patient Position简单描述了病人和影像设备之间的位置关系，以一个不超过16个字节的字符串存放。信息定义如下：

第一个字母H（head）和F（feet）表示是病人的头先钻到影像设备里面还是脚先钻到影像设备里面。
P（prone）和S（supine）表示是仰躺着进影像设备还是趴着进影像设备，Decubitus表示侧卧

• HFP = Head First-Prone
• HFS = Head First-Supine
• FFP = Feet First-Prone
• FFS = Feet First-Supine
• HFDR = Head First-Decubitus Right
• HFDL = Head First-Decubitus Left
• FFDR = Feet First-Decubitus Right
• FFDL = Feet First-Decubitus Left

这个数据元素并不是很精确的描述病人和影像设备之间的数学关系，只是为了设定一个坐标系的方向。

Image Orientation-3

• (0020,0032) Image Position (Patient)描述了该张影像首个像素(“左上方”)的坐标，这个数据元素和(0020,0037)一起确定了该张影像中所有像素的坐标，用3个不超过16字节的字符串存放。分别是X,Y,Z值。
• (0020,0037) Image Orientation (Patient)是一个非常重要的数据元素。由6个不超过16字节的字符串存放。
  
  
  在这里先要说明一下，在DICOM 3.0中坐标轴的指向完全以病人为准。以病人中心为原点，病人左手指向的方向为X轴正向，病人背后的方向为Y轴的正向，往病人头部的方向为Z轴的正向。因此是一个以病人为中心的右手坐标系。

Image Orientation-4

Image Orientation-5

(0020,0037) 的前三个数字代表分别代表行向量（行递增方向）和X，Y，Z轴夹角分别的余弦值(Cosine)，后三个数字分别代表列向量（列递增方向）和X，Y，Z轴夹角分别的余弦值。这样就能精确计算出该张影像中每一个像素点在坐标系中的位置，对于多排螺旋CT产生的影像序列来说，这个意义尤其重大。

• 横断面：(1,0,0)(0,1,0)
• 冠状面：(1,0,0)(0,0,-1)
• 矢状面：(0,1,0)(0,0,-1)

举例

如上图所示，可以直观地看到鼻子和两个眼睛，基本上可以判断是轴状位的图。红色数字表示为图片中左上角、右上角、左下角三个点的坐标。
水平方向上，图片右上角这个点可以近似的看成（1，0，0），则表示图片上左上角到右上角表示的方向为从右向走，则就判定为图片上左边那个眼睛是右眼，图片上右边那个眼睛是左眼。
竖直方向上，图片左下角的这个点左边近似的看出（0，1，0），表示向后的。

6.DICOM图像传输

DICOM图片是一种标准的医学图片的格式，除了定义图片本身的一些格式，还有一些病人的信息、扫描的信息、设备的信息、一些网络传输的格式。

整个DICOM标准概述

• PS 3.1: Introduction and Overview （简介和概述）
• PS 3.2: Conformance（一致性）
• PS 3.3: Information Object Definitions （信息对象定义）
• PS 3.4: Service Class Specifications （服务等级规范 ）
• PS 3.5: Data Structure and Encoding （数据结构与编码）
• PS 3.6: Data Dictionary （数据字典）
• PS 3.7: Message Exchange （消息交换）
• PS 3.8: Network Communication Support for Message Exchange （对消息交换的网络通信支持）
• PS 3.9: Point‑to‑Point Communication Support for Message Exchange（用于消息交换的点对点通信支持）
• PS 3.10: Media Storage and File Format for Data Interchange（数据交换的媒体存储和文件格式）
• PS 3.11: Media Storage Application Profiles（数据交换的媒体存储和文件格式）
• PS 3.12: Storage Functions and Media Formats for Data Interchange（数据交换的存储功能和媒体格式）
• PS 3.13: Print Management Point-to-Point Communication Support（打印管理点对点通信支持）
• PS 3.14: Grayscale Standard Display Function（灰度标准显示功能）
• PS 3.15: Security Profiles（安全配置文件）
• PS 3.16: Content Mapping Resource (2001)（内容映射资源(2001)）
  
  
  DICOM Conformance Statement（DICOM图片一致性声明）：相当于每一台设备不同的型号都需要发布声明，声明里面包含了每一个tag，每个DICOM tag里面代表了定义、类型、值等等，只有发布了Conformance Statement才代表生产的每一台设备、扫描仪出来的图片是符合DICOM要求的。
• 第2部分中指定的格式和内容
• 每个声明的DICOM实现都需要“如果没有一致性声明，那就不是DICOM。”
• 一致性声明的目标受众是工程师，而不是客户。
  
  Network Communication Support（Part 3.8）基于TCP/IP网络协议。
  

7.PACS

7.1 PACS介绍

• PACA定义：用于必要时存储和分发图像信息的系统。
  P：图片、图像和报告
  A：存档、在线、近线、离线
  C：通讯、网络、传输协议
  S：系统、组成、架构

• PACS: Small or Large
  

• 图片的类型

• 一维1D：比如抽血中的各项数指标、血压的数值等等、二维2D：比如心电图采集的图片记录下来的信息、DICOM图片等等、三维3D和四维4D的涉及一些动态图片比如后处理很酷炫的图片或分割的结果等等
  
  
  上图中将两个图像进行一定的融合，左边PET的图像能够把肿瘤的位置给刻画出来，而CT能够把解剖的如人的骨头、肾、肝显示出来，两个图像进行修正和融合就可以看出来肿瘤到底在哪个位置，进行精准定位。
  

• 不同的DICOM模式类型：Cardiac / PET / 4D U/S…

• 图像质量：分辨率和存储大小
  
  

• 彩色的/单色的

• 图像尺寸x号的图片

• 结构性的报告

• 新DICOM IOD：内镜和显微图像/心电图/安全配置…

7.2 PACS架构

PACS分为两种：一种是图像的服务器为中心（PACS – Central Architecture），还有一种是分布式的（PACS – Distributed Architecture）。

PACS – Central Architecture的优缺点：
优点：传输起来的统一管理，并且所有的数据都在服务器里面方便管理。
缺点：服务器的功能需要非常强大，以满足不停的接收和分发那些图片和信息，需要很高的性能；而且如果服务器坏了，导致整个系统瘫痪；对带宽也有一定的要求。

PACS – Distributed Architecture的优缺点：
优点：比如MR扫描出来的图像就直接到了临床医生或者放射科医生的面前，就不需要第三方的服务器；如果服务器坏了，也不影响整个系统。
缺点：需要复杂的路由算法；如果大家都需要同时看一些图，那么分布式的结构就由一定的困难。

- PACS系统的组成：
HIS/ RIS（关于病人的信息、预约信息）
Broker（代理）
ePR gateway（网关）
Database Server（数据库）
Image Server (RAID)（图像数据库）
Long Term/ Near line Archive（长期、近期的档案整理）
Networks（网络）
Digitizer（数字化处理）
Acquisition Gateways（采集网关）
Non-DICOM modality gateway（非DICOM格式图像的处理）
DICOM Print Server（需要连接胶片打印机）
Media Server（拷刻成光盘）
Reporting Server（形成意见报告）
Monitor QC Server（和显示器的连接）
Web Server（Web服务端）
Workstations（给医生看图片的工作站）

Acquisition gateway的作用：
1.需要把图片进行一定的压缩或者解压，同时要保证图像的安全和完整性
2.转换为PACS格式(header, byte-order, matrix size)
3.如果图片到的很多的话，需要根据优先级进行一定的调整
4.为多个采集网关共享工作负载和无故障点

数据库服务器（PACS控制器）的作用：
1.是PACS的核心部分
2.将HIS/RIS（病人的信息）和 PACS 进行融合整合在一起
3.对于新的病人要建立文档、对病人的文档进行管理
4.管理阅读工作列表和用户配置文件
5.管理系统内的数据传输
6.支持数据挖掘和教学研究（比如对某个病人，调取其近三年内的CT图像）

图像数据库（RAID）的作用：
1.支持在线（快速存取）图像、文件的存储和分发装置（比如做急诊的话，需要将CT图像尽快交给医生去做判断）
2.支持同步图片、文件的输入和输出转移操作
3.最多可以保存三个月的图片、文件，超过三个月的可以通过光盘等存储
4.拥有可衡量的数据处理能力


JPEG 2000 符合无损压缩。





工作站（图片要分发到电脑前面，让医生来做诊断）：
1.高等的：由专家（专门的医生或护士进行分析）用于高级诊断，比如基于三维图像绘制等等。
2.诊断：初步诊断，比如在阅览室通过片子进行分析等等。
3.临床：非影像科的医生，如泌尿科、骨科、急诊科的医生需要看着图片来指导他做手术，他们也需要工作站来显示这个图片。
4.在家里阅片：将图片能够传送到家里的笔记本电脑上，属于低端的基于电脑的显示器。

典型的患者就医流程：
1.入院：患者登记，通知HIS (HL7)
2.订单输入/到货：安排检查并通知RIS，要做扫描影响
3.代理通知和PACS数据库服务器更新（预取）
4.DICOM工作列表到模式
5.完成数据录入：数据上传到DICOM服务器（MPPS）
6.信息/图像通过网关（DICOM存储）到数据库/图像服务器
7.图像整理归档到PACS系统
8.从PACS系统传输到工作站影像科医生的电脑面前
9.听写、抄写等：工作站到RIS/PACS
10.RIS报告和PACS报告更新，形状报告
11.传输：HIS/RIS经过PACS系统，图像到其他PACS
12.出院：HIS/RIS经过PACS系统，图像清除

8.X光产生

X线检查技术与应用

高压产生系统作用：将220V交流电生成几千几万伏的直流高压，然后连接到X光管，通过X光管来产生X光，之后用X光来照射病人，最后做成像。

9.X光管

上图中为固定阳极x射线管（简易）：（能量低，电流小）
主要用于①乳腺钼靶X光成像②牙科X光成像③小动物成像

上图中为旋转阳极X射线管：（高能量，高负荷）
主要用于①胸部X光片②CT荧光成像③胸透

10.X光滤过效应

11.X光管发热效应

12.X光与物质作用简介

• 光和原子相互作用
  通过物质的光子可能：毫发无损地通过(传送)、被偏转(分散)、被完全吸收

• 光子通常与轨道电子相互作用
  不像带电粒子的相互作用
  它们与小的能量转移有很多相互作用
  …光子相互作用灾难性的
  一些将大量能量转移到一个或几个次级电子的相互作用
  然后次级电子进行更多的相互作用

• 三种类型的相互作用
  ①康普顿散射：光子从电子上弹回，造成能量损失。就像两个台球碰撞。
  ②光电吸收：光子的能量完全转移到电子
  ③电子偶的产生：形成一个成对的正负电子
  ④瑞利散射(相干)：光子从整个原子上弹回，没有能量损失