医学图像处理的关键技术

9.3　医学图像处理的关键技术

根据以上医学图像成像原理及方法，医学成像设备可以分为以下几个主要部分:

（1）传感器:也就是换能器，将一种能量的信号转换成另一种能量的信号的器件。通常最终是转换成电信号，以方便处理并输入计算机系统。如测量血压的压力传感器，测量离子浓度的离子传感器，X线传感器，超声传感器等。电极也可以看作传感器。传感器是医学成像设备的关键部件。

（2）信号预处理和采集系统:信号预处理主要完成信号的放大、滤波、线性化以及信号的电气隔离等，将由传感器获得的信号调整到适合信号采集系统的要求。信号采集就是将模拟信号转换成能被计算机处理的数字信号。

（3）计算机系统:主要完成数字信号处理、数据管理和程序控制等工作。随着主机性能和模数转换精度的提高，很多在预处理阶段完成的工作可移到数字信号处理阶段完成，有些设备，如CT等，采用独立的信号处理设计，以进一步提高信号处理能力。

（4）人机交互系统:通常由键盘、鼠标、显示装置等组成，一般还带有网络接口，构成现代医学图像仪器的外在特征。显示装置可以显示简单的数值，也可以显示曲线甚至图像。一些医疗设备还具备记录装置和打印机等。

（5）能量发射系统:许多医疗图像设备需要向人体发射某种能量，如X线成像设备需要向人体发射X射线，并接收透过人体而衰减后的射线能量进行成像。超声波设备需要向人体部位发射超声波，通过探测超声波在人体不同部位的传播形态分析人体该部位的组织情况。

（6）其他系统:如机械传动系统、定位系统、管路系统等辅助设备。

9.3.1　医学图像的采集

医学图像的采集随图像设备而不同。下面我们将介绍临床常见的一些医学图像的原理和采集。特别以数字X线摄影和超声波测量为例作比较详细的说明。

1）数字X线摄影系统

根据成像原理不同，数字X线摄影系统可分为计算机X线摄影系统（CR）和数字X线摄影系统（DR）。

CR系统（Computed Radiography）结构主要由4部分组成（如图9－2）:

图9－2　CR系统工作原理图

（1）信息采集。常规X线摄影系统通过胶片在X线照射下曝光，经冲洗后成影像，这是一种模拟信号，不能进行图像处理。CR系统实现了用成像板（IP）来接收X线下的模拟信号，经A/D转换实现图像数字化，从而使传统的X线影像能够进入存储系统进行图像处理和传输。

（2）信息转换系统。把存储在IP板上X线模拟信息转换为数字信号的系统。IP板是一种接受X线并存储X线成像信息的一种装置。CR的信息转换部分主要由激光阅读器、光电倍增管和A/D转换器组成。

（3）信息处理系统。采用不同的技术，根据诊断要求，实施图像处理，从而达到图像质量的最优化。

（4）经处理后的图像信息可以同时进行存储和打印，可以存储在硬盘或其他介质上，可以打印在胶片上。

DR系统（digital radiography）是指采用一维或二维的X线探测器直接把X线影像转换为数字信号的技术。系统由数字影像采集板（CCD，非晶硅）、专用滤线器、数字图像获取控制系统、X线摄影系统、数字图像工作站构成。其工作原理是在数字影像采集板中，X线经荧光屏转变为可见光，再经TFT薄膜晶体电路按矩阵像素转换成电信号，传输至计算机，通过监视器将图像显示出来（如图9－3）。

CR与DR结构示意图类似，但是完全不同的技术。CR技术是利用原有X线设备，增加IP板和CR扫描仪。通过IP板将X线模拟潜像保存下来，再将IP经激光扫描器将潜像转换为光电信号，进而再进行数字化。操作过程与普通拍片基本相同。DR则完全不同，没有任何胶片和胶片机。X线影像直接通过数字影像采集板转换成数字影像，再直接送到计算机中，进行显示和其他操作。

图9－3　DR系统工作原理图

图9－4　CT机的使用

X线计算机断层扫描机（computed tomography，CT）从多角度的方向上检测经过人体后的X线衰减量，并用数学方法重建身体某一层面的轴向X线图像（如图9－4）。

CT机的数学原理是数学家J.Radon在1917年所提出的图像重建理论，即任何物体可以从它的投影的无限集合来重建图像。CT的物理学原理是射线的吸收定律，即当单色射线经过某一物体时，其能量由于与物质原子相互作用而衰减，其衰减程度与物体的厚度和衰减系数有关。G.N.Housfield用上述理论设计的CT机的基本形式是:用一束经过准直的X线，围绕人体的长轴进行扫描，扫描过程中，处于人体相对侧的X线检测器对穿出人体的X线进行检测，将所得到的信号波形成一系列的投影图，用计算机对这些投影数据按特定的数学模型作图像重建，最后取得这一部位的片状横向断层图像（如图9－5、图9－6）。

图9－5　CT扫描机系统框图

图9－6　CT断层面扫描示意图

CT的数据采集系统包括扫描机架、探测器和与之相辅的扫描床。经过人体组织吸收衰减后的X线被探测器所记录。CT使用的探测器的原理是记录X线通过电离物质而产生光电信号。这些电离物质可能是高压惰性气体，可能是闪烁晶体探测器，或者固体稀土陶瓷探测器。

计算机在CT机中占有相当重要的地位。它在CT机中的主要功能有:根据扫描系统所获得的原始数据，按照重建图像的数学方程编制的软件程序，计算出图像矩阵中的每一个参数；将存储器中的图像矩阵编入电视扫描程序中，然后显示CT图像在电视屏幕上；控制扫描系统的工作以及控制机器的其他动作。

CT机有图像显示的专用软件，这些软件能帮助医生对病情进行诊断。如图像的放大，镜像反转，窗位检测，图像比较，距离测量，文字注释等等。

三维重建显示。随着计算机技术的发展和螺旋CT的应用而出现的图像综合分析和处理技术，是将CT原始横轴位图像以三维形式再现的过程，它们包括最大和最小密度投影（MaxPs和MinPs），三维遮盖表面显示（SSD），容积透视软件（3Dvalume rendering SW），三维虚拟内窥镜和多平面重建（MPR）等技术，可以帮助医生更加直观的诊断。另外，在高级后处理软件上，还整体融合了CAD智能诊断并实现定性定量诊断，突破了从前单一定性诊断和单凭经验诊断的模式。

2）超声波成像系统

利用超声波在人体中传播的物理特性，可以对人体内部脏器或病变作体层显示，据此对疾病进行诊断。由于它具有操作简便、安全、迅速、无痛苦、无辐射的优点，临床上得到广泛应用。人体的许多部位和脏器如眼、甲状腺、乳房、心血管、肝脏、胆囊、脾脏、泌尿系统以及妇产科等，超声波诊断均显示了极大使用价值。

超声诊断仪的发展经历了A型、M型、B型、C型、D型等，现代B型超声诊断仪包含了A型、M型功能，还包含多普勒声谱图、二维彩色多普勒成像、能量图、二次谐波成像和三维成像等功能。

人耳能听到的声频在20Hz到20kHz之间，低于20Hz的称为次声波，高于20kHz的称为超声波，人耳听不见。临床用于超声诊断的音频通常在1—20MHz之间。

声波在传播途中遇障碍物会形成反射，产生反射声波即回波。脉冲回波测距法是指向声传播介质中发射超声脉冲，经目标反射，接收其回波，并检出其中有关目标的信息，从而确定目标的方位和距离。超声诊断仪就是利用回波测距的方法工作的。生物体组织和脏器具有不同的声阻抗，在声阻抗不同的界面会产生回波。将超声波脉冲发射到生物体内，再接收来自生物体的反射回波信号，完成对生物体组织的扫查。由于界面两边的声学差异（即声阻抗变化）不是很大，故大部分超声能量能穿过界面继续向前传播，达到第二界面时又产生回波，并仍有大部分超声能量透过该界面继续行进。因此超声脉冲发出后，可以接收到深部不同层次的回波信号，这就是超声波检测的物理依据。

我们说过，一种能量形式只有当转换成电信号时才能被计算机记录下来。超声回波的机械能也需要转换成电信号，这就是超声换能器，又称超声探头，在医学超声仪器中完成电声的转换作用。

早期的B超是完全模拟式的，随着数字扫描变换技术的出现和声束控制中的数字技术的逐步应用，B超设备的图像质量出现了很大的飞跃，形成了一个比较经典的结构模式，这种模拟/数字混合式的超声成像系统的信号流程如图9－7。

图9－7　超声成像系统信号流程

9.3.2　医学图像的传输

我们在介绍X线影像和B超影像的过程中，已介绍了图像在设备系统内的传输。当将图像的模拟信号转换成数字信号以后，在联机系统内的图像传输也就容易实现。

在计算机系统内的图像传输与文本传输还是有其特殊性，由于在计算机内图像文件占有的空间要比文本文件大得多，如果有大量的图像需要传输，怎么压缩图像文件的占有空间就是一个需要解决的问题。人们研究了各种图像的压缩存储方式，例如jpg的图像格式就比bmp图像格式要经济得多，当然还有其他很多种的图像格式。

有调查表明，用户对调阅图像速度的要求是，近期图像（3—6月）调阅时间小于10s，远期图像调阅时间小于100s。图像数据量大，一幅2048×2048×12bit的CR图像有5M，一个MRI检查序列可能有几百幅图像。高速的宽带网络、高性能的服务器和PC机有利于图像传输，但不断增长的接入信息点数和用户调阅需求，会很快消耗这些硬件资源，而硬件的升级需要投资的增加。因此，医学影像存储与传输系统（PACS）需要寻求其他方法予以改进。

图像压缩可减少存储空间，加快传输速度。但要根据实际情况合理地选用适当的算法。评价压缩与解压缩技术的好坏，一是在压缩和解压缩的过程中尽量不损失信息，即无损压缩；二是压缩或解压缩的速度，即压缩或解压缩过程所需的时间；三是压缩比，即压缩前后图像数据量的大小之比，如3∶1，10∶1，15∶1。显然，压缩比越大越好。不过，随着压缩比的增加，压缩或解压缩的时间也增加。有时为了速度和压缩比的要求，不得不损失一点信息。例如，对图像质量要求高的应用，如诊断终端，选择无损压缩；而只需浏览图像的应用，则选择有损压缩。

分布存储是指在PACS系统中将图像数据分数据库、分服务器、分网络存储，以改善图像调阅速度。据调查，90%以上的调阅需求是对近期图像的，将近期图像与远期图像分开存储，能满足大部分的需求。在医院里，门急诊对调阅速度的要求显然高于住院，因此也有PACS系统将门急诊图像与住院图像分布存储。

后台调阅是为解决一次调阅大量图像而设计的。对要调阅一个有几千幅图像的检查的情况，在第一组图像调入本地时，即可开始显示和处理，同时后台仍继续调阅。用户还可以标记重要的图像，下次重复调阅时可以选择只调阅标记过的图像。这样，大大减少了用户的等待时间，也可减轻网络负担。

预约调阅是指在病人入院或挂号后，PACS系统自动将该病人的历史图像从远期存储处调到近期存储处。或者是复诊病人的图像产生后，PCAS自动调阅初诊图像将其传送到用户终端上。

需要说明的是，PACS中存储和使用的图像，与我们通常所了解的图像是不完全一样的，除了包含图像本身像素的信息外，还有许多与图像相关的信息。

9.3.3　医学图像的显示

与所有数码照片一样，医学图像也可以在计算机屏幕上显示或用打印机打印出来。此外，为了医疗诊断的需要，有时候医学图像的显示有更高的要求，高亮医用显示器就是为了适应医疗诊断的需要而开发生产的。常用到的医用显示器有4种分辨率。1280×1024；600×1200；2048×1536；2560×2048。分别对应1MP、2MP、3MP、5MP。与普通显示器不同的是，医用LCD的分辨率通常是固定的。医用显示器在彩显上没有过多要求，但是医用显示器表达灰阶影像的黑与白之间的程度，即最亮值与最暗值之比，通常对比度在600∶1以上。

来自图像的数字信号可以被精确地和有目的地测量、描述、传送和重建。然而，信号的可视化解释依赖于显示图像时所用的不同特性的系统。因此，由相同信号产生的图像在不同的显示设备下可能会呈现不同的表现、信息和特征，直接关系到使用者对图像的最终感受，进而对图像理解和疾病诊断产生重大影响。

通过软拷贝方式显示的医学图像，是由一个个分离的不同亮度的点组成的。人眼在不同亮度条件下对图像的分辨能力不同，或者说眼睛区分不同亮度的能力在表达图像处理结果时是有差异的。定义当前的平均亮度为系统的亮度适应级，以这个亮度适应级为中心划定一个不大的区间，此区间就是视觉系统在某一时刻所能感受到的主观亮度范围。传统X线图像的观片灯具有照度大且亮度均匀的特点，非常符合人的视觉系统亮度区分特性要求。

因为人眼对灰阶差的感知具有高度的非线性，一定对比灵敏度下背景亮度越高，能分辨的亮度差也就越大，即显示器的空间分辨率和密度分辨率之间的矛盾。显示器的亮度越高，人可分辨的灰阶也越多。但是亮度过高，空间分辨率会降低。因此面向不同的应用，需要对分辨率、背景亮度及绝对亮度差等指标做出权衡选择。例如，显示非移位骨折等场合要求分辨细节的能力要强，而分辨亮度细微改变的能力对检测肺小结等软组织微小差别则显得特别重要。

为了达到最佳显示效果，DICOM标准根据Barten模型定义了一个灰阶标准显示函数（感知线性化）。DICOM所定义的存在于数字图像值和显示亮度之间的关系是基于人类对于较大范围亮度的理解而产生的模型和测量标准，而并非基于任何一种图像显示设备或是任何一种图像格式的形态特征描述，它也不依赖于用户的个人喜好。DICOM标准使用了人类的视觉系统的Barten模型来处理图像数据，达到视觉一致性的目的。

图像显示器应当按照此函数对亮度曲线进行校正。试验证明，经过DICOM灰阶标准显示函数校正的显示器，效果明显好于没有经过校正的显示器。对于PACS系统使用的显示器，需要经过测试和调节确定最佳亮度。

在PACS的发展进程中，显示设备也在不断改进。从CRT显示器发展到LCD液晶显示器，从分辨率只有640×480，亮度100—220cd/m²，到分辨率达2048×2560，亮度450cd/m²，而液晶显示器可达500—1000cd/m²。现代专业医学图像显示器更是配有专用显示卡、显示器校正工具和软件包，使显示器在整个使用过程中最大限度地保持特性一致。

此外，国外有学者进行过大量的X线胶片阅片与CRT显示器软拷贝阅片的对比实验研究，研究结果指出，观察气胸和肺间质异常或骨骼的细微裂纹，需要分辨率为4K×4K×12bit的图像显示器；而要在乳房片上发现微钙化病灶或对比度低的乳腺肿瘤则要求高达6K×6K×12bit的数字显示点阵，而这是目前任何一种显示器都达不到的。因此，在实现包括X线图像在内的医学图像的数字化之前，充分了解临床上对数字图像质量的要求，根据图像种类和经济能力来综合考虑，进而合理地选择专业图像显示器显得十分必要（如图9－8）。

图9－8　PACS专用高清晰显示器

相应地，人们也开发了各种医学图像的显示软件，例如前面介绍的CT机有图像显示的专用软件，如图像的放大、镜像反转、窗位检测、图像比较、距离测量、文字注释等，这些软件能帮助医生对病情进行诊断。进一步还有三维重建显示等等。所有这些图像处理和分析的方法，其目的是提高信息的相对量，如增强图像中的某些部分或提取某些特征，以便提取信息。常见的基本图像处理技术包括:

（1）图像恢复。目的是要改进图像质量，将图像中的干扰信息去除。在图像获取时，许多因素会导致图像质量下降。如CT扫描时病人的呼吸、心跳等，不仅造成图像模糊，甚至产生伪像。用变换、滤波等算法可以去除干扰。

（2）图像增强。按应用需求对图形进行处理，以加强信息提取。图像增强技术主要包括:对比度处理、基于灰度直方图的变换处理、图像减影和平均、空间滤波、频域增强和伪彩色处理等。

（3）边缘检测。边缘是图像中具有不同平均灰度的两个区域之间的边界，边缘检测是利用边缘反映局部灰度变化这一特性直接将边缘找出来。从数学的角度而言，对图像的灰度特性进行微分运算，就可以检测图像边缘像素点处的不连续程度，从而实现对边缘的检测。

（4）图像分割。图像分割是指把一幅图像分成各具特性（灰度、颜色、纹理）的区域并提取出感兴趣的目标（单个区域、多个区域或三维结构）。图像分割是图像分析和计算机视觉低层次处理中最基本和最重要的研究内容，是成功地进行下一步图像分析和理解的关键技术。可以说，图像分割结果的质量直接影响以后进行的分析和理解的质量。

（5）图像测量。测量图像的几何特征（面积、形状、圆周等）、强度特征（灰度分布:均值、标准差）、颜色特征（颜色、颜色分布）、纹理特征（细微结构:定量地表示小距离内灰度值的变化）。

（6）图像压缩。图像压缩是用某种特定的算法将原图像的数据进行压缩，获得与原图像尽量逼真的图像，使存储占用的空间减少，传输速度加快。而解压缩算法可以近似或完全恢复原来的图像。

（7）图像配准与融合。配准指寻找两幅图像数据集之间的几何变换关系，将两幅图像的坐标空间转换到同一个标准空间的过程。模板配准是把标准图形（模板）放在图像中，观察其相关性，如脑外科手术时手术器械与病人手术部位的配准。可视化配准是指来自不同设备的图像之间的配准，或同一设备不同断层图像之间的配准。如病人头部某一局部组织既有对X线的吸收属性（X线图像），也有组织质子密度的属性（MRI图像），还有代谢物浓度的属性（MRS图像）等等，这些原本统一的属性被分散到各个图像上，配准就是要形成一个新的图像（二维或三维），含有各种属性，即病人的计算机仿真模型。融合则是将各种图像配准并构成一个统一的数据集。外科手术导航系统中就有病人、手术器械和病人的计算机仿真模型之间的配准和融合。

图9－9中，（a）是PET图像，由于是功能图像，其解剖结构并不清楚；（b）是CT图像，由于脑部组织的CT值相似，图像中不能区分脑部组织，但颅骨等结构非常清晰；（c）是融合图像，充分利用了两种成像方式的优点。

图9－9　（a）PET图像、（b）CT图像和（c）融合图像

图9－10　胎儿的三维超声图像

（8）三维成像:以前，二维医学断层图像获得以后，医生对序列断层图像依次观察和分析，在头脑中构建目标的三维图像以及目标与周围组织之间的空间关系。利用图像三维重建和显示技术可以将扫描所获得的断层图像数据用计算机重新构建解剖结构的三维图像，在医学诊断、外科手术和放射治疗计划设计等方面有着极具临床价值的应用（图9－10）。

9.3.4　医学图像的存储

医学图像数字化就可以将图像方便地存储、传输到任何可以使用计算机的地方去，数字化图像所占用物理空间的大小显然远小于胶片图像的大小。

一家医院一天的图像数据总量至少几个G，医疗资料安全长期保存的要求使PACS系统的存储方案设计非常重要，高可靠性、超大容量和低成本的图像存储方式是追求的目标。为了平衡投资与应用之间的关系，PACS系统的图像存储通常都分层次存储，如按图像产生时间分为在线、近线、离线三类，SCSI磁盘或磁盘阵列存取速度快，但目前容量有限（数百个G），用于存储在线图像。近线图像多采用光盘库、磁带库、NAS和SAN。

在价格方面，光盘库和磁带库具有明显优势，并且光盘库和磁带库有一定的扩展性，如DVD光盘单碟容量已近1TB，一个光盘库可容纳600张光盘。但在性能方面，光盘库和磁带库由于包含了机械转换原因，当对库中存储的图像进行调用时，数据的传输和读取速度必然会受到影响。为此，目前光盘库和磁带库多与磁盘阵列配合使用，由光盘库或磁带库作为主存储设备，磁盘阵列作为高速缓存，以此来提高光盘库或磁带库存储系统的性能。另一方面，当库中的光盘或磁带用完后换入新的光盘或磁带，换到库外介质上的图像数据就变成了离线图像。显然，这部分图像数据的调用效率更低。

存储的技术水平发展对PACS存储方案的设计和选择有很大的影响。早期的PACS，因磁盘容量小价格昂贵，近线多用光盘或磁带的方法存储，影响存储速度，如光盘库即使是多台并发读取，其速率也只有每秒数十兆。但随着技术的发展，近线存储又出现了新的方式。

NAS是network attached storage的简称，即网络直接连接存储。NAS是一种特殊的专用数据存储服务器，内嵌系统软件，可提供跨平台文件共享功能。NAS通过传统IP网络接口与网络直接相连，是一种即插即用的网络设备，各个用户端通过网络可共享数据访问。NAS为用户提供了易于安装、易于使用和管理、可靠性高和可扩展性好的网络存储解决方案。

SAN是storage area network的简称，即存储区域网络。SAN是一种高可靠的、高性能的、互连存储和服务器的专用光纤通道网络。由于采用了光纤接口，SAN的传输速率最高可以达到Gbit/s级。SAN多采用FC协议，这是一种专门为存储I/O（输入输出）要求很高的核心数据库、海量文件处理等应用度身定制的协议。SAN将服务器和存储连接在一个安全、灵活、可扩展的体系结构中，可以实现在多种操作系统下，最大限度的数据共享和数据优化管理。

因此，就SAN性能来看，它是目前其他存储介质和方案所不能比拟的。但是SAN方案的代价太高，尚不能普及使用。所以，PACS系统提出一种在性能与价格之间取得折衷的存储解决方案:多PC机存储系统。这种方案的存储介质是IDE硬盘，由多台存储PC机组成存储系统，每台PC机上可挂接4块或更多IDE硬盘。系统使用技术十分成熟的8mm磁带进行数据备份，同时对硬盘进行合理的分区，以提高备份和恢复的效率。当多个访问请求调阅存储在不同硬盘上或存储PC机上的数据时，系统可以有效地提供访问的系统并发性能。这种系统是通过增加PC机来完成扩展的，容量扩展的同时不会影响其他任何时期图像数据的调用。而且由于PC机的性能价格比越来越高，容量扩展的资金投入将会随着时间的推移变得越来越合算。

9.3.5　DICOM标准

由上述可知，各种医疗器械所产生的图像都有各自的格式，互不兼容。这给医学图像信息处理带来困扰。为了解决上述问题，由美国ACR（美国放射学会）与NEMA（国家电子制造商协会）共同组成的联合委员会于1993年9月发布了医学数字影像与通信标准（Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM）3.0，目前国际上大部分医疗设备厂商都遵从了DICOM 3.0标准。

DICOM标准规定了各种医学影像的格式、内容、存储方法以及交换医学影像信息的协议，任何医疗器械或者软件，只要遵照DICOM标准，就能够相互自由交换信息。

这个标准的内容为:

第1部分　给出了标准的设计原则，定义了标准中使用的一些术语，对标准的其他部分作了简要概述。

第2部分　介绍了DICOM标准的一致性概念，如何制订并描述DICOM产品。包括选择什么样的信息对象（information object）、服务类（service class）以及消息传递（massage transfer）等。一致性是指遵守DICOM标准的设备能够互相连接、互相操作的能力。

第3部分　描述了信息对象的定义方法，对数字医学图像存储和通信方面的信息对象提供了抽象的定义。

第4部分　服务类的说明。服务类可简单地理解为DICOM提供的命令或提供给应用程序使用的内部调用函数。

第5部分　数据结构及语意。描述怎样对信息对象和服务类进行构造和编码。

第6部分　数据字典。这样在DICOM设备之间进行消息交换时，消息中的内容具有明确的无歧义的编号和意义，可以相互理解和解释。

第7部分　消息（message）交换。消息是两个符合DICOM标准的应用实体之间进行通信的基本单元。该部分定义了DICOM命令的结构（该命令若结合相关数据即组成了一个DICOM消息），同时也定义了在医学图像环境中的应用实体用于交换消息的协议握手（association negotiation）方式。

第8部分　消息交换的网络通信支持。说明了在网络环境下的通信服务和支持DICOM应用、进行消息交换的上层协议。

第9部分　说明DICOM如何支持点对点消息通信的服务和协议。

第10、11、12部分　定义了DICOM文件的存储方式，包括可移动存储介质、DICOM文件集、文件存储格式等。

第13部分　DICOM打印管理的点对点通信支持。

第14部分　说明了灰度图像的标准显示功能。

第15部分　说明了应用需遵循的安全策略。

现在，越来越多的医疗设备厂商宣布支持DICOM标准，遵从DICOM标准生产的设备，可以方便地与其他设备和系统进行通信和交换产生的图像。而PACS系统以DICOM标准为基础，才能具有更好的开放性和扩展性。