醫(yī)學(xué)圖像處理與分析

1、1.阮秋琦. 數(shù)字圖象處理學(xué). 電子工業(yè)出版社，20012. 容觀澳. 計算機圖象處理. 清華大學(xué)出版社,19993. 章毓晉. 圖象工程 上冊 圖象處理和分析.清華大學(xué) 出版社,19994. 蘇光大. 微機圖象處理系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,20005. Kenneth R.Castleman(美). Digital Image Processing.,《醫(yī)學(xué)圖象處理與分析》課程參考書,,1. Computer Visi

2、on and Image Understanding 2. Graphical Models and Image Processing 3. IEEE Transactions on Biomedical Engineering4. IEEE Transactions on Image Processing 5. IEEE Transactions on Information Theory

3、6. IEEE Transactions on Medical Imaging 7. IEEE Transactions on Pattern Analysis and machine Intelligence8. IEEE Transactions on Signal Processing9. IEEE Transactions on Signal Processing Letters10. IEEE Transactio

4、ns on Systems，Man，and Cybernetics 11. Image and Vision Computing,重要英文期刊,,12. Pattern Recognition13. Pattern Recognition Letters14. Proceedings o

5、f the IEEE15. Signal Processing16. Signal Processing：Image Communications,重要英文期刊,,什么是圖象,“圖”是物體投射或反射光的分布，“象”是人的視覺系統(tǒng)對圖的接受在大腦中形成的印象或反映。是客觀和主觀的結(jié)合。,什么是數(shù)字圖象,模擬圖象（analog image）：照片、電視，特點是速度快，實時并行處理，缺點是精度差，靈活性差，無判斷能力和非線性處理能力。

6、數(shù)字圖象（digital image）：量化的模擬圖象，優(yōu)點是處理精度高，內(nèi)容豐富，可以進行非線性處理，處理靈活（軟件實現(xiàn)），缺點是處理速度、分辨率和精度受限于計算機發(fā)展技術(shù)。,阿波羅登月,什么是數(shù)字圖象處理,定義？ 數(shù)字圖象處理就是利用計算機系統(tǒng)對數(shù)字圖象進行各種目的的處理。,數(shù)字圖象處理的歷史,始于二十世紀(jì)二十年代 ：圖象傳輸六十年代：登月七十年代：醫(yī)學(xué)圖象 CT八十年代：普及九十年代：多媒體21世紀(jì)：圖象通信

7、、定量描述,數(shù)字圖象處理的內(nèi)容,包括圖象變換、圖象編碼、圖象增強、圖象恢復(fù)、圖象分割、圖象的理解和識別。,圖象變換,傅立葉變換Walsh變換離散余弦變換小波變換……,空間域,變換域,,圖象編碼壓縮,圖象壓縮編碼技術(shù)可以減少描述圖象的數(shù)據(jù)量，以便節(jié)省圖象傳輸、處理時間、減少存儲空間。主要方法：熵編碼、預(yù)測法編碼、變換編碼、分形編碼……,圖象增強和復(fù)原,目的：提高圖象質(zhì)量（去除噪聲、提高圖象的清晰度）主要方法：灰度修正、平滑、幾

8、何校正、圖象銳化、頻域增強、維納濾波、卡爾曼濾波,圖象的分割,目的：提取出感興趣的對象。為進一步的理解和識別做準(zhǔn)備。主要方法：灰度閥值分割、基于紋理的分割、區(qū)域生長法,圖象的理解和識別,圖象經(jīng)過預(yù)處理后，進行圖象分割和特征提取，從而進行判決分類。常用的模式：統(tǒng)計模式分類和句法模式分類。,圖象的表示,圖象的數(shù)學(xué)表示,圖象的計算機表示,圖象的質(zhì)量：層次,圖象的質(zhì)量：對比度,圖象的質(zhì)量：清晰度,圖象的質(zhì)量：清晰度,圖象的質(zhì)量：清晰度,圖象

9、的質(zhì)量：清晰度,圖象的質(zhì)量：清晰度,圖象的質(zhì)量：清晰度,第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究內(nèi)容,1. 超聲A型?M型?B型?彩色多普勒血流成象（DFI） ?超聲CT（UCT） ?彩色多普勒組織成象（DTI）,(1)新一代B超,配以數(shù)字圖象處理(DIP)，性能更佳。 （圖象增強，數(shù)字濾波，各種圖象測量功能）,（2）多普勒血流頻譜分析及血流聲譜圖顯示。,第1章 緒論,1.1

10、數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究內(nèi)容,（3） 彩超=B超（黑白圖象）+多普勒血流速度實時成像 或多普勒組織（速度，加速度，能量）實時成像,第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究內(nèi)容,（5）超聲CT（經(jīng)食道，立體扇形掃描）,第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究內(nèi)容,（5）超聲CT（立體扇形掃描）,第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究內(nèi)容,（6）超聲多普勒

11、組織成象(DTI),第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,2. X光及X光負片,第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,2. X光及X光負片,第1章 緒論,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,陣列處理器,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,5. 核醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng),第1章 緒論,放射性同位素掃描儀? 相機：偽彩色成像，診斷臟器的機能正電子

12、CT（PET）單光子CT（SPECT）,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,6. 磁共振成像MRI,第1章 緒論,（1）磁體：電磁，永磁，超導(dǎo) 場強越大，圖象越清晰（2）成像方法：激勵方法研究 快速算法研究 硬件系統(tǒng)改進 速度：30分

13、?10分?幾分?幾十秒?十幾秒?幾秒（3）二維成像/ 三維成像,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,7. 紅外熱像儀,第1章 緒論,（1）用于診斷乳腺癌、甲狀腺及淺表腫瘤；（2）安裝在眼底照相機上，研究眼底血液循環(huán)；（3）人體運動檢測，運動員訓(xùn)練；（4）工業(yè)用途更廣。,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,8. 顯微電視圖象系統(tǒng),第1章 緒論,顯微鏡+電視攝象機+計算機圖象處理系統(tǒng)（1）血

14、細胞分類研究（2）染色體分類研究（3）癌細胞識別研究（4）微循環(huán)研究（5）眼科檢驗儀器：眼底照相機，驗光儀,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,9. 電子顯微鏡電視圖象系統(tǒng),第1章 緒論,電子顯微鏡+電視攝象機+計算機圖象處理系統(tǒng)專門研究細胞結(jié)構(gòu),1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,10. 內(nèi)窺鏡電視圖象系統(tǒng),第1章 緒論,內(nèi)窺鏡+電視攝象機+計算機圖象處理系統(tǒng),1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)

15、學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,11. 腦電地形圖儀,第1章 緒論,自發(fā)腦電圖誘發(fā)腦電圖腦電三維成像,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,14. PACS系統(tǒng)（Picture Achiving and Communication System）,第1章 緒論,PACS系統(tǒng)=醫(yī)學(xué)圖象數(shù)據(jù)庫+Internet,1.1 數(shù)字圖象處理在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及研究課題,第1章 緒論,（2）1991年，美國

16、國家醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)可視化人體項目 男女各一，尸體 可視化男體： CT：軸向分辨率1mm，共1871幅 解剖切片：軸向分辨率1mm，共1871幅 可視化女體： CT：軸向分辨率1mm，共1730幅 解剖切片：軸向分辨率0.33mm，共5189幅,15

17、. 數(shù)字人體,各個方向上的人體CT掃描圖片,軸向,側(cè)面,正面,VHP數(shù)據(jù)庫的女性人體的斷層解剖圖片,原始數(shù)據(jù)：VHP數(shù)據(jù)庫的女性人體的斷層解剖圖片。一共5189張，切片間隔為0.33mm,頭部,胸部,由CT圖象分割出的骨骼,并可視化(立體成像,任意角度旋轉(zhuǎn)顯示),由解剖圖片重建的全身外表立體圖象,由CT圖象重建的全身骨骼立體圖象,1.2 數(shù)字圖象處理在其他方面的應(yīng)用,第1章 緒論,（1）氣象云圖，海洋預(yù)報（2）森林

18、資源，農(nóng)業(yè)收成（3）自然災(zāi)害（旱、澇、蟲、火）（4）地質(zhì)探礦,1. 遙感衛(wèi)星,1.2 數(shù)字圖象處理在其他方面的應(yīng)用,第1章 緒論,3. 機器人視覺,4. 公安應(yīng)用,（1）指紋圖象識別（破案，保安）（2）視網(wǎng)膜圖象識別（3）人的面部拼圖,1.2 數(shù)字圖象處理在其他方面的應(yīng)用,第1章 緒論,（1）印刷藝術(shù)：圖樣設(shè)計，花布設(shè)計，時裝設(shè)計（2）自動化檢測：針劑檢測，工件檢測（3）金相分析（4）生物、化學(xué)圖象分析（電

19、鏡）（5）檔案、文物恢復(fù)（6）工業(yè)熱像分析：電機、變壓器、高架線、集成電路（7）計算機卡通片,,5. 其他應(yīng)用,1.3 數(shù)字圖象處理系統(tǒng),第1章 緒論,1. 硬件框圖,第1章 緒論,1.3 數(shù)字圖象處理系統(tǒng),2. 輸入設(shè)備,（1）攝象機：設(shè)備小巧，速度快，成本低，靈敏度高，但灰度層次差，非線性失真較大，有黑斑效應(yīng)（2）掃描儀：精度和分辨率中等，成本低，但速度慢，非實時（3）掃描鼓：精度、分辨率高，科輸入輸出，但

20、價格昂貴，速度慢，維護要求高（3）磁盤、光盤、磁帶機,3. 輸出設(shè)備,（1）顯示器：顯示質(zhì)量好，亮度高，成本低（2）打印機，視頻打印機：模擬輸出，分辨率低（3）照相機，多幅照相機（4）磁盤、光盤、磁帶機,,第1章 緒論,1.3 數(shù)字圖象處理系統(tǒng),,第1章 緒論,1.3 數(shù)字圖象處理系統(tǒng),采用個人電腦的單板圖象系統(tǒng),視頻圖象采集卡,,偽彩色處理,真彩色處理,第1章 緒論,1.3 數(shù)字圖象處理系統(tǒng),6. 硬件

21、處理器,（1）陣列處理器（Array Processor） 做成單元式，進行FFT、卷積、相關(guān)、數(shù)字濾波等大批量的數(shù)字處理。（2）流水線處理器（Pipeline Processor） 放置于數(shù)據(jù)通道上，數(shù)據(jù)一通過即進行了處理，常用于灰度變換、彩色編碼等簡單處理。,第1章 緒論,1.4 圖象處理要解決的問題,1. 硬件設(shè)備,大部分硬件設(shè)備、大型圖象系統(tǒng)都是國外進口的。,（1）輸入設(shè)備：光導(dǎo)攝

22、像管攝象機，CCD攝象機（2）視頻A/D、D/A（3）圖象存儲器：大規(guī)模高速DRAM（4）圖象存儲設(shè)備：硬盤、磁帶機、光盤機（5）圖象硬拷貝：視頻打印機、多幅照相機（6）陣列處理器：大型圖象系統(tǒng)中、X-CT、MRI,第1章 緒論,1.4 圖象處理要解決的問題,2. 數(shù)字圖象處理方法,（1）幾何處理：幾何矯正、放大縮小、滾動漫游、拼圖動畫等；（2）圖象變換：傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換、小波變換等；（3）圖象

23、增強：灰度變換、直方圖修改、圖象平滑、邊緣提取、偽彩色；（4）圖象壓縮：變換編碼、行程編碼、預(yù)測編碼、差分編碼等；（5）圖象復(fù)原：約束復(fù)原、反向濾波、維納濾波等；（6）圖象分割：點相關(guān)、區(qū)域相關(guān)、（7）圖象識別：特征抽取、模式識別（8）圖象重建：X-CT、MRI、PET等，傅立葉變換法、卷積反投影法等；（9）可視化人體數(shù)據(jù)庫：多種類型圖象、多種顯示方式、多種可視化軟件（10）虛擬人體：虛擬解剖、虛擬器官、虛擬內(nèi)窺鏡、虛擬遠

24、程醫(yī)療等,第1章 緒論,1.5 發(fā)展方向,（1）高速、高分辨率、立體化、多媒體化、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化；提高硬件速度：計算速度、A/D和D/A實時化提高分辨率：采集和顯示分辨率立體化：多維重建，虛擬現(xiàn)實多媒體化：圖象數(shù)據(jù)壓縮智能化：理解和識別，客觀分析，人機交互標(biāo)準(zhǔn)化：制定標(biāo)準(zhǔn)（2）圖象、圖形相結(jié)合的三維成像或多維成像；（3）結(jié)合多媒體技術(shù)，硬件芯片化研究；（4）新理論、新算法研究；,存儲圖象信息圖象特點：以象素為

25、單位，矩形區(qū)域信息量大與操作系統(tǒng)有關(guān)：windows、unix、mac編碼方式：無壓縮、無損壓縮、有損壓縮常用的圖象文件格式：BMP、JPEG、TIFF、GIF,圖象文件格式,基本概念,顏色深度：1,2,4,8,16,24bits/pixel壓縮方式：LZW、RLE JPEG, JPEG2000,BMP文件格式,什么是BMP文件格式,Windows操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式 雖然大部

26、分BMP文件是不壓縮的形式，它本身還是支持圖象壓縮的，如rle格式（行程長度編碼，runlength encoding）和LZW壓縮格式等,BMP文件結(jié)構(gòu),,BMP圖象文件頭,圖象信息頭(1),圖象信息頭(2),注：在Windows98和Windows2000支持JPEG方式,圖象信息頭(3),,圖象信息頭結(jié)構(gòu)定義,調(diào)色板和圖象數(shù)據(jù),GIF文件格式,GIF文件格式特點,采用復(fù)雜的LZW編碼方式一個GIF文件可以存儲多幅圖象帶有色彩表

27、（全局、局部色彩表）支持圖象定序顯示或覆蓋可以錯行存放 支持文本覆蓋,GIF文件結(jié)構(gòu),JPEG文件格式,JPEG文件格式的特點,靜止圖象壓縮采用有損編碼方式是一種變換編碼對高頻、低頻信號區(qū)別對待,JPEG文件的標(biāo)記,用以區(qū)分和識別圖象數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息 每個標(biāo)記都是由2個字節(jié)組成，其前一個字節(jié)是固定值0xFF,JPEG文件的組織（ 8個部分）,圖象開始SOI(Start of Image)標(biāo)記 APP0標(biāo)記(Marker)

28、,JPEG文件的組織(2),(3) APPn標(biāo)記(Markers)，其中n=1~15(任選) APPn長度詳細信息(4) 一個或者多個量化表DQT量化表長度(quantization table length)量化表數(shù)目(quantization table number)量化表(quantization table),JPEG文件的組織(3),(5) 幀圖象開始SOF0(Start of Frame),JPEG文

29、件的組織(4),(6) 一個或者多個霍夫曼表DHT霍夫曼表的長度(Huffman table length)類型、AC或者DC(Type, AC or DC)索引(Index)位表(bits table)值表(value table),JPEG文件的組織(5),(7) 掃描開始SOS(Start of Scan) 掃描開始長度(start of scan length)顏色分量數(shù)(number of colo

30、r components)每個顏色分量ID交流系數(shù)表號 (AC table #)直流系數(shù)表號 (DC table #)壓縮圖象數(shù)據(jù) (Compress image data) (8) 圖象結(jié)束EOI(End of Image),JPEG編碼原理,,,JPEG文件結(jié)構(gòu),,,TIFF文件格式,什么是TIFF文件格式,TIFF是Tagged Image File Format的縮寫，是一個廣為應(yīng)用的光柵圖象文件格式

31、，它的來源有：掃描儀CAD系統(tǒng)地理信息…由Adobe公司授權(quán)，包括TIF標(biāo)記和文檔TIFF包括公共標(biāo)記和私有標(biāo)記,TIFF版本信息,1980年發(fā)表最早的版本V1、V21989年發(fā)表版本V5.01992年，V6.0TIFF是一個非常穩(wěn)定的文件格式，有很長的應(yīng)用歷史有公共的軟件庫來讀寫TIFF格式的圖象（支持各種操作系統(tǒng)）,TIFF格式的特點,支持從高端到低端的設(shè)備可擴展性強，支持公共和私用的標(biāo)記結(jié)構(gòu)支持各種壓縮格式

32、有公共軟件庫支持二值圖灰度圖調(diào)色板真彩色其他擴展,TIFF文件頭,,“II”/ “MM”,字節(jié)順序,TIFF文件結(jié)構(gòu),TIFF文件的標(biāo)記,公共標(biāo)記(public tag)在TIFF V5.0的說明中定義了45個標(biāo)記Compression 259 SHORT 1所有TIFF圖象必須支持以下標(biāo)記：NewSubfileType、lmageWidth、ImageLength、RowsPerStrip、Str

33、ipOffsetsStripByteCounts、Xresolution、YresolutionResolutionUnit私有標(biāo)記(private tag)由Aldus和Microsoft來分配取值范圍：32,768 － 65,535,TIFF文件的編碼,TIFF文件的讀取和保存,struct TIFF_img { unsigned char **mono; unsigned char **c

34、map; unsigned char ***color; char TIFF_type; char compress_type; int height; int width;};,int read_TIFF ( FILE *fp, struct TIFF_img *img );int write_TIFF