醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)

內(nèi)容概要

醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)使用大量的圖表及照片，從信息學(xué)的角度對(duì)醫(yī)療圖像處理與管理進(jìn)行深入全面的解說，很多內(nèi)容是作者多年的研究成果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的積累。內(nèi)容包含傅里葉變換、X射線圖像的形成、圖像的評(píng)價(jià)、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助診斷、醫(yī)院信息系統(tǒng)等。
醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)可作為醫(yī)療圖像、生物圖像等相關(guān)專業(yè)本科生、研究生的參考用書，也可供醫(yī)生、牙科醫(yī)生、臨床檢查技師、護(hù)士、醫(yī)療器械制造的技術(shù)人員及研究人員參考閱讀。

作者簡(jiǎn)介

作者:(日)桂川茂彥著;彭剛

書籍目錄

第1章 醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)1.1 醫(yī)學(xué)影像的歷史1.2 本書涉及的醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)范疇第2章 傅里葉變換2.1 傅里葉級(jí)數(shù)展開和傅里葉變換2.1.1 周期函數(shù)與傅里葉級(jí)數(shù)2.1.2 傅里葉變換及其性質(zhì)2.2 傅里葉變換的應(yīng)用2.2.1 方波的傅里葉變換2.2.2 狄拉克函數(shù)的傅里葉變換2.2.3 狄拉克梳狀函數(shù)的傅里葉變換2.2.4 線性系統(tǒng)的響應(yīng)2.2.5 二維數(shù)字圖像的離散傅里葉變換第3章 X射線圖像的形成3.1 圖像形成和診斷3.1.1 圖像形成3.1.2 X射線圖像診斷3.2 模擬圖像的形成3.2.1 圖像形成過程3.2.2 影響圖像質(zhì)量的因素3.3 數(shù)字圖像的形成3.3.1 數(shù)字圖像的成像裝置3.3.2 數(shù)字化3.3.3 樣本化3.3.4 量化3.3.5 圖像的數(shù)字化與圖像質(zhì)量3.3.6 圖像的數(shù)據(jù)量3.3.7 CR的圖像形成3.3.8 FPD的圖像形成第4章 圖像評(píng)價(jià)4.1 輸入輸出特性4.1.1 增感屏-膠片系統(tǒng)的輸入輸出特性4.1.2 數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的輸入輸出特性4.1.3 膠片特性曲線及數(shù)字特性曲線的測(cè)定方法4.2 分辨率特性4.2.1 空間域的評(píng)價(jià)4.2.2 空間頻域(spatial frequency domain)的評(píng)價(jià)4.2.3 MTF的定義與測(cè)定方法4.2.4 數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的分辨率特性4.3 噪聲特性4.3.1 圖像噪聲的影響4.3.2 X射線光子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)4.3.3 噪聲特性的評(píng)價(jià)方法4.3.4 增感屏-膠片系統(tǒng)的噪聲構(gòu)成4.3.5 數(shù)字X射線成像系統(tǒng)的噪聲特性評(píng)價(jià)4.4 檢測(cè)量子效率4.4.1 DQE的定義4.4.2 DQE的測(cè)定4.4.3 DQE的解釋與注意事項(xiàng)4.5 ROC解析4.5.1 客觀評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)4.5.2 診斷性4.5.3 ROC解析背景4.5.4 兩正態(tài)分布ROC解析的理論4.5.5 ROC解析的實(shí)驗(yàn)順序4.5.6 數(shù)據(jù)解析與ROC曲線間的統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)4.5.7 ROC解析的實(shí)驗(yàn)事例4.5.8 LROC與FROC第5章 數(shù)字圖像處理5.1 數(shù)字圖像文件5.1.1 比特和字節(jié)5.1.2 圖像文件的構(gòu)成5.1.3 文字的二進(jìn)制表現(xiàn)形式5.1.4 數(shù)值的二進(jìn)制表現(xiàn)形式5.1.5 DICOM文件格式5.2 濾波5.2.1 空間濾波5.2.2 空間頻率濾波5.3 影響診斷的圖像處理技術(shù)5.3.1 灰度處理5.3.2 USM銳化處理5.3.3 減影處理5.4 閾值處理5.4.1 二值化處理閾值的確定方法5.4.2 連通體標(biāo)記(connected component labeling)第6章 計(jì)算機(jī)輔助診斷6.1 乳腺X光片的計(jì)算機(jī)輔助診斷6.1.1 計(jì)算機(jī)輔助診斷6.1.2 CAD技術(shù)的發(fā)展史6.1.3 乳腺X射線攝影檢查與商業(yè)CAD系統(tǒng)6.1.4 乳腺X射線攝影CAD系統(tǒng)的概述6.1.5 CAD系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)6.1.6 CAD技術(shù)的推廣6.1.7 CAD的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展6.2 胸部X光片的計(jì)算機(jī)輔助診斷6.2.1 結(jié)節(jié)狀陰影的檢測(cè)6.2.2 間質(zhì)性肺病的檢測(cè)6.2.3 CT圖像的胸部CAD第7章 醫(yī)院信息系統(tǒng)7.1 醫(yī)學(xué)影像管理系統(tǒng)7.1.1 PACS的目的7.1.2 PACS的歷史7.1.3 影像規(guī)格:DICOM7.1.4 PACS的構(gòu)成要素7.1.5 PACS的規(guī)模7.1.6 影像顯示器7.1.7 相關(guān)法律7.2 放射線信息系統(tǒng)7.3 醫(yī)院信息系統(tǒng)7.3.1 HIS的目的7.3.2 HIS的功能7.3.3 HIS的未來7.4 遠(yuǎn)程診斷7.4.1 目的7.4.2 方法7.4.3 面臨的問題7.4.4 ASP診斷的外包7.5 信息系統(tǒng)的構(gòu)建7.5.1 按實(shí)際情況構(gòu)建系統(tǒng)的必要性7.5.2 方式選擇7.5.3 目的明確化7.5.4 人選,組織體制的建立7.5.5 現(xiàn)狀評(píng)價(jià)分析7.5.6 系統(tǒng)架構(gòu)的策劃7.5.7 導(dǎo)入方案的制定7.5.8 導(dǎo)入后的運(yùn)用7.6 安全7.6.1 安全的重要性7.6.2 個(gè)人信息保護(hù)法7.6.3 安全對(duì)策7.6.4 安全管理7.6.5 特別事項(xiàng)參考文獻(xiàn)專業(yè)術(shù)語英漢對(duì)照

章節(jié)摘錄

1.1 醫(yī)學(xué)影像的歷史 在醫(yī)療中利用影像進(jìn)行檢查是一種能夠獲取患者病情相關(guān)信息的手段，因此，在臨床醫(yī)學(xué)中是最重要的檢查之一。其中，X射線圖像作為非出血性方法，將人體內(nèi)部可視化，是最先使用的醫(yī)學(xué)影像，自1895年Rontgen發(fā)現(xiàn)X射線以來，至今有100多年的歷史。在此期間，X射線發(fā)射裝置和圖像檢測(cè)器在減少對(duì)患者的輻射量以及圖像質(zhì)量改善方面取得了很大的進(jìn)展。特別值得一提的是，1913年Bucky發(fā)明的濾線柵（grid）可除去檢測(cè)器的散射線（scatteredray），另外，1930年增感屏的開發(fā)最大限度地降低了對(duì)患者的輻射量。此時(shí)，增感屏?膠片系統(tǒng)的模擬X射線圖像技術(shù)基礎(chǔ)已得到鞏固。1948年X射線影像增強(qiáng)器（imageintensifier，I．I．）出現(xiàn)，不需膠片也能進(jìn)行X射線圖像檢測(cè)，60年代開發(fā)的I．I．?TV血管造影檢查以及80年代開發(fā)的數(shù)字減影血管造影（digitalsub?tractionangiography，DSA）得到進(jìn)一步的發(fā)展，為數(shù)字X射線圖像檢測(cè)器的誕生創(chuàng)造了契機(jī)。另外，80年代開發(fā)的計(jì)算機(jī)X射線成像（computedradio?graphy，CR）及90年代開發(fā)的X射線平板（flatpanel）檢測(cè)器作為新X射線圖像檢測(cè)器嶄露頭角，如今已進(jìn)入所有X射線圖像實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的時(shí)代。 X射線圖像是把人體內(nèi)部的三維內(nèi)臟器官用二維投影圖像進(jìn)行表示。因此，無法避免圖像上內(nèi)臟器官的重疊，醫(yī)生在進(jìn)行圖像解讀時(shí)，要根據(jù)自己所掌握的解剖學(xué)知識(shí)在大腦中還原成三維圖像進(jìn)行診斷。1972年Hounsfield發(fā)明的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed?tomography，CT）能夠獲取正確的體軸橫斷斷層圖像，所以無論誰都能夠輕而易舉地進(jìn)行三維圖像的解讀，因此，X射線CT裝置在世界各地得到迅速普及。X射線CT隨著計(jì)算機(jī)的高速化發(fā)展以及圖像重建技術(shù)的改良，從螺旋（helical）CT發(fā)展到多層螺旋CT（multi?sliceCT，MSCT），至今還在繼續(xù)發(fā)展。 包括X射線CT，利用X射線進(jìn)行的影像檢查能夠真實(shí)地反映內(nèi)臟器官的形態(tài)。使用放射性同位素的核醫(yī)學(xué)圖像在形態(tài)真實(shí)性方面雖然遜色于X射線圖像，如肝功能檢查等，但由于有助于生物體功能的解析，常用來補(bǔ)足X射線圖像檢查的不足。1956年Anger發(fā)明的伽馬相機(jī)（Gammacamera）與之前的閃爍掃描器（scintiscanner）相比，可拍攝出劃時(shí)代的優(yōu)質(zhì)圖像，另外，從70年后期的單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（singlephotonemissioncomputedtomo?graphy，SPECT）的斷層圖像普及，到利用小型回旋加速器（babycyclotron）的 正電子放射層掃描術(shù)（positronemissiontomography，PET）的開發(fā)，通過利用構(gòu)成人體的基本元素碳、氮、氧、氟等放射性同位素把人體代謝機(jī)能用圖像表示出來，也取得了成功。 但是，像這樣利用X射線、放射性同位素?cái)z影，必須注意減少對(duì)患者的輻射量。20世紀(jì)60年代后期開發(fā)的超聲波診斷裝置由于具有非常優(yōu)越的實(shí)時(shí)處理性能，被廣泛運(yùn)用于動(dòng)態(tài)機(jī)能檢查。當(dāng)然，因?yàn)闆]有放射線輻射，所以無論何時(shí)何地都能輕而易舉地利用它進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢查。80年代后期開發(fā)的核磁共振成像（MRI）裝置，能根據(jù)體內(nèi)的質(zhì)子的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)形成斷層圖像，這是劃時(shí)代的醫(yī)學(xué)圖像。MRI對(duì)身體機(jī)能，例如，T1緩和期間和T2緩和期間等可進(jìn)行針對(duì)性的拍攝，與X射線CT相比，一般內(nèi)臟器官組織間的對(duì)比度高，適用于同時(shí)觀察生物體機(jī)能和形態(tài)。 1.2 本書涉及的醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)范疇 如前所述，醫(yī)學(xué)影像從X射線成像開始，已發(fā)展到多種多樣的模式。所謂醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)不是學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像攝影裝置的結(jié)構(gòu)，而是理解拍攝的影像信息的性質(zhì)，在醫(yī)學(xué)影像診斷中有效運(yùn)用影像信息的學(xué)問。具體來說，醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)包括影像基本性質(zhì)的理解及影像評(píng)價(jià)，另外還包括影像處理、影像分析中提取對(duì)診斷有用信息的技術(shù)，以及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)進(jìn)行影像保存和通信的技術(shù)。本書除了“醫(yī)院信息系統(tǒng)”一章外，主要以醫(yī)學(xué)影像中的X射線圖像，作為對(duì)象來進(jìn)行說明。這樣做主要是考慮到，如果對(duì)所有的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行說明的話，會(huì)因?yàn)轫摂?shù)過多而造成散漫無邊，無益于對(duì)醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)本質(zhì)的理解。 影像形成理論和影像評(píng)價(jià)是為了有效運(yùn)用影像信息的基本知識(shí)。特別是對(duì)新出現(xiàn)的影像成像設(shè)備所進(jìn)行的影像評(píng)價(jià)，可將用戶的評(píng)價(jià)信息反饋給制造商，有利于下一代高性能成像設(shè)備的開發(fā)。眾所周知，為了把對(duì)患者的輻射量降到最低同時(shí)獲取最大的影像信息，影像評(píng)價(jià)對(duì)檢測(cè)器的改良也起到了很大的作用。即使在數(shù)字技術(shù)普及的今天，增感屏?膠片系統(tǒng)X射線圖像在醫(yī)院內(nèi)依然得到廣泛的使用。原因主要是：在悠久的歷史發(fā)展中經(jīng)過不斷積累與改良后的膠片不僅具有較高的圖像質(zhì)量性能，還兼具了檢測(cè)器、顯示器、保存媒介的所有功能。因此，增感屏?膠片系統(tǒng)還會(huì)持續(xù)使用，我們不僅要充分理解數(shù)字影像，還要充分理解模擬影像的影像形成理論和影像評(píng)價(jià)。 計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，給醫(yī)學(xué)影像帶來了新的運(yùn)用方式。例 如，患者在醫(yī)院中攝影完后，影像就會(huì)立刻通過網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)生，如果有必要的話，也可以把過去拍攝的影像迅速顯示在顯示器上。并且，沒有專業(yè)醫(yī)生的島嶼也可以向市中心醫(yī)院傳輸影像，咨詢專業(yè)醫(yī)生的診斷意見。另外，關(guān)于醫(yī)學(xué)影像的保存和有效運(yùn)用，模擬影像需要大量人力和成本，但是隨著以數(shù)字影像和網(wǎng)絡(luò)為中心的醫(yī)院信息系統(tǒng)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像的保存和有效運(yùn)用得到了改善。 以網(wǎng)絡(luò)為媒介的影像傳輸和保存是數(shù)字影像的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)數(shù)字影像也可以直接提高影像診斷精確度。也就是說，利用計(jì)算機(jī)分析數(shù)字影像包含的信息，醫(yī)生可參考計(jì)算機(jī)的分析結(jié)果，自己做出最終的判斷，這樣可以防止醫(yī)生看漏或主觀失誤，從而改善診斷的精確度和重現(xiàn)性。此方法稱為計(jì)算機(jī)輔助診斷（computer?aideddiagnosis，CAD）。 如上所述，之前的醫(yī)學(xué)影像發(fā)展史是以攝影裝置為中心，以硬件開發(fā)為主流的歷史。但是，隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，與影像診斷直接相關(guān)的軟件開發(fā)將會(huì)成為新的主流。特別是以影像處理和影像數(shù)據(jù)分析為中心的CAD算法的開發(fā)尤為重要。用于乳癌檢測(cè)的乳腺影像CAD系統(tǒng)和用于肺癌檢測(cè)的胸部照片的CAD系統(tǒng)分別于1998年、2001年取得了美國食品藥物管理局（FDA）的許可，投入商業(yè)使用。隨著這樣的發(fā)展潮流，醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)作為一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域存在非常必要。也就是說，這是一種從影像的大量信息中，抽出與影像診斷直接相關(guān)信息的技術(shù)，也是醫(yī)生把日常臨床中進(jìn)行的影像診斷作為高水準(zhǔn)的影像處理，從工學(xué)的角度進(jìn)行理解的診斷方法。因此，本書設(shè)置了數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)輔助診斷的章節(jié)，以便應(yīng)對(duì)未來醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)的迅速發(fā)展。 （桂川茂彥） 傅里葉變換常用于圖像處理領(lǐng)域。例如，表示增感屏?膠片系統(tǒng)等攝像系統(tǒng)的鮮銳度的響應(yīng)函數(shù)、顯示粒狀性的維納譜都以傅里葉變換為基礎(chǔ)，表示頻率響應(yīng)特性。甚至在數(shù)字圖像處理中，增強(qiáng)特定頻率分布的時(shí)候，也需要用到傅里葉變換。但是，必須注意此處使用的頻率的定義。電波、聲波等是隨著時(shí)間變動(dòng)的，而使用于這一類波動(dòng)的頻率是指單位時(shí)間（如1s）內(nèi)通過的波的數(shù)量，其單位為cycles/s。與此相對(duì)應(yīng)，用于表示空間明暗變化的紋狀波動(dòng)的頻率是指單位長(zhǎng)（如1cm）中存在的波的數(shù)量，單位為cycles/cm。前者的頻率是用時(shí)間軸來定義的，而空間頻率是用空間軸來進(jìn)行定義的。雖然傅里葉變換無論是對(duì)于哪種頻率，都可進(jìn)行求解，但必須明確區(qū)別這兩種頻率在意義上的不同。本章中，因?yàn)閷?duì)圖像進(jìn)行處理，使用在空間軸上定義的空間頻率來解說傅里葉變換。這里所說的傅里葉變換的性質(zhì)可以直接擴(kuò)展到時(shí)間軸上定義的頻率。 首先說明一下關(guān)于周期函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)展開，其次引出對(duì)于一般函數(shù)的傅里葉變換，然后解說與傅里葉變換有密切關(guān)系的帕塞瓦爾定理（Parseval摧stheorem）以及卷積積分定理。另外，關(guān)于傅里葉變換中最重要的應(yīng)用――線性系統(tǒng)響應(yīng)，以增感屏?膠片系統(tǒng)為例進(jìn)行解說。最后，簡(jiǎn)要介紹二維數(shù)字圖像的離散傅里葉變換。 2.1 傅里葉級(jí)數(shù)展開和傅里葉變換 函數(shù)一般分為周期函數(shù)和非周期函數(shù)。周期函數(shù)可以用正弦波和余弦波的疊加（級(jí)數(shù)展開）進(jìn)行表示。但是，以我們?yōu)閷?duì)象的圖像信號(hào)大多是沒有周期性的非周期函數(shù)，非周期函數(shù)通過傅里葉級(jí)數(shù)展開擴(kuò)張后的傅里葉變換及傅里葉反變換相互關(guān)聯(lián)。 2.1.1 周期函數(shù)與傅里葉級(jí)數(shù) 1．周期函數(shù)如圖2.1所示，以一定周期L（cm）不斷循環(huán)的函數(shù)稱為周期函數(shù)。若距離為x（cm）的函數(shù)f（x）是周期為L(zhǎng)的周期函數(shù)的話，即有如下關(guān)系：  f（x）＝f（x+nL）（2.1）其中，n＝1，2，3，.如圖2.2所示，余弦函數(shù)f（x）就是最基本的周期函數(shù)，可用下式表示：  ……

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《醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)》由日本桂川茂彥研編寫，內(nèi)容除了經(jīng)典的數(shù)學(xué)理論在醫(yī)學(xué)影像處理方面的應(yīng)用外，主要納入了作者在醫(yī)學(xué)影像信息研究中長(zhǎng)年積累的豐碩成果。這些成果對(duì)醫(yī)學(xué)影像信息學(xué)理論及實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了完整細(xì)致的說明，內(nèi)容詳實(shí)。同時(shí)，根據(jù)日本國內(nèi)的情況，對(duì)醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)與醫(yī)學(xué)影像信息的保護(hù)進(jìn)行了極具參考價(jià)值的介紹。從內(nèi)容上來說，無論是醫(yī)科院校相關(guān)專業(yè)師生，還是相關(guān)醫(yī)務(wù)人員都將從中獲益匪淺。

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