目录

引言

医学成像常识

1. 正交投影面

2 医学图像种类

3 医学图像质量评价标准

3.1 图像对比度成因

3.2 对比度

3.3 空间分辨率

3.4 时间分辨率

3.5 信噪比 signal-to-noise ratio SNR

3.6 数字和模拟图像

4 医疗临床的性能

4.1 图像获取和感知

4.2 灵敏度和特异性 sensitivity and specificity

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引言

医学图像，作为诊断和治疗的基本手段，在最近几十年中不断发展。目前成熟的医学成像技术，包括X射线，CT成像，磁共振MRI成像，PET正电子发射成像，核医学成像，超声成像等等。

大家感兴趣可以阅读相关书籍

• Webb’s Physics of Medical Imaging, M. A. Flower, Editor, (CRC Press: Boca Raton, USA) 2012. ISBN 978-0-7503-0573-0.
• Introduction to Medical Imaging, N. B. Smith and A. Webb, (Cambridge University Press) 2011. ISBN 978-0-521-19065-7.
• Introduction to Physics in Modern Medicine, S. A. Kane, (CRC Press: Boca Raton, USA) 2020. ISBN 978-1138036031.
• An Introduction to the Principles of Medical Imaging, C. Guy and D. Ffytche, (Imperial College Press) 2005. ISBN 978-1-8609-45021.

医学成像常识

1. 正交投影面

三个正交方向的切片投影，是医学图像中的专业术语，在专业人员交流沟通时，使用标准正交投影描述切面，不会产生歧义。

2 医学图像种类

2维投影图像>>3D数据沿着某一个维度压缩为单个切片面

2维切片>>超声图像；磁共振成像；CT图像

 断层切片>>CT切片；PET切片，SPECT切片

地形图映射>>在人体组织表面的信号，比如脑电图，脑磁图

结构图像>>反映人体内部解剖结构的图像

功能图像>>反映人体内部器官组织功能性的图像，比如人体代谢

绝对图像>>真实反应人体某一物理特性的图像，比如X射线成像

差值图像>>反映人体组织在某个特性上的变换，通常需要得到人体组织某一特性变化前后的两个图像，最后作差，得到变化差值图像 ，比如CT血管剪影成像

3 医学图像质量评价标准

对于人体组织不同特性细微差异的呈现；

对于人体组织器官细节的精确呈现；

图像数据采集速度；

图像中噪声的抑制性能；

3.1 图像对比度成因

不同的医学成像技术，可以反映人体组织的不同信息，这主要依赖于每种成像技术以来不同的物理，机制。在X射线和CT成像中，图像反映的是不同组织的X射线衰减系数性质；在X射线血管造影中，反映的是血液中的碘的浓度；在超声成像中，反映的是人体组织边界出的声阻抗差异；多普勒超声成像，反映的是血流的速度；磁共振图像，反映的是氢质子的密度和磁化弛豫的时间，都是人体组织固有属性；功能磁共振成像，反映的是血红蛋白的磁性变化；PET和SPECT成像，是显示放射性示踪剂的摄取。EEG和MEG是反映神经电流的强度和对应的弱磁场强度。

3.2 对比度

对比度是用来衡量成像技术对于组织特性细微差异显示的能力。理论计算方法是对于一个组织的信号强度S，其临近组织信号强度为B，那么对比度计算为：

3.3 空间分辨率

空间分辨率是衡量显示精细细节的能力的指标。当可以确定两个紧密间隔的对象是两个不同的对象而不是单个对象时，它们被“解析”。成像系统的空间分辨率等于两个被分辨出的高对比度物体之间的最小间隔。
空间分辨率是通过记录“点扩散函数”（PSF）来测量的，相当于单个点的图像，通常以PSF的“全宽半峰”为特征。
由于真正的点物体的尺寸为零（因此亮度为零），因此通常通过对具有锐利垂直边缘的物体进行成像来记录“线扩展函数”。LSF 是沿上记录的强度变化，LSF 的一阶导数等于 PSF。

3.4 时间分辨率

时间分辨率是衡量揭示随时间推移的快速变化的能力的指标。当可以确定两个事件发生在不同时间时，两个事件被“解决”。在以下情况下，时间分辨率很重要：
a） 希望显示移动的组织（高帧率）;
b） 需要避免组织运动的模糊效应（曝光时间短）。
一些成像方法要求患者在图像采集过程中保持不动，这对于一些患者群体（例如婴儿和幼儿）来说是一个问题。
所谓的“实时”成像是连续显示组织，显示事件发生时的事件。实时成像的例子包括超声、X 射线血管造影和 X 射线透视。通常，实时方法以“视频速率”显示图像，即图像以 25 Hz 的频率更新（在英国/欧洲）。一般地，更新频率必须超过 ~ 16 Hz，以避免感知到闪烁。

3.5 信噪比 signal-to-noise ratio SNR

测量将包含有用数据（信号）和不需要的数据（噪声）。噪声可以是随机的（例如，由于记录的光子数量有限）或结构化的（例如干扰）。信噪比（SNR）是信号的幅度除以噪声的幅度。当噪声（不确定性）是由有限数量的测量光子引起的，噪声与信号的平方根成正比。因此，对于P个检测到的光子，SNR = P/√P = √P。
当噪声是随机的时，可以通过“信号平均”来提高SNR，即通过计算多个重复信号的平均值。对 M 幅图像求平均值可将 SNR 提高 √M 倍。但是，平均会降低时间分辨率。

3.6 数字和模拟图像

在过去 120 年的大部分时间里，X 射线照相涉及在胶片（模拟）上记录。现在，几乎所有的医学成像都是数字化的。
数字的优点：可以通过电子方式处理图像，以突出某个区域或优化对比度。数字图像的电子存储可以节省空间，可搜索，并可实现远程查看。
数字化的缺点：可能会丢失信息

4 医疗临床的性能

4.1 图像获取和感知

临床诊断的影像学检查过程分为四个阶段：
a） 成像程序：物理硬件决定如何以及从患者那里记录哪些成像数据。
b） 显示系统：软件和硬件的组合决定了记录的数据如何以图像形式呈现（即在计算机屏幕上）。
c） 视觉系统：放射科医生的视觉系统决定了他/她的大脑如何感知所呈现的图像。
d） 解释：放射科医生的先验知识和经验决定了如何解释感知到的图像。

4.2 灵敏度和特异性 sensitivity and specificity

在对医学图像进行解释后，有四种可能的结果：

• 真阳性 （TP）: 真正的异常被正确识别出来。
• 真阴性 （TN）: 正确识别正常扫描。
• 假阳性 （FP）: 正常扫描被错误地识别为异常。
• 假阴性 （FN）: 真正的异常仍未被发现。

灵敏度是衡量成像系统发现异常的有效性的指标，其量化方式如下：
灵敏度=TP/(TP+FN) ，其中 TP 是真阳性的数量。

同时，特异性是衡量成像系统区分异常组织和健康组织的能力的指标，其量化方式如下：
特异性=TN/(TN+FP)。

通过将每个图像分类为“可疑”，即 FN ≈ 0，可以最大限度地提高灵敏度。然而，这将增加 FP，从而降低特异性。通过将每个图像分类为健康图像，即 FP ≈ 0，可以最大限度地提高特异性。但是，这将增加 FN，从而降低灵敏度。