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1　绪论1

1.1　用于成像的物质波1

目录1

1.1.1　X-射线和γ-光子3

1.1.2　光学成像的光源5

1.1.3　超声成像6

1.2　医学图像的生物学基础8

1.2.1　人的视觉系统9

1.2.2　人体的解剖结构成像16

1.2.3　人体的生理信息成像17

1.3　医学影像的历史、现状和未来18

1.3.1　发现X-射线及其用于成像的历史18

1.2.4　人体的病理信息成像18

1.3.2　平面X-射线成像19

1.3.3　X-射线断层成像20

1.3.4　核磁共振成像21

1.3.5　核医学成像22

1.3.6　超声波成像23

1.4　医学图像处理的目的及其重要应用24

1.4.1　医学图像的重建24

1.4.2　不同目的的图像处理需要不同的方法24

1.4.3　图像处理的应用25

1.5　医学影像中的计算机及其软件26

1.6 学图像的标准化及其存贮、通讯和管理28

1.7　医学影像信息的整合及未来的发展29

1.7.1　医学影像的整合29

1.7.2　医学影像整合的发展方向33

1.8　放射治疗中的医学影像学问题34

1.9　医学影像物理学的发展35

1.9.1　综合诊断需要多模态和多参数成像35

1.9.2　脑功能成像对医学影像科学的挑战35

1.9.3　治疗中的影像学问题36

1.9.4　医学影像学的发展促进对医院的改革37

1.9.5　重视对软件方法的研究38

参考文献38

2　人眼色度学40

2.1　引言40

2.2　可见光及其测量40

2.2.1　可见光谱40

2.2.2　辐射度学量41

2.2.3　光谱密度及光谱功率分布43

2.2.4　光谱光视效率函数44

2.2.5　光度学基本量45

2.3　颜色视觉47

2.3.1　颜色47

2.3.2　颜色视觉的性质48

2.3.3　颜色混合49

2.4　CIE标准色度观察者51

2.4.1　颜色匹配实验51

2.4.2　XYZ与X10Y10Z10表色系52

2.4.3　颜色的单色表示57

2.5　Munsell表色系59

2.5.1　Munsell色空间的构成59

2.5.3　彩度标尺的刻度60

2.5.2　色相圆的划分60

2.5.4　Munsell色立体61

2.5.5　明度值函数61

2.5.6　颜色的Munsell标号62

2.6　CIELUV和CIELAB色空间62

2.6.1　CIELUV色空间62

2.6.2　CIELAB色空间64

2.7　颜色视觉机制模型65

2.7.1　Young-Helmholtz三接受器模型及其发展65

2.7.2　Hering的颜色对立（拮抗）学说70

2.7.3　色觉阶段说72

参考文献76

3.1.1 中心切片投影定理77

3.1　投影定理和Fourier重建77

3　医学图像重建77

3.1.2　旋转坐标系的投影78

3.1.3　Foruier重建79

3.1.4　线性内插方法79

3.2　Radon逆变换重建80

3.2.1　二维图像Radon变换的定义80

3.2.2　Radon变换表示的中心切片投影定理81

3.2.3　二维Radon逆变换公式的直接卷积形式82

3.2.4　三维Radon逆变换公式83

3.2.5　计算Radon逆变换的一个新方法83

3.3　卷积反投影重建85

3.3.1　卷积反投影重建的数学公式85

3.3.2　重建计算的实现86

3.4　多聚焦投影法重建87

3.4.1　近似级数公式的推导88

3.4.2　算法实现89

3.5　背投影滤波法重建89

3.5.1　重建公式的推导90

3.5.2　重建公式的离散化计算91

3.5.3　DC shift问题及其解决方案93

3.6　级数展开法重建94

3.6.1　代数重建法94

3.6.2　环行调和分解法——非迭代法95

参考文献96

4.1 引言98

4　医学影像质量和图像处理简介98

4.1.1　成像设备的噪声99

4.1.2　被成像物体的生理噪声100

4.2　影像质量的评价100

4.2.1　医学影像的对比度100

4.2.2　医学图像的信噪比和对噪比103

4.2.3　空间分辨率104

4.3 图像后处理减少图像噪声和校正图像畸变的方法学简介110

4.3.1　图像的光滑求平均减少统计伪影的方法110

4.3.2　最大熵原则116

4.3.3　对比度的扩展117

4.3.4　非均匀照度的校正118

4.3.5　几何畸变的校正121

参考文献124

5.1 引言125

5　X-射线平面成像及X-光机125

5.2　X-光平面成像的原理126

5.2.1　X-射线平均能量的选取128

5.2.2　主要的物理参数130

5.3　X-光机的关键技术…………………………………………………………………（133)5.3.1　X-光管133

5.3.2　X-射线光谱136

5.3.3　几何非锐化因子Ug——半影问题137

5.3.4　X-射线成像的影像显示器138

5.4　平面X-射线成像系统的性能检测149

5.4.1　检测工作的重要性149

5.4.2　性能检测149

5.4.4　聚焦点大小的测定151

5.4.3　半值厚度的确定151

5.5　X-光机的整机测量153

5.6　数字化X-光机154

5.6.1　X-光机的数字化的意义154

5.6.2　数字化X-光机发展的综述154

5.6.3　数字化X-光机155

5.6.4　胶片的数字化160

5.6.5　数字化激光打印机（相机）165

5.7　数字化乳腺机168

5.7.1 引言168

5.7.2　数字化乳腺机的物理设计171

5.7.3　数字化乳腺机的探测器系统180

5.7.4　乳腺机实际使用中有关技术问题讨论184

5.7.5　数字化乳腺机临床使用情况187

参考文献188

6　X-射线断层成像190

6.1 引言190

6.1.1　社会需求推动X-CT成像的发展190

6.1.2　X-CT的发展历史194

6.2　X-CT数据采集200

6.2.1　基本物理量的定义200

6.2.2　数据采集中有关参数的设定203

6.3　X-CT的图像重建208

6.4　提高X-CT图像质量的关键技术212

6.4.1　X-CT成像中的伪影212

6.4.2　改善X-CT的关键技术213

6.4.3　多层螺旋CT技术215

6.5.1　CT影像工作站在PACS中的地位221

6.5　PACS系统中的CT图像工作站221

6.5.2　CT影像工作站222

6.5.3　PACS对CT影像工作站的管理223

6.5.4　CT影像工作站完成对非放射科影像信息的传送224

6.5.5　DICOM对CT的特殊规定225

参考文献225

7　核医学成像的物理学基础227

7.1 引言227

7.1.1　核物理和核技术是核医学的基础227

7.1.2　核医学的发展228

7.1.3　核医学成像的优势和劣势229

7.1.4　核医学成像在中国的发展229

7.2　核物理基础知识230

7.2.1　放射性物质230

7.2.2　放射性核素的衰变231

7.3　放射性核素的生产和放射性药物236

7.3.1　放射性核素的生产236

7.3.2　放射性药物243

7.4　核医学中的探测器和测量系统简介246

7.4.1　引言246

7.4.2　固体闪烁探测器和光电倍增管248

参考文献254

8　γ-相机系统255

8.1　引言255

8.2　核医学成像中的辐射探测技术255

8.3　平面γ-相机探头260

8.3.1　γ-相机的探头外形261

8.3.2　γ-相机的准直器263

8.3.3　核医学成像中的定位方法266

8.3.4　γ-相机性能的整机测试269

8.4　γ-相机设计时需要考虑的问题272

8.4.1　本征空间分辨率和本征效率272

8.4.2　准直器的选择273

8.4.3　系统空间分辨率和探测效率方面的考虑274

8.4.4　空间线性度和均匀性276

8.5　γ-相机质量评价278

8.5.1　γ-相机的质量改善的回顾278

8.5.2　闪烁γ-相机的NEMA标准279

8.5.3　平面γ-相机数据的主要误差和量化方法280

8.6　γ-相机的图像采集281

8.6.1　帧模式的数据采集282

8.6.2　表模式数据采集284

8.6.3　双同位素数据采集285

参考文献286

9　单光子发射计算机断层成像287

9.1 引言287

9.2　发射型断层成像装置及其数据采集288

9.2.1　SPECT探头288

9.2.2　SPECT的数据采集290

9.3　发射型断层成像292

9.4　SPECT图像处理和图像重建问题294

9.4.1　SPECT图像预处理295

9.4.2　SPECT图像重建296

9.4.3　基于统计学的图像迭代重建方法306

9.5.1　心脏定量分析方法324

9.5　SPECT常用脏器临床分析方法324

9.5.2　甲状腺定量分析方法336

9.5.3　肾定量分析方法337

9.6　SPECT临床图像处理软件包的研制与开发339

9.6.1　SPECT临床图像处理软件包的开发背景339

9.6.2　SPECT临床图像处理软件包的研制340

参考文献342

10　正电子发射断层成像及其应用346

10.1　引言346

10.1.1　正电子发射断层成像的概念346

10.1.2　正电子发射断层成像的应用348

10.1.3　正电子发射断层成像的发展历史351

10.1.4　正电子发射断层成像的未来发展352

10.2.1　湮没反应非完全的180°发射353

10.2　正电子发射断层成像的物理原理353

10.2.2　正电子平均射程引起的定位误差356

10.3　正电子发射断层成像常用的放射性核素和药物357

10.3.1　正电子发射断层成像常用的放射性核素357

10.3.2　正电子发射断层成像常用的放射性药物358

10.4　正电子发射断层成像的关键部件358

10.4.1　硬件系统358

10.4.2　软件技术368

10.5　正电子发射断层成像性能测试384

10.5.1　测试体模以及测试几何条件的规定384

10.5.2　测试的函数和物理量385

10.5.3　正电子发射断层成像的测量步骤和测量方法387

10.6.3　正电子发射断层成像和其他影像数据的融合和联网395

参考文献395

10.6.1　正电子发射断层成像的优点395

10.6.2　正电子发射断层成像的局限性395

10.6　正电子发射断层成像和其他医学影像设备的比较395

11　量子影像的成像理论399

11.1 引言399

11.2 医学影像分类及其基本概念401

11.2.1　医学图像和它们的单位401

11.2.2　量子成像系统的特性描述方法404

参考文献415

12　超声波成像物理417

12.1 引言417

12.2.1　作为机械波的超声波及其传播特性418

12.2.2　超声波的波长、频率和声速以及在人体组织中的传播418

12.2　超声波及其基本物理量418

12.2.3　超声波与介质相互作用时的压力和声强420

12.3　超声波和人体相互作用机制421

12.3.1　超声波换能头的工作原理421

12.3.2　超声波在人体组织中的传播理论424

12.3.3　超声波与人体相互作用的散射模型428

12.3.4　超声波被生物组织吸收的物理学机制432

12.4　超声波仪的部件和系统436

12.4.1　超声波仪的换能头436

12.4.2　超声波仪换能头的场分布437

12.5　超声波成像仪439

12.5.1　波形产生439

12.5.2　A型超声波回波显示诊断仪440

12.5.3　M型超声成像仪441

12.5.4　B型超声成像仪442

12.5.5　P型和C型超声成像仪444

12.6　三维超声扫描技术444

12.6.1　机械扫描装置444

12.6.2　带传感器的自由臂扫描450

12.6.3　无位置传感器的自由臂扫描452

12.6.4　二维阵列扫描452

12.7　超声成像系统的技术指标453

12.7.1　轴向分辨率453

12.7.2　侧向分辨率454

12.7.3　对比灵敏度和噪声455

12.7.4　伪影455

12.8.2　脉冲Doppler超声成像456

12.8.1　Doppler频移456

12.8　Doppler超声成像456

12.8.3　彩色流动Doppler超声成像457

12.8.4　对Doppler超声成像的解释458

12.9　超声图像的质量控制458

12.9.1　图像的质量控制测量459

12.9.2　声能的功率和脉冲超声波的强度459

参考文献460

13　磁共振成像基础462

13.1　引言462

13.1.1　MRI技术的发展463

13.1.2　MRI学科的发展463

13.1.3　市场推动了MRI学科和技术的发展464

13.2.1　原子组成及其自旋特性465

13.2　核磁共振的物理原理465

13.2.2　原子核的自旋特性466

13.2.3　磁场中的原子核及其核磁共振466

13.2.4　射频场作用下的原子核及其Bloch方程468

13.2.5　NMR弛豫——Bloch方程472

13.3　MRI系统组成475

13.3.1　主磁体475

13.3.2　梯度线圈476

13.3.3　发射机477

13.3.4　RF线圈478

13.3.5　接收机479

13.4　磁共振成像方法和数学基础480

13.4.1 自由感应衰减、自旋回波、梯度场回波和反转回波480

13.4.2　梯度场效应和Fourier变换481

13.4.3　MRI成像的片选问题482

13.4.4　相位编码和频率编码原理483

13.4.5　MRI的图像重建484

13.4.6　k-空间数据重排的数学表达490

13.4.7　选择激发的数学方法491

13.5　MRI对比度机制495

13.5.1 T1对比度496

13.5.2　T2对比度496

13.5.3　质子密度加权像496

13.5.4　磁化转移成像497

13.5.5 Z方向谱测量498

13.5.6　扩散加权成像498

13.5.7　灌注成像500

13.5.8　血氧水平依赖性对比度502

13.5.9　反向恢复成像502

参考文献503

14　磁共振成像系统及其实现的关键技术505

14.1 引言505

14.2　主磁体和线圈506

14.2.1　主磁体的种类和设计要求506

14.2.2　梯度线圈的设计原理509

14.2.3　圆柱体表面电流产生的磁场和梯度线圈的目标场设计方法514

14.2.4　对梯度场屏蔽线圈的设计517

14.2.5　梯度线圈的最佳化设计519

14.3　RF线圈的设计520

14.3.1　RF线圈设计的基本结构和设计要求521

14.3.2　基于等效电路的设计思想522

14.3.3　基于导线方程的设计思想523

14.4　NMR谱仪529

14.4.1　NMR谱仪的基本组成529

14.4.2　射频信号的频率合成530

14.4.3　射频功率放大530

14.4.4　收发开关531

14.4.5　射频信号的接收通道531

14.4.6　射频收发的数字化设计531

14.4.7　软件NMR谱仪的设计533

参考文献536

15.1 富有挑战性的功能成像538

15.1.1　人体科学和脑科学提出的挑战538

15　脑功能成像538

15.1.2　研究工作的方法论和方法学539

15.1.3　科学问题和机遇540

15.1.4　技术和工具发展的重要性542

15.1.5　脑功能成像的现状544

15.2　脑功能成像的生物学基础547

15.2.1　葡萄糖代谢和脑功能成像547

15.2.2　脑活动时葡萄糖和氧代谢率的变化547

15.2.3　脑激活时葡萄糖代谢率的变化549

15.3　脑活动时的血流变化550

15.4　fMRI的实验设计555

15.4.1　用PET和fMRI开展脑的认知功能研究555

15.4.2　功能成像的实验设计方法概述557

15.4.3　主要脑认知功能的实验设计思想566

15.4.4　脑疾病的功能测量572

15.5　功能成像的数据分析和软件580

15.5.1　引言580

15.5.2　fMRI图像预处理中运动伪影及其校正方法581

15.5.3　BOLD fMRI的数据处理的统计方法585

15.5.4　基于微机的fMRI数据分析软件包606

15.6　脑功能成像举例614

15.6.1　人的视觉刺激下BOLD响应时间特性的研究614

参考文献625

16 医学图像的DICOM标准和PACS629

16.1 引言629

16.2　DICOM的基本概念632

16.2.1　概述632

16.2.2　对DICOM格式文件的阅读634

16.2.3　DICOM专用名词的定义635

16.2.4　DICOM标准中的基础部分638

16.2.5　DICOM标准图像文档的信息来源及与HIS/RIS之间的接口640

16.2.6　基于DICOM网络的诊断和验收测量643

16.2.7　DICOM部分的小结646

16.3 医学图像的管理和通讯系统647

16.3.1　引言647

16.3.2　PACS的定义649

16.3.3　PACS的发展650

16.3.4　PACS/IMACS的主要内容652

16.4　PACS的通讯：信息交流网络663

16.4.1　医学信息交流网络的定义664

16.4.2　传输线路666

16.4.3　通信线路的连接方式和通信方式668

16.5　公用数据网683

16.5.1　公用数据通信网的定义与性能要求683

16.5.2　公用数据通信网的交换方式684

16.6　PACS通信网络685

16.7　PACS的发展688

16.7.1　发展趋势688

16.7.2　PACS研究方向690

参考文献690

17　医学图像的处理、综合分析及应用691

17.1　引言691

17.1.1　医学图像处理和分析的基本内容691

17.1.2　图像配准693

17.1.3　医学图像的分割694

17.1.4　医学图像的融合695

17.1.5　医学图像的识别695

17.1.6　医学图像处理和分析在计算机辅助诊断中的应用695

17.2 医学影像的分割698

17.2.1　医学图像的分割方法综述698

17.2.2　应用模式识别分类方法对脑组织MR图像的分割研究举例704

17.3 医学图像的配准716

17.3.1　医学图像配准的应用背景716

17.3.2　医学图像配准方法概述716

17.3.3　图像配准理论718

17.4　医学影像的融合728

17.4.1　多模态医学图像融合简介728

17.4.2　图像融合技术的发展状况729

17.4.3　DOLP金字塔与ROLP金字塔731

17.4.4　基于小波金字塔的图像融合732

17.5　基于医学影像的乳腺癌计算机辅助诊断742

17.5.1　乳腺影像的采集和数字化742

17.5.2　乳腺影像的计算机分析744

17.5.3　乳腺内部组织的分割745

17.5.4　乳腺实性占位病灶的特征提取746

17.5.5　乳腺簇形钙化点的特征提取752

17.5.6　乳腺病灶的特征选择754

17.5.7　乳腺病灶的分类分析755

17.5.8　和其他医学影像数据的整合758

17.6　用X-射线CT影像数据进行肺部结节的自动检测761

17.7　基于医学影像的骨强度计算机辅助分析技术762

参考文献763

18　医学影像在肿瘤治疗中的应用771

18.1　引言771

18.2　医学影像导引下的外科手术775

18.3　影像导引的外科手术方法777

18.3.1　影像的获取777

18.3.2　影像导引外科手术对通讯网络的要求778

18.4　放疗计划中的医学影像学784

18.4.1　导言784

18.4.2　X-射线适形断层调强放疗中的影像学问题791

18.4.3　放疗中的图像显示技术795

18.5 医学影像技术在肿瘤治疗中应用的关键技术和今后的发展前景818

参考文献818

彩图821