本章将论述有关医学影像的基础知识，以及医学图像信息系统的原理和应用，读完本章后，你应该知道下面这些问题的答案：
关于图像的基础知识。图像的数字化含义是什么？什么是像素和维度？
常用的医学影像设备有哪些？它们的成像原理是什么？
如何实现医学图像的采集、存储和传输？
什么是PACS ？什么是DICOM 标准？
使用PACS 有什么好处？
9.1关于图像的基础知识
本节将主要介绍有关图像的基础知识，关于它的一些要素：大小、清晰度、色彩等等，所有这些要素从计算机的角度来看，都必须用数字表示才真正有意义。
9.1.1图像的构成与显示
图像的要素必须数字化才能够被计算机识别、储存和处理。除了图像的表观大小外，图像可以用像素和色彩来描述。
任何一个物体都可以分解成组成它的各个部分。分解的深度或细致程度取决于我们所要研究的对象。对于图像来说，所能分解的最小组分称为像素。比像素更小的单元在研究中没有任何实际意义。我们使用的计算机显示屏可以看作是由宽×高的点矩阵，这矩阵内的每一点就是一个像素。我们平时说的计算机显示屏是800×600，1024×768，1960×1280，就是指相应的显示屏的宽度和高度所包含的像素。
对于同一物体，如果使用不同分辨率的成像设备，得到的图像的像素可以有很大的差别。所以像素的多少不但与成像物体大小有关，而且与成像技术设备有关。也可以说像素是图像空间分辨率的重要标志。
每一个像素的显示都可能表现为亮度和色彩。而任何像素的亮度和色彩显示可以分解为三种基本色素的强弱组合。有时候我们可以在车站码头或其他公共场合看到一些大广告屏，上面的标语、画面就是我们通常看到的计算机显示屏的放大。那上面的每个点（即像素）里面都有3个发光单元（比如二极管），每个发光单元发出一种颜色的光，计算机通过调节控制每个发光单元光的强弱来实现一个像素的亮度和色彩的控制。
在计算机里，我们进一步把每个单色元素从最强到最弱（无光）分为若干层次，比如分为4个层次，这样3个单色元素就可能组合成4×4×4＝ 64种颜色。当然这是最简单的。
现在我们使用的计算机一般单色都分为128个层次或256个层次，所能组合成的颜色数已经远远超过了我们人眼的识别范围。以红蓝绿三种基色且各自分为256个层次为例。
事实上，黑白照片出现在彩色照片之前，黑白电影出现在彩色电影之前。医院里的X光照片也是黑白片，黑白影像是以灰度（即亮暗的程度）来体现被拍摄事物的表面信息的。
黑白影像的像素没有三种基本色素，它只有亮暗程度的差别，也就是常说的灰阶。
Windows 系统8比特的输出显卡，反映黑白影像时的灰阶是256个灰阶。由于Windows在调色盘上要独占20个位置，影像实际只有236个灰阶。因此普通显卡常常遇到灰阶不连续的问题。要完美的再现灰阶连续的黑白影像，就应选配专业的输出灰阶在10比特以上的显卡。
由此，在医学影像显示中常使用的伪彩概念也就很容易理解了，这是将黑白影像中的像素用彩色显示，其原则是：①不同灰阶用不同的彩色显示。②相邻灰阶的像素用相邻的色彩。伪彩显示的黑白影像可以帮助医生对疾病的诊断。
9.1.2图像的维度
所有图像都有维度。我们所在的空间是三维的，我们平常所说的平面图或立体图就是二维或三维图。二维图上的每个点有两个坐标，比如（x，y），三维图上的每个点有三个坐标，比如（x，y，z）。类推，四维图上的每个点有四个坐标，比如（x，y，z，t）。二维和三维图可以在平面上很直观地画出来，四维以上的图就不能在平面上显示了。
要注意的是，这里说的维度，可能是空间的维度，也可能是代表了别的物理量。比如医院里常常测量得到的心电图，就是以时间作为横轴，以心电压作为纵轴的二维图像，都与空间维度毫无关系。而CT 扫描将身体组织的一个个截面的二维图拼成该组织的立体图，即三维图。其中的坐标就正好是空间维度。
在这个基础上，我们可以进一步来理解四维图了。设想一个身体组织在某时刻的立体图，间隔1秒钟后，它可能是另一个形态，或者说另一个三维图。如果我们对这个组织有一系列的三维图，按时间顺序显示出来，这就是这个身体组织的四维图像了。电影就是将一系列的用二维表述的三维图，以时间顺序放映出来，借助于人眼的视觉暂留，在观众头脑里形成的四维图像。
9.2医学图像设备和仪器
从显微镜到1895年的X线的发明，近100多年的历史证明，医学图像成像技术的每一重大进展都给医学诊断和治疗技术带来极大的改变和发展，医学图像的成像方式也不断增加，而计算机技术和数字图像处理技术的迅速发展和普及，则进一步扩大了医学图像的应用范围。
经由计算机的医学图像成像有多种方法，但它们之间的相似之处是先用某种能量（例如射线或能量波）通过人体，与人体相互作用后对该能量进行测量，然后用数学的方法估计出该能量与人体组织相互作用（吸收、衰减、核磁扰动等）的二维、三维分布，把能量的强弱转换为显示的明暗或色彩的不同，就产生了图像。
下面介绍几种主要的医学图像。
（1）X线图像。利用人体器官和组织对X线的衰减不同，透射的X线的强度也不同这一性质，检测出相应的二维能量分布，并进行可视化转换，从而可获取人体内部结构的图像。
与常规X 片图像的形成过程相比，X线数字成像系统形成数字图像所需的X线剂量较少，能用较低的X线剂量得到清晰图像。可利用计算机图像处理技术对图像进行一系列处理，从而改善图像的清晰度和对比度等性能，得到更多的可视化诊断信息。
计算机X线摄影（computed radiography，CR）是X线平片数字化的比较成熟的技术。
CR 系统是使用可记录并可由激光读出X线成像信息的成像板（imaging plate，IP）作为载体，经X线曝光并读出处理信息，形成数字式平片图像。
数字X线摄影（digital radiography，DR）是在X线影像增强器——电视系统的基础上，采用模/数转换器将模拟视频信号转换成数字信号后送入计算机系统中进行存储、分析、显示的技术。数字X线摄影包括硒鼓方式、直接数字X线摄影（direct digital radiography，DDR）和电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）摄像机阵列方式等。
数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）是利用数字图像处理技术中的图像几何运算功能，将造影剂注入前后的数字化X线图像进行相减操作，获得两帧图像的差异部分——被造影剂充盈的血管图像。目前DAS 有时间减影（temporal sub医traction）、能量减影（energy subtraction）、混合减影（hybrid subtraction）和数字体层摄影减影（digital tomography subtraction）等类型。
（2）X线CT 图像。X线CT（computerized tomography，CT）是以测定X 射线在人体内的衰减系数为物理基础，采用投影图像重建的数学原理，经过计算机高速运算，求解出衰减系数数值在人体某断面上的二维分布矩阵，然后应用图像处理与显示技术将该二维分布矩阵转变为真实图像的灰度分布，从而实现建立断层图像的现代医学成像技术。概括地说，X线CT 图像的本质是衰减系数成像。
与传统的X线检查手段相比，CT 具有以下优点：能获得真正的断面图像，具有非常高的密度分辨率，可准确测量各组织的X线吸收衰减值，并通过各种计算进行定量分析。
（3）磁共振图像。磁共振图像（magnetic resonance imaging，MRI）系统通过对处在静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体组织中的氢原子受到激励而发生磁共振现象，当中止脉冲后，氢原子在弛豫过程中发射出射频信号而成像。目前MRI 成像技术的进一步研究仍主要集中在如何提高成像速度方面。另外，功能性MRI 的出现进一步扩大了磁共振影像的临床应用范围。磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）可以发现血管的疾病，与三维显示技术相结合能够为诊断提供更多的可视化立体信息。磁共振波谱分析（magnetic resonance spectroscopy，MRS）亦是研究的热门课题，有可能在获得病人解剖结构信息的同时又得到功能信息，将MRS 与MRI 进行图像融合，能够获得更多的有价值的诊断信息。
（4）超声图像。频率高于20000赫兹的声波称为超声波。超声成像（ultrasound system，US）就是利用超声波在人体内部传播时组织密度不连续性形成的回波进行成像的技术。依据波束扫描方式和显示技术的不同，超声图像可分为：A 型、M 型、断层图像的B型和多普勒D 型显示等。可能会给医学影像领域带来巨大影响的新的超声成像技术研究，是三维超声成像。三维超声影像具有图像立体感强、可以进行B 超图像中无法完成的三维定量测量、能够缩短医生诊断所需的时间等特点，是一种极具发展前景的超声成像技术。
（5）放射性核素图像。放射性核素成像（NM）技术是通过将放射性示踪药物引入人体内，使带有放射性核素的示踪原子进入要成像的组织，然后测量放射性核素在人体内的分布来成像的一种技术。放射性核素成像技术能够反映人体内的生理生化过程，能够反映器官和组织的功能状态，可显示动态图像，是一种基本无损伤的诊断方法。
（6）医用红外图像。人体是天然热辐射源，利用红外线探测器检测人体热源深度及热辐射值，并将其转变为电信号，送入计算机进行成像。红外图像用来诊断与温度有关的疾病。系统根据正常与异常组织区域的热辐射差，得出细胞新陈代谢相对强度分布图，即功能影像图，用于对浅表部位肿瘤、乳腺癌及皮肤伤痛等疾病的诊断。
（7）内窥镜图像。内窥镜是一种直接插入人体的腔管内进行实时观察表面形态的光学诊断装置。光纤内窥镜使用的纤维束有两种，一种是传递光源以照明视场的导光束；另一种是回传图像的传像束。电子内窥镜的发明为内窥镜影像的临床应用提供了一种新的技术，具有轮廓清晰、可以定量测量等特点，三维立体内窥镜系统还可产生逼真的立体图像。
（8）显微图像。显微图像一般是指利用显微镜光学系统获得的关于细胞、组织切片的二维影像。目前处理和分析显微图像的主要工具是图像分析仪，它应用数字图像处理技术、计算机技术和形态计量学方法，实现对细胞、组织的定量分析，并可进行三维重组和动态显示。
不同成像方法获得的数字图像像素不同，不同图像成像系统也影响图像像素显示亮度和色彩变化的层次。如某个X线图像成像系统的X线强度变化的转换数位是8bit，有0-255个变化层次级差，另一个X线图像采集系统的X线强度变化的转换数位是10bit，有0-1023个变化层次级差。对于同样幅度的X线，后一个X线图像采集系统记录了更多X线强度变化的细节，当X线强度变化转换成显示的明暗后，我们从显示图像上能看到更多明暗变化的细微差别，意味着能区分人体组织更多细节的差异。
不同成像方法在一次检查中所获取的图像数量差别很大，MRI 一组检查甚至可能获得上千幅图像。不同成像方法获取的人体信息也不一样，如核医学图像（NM），尽管只有1.6万像素，但因其能获取生理学信息，常用于肾功能检查。
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。
