医学影像工作原理及图像获取方式
2.2医学超声影像工作原理
超声是指高于人耳听觉范围的声波，通常是指频率高于20 kHz的高频振动机检波，应用于医学诊断的超声频率一般在1MHz至几十MHz之间。自1958年商用超声成像产品问世以来，超声医学设备以其实时性、对人体无损伤、无痛苦、显示方法多样，尤其对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处而成为在医学中应用最为广泛的成像设备之一。
超声在医学中的重要作用在于它不但可以穿透人体，而且可以与身体组织相互作用。超声波穿过人体时要经过折射和反射，这可发生在超声波经过的任何交界面上，其作用就如同光束经过一个非均匀物质一样。超声波的波长很短，从而易于窄脉冲波束的实现，因此超声换能器可以做得小而紧凑。
超声在临床应用中主要分为诊断与治疗两个方面：超声诊断采用的是较高频率（多在2MHz以上）与较低声强的超声波，高频可提高对组织的分辨率，用以获得清晰、细致的声像图，而低声强则可降低对组织损伤的副作用。超声治疗采用的是较低频率（通常<1MHz）与较高声强的超声波，低频超声增大对组织的穿透率，而高声强（特别是聚焦后）超声可对组织产生生物效应，用于选择性破坏局灶性病变。 2.2.1超声设备与种类
超声诊断主要应用超声良好的指向性和与光相似的反射、散射、衰减及多普勒(Doppler)效应等物理特性，采用不同的扫查方法，将超声发射到人体内，并在组织中传播，当正常组织或病理组织的声阻抗有一定差异时，它们组成的界面就会发生反射和散射，再将此回波信号接收，加以检波等处理后，显示为波形、曲线或图像等。由于各种组织的界面形态、组织器官的运动状况和对超声的吸收程度等不同，其回波有一定的共性和某些特性，结合生理、病理解剖知识与临床医学，观察、分析、总结这些不同的规律，可对患病的部位、性质或功能障碍程度做出概括性以至肯定性的判断。 超声诊断仪由主机和探头构成，均包括发射、扫查、接收、信号处理和显示等五个部分。超声诊断仪的种类很多，而且互有交叉，按照显示回波方式和空间的不同，主要包括以下几种：
1．A型(Amplitude Mode)超声
A型超声是最早出现的一维超声诊断技术，它将声束传播位置上的组织按距离分布的回波信息在显示器上以幅度调制的形式显示，并从回波的幅度大小、形状及位置进行诊断，回波强则波幅高，回波弱则波幅低。常用A型法测量界面距离、脏器径值以及鉴别病变的物理性质，它是现代各种超声成像的物理基础。 2．B型(Brightness Mode)超声
B超是把组织的一个断层面上的超声回波信息以二维分布形式显示出来，组织内的散射、反射回波信息以辉度调制方式显示，回波强则光点亮，回波弱则光点暗。光点随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫查，由于扫查连续，可以由点、线而扫描出脏器的解剖切面，它是二维空间显示，又称二维超声。 按其成像速度的不同，可分为慢速成像和快速成像，慢速成像只能显示脏器的静态解剖图像，由于每帧图像线数甚多，图像清晰，扫查的空间范围较大。快速成像能显示脏器的活动状态，也称为实时(ReaITime)显像诊断法，但所显示的面积较小，每幅图像线数与每秒显示的帧数相互约制，互为反比。按照扫描方式的不同，又可分为电子线性扫描、电子凸阵扫描、机械扇形扫描和相控阵扫描等。 3．M(Motion Mode)型超声
M超是在辉度调制型中加入侵扫描锯齿波，使回声光点从左向右自行移动扫描，故它是B型超声的一种特殊的显示方式。常以此法探测心脏，可获得心脏结构与运动变化、血流时空信息及其周邻关系等定量结果，也称作M型心动图。 4．D(Doppler)型超声
D型超声采用多普勒效应原理设计，也称多普勒超声。利用多功能彩色多普勒可获得头部、颈部、心脏、腹部、胎儿等的二维图像；利用多普勒超声听诊能够早期听取胎心、胎动及进行胎心的监测等；彩色多普勒超声CDFI(Color Doppler Flow Imaging)，可显示血流的向背方向（颜色的深浅代表血流的快慢），使用伪彩色编码技术标明动脉图中血流的方向和速度，从而能够显示血管的模拟三维图像。现在，超声频谱多普勒探测血流的研究工作已取得很大的成就，彩色多普勒的出现，使之更趋完美。 5．三维超声
计算机技术的发展已使三维超声成像成为现实。三维超声成像需要特殊的探头和软件以收集并产生图像，构成立体图像的方法有数种，目前面市的仪器多为在二维图像的基础上利用计算机进行三维重建，尚未达到实时三维图像。三维图像使得容积测量更为精确，诊断更为精细、准确，医生可以很容易地诊断出组织的异常。
在产科成像中，三维扫描可以了解胎儿的发育状况，尤其是在先天疾病的诊断方面，如先天性脊柱、嘴唇、手指、脚趾和耳朵等缺陷及先天性胎儿心脏畸形的诊断(如图2.1)。 6．超声显微镜 与光学显微镜、电子显微镜的原理类似，利用特高频超声也可显示组织器官的细微结构。目前应用的超声显微镜有100MHz、450MHz等，检测深度仅数毫米，可检测表浅组织结构细胞分子水平的动态变化。
虽然超声仪器多种多样，但应用领域各有不同。在国内目前用于前列腺诊断的是二维B型超声诊断仪，我们在课题中用到的图像就是从B超采集下来的图像，下面我们对B型超声诊断仪做进一步的介绍。 2.2.2 B超及其成像原理
B超成像的基本原理是：向人体发射一组超声波,按一定的方向进行扫描。根据监测其回声的延迟时间,强弱就可以判断脏器的距离及性质。经过电子电路和计算机的处理, 形成了我们今天的B超图像。B超的关键部件就是我们所说的超声探头 (probe),其内部有一组超声换能器,是由一组具有压电效应的特殊晶体制成。这种压电晶体具有特殊的性质,就是在晶体特定方向上加上电压,晶体会发生形变,反过来当晶体发生形变时,对应方向上就会产生电压,实现了电信号与超声波的转换[9]。图2.2是B超的一般成像原理图。 B超的工作过程为：当探头获得激励脉冲后发射超声波（同时探头受聚焦延迟电路控制,实现声波的声学聚焦），然后经过一段时间延迟后再由探头接受反射回的回声信号,探头接收回来的回声信号经过滤波,对数放大等信号处理。然后由DSC电路进行数字变换形成数字信号,在CPU控制下进一步进行图像处理, 再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成我们所熟悉的B超图像,也称二维黑白医学图像。我们下面的研究工作就是针对B超图像进行的。
彩超并不是看到了人体组织真正的颜色,而是在黑白B超图像基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩色而形成的。那么何谓多普勒效应呢,当我们站在火车站台上听到从远处开来的火车汽笛叫声会比远离我们的火车汽笛叫声音调要高,也就是说对于静止的观测者来说,向着观测者运动物体发出的声波频率会升高,相反频率会降低,这就是著名的多普勒效应。现代医用超声就是利用了这一效应,当超声波碰到流向远离探头液体时回声频率会降低,流向探头的液体会使探头接收的回声信号频率升高。利用计算机伪彩色技术加以描述,使我们能判定医学图像中流动液体的方向及流速的大小和性质,并将此叠加在二维黑白医学图像上,形
成了彩超图像。 2.3医学图像的获取
在处理医学图像之前，我们需要采集到大量的医学图像用于实验研究，这就要求我们必须对医学图像采集系统和主要的采集方式有一定的了解，本节就将着手研究这个问题。 2.3.1医学图像采集系统
常见的医学图像采集系统主要包括二维B超成像系统和三维超声重建系统，下面我们将对它们的结构、组成部分及工作原理做一简要介绍[10]。 2.3.1.1二维B超成像系统
由于电子技术的发展，实时B型超声显像仪应用于临床，它可以实时获得人体器官组织的解剖结构图像，为诊断疾病提供了大量直观的信息，由于它具有无创、非侵入性、实时、操作简便等优点，已成为各级医院的重要常规设备。
B超的显示方式采用亮度调制方式来显示回波信号的强弱，回波幅度大，亮度强，幅度小，亮度弱，B型超声其换能器即探头所发射和接收的超声波方向按一定规则扫查某平面，所显示的即为该平面的二维截面图像。B超系统的原理及结构如图2.5所示，系统主要组成部分包括：
★ 探头：即超声换能器，发射与接收超声波，一般有电子相控阵探头，电子凸阵探头和电子线阵探头。
★ 发射电路：提供高压电脉冲给换能器，使探头发射超声波。
★ 接收隔离与放大：为接收微弱回波信号，并提供足够大回放信号给后级处理，故需进行高增益放大：同时为防止高压发射脉冲击损高增益放大器，必须加接收隔离电路。 ★ 检波：检出回波信号的振幅。
★ 信号处理与视放：视放将检波后的信号放大到显示器所需电平，信号处理将根据不同的显示方式和要求而放大。
★ 显示器：以适当方式显示出回波信息
★ 时序电路：提供发射触发电信号，TGC控制信号，显示器时基等。 2.3.1.2三维超声重建系统
三维超声系统结构如图2.6所示，系统是一台普通二维B超，一块基于PCI总线结构的图像采集卡和一套微机组成。将超声探头扫查得到的组织医学图像，通过超声三维重建系统处理，最终直观真实地显示出来，便于临床医生进行观察、切割、测量，达到准确评估诊断的目的。
★ 图像采集：按照一定的扫查方式，使普通二维B超获得一系列二维图像系列，经过采集卡完成图像的模/数转换，送至后续三维重建系统处理。
★ 预处理：目前，模拟图像信号通过采集卡转换成的数字图像信号，多以两种格式存储于计算机中，一是多媒体文件格式(AVI)，二是扫描仪文件格式(RAW)。为了方便利用各种图像编辑器处理二维超声断层图像，我们必须将其转换为常用的图像文件BMP格式，这是预处理任务之一。另外，医学图像的分辨率和对比度较小，噪声回波干扰较大，有必要采用一些噪声抑制方式，消除或减弱噪声信号对三维重建系统的影响。
★ 断层定标：是系统关键组成部分之一。由于通过超声探头扫查得到的超声断层图像系列之间的空间位置关系不确定，必须通过某种方法来确定断层间的位置关系，以保证三维重建的保真度。
★ 目标图像处理：为了满足临床医生明确诊断的要求，有必要将感兴趣目标从背景图像中分割提取出来，便于进一步观察、测量、分析。
★ 体数据建立：该程序功能块主要完成将一系列不规则排列的二维图像转换到三维晶格坐标系。
★ 显示：三维图像的可视化研究也是超声三维重建系统的重要组成部分，它是指将三维数据投影到二维显示平面上，它除了要求达到形象逼真的显示效果外，还要求提供快速完整地理解病人脏器组织的解剖结构与功能。 2.3.2 医学图像采集
2.3.2.1 医学图像采集处理系统 无论何种方式，我们均需利用图像采集卡完成从影像设备到计算机数据格式的转换。在图像采集系统中，图像信号的输入源为超声诊断仪的视频输出，视频信号的采样接口采用CPE3000图像采集卡。CPE3000是基于微型计算机PCI总线结构的彩色图像采集卡。它采用先进的数字解码方式，将标准输入的PAL制式、NTSC制式、SECAM制式的复合彩色(或黑白)视频信号或S-Video信号(即Y-C分离信号)数字化，经解码后转换为适于图像处理的RGB-24bits格式的数字信息，然后通过PCI总线实时传送到PC机系统内存(或视频显示缓冲区)。如果使用离线方式读取影像设备中的数据，即将存储于磁带上的数据读入计算机，再转换为我们需要的文件格式。 2.3.2.2 医学图像采集方式 1. 探头扫查方式：
目前具体的扫查方式有三种：
① 平行扫查：适用于大部分腹部静态组织，行程一般3-5CM，速度1CM/S；
② 扇形扫查：适合于声窗较小的组织器官的扫查，角度30-45 ，角度过大使回声因折射而衰弱，而对图像有不良影响；
③ 旋转扫查：由于对操作者要求较高，易发生中心偏差，故很少使用。 2. 图像采集时应注意的几个问题：
① 获得清晰的二维图像：目前的三维超声成像是以采集得到的二维医学图像为基础重建，故采集的各帧二维医学图像清晰是三维超声重建成功的关键之一。
② 避免运动：人体各器官均会受到呼吸运动的影响，在采集过程中让病人尽量屏住呼吸，避免运动带来的偏差。
③ 扫查速度：要求操作者尽量匀速平行或扇形扫查，一般速度不超过1 CM/S。忽快忽慢会造成三维医学图像扭曲失真，影响诊断的正确性。 2.4图像格式转换
目前通过图像采集卡，影像设备产生的数据以两种格式存储于计算机中:一是多媒体文件格式(AVI文件)，二是扫描仪文件格式(RAW文件)。为方便利用各种图像编辑器处理二维断层图像，我们将其转换为常用图像文件BMP格式。 2.4.1图像文件格式 1.BMP文件格式
Windows BMP格式是由Microsoft推出的一种格式，它将图像存储为一种与设备无关的位图（DIB）。
如图1所示，BMP文件由一个文件头BITMAPFILEHEADER，一个位图头BITMAPIN- FOHEADER，一个调色板(24位真彩色图像没有)和图像本身数据(位图阵列信息)构成。 2. AVI(audio-video interleaved)文件格式
Microsoft制定的AVI标准格式是一种软件辅助的数字化视频压缩技术，它用于获取、编辑以及显示音频/视频序列。一般说来，AVI文件包含了不同类型的数据流。这里我们介绍只包括视频和音频数据的AVI文件。AVI文件的存储格式如图2所示，这种交错的存储保证了视频画面与音频同步。
AVI文件用的是AVI RIFF形式，AVI RIFF形式由字串‘AVI’标识。所有的AVI文件都包括两个必须的LIST块。这些块定义了流和数据流的格式。AVI文件可能还包括一个索引块。
这个任选块给出了文件中这些数据块的地址。 3. RAW文件格式
此处的RAW文件格式特指采集卡所配的采集程序采集的视频序列存储于磁盘上的文件格式。对于灰度图像，文件最后四个字节用来表示图像的宽度和高度(各2个字节)。每个象素的灰度值用一个字节表示，从左到右、从上到下排列，中间没有间隔。对于彩色图像，文件最前面四个字节用来表示图像的宽度和高度。 2.4.2图像文件格式转换
1.AVI格式到BMP格式的转换
利用Microsoft Visual C++的某些函数，我们可以较为简单地实现AVI到BMP的转换。其步骤如下：
1、初始化AVI文件库。
2、以读方式打开AVI文件，获取相应流入口地址。
3、从特定的视频流中解压视频帧，保存为一组BMP文件。 4、释放资源等。
2.RAW格式到BMP格式的转换
要将RAW格式转换为BMP格式，首先必须将其转换为DIB，然后在DIB前加上文件头BITMAPFILEHEADER成为BMP文件。
RAW格式是灰度图像存储于磁盘上的格式。其转换为DIB的步骤如下： 1、打开RAW文件，读取文件最后四个字节，分别为DIB的宽和高。 2、初始化BITMAPINFOHEADER头。 3、为DIB分配内存。 4、设置调色板。
5、将BITMAPINFOHEADR和图像数据写入DIB。 2.4.3医学成像与传输标准协议（DICOM）
医学数字成像与传输（DICOM）标准是医学影像设备间联网所用的专用数字接口进行网络通信时应满足的标准协议。它定义了医疗领域的一系列信息对象及它们间的关系和通信时发送和应答的命令集和消息集。
为解决各种影像设备相互通信的问题，由代表医学影像设备使用者的美国放射学会ACR（American College of Radiology）和美国国家电器制造商协会 NEMA（National Electrical Manufacturers Association）共同制定了一种规定数字医学影像和相关信息格式及信息交换方法的标准（digital imaging and communications in medicine，医学数字成像和通信标准,缩写为DICOM,医学数字图像通信标准）。DICOM 3.0公布于1992年，用来规范不同厂商的影像设备和PACS 设备的互联和通信。DICOM 3.0规定了遵从这个标准的设备如何对命令和传输的数据作出反应。通过服务类(Service Class)的定义规定了命令和相关数据的语义。DICOM 3.0不仅为影像和图形，而且为研究和报告等其他内容引入了信息对象机制。DICOM 3.0标准的产生为不同厂家影像设备的互联和多源数字影像的通信问题扫清了障碍，使符合该标准的医学影像信息能够在标准的网络上（例如OSI和TCP/IP）进行传输。目前，越来越多的医疗设备厂商宣布支持DICOM 3.0标准。由此国内外多种研究机构开始将符合DICOM 3.0标准的信息引入到PACS（医学影象存档与通信）系统中。
目前，很多大医院所采用的医学影响系统都采用了DICOM 3.0标准，这样不仅保留了图像信息，还可以随时获取窗宽、窗位等大部分原始信息。方便了医生进行诊断与治疗。因此，对DICOM格式的图片有一定的了解是有必要的。 我们将获取的DICOM医学图像转录到普通微机中，转换格式为通用的BMP格式，就可以进行我们的算法研究了。DICOM格式转换为DIB的步骤如下：
1、打开DCM文件，读取文件头中文件宽、高、灰度级等字节数据。 2、初始化BITMAPINFOHEADER头。 3、为DIB分配内存。 4、设置调色板。
5、找到图像数据起始位置，将数据指针指向图像数据单元。 6、将BITMAPINFOHEADR和图像数据写入DIB。
文件头中其它的信息我们暂时可以不做处理，这里我们仅使用图像象素信息。
DICOM医学数字图像通信标准由于其具有大量的医学影像信息，具有很好的通用性，目前已经得到了很广泛的应用，在很多大医院或研究机构普遍使用，这将是未来图像处理研究领域的一个热点。
医学影像工作原理与图像获取方式
