现代医学影像物理学PDF电子书下载

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PACS 629

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