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Fundamentals of Medical Imaging(医学成像基础) cover

生物医学工程

生物医学工程

Fundamentals of Medical Imaging(医学成像基础)

Paul Suetens

英文原名: Fundamentals of Medical Imaging

鲁汶大学保罗·叙滕斯编写的一本篇幅紧凑、插图丰富的课程教材,讲解医学图像形成和图像计算的数学与物理原理。在介绍数字图像处理之后,依次讨论各种主要成像模态,然后进一步介绍用于诊断、治疗和手术的图像分析与可视化。

需要的基础: 微积分、线性代数、大学物理入门,并对傅里叶变换有一定了解。

难度等级
中级
学术层次
本科
medical imagingimage reconstructionmricomputed tomographyimage analysis教科书

01 / 导读

导读

引用

Suetens, P. (2017). Fundamentals of Medical Imaging (3rd ed.). Cambridge University Press.

章节概要

全书共八章,约250页,后附简短的“延伸阅读”和索引。出版社的介绍说明了其结构:先有一章数字图像处理导论,然后五种成像方式各占一章,最后两章讲图像计算与可视化。据出版社介绍,每一章成像方式的内容都包括基本物理及其与组织的相互作用、图像重建过程、图像质量、现代设备、临床应用,以及生物学效应与安全。

第1章:数字图像处理导论

开篇的短章(14页),按出版社介绍所述,把数字图像处理放在各种成像方式之前。

第2章:X射线摄影

一章18页,讲投影X射线成像,遵循各成像方式共同的模式:物理、图像形成、图像质量、设备、临床应用和安全。

第3章:X射线计算机断层成像

一章38页,讲计算机断层成像(CT)。由投影重建图像是CT的核心,这一主题在核医学一章中再次出现。

第4章:磁共振成像

最长的一章(49页)。它先简要回顾核磁共振和磁共振成像的历史,然后指出完整地说明核磁共振需要量子电动力学,这超出了本书的范围,因而改用基于经典力学和量子力学的简化说明。它从带有角动量和磁矩的单个粒子在外磁场中的行为出发,再转到宏观物质。

第5章:核医学成像

从放射性核素成像的历史讲起,从直线扫描仪到Anger闪烁相机,并把这里的断层重建与X射线CT联系起来。它介绍单光子发射计算机断层成像(SPECT)和正电子发射断层成像(PET),后者探测成对的光子。

第6章:超声成像

解释脉冲回波原理(在组织界面上部分反射,通过计时定位组织)以及声传播的其他现象:衍射、折射、衰减、色散和散射。它还讲述血液和心肌速度的多普勒成像,并有历史性的介绍。

第7章:医学图像计算

以每个病例的图像数量不断增加、对客观定量信息的需求不断增长来说明为什么需要计算机辅助,并以放射治疗计划和神经系统疾病为例。它指出三维可视化需要经过滤波的稀疏数据,这意味着需要对图像进行智能预处理。该章开篇举了放射治疗中勾画照射体积及邻近危及器官的例子。

第8章:诊断与治疗的可视化

介绍临床上有用的可视化方法,从重新切片和三维显示到计算机辅助介入,即利用术前图像做计划,并在手术室中把它与患者配准。立体定向脑外科被描述为开创性的应用。

核心概念

第1–3章:图像处理与X射线成像

  • 数字图像处理:所有成像方式共同的基础。
  • 投影成像与断层重建:由X射线透射数据形成图像。

第4–6章:磁共振、核医学与超声

  • 核磁共振:自旋角动量和磁矩在外磁场中的行为,用简化的经典和量子论证来处理。
  • SPECT与PET:放射性核素分布的断层成像,后者利用成对的光子。
  • 脉冲回波与多普勒超声:用回波时间确定位置,用频移确定速度。
  • 图像质量与安全:在每个成像方式的章节内讨论。

第7–8章:图像计算与可视化

  • 定量图像分析:从图像中获取客观测量值,减轻并辅助放射科医生的工作。
  • 三维可视化:显示体数据,而不是逐层查看。
  • 计算机辅助介入:根据术前图像进行手术规划和引导。

评析

优点

  • 读者对象和层次明确。 前言说明本书是面向具有物理、数学或工程背景的研究生和本科高年级学生的课程教材,数学证明和细节放在单独的段落中,跳过不会影响阅读的连贯。作者还说明努力使生物医学科学家和临床医生也能读懂。
  • 重点在于图像如何计算。 前言指出,重点始终放在图像是如何计算出来的,设备设计、临床考量和诊断则篇幅较少。这使本书成为一部关于跨成像方式的图像形成的连贯入门。
  • 把采集与图像计算放在一起。 五种成像方式之后,有两章讲述用于诊断、治疗和手术的图像计算与可视化。
  • 插图与多媒体。 前言提到约400幅彩色插图和80段视频。《核医学杂志》(Journal of Nuclear Medicine)2010年刊出 Tinsu Pan 对第二版的书评,高度推荐本书给成像科学家,并指出对各种成像方式的叙述前后连贯。

局限

  • 有意简明。 约250页要容纳五种成像方式的章节和另外三章,所以每种成像方式的篇幅都很紧凑(例如X射线摄影仅18页)。前言说明这部分内容对应一个30学时的模块,并且书中材料比这更多。
  • 不是认证考试用书。 《核医学杂志》对第二版的书评说,本书未必适合准备放射学或医学物理学委员会认证的读者,因为它集中于成像设备的开发。前言也说明设备设计和临床诊断处理得较简略。
  • 目录中看不到习题或附录。 本版的目录列有八章、延伸阅读和索引。第二版有关于线性系统理论的附录、习题和配套网站,因此在依靠第三版做习题练习之前,应先确认是否有同类材料。

在课程中的定位

与Prince和Links相比,Suetens是一部篇幅较短、插图丰富的五种成像方式概览,约250页,而对方约500页。Prince 和 Links 的 Medical Imaging Signals and Systems 用平行的信号与系统框架处理同样五种成像方式,第一部分有很长的数学基础,适合已经学过信号与系统课程的学生。Suetens 的前言把数学证明放在可以跳过的单独段落中,而 Prince 和 Links 的前言则期望读者已学过信号与系统和初等概率论,因此初读时 Suetens 是更轻松的路线。

Smith 和 Webb 的 Introduction to Medical Imaging 是对主要临床成像方式更为简明的入门,Wolbarst 等人的 Medical Imaging: Essentials for Physicians 则从概念上向影像使用者解释物理原理。在另一端,The Essential Physics of Medical Imaging 是面向放射科住院医师和医学物理师的综合性参考书,Barrett 和 Myers 的 Foundations of Image Science 是对成像数学和图像质量评估的研究生层次论述。Suetens 位于这些入门书与参考书之间。

如何使用本书

先读前言和第1章,然后按顺序或按需要读各成像方式的章节。X射线摄影和CT(第2–3章)引入了投影与重建,有助于理解核医学成像(第5章);磁共振(第4章)是最长的一章,其物理同时用到经典和量子论证,可以放在其他章之后读。第7、8章适合要走向图像分析、计算机辅助手术或放射治疗计划的学生,读过任何一个成像方式的章节后即可阅读。

初读时可把标出的数学细节当作选读,在为课程考试或项目做准备时再回头读。由于目录中看不到习题部分,可以让教师提供习题,或配合 Prince 和 Links 这类偏信号方向的教材做题,并利用延伸阅读部分深入某一种成像方式。