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Fundamentals of Medical Imaging(醫學影像基礎) cover

生物醫學工程

生物醫學工程

Fundamentals of Medical Imaging(醫學影像基礎)

Paul Suetens

英文原名: Fundamentals of Medical Imaging

魯汶大學保羅·蘇滕斯所著、篇幅精簡且圖解豐富的課程教科書,說明醫學影像形成與影像運算的數學與物理原理。在介紹數位影像處理之後,依序討論各主要影像模態,再進一步談到用於診斷、治療與手術的影像分析與視覺化。

需要的基礎: 微積分、線性代數、普通物理,以及對傅立葉轉換有基本認識。

難度等級
中級
學術層次
大學部
medical imagingimage reconstructionmricomputed tomographyimage analysis教科書

01 / 導讀

導讀

引用

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

章節概要

全書共八章,約250頁,後附簡短的「延伸閱讀」和索引。出版社的介紹說明了其結構:先有一章數位影像處理導論,然後五種成像方式各佔一章,最後兩章講影像計算與視覺化。據出版社介紹,每一章成像方式的內容都包括基本物理及其與組織的相互作用、影像重建過程、影像品質、現代裝置、臨床應用,以及生物學效應與安全。

第1章:數位影像處理導論

開篇的短章(14頁),按出版社介紹所述,把數位影像處理放在各種成像方式之前。

第2章:X光攝影

一章18頁,講投影X光成像,遵循各成像方式共同的模式:物理、影像形成、影像品質、裝置、臨床應用和安全。

第3章:X光電腦斷層成像

一章38頁,講電腦斷層成像(CT)。由投影重建影像是CT的核心,這一主題在核醫學一章中再次出現。

第4章:磁振造影

最長的一章(49頁)。它先簡要回顧核磁共振和磁振造影的歷史,然後指出完整地說明核磁共振需要量子電動力學,這超出了本書的範圍,因而改用基於經典力學和量子力學的簡化說明。它從帶有角動量和磁矩的單個粒子在外磁場中的行為出發,再轉到宏觀物質。

第5章:核醫學成像

從放射性核種成像的歷史講起,從直線掃描器到Anger閃爍相機,並把這裡的斷層重建與X光CT聯絡起來。它介紹單光子發射電腦斷層成像(SPECT)和正電子發射斷層成像(PET),後者探測成對的光子。

第6章:超音波成像

解釋脈衝回波原理(在組織介面上部分反射,透過計時定位組織)以及聲傳播的其他現象:衍射、折射、衰減、色散和散射。它還講述血液和心肌速度的都卜勒成像,並有歷史性的介紹。

第7章:醫學影像計算

以每個病例的影像數量不斷增加、對客觀定量資訊的需求不斷增長來說明為什麼需要電腦輔助,並以放射治療計劃和神經系統疾病為例。它指出三維視覺化需要經過濾波的稀疏資料,這意味著需要對影像進行智慧預處理。該章開篇舉了放射治療中勾畫照射體積及鄰近危及器官的例子。

第8章:診斷與治療的視覺化

介紹臨床上有用的視覺化方法,從重新切片和三維顯示到電腦輔助介入,即利用術前影像做計劃,並在手術室中把它與病人配準。立體定向腦外科被描述為開創性的應用。

核心概念

第1–3章:影像處理與X光成像

  • 數位影像處理:所有成像方式共同的基礎。
  • 投影成像與斷層重建:由X光透射資料形成影像。

第4–6章:磁共振、核醫學與超音波

  • 核磁共振:自旋角動量和磁矩在外磁場中的行為,用簡化的經典和量子論證來處理。
  • SPECT與PET:放射性核種分佈的斷層成像,後者利用成對的光子。
  • 脈衝回波與都卜勒超音波:用回波時間確定位置,用頻移確定速度。
  • 影像品質與安全:在每個成像方式的章節內討論。

第7–8章:影像計算與視覺化

  • 定量影像分析:從影像中獲取客觀測量值,減輕並輔助放射科醫生的工作。
  • 三維視覺化:顯示體資料,而不是逐層檢視。
  • 電腦輔助介入:根據術前影像進行手術規劃和引導。

評析

優點

  • 讀者物件和層次明確。 前言說明本書是面向具有物理、數學或工程背景的研究生和本科高年級學生的課程教材,數學證明和細節放在單獨的段落中,跳過不會影響閱讀的連貫。作者還說明努力使生物醫學科學家和臨床醫生也能讀懂。
  • 重點在於影像如何計算。 前言指出,重點始終放在影像是如何計算出來的,裝置設計、臨床考量和診斷則篇幅較少。這使本書成為一部關於跨成像方式的影像形成的連貫入門。
  • 把採集與影像計算放在一起。 五種成像方式之後,有兩章講述用於診斷、治療和手術的影像計算與視覺化。
  • 插圖與多媒體。 前言提到約400幅彩色插圖和80段影片。《核醫學雜誌》(Journal of Nuclear Medicine)2010年刊出 Tinsu Pan 對第二版的書評,高度推薦本書給成像科學家,並指出對各種成像方式的敘述前後連貫。

侷限

  • 有意簡明。 約250頁要容納五種成像方式的章節和另外三章,所以每種成像方式的篇幅都很緊湊(例如X光攝影僅18頁)。前言說明這部分內容對應一個30學時的模組,並且書中材料比這更多。
  • 不是認證考試用書。 《核醫學雜誌》對第二版的書評說,本書未必適合準備放射學或醫學物理學委員會認證的讀者,因為它集中於成像裝置的開發。前言也說明裝置設計和臨床診斷處理得較簡略。
  • 目錄中看不到習題或附錄。 本版的目錄列有八章、延伸閱讀和索引。第二版有關於線性系統理論的附錄、習題和配套網站,因此在依靠第三版做習題練習之前,應先確認是否有同類材料。

在課程中的定位

與Prince和Links相比,Suetens是一部篇幅較短、插圖豐富的五種成像方式概覽,約250頁,而對方約500頁。Prince 和 Links 的 Medical Imaging Signals and Systems 用平行的訊號與系統框架處理同樣五種成像方式,第一部分有很長的數學基礎,適合已經學過訊號與系統課程的學生。Suetens 的前言把數學證明放在可以跳過的單獨段落中,而 Prince 和 Links 的前言則期望讀者已學過訊號與系統和初等機率論,因此初讀時 Suetens 是更輕鬆的路線。

Smith 和 Webb 的 Introduction to Medical Imaging 是對主要臨床成像方式更為簡明的入門,Wolbarst 等人的 Medical Imaging: Essentials for Physicians 則從概念上向影像使用者解釋物理原理。在另一端,The Essential Physics of Medical Imaging 是面向放射科住院醫師和醫學物理師的綜合性參考書,Barrett 和 Myers 的 Foundations of Image Science 是對成像數學和影像品質評估的研究生層次論述。Suetens 位於這些入門書與參考書之間。

如何使用本書

先讀前言和第1章,然後按順序或按需要讀各成像方式的章節。X光攝影和CT(第2–3章)引入了投影與重建,有助於理解核醫學成像(第5章);磁共振(第4章)是最長的一章,其物理同時用到經典和量子論證,可以放在其他章之後讀。第7、8章適合要走向影像分析、電腦輔助手術或放射治療計劃的學生,讀過任何一個成像方式的章節後即可閱讀。

初讀時可把標出的數學細節當作選讀,在為課程考試或專案做準備時再回頭讀。由於目錄中看不到習題部分,可以讓教師提供習題,或配合 Prince 和 Links 這類偏訊號方向的教材做題,並利用延伸閱讀部分深入某一種成像方式。