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Med. Mess- und Automatisierungssysteme (Imaging) 醫(yī)療用檢測和自動系統(tǒng)（圖像） 這是針對Informatik專業(yè)的叫法，對其它專業(yè)這門課叫Medizinische Bildgebung(醫(yī)學成像)。
主要是對現代醫(yī)學影像技術進行一次粗略的全面了解。重點是CT，MRT,MPI等。當然還包括其它的一些重要的影像系統(tǒng)。例如PET，X光，超聲波等。
下面按照章節(jié)的順序進行一次復習，并將重點整理出來，放在這里。
第一章介紹了這門課程的內容：
Teil 1: Grundlagen der Signalverarbeitung （信號處理的基礎）
Elementare Zusammenh??nge in der Signalverarbeitung Systemtheorie abbildender Systeme
18./25. Okt. 2010 01. Nov 2010
用三節(jié)課的時間介紹成像系統(tǒng)中的信號處理。
Teil 2: Hauptmodalit??ten der modernen Bildgebung（現代醫(yī)學成像技術的主要形式）
Ultraschall (US) 超聲波
Allgemeine R??ntgensysteme (X-Ray) X-光
Computertomographie (CT) 計算機斷層掃描
Nukleardiagnostische Bildgebung (SPECT/PET) 正電子發(fā)射斷層掃描
Magnetresonanztomographie (MRT) 核磁共振成像
1. . 8./15. 15./22. Nov. 2010
29. Nov. u. 6./13. Dez. 2010
20. Dez. 2010
10./17./24./31. Jan. 2011
這是這門課程的最核心部分。介紹了現代醫(yī)學成像最主流的一些技術。
Teil 3: Wrap-Up （結尾）
Magnetic Particle Imaging (MPI), 磁微粒成像
μCT, Tomosynthese, Infrarot-Bildgebung (IR),
Portal Imaging, elektrische/magnetische Impedanz-Tomographie
(EIT/MIT), Compton-Kamera, akustische Kamera, CCDSysteme,
moderne Mikroskopie, Fluoreszenz-Bildgebung,
optische Koh??renztomographie (OCT)
7./14. Feb. 2010
最后對一些不是最主流的技術進行打包處理。包括紅外，光學相干等。
第二章，信號處理
為了將連續(xù)的模擬信號轉換成離散的數字信號，首先需要的是step function階梯函數，然后是dirac comb狄拉克梳狀函數。
接下來的內容是傅里葉轉換。將信號從時域轉換到頻域。
莫阿效應
Der Moiré-Effekt macht sich bei der überlagerung von regelm????igen fe Rastern durch zus??tzliche scheinbare grobe Raster bemerkbar.
莫阿效應使得當注視重疊的數個細光柵時，其看起來好像粗糙的光柵一樣。
這將影響圖像顯示的效果。但是在服裝業(yè)卻能帶來奇特的效果。
Shannon‐Whittaker Interpolation
惠特克-香農采樣定理
第三章，圖像系統(tǒng)理論
1，Model of the Imaging Process 圖像處理的模型
 
2，Resolution and Structure 分辨率和結構
3，Modulation Transfer Function (MTF) 調制轉換功能
4，Imaging Layers (in CT) 影像成像的層次（CT）
4.1 Physical layer or X-ray imaging layer 物理層或X光層
4.2 Sensor or detector layer 傳感器或探測器層
4.3 Reconstruction or algorithm layer 重建或算法層
4.4 Image processing and representation layer 圖像處理和表現層
要得到一幅CT圖像，需要經過上述四個層次的處理。
5，Point‐Spread Function 點擴散函數
對光學系統(tǒng)來講，輸入物為一點光源時其輸出像的光場分布，稱為點擴散函數。在數學上點光源可用δ函數（點脈沖）代表，輸出像的光場分布叫做脈沖響應，所以點擴散函數也就是光學系統(tǒng)的脈沖響應函數。
第四章，超聲波成像
1，導論
1.1 聲波成像系統(tǒng)的構成
1.2，Echo Display Modes 回聲顯示方式
M-mode,B-mode,A-mode
2，成像技術
2.1 Beam Forming 波束成型技術
2.1.1 歷史：機械掃描。靠單個transducer轉換器的機械運動來獲取圖像。
2.1.2 Integration of Pre‐Amplification and ADC
2.1.3 Electronic Scanning 電子掃描
2.1.4 Array Group Electronical Focussing 陣列組的電子聚焦
Transmit 發(fā)射，為了獲得更好的成像效果，需要使得轉換器陣列發(fā)出的波能聚焦在一條線上。為了實現這個功能，一種技術是通過增加波束成型器（Beamformer），也就是為每個轉換器增加一個延遲器，組成的延遲陣列。
receive 接收，同發(fā)射模式類似，也是利用波束成型器將同一信號源發(fā)出的信號實現同步。
2.1.5 Scan Geometries / Array Types 掃描幾何/陣列類型
包括線狀的，突出弧形的，以及用于機械掃描的環(huán)形。
2.2 artifact 人工效果（錯誤成像）
Refraction 折射 圓形病灶如周圍有纖維包膜(聲速較軟組織高)時，則在入射角大于I臨界角時產生全反射現象。
Shadowing 陰影 在組織或病灶后方所演示的回聲低弱甚或接近無回聲的平直條狀區(qū)。
A‐Scan / B‐Scan
Reverberation, Speed Variation 回音引起的混響效應（聲束掃查體內平滑大界面時，部分聲能量返回探頭表面之后，又從探頭的平滑面再次反射，又第二次進入體內。因此，這是多次反射中的一種。）和速度的變化
Mirror Image 鏡面圖像 聲束遇到深部的平滑鏡面時，反射回聲如測及離鏡面較接近的靶標后按入射途徑反射折返回探頭。此時在聲像圖上所顯示者，為鏡面深部與此靶標距離相等形態(tài)相似的聲像圖。會使得例如本來在橫隔后的血腫出現在橫隔前。
Side Lobes 旁瓣效應 [size=-1]指第1旁瓣成像重疊效應。聲源所發(fā)射的聲束具一最大的主瓣，它一般處于聲源的中心，其軸線與聲源表面垂直，名為主瓣。主瓣周圍具對稱分布的數對小瓣，稱旁 瓣。旁瓣聲軸與主瓣聲軸間形成大小不同的角度。最靠近主瓣的旁瓣名第l旁瓣，與主瓣聲軸間呈10—15度角。通常第1旁瓣的發(fā)射超聲能量為主瓣的15％一 21％間。主瓣在掃查成像時，旁瓣亦同時在掃查成像。但旁瓣對同一靶標的測距長，圖形甚淡。旁瓣圖重疊在主瓣圖上，形成各種虛線或虛圖。
2.3 Special Techniques 特殊技術 （待續(xù)）
Doppler Effect 多普勒效應
第五章，X-Ray X射線
I. X射線的產生：1，產生X射線的最簡單方法是用加速后子撞擊金屬靶。撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成X光光譜的連續(xù)部分，稱為制動輻射。通過加大加速電壓，電子攜帶的能量增大，則有可能將金屬原子的內層電子撞出。于是內層形成空穴，外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出波長在0.1納米左右的光子。由于外層電子躍遷放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波長也集中在某些部分，形成了X光譜中的特征線，稱為特性輻射。
放射的強度 I 和Zh(Vmax - V)成正比。其中Z為原子序數。又因為電子的動能99%都轉換成了金屬靶的熱能；只有1%轉換成X射線的光子能量；所以通常會選擇原子序數大且耐高溫散熱好的鎢作為金屬靶。
2，X射線管 （X-ray Tube）
主要有2個要求：一是高的射線能量（hoch X-Ray Intensit??t）；二是快速的散熱能力(schnell W??rmeableitung，6 MHU)。 通常X光機的故障都是因為X射線管的原因。
X射線管包括2個主要的組成部分，即陰極組件和陽極組件；其皆位于施加有極高電壓（KV級別）的真空管內。
其中陰極組件是由鎢絲繞成線圈的形式裝在聚焦杯Fucusing Cup內（組件名為Wehnelt Cylinder），當通電后鎢絲產生白熱現象時電子會從鎢的表面中逸出而形成電子云（Wmirror 約等于 3.6 eV）。此時如果真空管處在高壓中；電子就會被加速的從陰極向陽極沖去。（注：聚焦的電壓越高，得到的電子束就越細。）
陽極組件主要是鎢靶。如前對X射線產生的描述，當被加速后的高速電子沖擊鎢靶時就會產生X射線。（注：而陽極的偏角也影響著得到X射線束的粗細，進而影響在影像中的光斑大小。）而因為伴隨X射線的產生會散發(fā)大量的熱，所以鎢靶是由多片的Disks組成并進行高速的旋轉（每分鐘上萬次的旋轉）。
R??ntgenr??hre besteht aus Glühkathode und Anode in Vakuumhülle.
Glühkathode: Austritt von Elektronen
Spannung zwischen Kathode und Anode --> Beschleunigung Elektronen auf Anode
Schnelle Elektronen dringen in Anode ein --> Wechselwirkung mit Anodenmaterial ==> Umwandlung kinetische Energie in elektromagnetische (R??ntgen-) Strahlung.
X射線管在產生X射線的過程中會出現Heel Effect。就是中心強度的射線不是出現在照射區(qū)域的中間，反而是會有所偏移。所以需要用一個Bowtie Filter來濾波得到一個繞中心軸對稱的射線束。
II. 光子與物質的交互效應 Photon-Matter Interaction
X射線是波長為0.1nm左右的光子。所以研究光子與物質之間的交互效應對X射線在醫(yī)療中的應用也就有著非常重大的意義。因為各個效應實在很多。就不一一介紹了。下面就說個概要：
X射線強度的變化比例和穿透物質的厚度成正比；變化量和波長的三次成正比；和原子序數的四次方成正比；和物質吸收射線的密度成正比。
而Lambert‐Beer定律的問題在于其只是描述了低濃度單質物體的情況。當穿透的是人體時則是各個組織的所有疊加。
所以最終在顯示出來的效果會是所有效應的疊加效果。包括康普頓效應、Rayleigh效應（產生藍天和夕陽的效應）、湯姆孫效應等等。而最適合診斷用的區(qū)間則是吸收（photoelectric absorption）曲線特征和最終衰減效果(total attenuation)曲線特征最一致的區(qū)間。
III.X-Ray Detection X射線的接受探測
之前介紹了X射線的產生及與物質之間的效應。現在需要將的是如何檢測最終抵達Detector的X射線。
1，Geiger Counter 蓋革計數器。 Geiger Counter kann ionisierende Strahlung messen.
2，CT: Xenon (氙) High Pressure X-Ray Detector 高壓X射線探測器。其工作原理是當X射線照入時，高壓氙腔內的氣體被電離，從而產生電信號。
但是以上方法只能檢測數量不能檢測出能量的高低。
3，Solid-state Based Conversion Methods 固基轉換方法。
A scintillator is a compund that absorbs X-rays and converts the energy to visible light. 閃爍器是吸收X射線并轉換其能量為可見光的化合物。例如碘化鈉、碘化銫等。其中最主要是碘化銫。（原因有：1、as a dense arry of fine needles；2、light pipes for the visible photons; 3、high automic number....）
Dynamics of X-ray Detectors 動態(tài)性能： 用光學密度影片拍到的影像其不是隨著log（Dose）線性變化的。而固基的log(signal)則是隨log(Dose)線性變化。
固基探測器的另一個用處是在于可以得到實時的影片。（Fluoroscopy）
現在再介紹一個比較新的產品。（solid state Flat Panal Detector）一共三層： X-射線 =（CsI碘化銫）=> 可見光 =（光電二極管）=> 電子（信號）
因為平板中并不是所有的面積都是有效的面積，所以還要再進行一個Fill Factor的轉換。去除這方面的影響。
IV. 其它
1，Scatter reduction 散射效應的減少
之前在光子和物質交互效應中有提到很多時候X射線會被人體內的分子所散射。從而降低了影像的質量。所以需要減少散射帶來的不良效果。一個很有效的方法就是用Anti-scatter Grids （防散射格柵），也就是一列的平行的格柵。因為散射的X射線其實都不再和當時射出的primary X-rays平行了，所以只要用這樣的鉛格柵就可以過濾到那些散射的X射線了。
2，Special X-ray Scenarios
X-ray Contrast Enhencement (例如吃鋇餐)
X-ray Angiography （lodine Based）血管攝影。 因為血管和周邊組織的吸收率是相似的，所以沒有辦法顯示出來。為了得到血管的影像就需要往血管中注射顯影劑（radio-opaque Radiocontrast agents 德語是Kontrastmittel）。這就是血管攝影。
Digital Subtraction Angiography 顧名思義就是用一個Contrast Image減去一個Mask Image就得到了原來沒有的血管的Image了。
3，Image Enhancement
Multi-Scale Image Decomposition (多尺度圖像分解)
Dual Energy Imaging （雙能圖像）分別用低能和高能的放射成像得到同一部位兩幅不同的影像。其中低能和高能不同組織的對比度是不同的。例如在低能影像中，軟組織造成的X射線衰弱是3個單位，而骨頭是8個單位；而在高能影像中，軟組織造成的X射線衰弱是2個單位，而骨頭是4個單位。那么只要用一個系數就可以將影像中的骨頭和軟組織分離開來。例如高能影像乘2后減去低能影像就可以得到只有軟組織的影像。
第六章，CT （待續(xù)）
Die vier wesentlichen Entwicklungsschritte der CT-Ger??te.
1. Generation: Nadelstrahlgeometrie ---> einzelner R??ntgenstrahl und einzelnes Detektorelement. Eine Bild dauert 5 Min.
2. Generation: kurzes Detektorarray, R??ntgenf??cher mit kleinem ??ffnungswinkel. 30s.
3. Generation: Detektorarray mit bis zu 1000 Elementen, R??ntgenf??cher mit ??ffnungswinkel bis 60 Gerade. Erstmals keine Translationsbewegung mehr n??tig.
4. Generation: geschlossenes, ortsfestes Detektorarray, R??hre wie bei 3. Generation.
CT Rekonstruktion
Ziel : die r??umlichen Verteilung der Schw??chungskoeffizienten u(x,y) in einer K??rperschicht.
zuerst wird Sinogram in Radonsraum bekommen. Dann wird die Daten durch Fourier-Slice in Fouriersraum als F(u,v) transformiert. Danach bei Fouriertransform wird F(u,v) in Objektsraum transformiert.
Um die Qualit??t zu verbessern, wird FBP noch benutzt.
Dose, Gefahr von X Ray.
Energie Dose: D = absorbed energy / organ mass.
equivalent dose H for a certain organ: H = sum(Wr, Dt,r) Dt,r --> the dose applied to the organ T with respect to the type of radiation R.
effective Dose : E = sum(Wt*Ht) = sum(wt)* sum(Wr)*Dt,r
第七章，Nuclear ：PET 和SPECT
核醫(yī)學和之前的X射線以及CT最大區(qū)別是光子的來源。在核醫(yī)學中，光子是來自于注射到人體內的物質產生的。
例如SPECT是在體內注射會產生gamma射線的半衰期很短的物質（Radiopharmakon）。然后多臺能檢測光子的相機繞身體旋轉，最終根據不同地方釋放出的光子的情況來獲得人體內部影像的。
Dem Patienten wird zu Beginn der Untersuchung ein Radiopharmakon verabreicht, meist als Injektion in eine Armvene.
Die verwendete Radiopharmakon emittieren Gammastrahlung, die mit Gamma-Kamera detektiert wird.
Ein oder mehrere solche Kameras rotieren um dem K??rper und detektieren die emittierte Strahlung aus unterschiedlichen Raumrichtungen.
Aus diesem planaren Aufnahmen l??sst sich mittels inverser Radontransformation wieder auf die Verteilung des Radiopharmakons im K??rperinneren zurückschlie??en und diese anschlie??end z.B. als schnittbilder durch den K??rper darstellen.
而PET則注射是會產生正電子Positron的氟18化合物。當被釋放出的正電子碰到人體中大量存在的負電子時會一起湮滅為一對方向相反能量相同的光子。并最終獲得人體內部組織影像的。在PET中Scanner只是類似于一個光子的計數器，對一對光子的數量和單個光子的數量進行比較得到放射性物質的位置分布。
Bei PET wird andere Radiopharmakon(Radionuklide) verwendet, die nicht Gammastrahlung sonder die Positronen emittiert. Bei der Wechselwirkung eines Positrons mit einem Elektron im K??rper werden zwei Photonen in genau entgegengesetzte Richtungen ausgesandt. PET-Ger??th??lt viele ringf??rmig um den Patienten angeordnete Detektoren für diotonen. Das Prinzip der PET-Untersuchung besteht darin, Koinzidenzen zwischen je zwei gegenüberliegenden Detektoren aufzuzeichnen. Aus der zeitlichen und r??umlichen Verteilung dieser registrierten Zerfallsereignisse wird auf die r??umliche Verteilung des Radiopharmakons im K??rperinneren geschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet.
所以上訴方法都比較適合于軟組織的成像。
其中PET存在的問題包括光子會受光子物質的交互效應而產生偏轉等誤差從而影響成像效果。
第八章，MPI （英文是magnetic particle imaging 德文是Magnetpartikelbildgebung) 磁性微粒成像
這是一個很新的技術 ，于2006年由飛利浦在漢堡的實驗室開發(fā)出的，目前已經在動物身體上取得一定進展，目前在呂貝克大學也對此有著進一步的研究。和PET等相比其優(yōu)勢在于具有很高的時空分別率。
其工作原理是：
首先在病人體內注入直徑為數十納米的磁性物質magnetische Material（通常是氧化鐵）。為了檢測到這些微小的顆粒（磁性物質）就需要在檢測區(qū)域內施加在空間均衡以及在時間上作正弦波震蕩的磁場。這些磁性微粒在磁化曲線的非線性部分被周期性的驅動（？這個句子不是很理解什么意思）。由此磁化以及由其產生的磁場內具有控制區(qū)（Aussteuerungsfelde）內的高頻諧波。而這些高頻諧波可以由接收到的脈沖信號來確定。
注：Magnetfeld (Aussteuerungsfeld, engl. drive field). Das magnetische Matl wird dann periodisch in den nichtlinearen Teil der Magnetisierungskurve getrieben. Dadurch weist die Magsierung und das von ihr generierte Magnetfeld h??herfrequente Harmonische des Aussteuerungsfeldes auf. Diese k??nnen aus dem Signal einer Empfangsspule bestimmt werden.
上面的圖就用圖示說明了信號的產生。黑色曲線表示的是鐵氧化合物的磁化。因為這些顆粒的細小尺寸會導致沒有磁滯現象的產生。這也可以表示為超順磁性。紅色曲線圖示了控制區(qū)的時間函數。（我的理解應該就是外加磁場的變化情況。）這使得這些氧化鐵顆粒以很高的頻率達到磁飽和，以使得它們同時又可以去磁。而在圖中間的綠色曲線則圖示了氧化鐵的磁化的時間函數。這個函數不再是單純的正弦函數了。即使如此這個函數依然是按以控制區(qū)的頻率進行周期性變化的。因此被作為傅里葉級數定義,其中基礎頻率是和控制區(qū)的頻率是一樣的。由此得到,通過檢測信號的高諧波的傅里葉級數的描述可以用來作為貼氧化合物的濃度范圍的表示。
Das Bild illustr die Signalentstehung. Die schwarze Kurve beschreibt dabei die Magnetisierung der Eisenoartikel. Durch die geringen Abmessungen dieser Teilchentt keine Hysterese auf. Dies wird auch als Superparamagnetismus bezeichnet. Die rote Kurve illustriert das Aussteuerungsfeld als Funktion der Zeit. Dieses bringt die Eisenoxidpartikel mit hoher Frequenz in magnetische S??ttigung, um sie gleich wieder zu entmagnetisieren. Die grüne Kurve in der Mitte der Grafik veranschaulicht die Magnetisierung der Eisenoxidpartikel als Funktion der Zeit. Diese Funktion ist nun nicht mehr rein sinusf??rmig. Gleichwohl muss diese Funktion periodisch sein mit der Frequenz des Aussteuerungsfeldes. Sie l??sst sich folglich als Fourier-Reihe schreiben, wobei die Grundfrequenz mit der Frequenz des Aussteuerungsfeldes identisch ist. Hieraus folgt, dass bei Darstellung des Messsignals als Fourier-Reihe die h??heren Harmonischen als Ma?? für die Konzentration der Eisenoxidpartikel dienen k??nnen.
第八章，MRI
Physik
原子核在進動中，吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場的頻率等于拉莫頻率，原子核就發(fā)生共振吸收，去掉射頻脈沖之后，原子核磁矩又把收的能量中的一部分以電磁波的形式發(fā)射出來，稱為共振發(fā)射。共振吸收和共振發(fā)射的過程叫做“核磁共振”。
Kurzfassung
Die physikalische Grundlage der Magnetresonanztomographie (MRT) bildie Kernspinresonanz<engl. nuclearnetic resonance, Abk. NMHier nutzt man die Tatsache, dass Protonen sowie Neutronen einen Eigendrehimpuls (Spin) und einmtisches Dipolmoment besitzen und auch manche Atomkerne dadurch ein magnetisches Moment erhalten.
Wird ein solcher Kern in ein statisches magnetisches Feld  gebracht, so ist die Energie des Atomkerns am niedrigsten, wenn das magnetische Dipolmoment nach  ausgerichtet.
Durch den Spin des Atomkerns werden diese jedoch nicht ausgerichtet, sondern pr??zedieren, d. h., die Drehimpulsorientierung des Kerns dreht sich um die Richtung des angten Magnetfeldes.
Für die Pr??zessionsbewegung der Kernspins existiert eine nanzfrequenz. Bei Atomkernen (aber auch beim Elektron) wird diese Eigenfrequenz Larmorfrequenz genannt. Sie h??ngt von der St??rke des ??u??eren Magnetfeldes und vom betrachtetenn ab. Die in der medizinischen Anwendung relevanten Wechselfelder liegen überwiegend im Ultrakurzwellen-Bereich (für Wasserstoff bei 1 Tesla: 42,58 MHz).
注：上這門課的教授很牛，叫Thorsten M. Buzug。其獲得博士后學位之后，加入飛利浦在漢堡的實驗室，并領導了醫(yī)學影像處理方面的項目，出版了很多醫(yī)學影像方面的書。這里的大部分內容都取自其上課的講義和wiki。如有轉載，請注明。
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