医学图像

定义

医学图像指用成像设备获取的、对人体组织器官结构与功能的可视化表示，其目的是服务于临床诊断、生理研究和治疗引导^[1]。在临床语境中，这个词也常用来泛指产生人体内部影像的一整套技术，使医生无需打开体腔即可观察活体的解剖结构及其在正常与异常状态下的运动^[3]。

按记录方式，医学图像可分为以胶片为载体的传统影像与以数字矩阵形式采集、存储的数字医学图像；后者既包含解剖结构在二维、三维上的静态信息，也能表达随时间变化的动态信息^[2]。数字医学图像在内容上通常由像素或体素的灰度（或颜色）数据与描述采集条件的元数据共同构成，这一点区别于普通照片^[4]。

原理

不同成像模态依赖不同的物理对比机制。X 射线摄影与 计算机断层扫描（CT）利用骨、软组织与空气对电离辐射吸收的差异成像，CT 从多角度采集二维投影后经滤波反投影或迭代算法重建出三维体数据；磁共振成像（MRI）在强磁场中施加射频脉冲，借助氢核弛豫特性形成对组织类型、含水量和扩散敏感的对比；超声则向组织发射声脉冲，依据界面回波的时间延迟与幅值重建图像^[1]。

功能与分子成像关注生理过程而非静态解剖。正电子发射断层扫描（PET）与单光子发射计算机断层扫描（SPECT）引入放射性示踪剂，按代谢活性或受体结合情况在组织中聚集，PET-CT 可在同一次检查中融合解剖与代谢信息^[1]。在图像质量层面，空间分辨率、对比度、噪声和时间分辨率之间存在相互制约，临床检查需根据诊断问题选择模态与扫描参数^[1]。

为在不同厂商设备、影像归档与通信系统（PACS）和工作站之间交换影像，医学图像普遍采用医学数字成像和通信标准（DICOM）。该标准规定了影像与波形数据的格式、元数据、基于 TCP/IP 的网络服务以及介质存储方式，并由美国电气制造商协会及其医学影像分支维护发布^[4]。标准本身只保证符合声明的系统可互操作，并不等同于系统整体功能的完备^[5]。

发展历程

1895 年 11 月，德国物理学家威廉·康拉德·伦琴在阴极射线实验中观察到能穿透物体并在荧光屏上成像的新射线，将其命名为 X 射线；同年 12 月 22 日，他拍摄了妻子手部的影像，骨骼与戒指清晰可见，这被视为第一张人体 X 射线图像^[6]。1896 年 1 月，骨折部位的 X 射线影像即已出现，此后造影剂等技术陆续用于消化道与血管检查的成像^[6]。

20 世纪 70 年代，CT 及其他数字诊断成像模态相继问世，不同厂商设备产生的数字图像格式互不统一，美国放射学会与美国电气制造商协会因此于 1983 年成立联合委员会，着手制定影像及其相关信息传输的标准^[5]。该系列标准先以 1985 年、1988 年的版本发布，DICOM 标准于 1993 年首次发布，此后以增补和修正提案的方式持续扩展，陆续覆盖多层 CT、三维超声、基于互联网的 PACS、辐射剂量报告以及图像配准与分割等内容^[7]。

进入 21 世纪，三维医学图像的重建、显示与分析成为研究重点，临床与研究应用同步推进^[8]。近年深度学习被广泛引入医学图像处理，深度神经网络重建、降噪与伪影抑制在低剂量成像中显示出效果^[9]。

应用

在临床诊断中，医学图像用于观察活体解剖结构、定位病变并支持影像学判断，不同模态按症状与检查部位选用^[3]。在肿瘤学中，PET-CT 已用于分期，用来同时获取解剖与代谢信息^[1]。

图像后处理是另一类主要用途，包括图像变换、压缩编码、分割、配准、三维可视化、特征提取与检索等环节，其成果可用于病灶定位与量化分析、手术模拟、术中导航、治疗计划与病程跟踪^[2]。配准把不同时间或不同模态的图像对齐，例如将 CT 与 PET 融合以结合结构与代谢信息，也可用于术前影像与术中影像或跟踪系统的对应^[10]。

图像分割把器官、肿瘤等结构从背景中勾画出来，是定量图像分析的前提；但三维扫描切片数量多，人工勾画需要大量专家投入^[11]。此外，深度学习重建已被用于 CT 的低剂量成像环节，以在降低辐射剂量的同时改善噪声与伪影表现^[9]。

局限

成像条件本身带来固有取舍。低剂量 CT 虽降低辐射暴露，却伴随噪声增加与细节丢失，辐射剂量与图像质量之间的平衡始终是 CT 成像的核心问题^[9]。锥形束 CT 等三维成像还面临金属伪影干扰与定量精度不足的问题^[12]。在创伤、急症等非理想条件下，扫描易产生伪影，图像质量可能下降^[9]。

在图像分析环节，传统重建算法对噪声敏感，迭代重建在降低噪声的同时仍可能残留模糊或呈现过度平滑的人工质感。基于通用模型的分割方法在不同数据集间表现差异明显，一项对通用分割模型在 21 个医学影像数据集上的评估显示，三维重叠度指标随提示方式从 0.32 到 0.51 不等，跨数据集波动较大^[11]。

数据层面的限制同样明显。医疗行业产生大量临床数据，但因患者隐私法规要求，这些数据往往不公开，可供算法研究使用的部分有限，而去标识化处理耗时且成本较高^[13]。诊断判读也依赖阅片者经验，不同操作者之间存在变异，影响结果的可重复性^[14]。

参见

• 计算机断层扫描 —— 利用 X 射线多角度投影重建断层图像的成像模态，是医学图像的重要来源。

• 磁共振成像 —— 基于核磁共振原理获取软组织对比的成像方式，不涉及电离辐射。

• 医学图像分割 —— 将器官、病灶等目标区域从图像中勾画出来的处理任务。

• 医学图像配准 —— 把不同时间或不同模态的图像对齐，以便融合与比较。

• DICOM —— 规定医学图像及其相关信息格式与传输方式的国际标准。

• 影像组学 —— 从医学图像中提取定量特征并用于分析的方法。