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Med. Mess- und Automatisierungssysteme (Imaging) 医疗用检测和自动系统（图像） 这是针对Informatik专业的叫法，对其它专业这门课叫Medizinische Bildgebung(医学成像)。
主要是对现代医学影像技术进行一次粗略的全面了解。重点是CT，MRT,MPI等。当然还包括其它的一些重要的影像系统。例如PET，X光，超声波等。
下面按照章节的顺序进行一次复习，并将重点整理出来，放在这里。
第一章介绍了这门课程的内容：
Teil 1: Grundlagen der Signalverarbeitung （信号处理的基础）
Elementare Zusammenh??nge in der Signalverarbeitung Systemtheorie abbildender Systeme
18./25. Okt. 2010 01. Nov 2010
用三节课的时间介绍成像系统中的信号处理。
Teil 2: Hauptmodalit??ten der modernen Bildgebung（现代医学成像技术的主要形式）
Ultraschall (US) 超声波
Allgemeine R??ntgensysteme (X-Ray) X-光
Computertomographie (CT) 计算机断层扫描
Nukleardiagnostische Bildgebung (SPECT/PET) 正电子发射断层扫描
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
这是这门课程的最核心部分。介绍了现代医学成像最主流的一些技术。
Teil 3: Wrap-Up （结尾）
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
最后对一些不是最主流的技术进行打包处理。包括红外，光学相干等。
第二章，信号处理
为了将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，首先需要的是step function阶梯函数，然后是dirac comb狄拉克梳状函数。
接下来的内容是傅里叶转换。将信号从时域转换到频域。
莫阿效应
Der Moiré-Effekt macht sich bei der überlagerung von regelm????igen fe Rastern durch zus??tzliche scheinbare grobe Raster bemerkbar.
莫阿效应使得当注视重叠的数个细光栅时，其看起来好像粗糙的光栅一样。
这将影响图像显示的效果。但是在服装业却能带来奇特的效果。
Shannon‐Whittaker Interpolation
惠特克-香农采样定理
第三章，图像系统理论
1，Model of the Imaging Process 图像处理的模型
 
2，Resolution and Structure 分辨率和结构
3，Modulation Transfer Function (MTF) 调制转换功能
4，Imaging Layers (in CT) 影像成像的层次（CT）
4.1 Physical layer or X-ray imaging layer 物理层或X光层
4.2 Sensor or detector layer 传感器或探测器层
4.3 Reconstruction or algorithm layer 重建或算法层
4.4 Image processing and representation layer 图像处理和表现层
要得到一幅CT图像，需要经过上述四个层次的处理。
5，Point‐Spread Function 点扩散函数
对光学系统来讲，输入物为一点光源时其输出像的光场分布，称为点扩散函数。在数学上点光源可用δ函数（点脉冲）代表，输出像的光场分布叫做脉冲响应，所以点扩散函数也就是光学系统的脉冲响应函数。
第四章，超声波成像
1，导论
1.1 声波成像系统的构成
1.2，Echo Display Modes 回声显示方式
M-mode,B-mode,A-mode
2，成像技术
2.1 Beam Forming 波束成型技术
2.1.1 历史：机械扫描。靠单个transducer转换器的机械运动来获取图像。
2.1.2 Integration of Pre‐Amplification and ADC
2.1.3 Electronic Scanning 电子扫描
2.1.4 Array Group Electronical Focussing 阵列组的电子聚焦
Transmit 发射，为了获得更好的成像效果，需要使得转换器阵列发出的波能聚焦在一条线上。为了实现这个功能，一种技术是通过增加波束成型器（Beamformer），也就是为每个转换器增加一个延迟器，组成的延迟阵列。
receive 接收，同发射模式类似，也是利用波束成型器将同一信号源发出的信号实现同步。
2.1.5 Scan Geometries / Array Types 扫描几何/阵列类型
包括线状的，突出弧形的，以及用于机械扫描的环形。
2.2 artifact 人工效果（错误成像）
Refraction 折射 圆形病灶如周围有纤维包膜(声速较软组织高)时，则在入射角大于I临界角时产生全反射现象。
Shadowing 阴影 在组织或病灶后方所演示的回声低弱甚或接近无回声的平直条状区。
A‐Scan / B‐Scan
Reverberation, Speed Variation 回音引起的混响效应（声束扫查体内平滑大界面时，部分声能量返回探头表面之后，又从探头的平滑面再次反射，又第二次进入体内。因此，这是多次反射中的一种。）和速度的变化
Mirror Image 镜面图像 声束遇到深部的平滑镜面时，反射回声如测及离镜面较接近的靶标后按入射途径反射折返回探头。此时在声像图上所显示者，为镜面深部与此靶标距离相等形态相似的声像图。会使得例如本来在横隔后的血肿出现在横隔前。
Side Lobes 旁瓣效应 [size=-1]指第1旁瓣成像重叠效应。声源所发射的声束具一最大的主瓣，它一般处于声源的中心，其轴线与声源表面垂直，名为主瓣。主瓣周围具对称分布的数对小瓣，称旁 瓣。旁瓣声轴与主瓣声轴间形成大小不同的角度。最靠近主瓣的旁瓣名第l旁瓣，与主瓣声轴间呈10—15度角。通常第1旁瓣的发射超声能量为主瓣的15％一 21％间。主瓣在扫查成像时，旁瓣亦同时在扫查成像。但旁瓣对同一靶标的测距长，图形甚淡。旁瓣图重叠在主瓣图上，形成各种虚线或虚图。
2.3 Special Techniques 特殊技术 （待续）
Doppler Effect 多普勒效应
第五章，X-Ray X射线
I. X射线的产生：1，产生X射线的最簡單方法是用加速后子撞击金属靶。撞击过程中，电子突然减速，其损失的动能会以光子形式放出，形成X光光谱的连续部分，称为制动辐射。通过加大加速电压，电子携带的能量增大，则有可能将金属原子的内层电子撞出。于是内层形成空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出波长在0.1纳米左右的光子。由于外层电子跃迁放出的能量是量子化的，所以放出的光子的波长也集中在某些部分，形成了X光谱中的特征线，称为特性辐射。
放射的强度 I 和Zh(Vmax - V)成正比。其中Z为原子序数。又因为电子的动能99%都转换成了金属靶的热能；只有1%转换成X射线的光子能量；所以通常会选择原子序数大且耐高温散热好的钨作为金属靶。
2，X射线管 （X-ray Tube）
主要有2个要求：一是高的射线能量（hoch X-Ray Intensit??t）；二是快速的散热能力(schnell W??rmeableitung，6 MHU)。 通常X光机的故障都是因为X射线管的原因。
X射线管包括2个主要的组成部分，即阴极组件和阳极组件；其皆位于施加有极高电压（KV级别）的真空管内。
其中阴极组件是由钨丝绕成线圈的形式装在聚焦杯Fucusing Cup内（组件名为Wehnelt Cylinder），当通电后钨丝产生白热现象时电子会从钨的表面中逸出而形成电子云（Wmirror 约等于 3.6 eV）。此时如果真空管处在高压中；电子就会被加速的从阴极向阳极冲去。（注：聚焦的电压越高，得到的电子束就越细。）
阳极组件主要是钨靶。如前对X射线产生的描述，当被加速后的高速电子冲击钨靶时就会产生X射线。（注：而阳极的偏角也影响着得到X射线束的粗细，进而影响在影像中的光斑大小。）而因为伴随X射线的产生会散发大量的热，所以钨靶是由多片的Disks组成并进行高速的旋转（每分钟上万次的旋转）。
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射线管在产生X射线的过程中会出现Heel Effect。就是中心强度的射线不是出现在照射区域的中间，反而是会有所偏移。所以需要用一个Bowtie Filter来滤波得到一个绕中心轴对称的射线束。
II. 光子与物质的交互效应 Photon-Matter Interaction
X射线是波长为0.1nm左右的光子。所以研究光子与物质之间的交互效应对X射线在医疗中的应用也就有着非常重大的意义。因为各个效应实在很多。就不一一介绍了。下面就说个概要：
X射线强度的变化比例和穿透物质的厚度成正比；变化量和波长的三次成正比；和原子序数的四次方成正比；和物质吸收射线的密度成正比。
而Lambert‐Beer定律的问题在于其只是描述了低浓度单质物体的情况。当穿透的是人体时则是各个组织的所有叠加。
所以最终在显示出来的效果会是所有效应的叠加效果。包括康普顿效应、Rayleigh效应（产生蓝天和夕阳的效应）、汤姆孙效应等等。而最适合诊断用的区间则是吸收（photoelectric absorption）曲线特征和最终衰减效果(total attenuation)曲线特征最一致的区间。
III.X-Ray Detection X射线的接受探测
之前介绍了X射线的产生及与物质之间的效应。现在需要将的是如何检测最终抵达Detector的X射线。
1，Geiger Counter 盖革计数器。 Geiger Counter kann ionisierende Strahlung messen.
2，CT: Xenon (氙) High Pressure X-Ray Detector 高压X射线探测器。其工作原理是当X射线照入时，高压氙腔内的气体被电离，从而产生电信号。
但是以上方法只能检测数量不能检测出能量的高低。
3，Solid-state Based Conversion Methods 固基转换方法。
A scintillator is a compund that absorbs X-rays and converts the energy to visible light. 闪烁器是吸收X射线并转换其能量为可见光的化合物。例如碘化钠、碘化铯等。其中最主要是碘化铯。（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 动态性能： 用光学密度影片拍到的影像其不是随着log（Dose）线性变化的。而固基的log(signal)则是随log(Dose)线性变化。
固基探测器的另一个用处是在于可以得到实时的影片。（Fluoroscopy）
现在再介绍一个比较新的产品。（solid state Flat Panal Detector）一共三层： X-射线 =（CsI碘化铯）=> 可见光 =（光电二极管）=> 电子（信号）
因为平板中并不是所有的面积都是有效的面积，所以还要再进行一个Fill Factor的转换。去除这方面的影响。
IV. 其它
1，Scatter reduction 散射效应的减少
之前在光子和物质交互效应中有提到很多时候X射线会被人体内的分子所散射。从而降低了影像的质量。所以需要减少散射带来的不良效果。一个很有效的方法就是用Anti-scatter Grids （防散射格栅），也就是一列的平行的格栅。因为散射的X射线其实都不再和当时射出的primary X-rays平行了，所以只要用这样的铅格栅就可以过滤到那些散射的X射线了。
2，Special X-ray Scenarios
X-ray Contrast Enhencement (例如吃钡餐)
X-ray Angiography （lodine Based）血管摄影。 因为血管和周边组织的吸收率是相似的，所以没有办法显示出来。为了得到血管的影像就需要往血管中注射显影剂（radio-opaque Radiocontrast agents 德语是Kontrastmittel）。这就是血管摄影。
Digital Subtraction Angiography 顾名思义就是用一个Contrast Image减去一个Mask Image就得到了原来没有的血管的Image了。
3，Image Enhancement
Multi-Scale Image Decomposition (多尺度图像分解)
Dual Energy Imaging （双能图像）分别用低能和高能的放射成像得到同一部位两幅不同的影像。其中低能和高能不同组织的对比度是不同的。例如在低能影像中，软组织造成的X射线衰弱是3个单位，而骨头是8个单位；而在高能影像中，软组织造成的X射线衰弱是2个单位，而骨头是4个单位。那么只要用一个系数就可以将影像中的骨头和软组织分离开来。例如高能影像乘2后减去低能影像就可以得到只有软组织的影像。
第六章，CT （待续）
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
核医学和之前的X射线以及CT最大区别是光子的来源。在核医学中，光子是来自于注射到人体内的物质产生的。
例如SPECT是在体内注射会产生gamma射线的半衰期很短的物质（Radiopharmakon）。然后多台能检测光子的相机绕身体旋转，最终根据不同地方释放出的光子的情况来获得人体内部影像的。
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则注射是会产生正电子Positron的氟18化合物。当被释放出的正电子碰到人体中大量存在的负电子时会一起湮灭为一对方向相反能量相同的光子。并最终获得人体内部组织影像的。在PET中Scanner只是类似于一个光子的计数器，对一对光子的数量和单个光子的数量进行比较得到放射性物质的位置分布。
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.
所以上诉方法都比较适合于软组织的成像。
其中PET存在的问题包括光子会受光子物质的交互效应而产生偏转等误差从而影响成像效果。
第八章，MPI （英文是magnetic particle imaging 德文是Magnetpartikelbildgebung) 磁性微粒成像
这是一个很新的技术 ，于2006年由飞利浦在汉堡的实验室开发出的，目前已经在动物身体上取得一定进展，目前在吕贝克大学也对此有着进一步的研究。和PET等相比其优势在于具有很高的时空分别率。
其工作原理是：
首先在病人体内注入直径为数十纳米的磁性物质magnetische Material（通常是氧化铁）。为了检测到这些微小的颗粒（磁性物质）就需要在检测区域内施加在空间均衡以及在时间上作正弦波震荡的磁场。这些磁性微粒在磁化曲线的非线性部分被周期性的驱动（？这个句子不是很理解什么意思）。由此磁化以及由其产生的磁场内具有控制区（Aussteuerungsfelde）内的高频谐波。而这些高频谐波可以由接收到的脉冲信号来确定。
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.
上面的图就用图示说明了信号的产生。黑色曲线表示的是铁氧化合物的磁化。因为这些颗粒的细小尺寸会导致没有磁滞现象的产生。这也可以表示为超顺磁性。红色曲线图示了控制区的时间函数。（我的理解应该就是外加磁场的变化情况。）这使得这些氧化铁颗粒以很高的频率达到磁饱和，以使得它们同时又可以去磁。而在图中间的绿色曲线则图示了氧化铁的磁化的时间函数。这个函数不再是单纯的正弦函数了。即使如此这个函数依然是按以控制区的频率进行周期性变化的。因此被作为傅里叶级数定义,其中基础频率是和控制区的频率是一样的。由此得到,通过检测信号的高谐波的傅里叶级数的描述可以用来作为贴氧化合物的浓度范围的表示。
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
原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“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：上这门课的教授很牛，叫Thorsten M. Buzug。其获得博士后学位之后，加入飞利浦在汉堡的实验室，并领导了医学影像处理方面的项目，出版了很多医学影像方面的书。这里的大部分内容都取自其上课的讲义和wiki。如有转载，请注明。
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