读数据可视化32生命科学(上)

1. 生命科学

1.1. 生命科学指研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学

1.2. 广义上的生命科学包括生物学、医学、遗传学、生物信息学、生命组学、系统生物学、分子生物学、生物技术、生物物理学、生物化学、药物设计等

1.3. 生命科学研究不但依赖物理、化学知识，也依靠各种设备仪器以便采集和分析数据，如计算机断层扫描（CT）​、核磁共振扫描、超声、正电子发射断层扫描仪、光学和电子显微镜、蛋白质电泳仪、超速离心机、X-射线仪、核磁共振分光计、质谱仪等

1.4. 生命科学是最早使用可视化技术的学科

• 1.4.1. 早在19世纪80年代，人们就将可视化技术应用于计算机断层扫描数据，推动了基于影像的数字医疗诊断的革命

2. 临床医学影像

2.1. 近代非侵入诊断技术如CT、MRI、超声和正电子发射断层扫描（PET）的发展，可获得病人有关部位的不同模态的医学影像数据

2.2. 不同的医学影像模态，反映出肉眼可观察到的宏观尺度的临床医学诊断、治疗所需要的信息

2.3. X-射线计算机断层成像

• 2.3.1. X-Ray Computed Tomography,X-CT

• 2.3.2. 是一种利用重建的三维放射线医学影像

• 2.3.3. 通过单一轴面的X-射线旋转照射人体，根据不同组织对X-射线的吸收能力重建断层面影像

• 2.3.4. CT影像分辨率高，可记录人体内部精细的形状和结构信息，对于肺部等区域的检测是首选

• 2.3.5. 其缺点在于放射线可能对人体造成损伤

2.4. 核磁共振成像

• 2.4.1. Nuclear Magnetic Resonance Imaging,NMRI

• 2.4.2. 磁共振成像

• 2.4.2.1. Magnetic Resonance Imaging,MRI

• 2.4.3. 利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同程度的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成被测对象原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像

• 2.4.4. 核磁共振影像的优势在于无害、安全、快速，且能较好地刻画软组织，如膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉，被广泛用于脑部和心脏成像

• 2.4.5. 可显示大脑各个区域内静脉毛细血管中血液氧合状态所引起的磁共振信号的微小变化

• 2.4.6. 弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging）*是一种对生物组织内含水通道的成像技术

2.5. 正电子发射型计算机断层显像

• 2.5.1. Positron Emission Computed Tomography

• 2.5.2. PET

• 2.5.3. 大致方法是，将某种物质，一般是生物生命代谢中必需的物质，如葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸、标记短周期的放射性核素（如F18、碳11等）​，注入人体后，通过检测该物质在代谢中的聚集情况，以反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的

• 2.5.4. PET是目前唯一可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术，其灵敏度高、特异性高、可全身显像、安全性好，现已广泛用于多种疾病（特别是早期癌症）的诊断与鉴别诊断、病情判断、疗效评价、脏器功能研究和新药开发等方面

2.6. 超声成像

• 2.6.1. 一种基于超声波（Ultrasound）的医学影像学诊断技术，可快速、无创地对肌肉和内脏器官（大小、结构和病理学病灶）进行成像，在产科检查、腹部、前列腺和子宫等区域被广泛使用

• 2.6.2. 超声波是频率大于20kHz、人耳感觉不到的声波，具有束射性和界面反射与折射属性

• 2.6.3. 彩色多普勒血流显像简称彩超，包括二维切面显像和彩色显像两部分

• 2.6.4. 与CT、MRI、PET影像不同，超声影像是一列空间散列的不规则影像，因而需要一个额外的空间重采样过程

2.7. 电子显微镜成像

• 2.7.1. 通过集中离子束扫描式（Ion-abrasion Scanning Electron Microscopy）电子显微镜采集细胞结构的成像方法

• 2.7.2. 利用产生的高压聚焦离子束对细胞进行纵向切片，同时对切面进行扫描，从而得到细胞三维图像

• 2.7.3. 从成像设备中获取的原始物理记录映射为灰度或彩色图像的过程，称为*重建

• 2.7.4. 重建后的医学影像数据与一些必要的信息被以标准化的形式存储在物理介质上

• 2.7.5. DICOM标准

• 2.7.5.1. Digital Imaging and Communications in Medicine，医学数字图像传输协议

• 2.7.5.2. 是计算机与医学设备之间传输放射学影像和其他医学信息的工业标准

• 2.7.5.3. 基本的DICOM标签有标识信息、采集参数、病人数据、图像参数等

• 2.7.5.4. 基于DICOM标准的图像存档与通信系统（Picture Archiving and Communication System,PACS）允许医生快捷管理、访问和分享图像数据

2.8. 对医学影像数据进行观察、变换、测量、分割、融合和可视化等一系列操作，称为医学影像后处理

2.9. 两个相邻切片之间的距离称为层厚，绝大多数医学影像数据层厚比像素间距大

2.10. 医学影像的灰度色阶数常为256或4096

• 2.10.1. 临床中应用最广、最简单的映射称为窗宽和窗位调整，它将所有低于窗宽/2的强度值映射到黑色，高于窗宽/2的强度值映射到白色，介于两者之间的值被线性映射到黑到白的灰度范围

2.11. 分析过程烦琐，耗时耗力，通常需要观察分析上百张CT图像

2.12. 传承性弱，因为受个体差异以及病理等因素影响，人体组织器官的空间结构和位置会存在较大差异，即使影像医师经验丰富、判断准确，也难以清晰准确地将自己脑中重构的组织结构传达给其他医生，或者将自己的经验传授给学生

2.13. 人工分析精度有限，只能依据经验推测，难以控制手术的风险

2.14. 解剖学中采用三个互相垂直的平面将人体切割，分别称为冠状面（Coronal Plane）​、矢状面（Sagittal Plane）和横断面（Transverse Plane）​

• 2.14.1. 冠状面指沿左右方向将人体纵切为前后两部分的所有断面

• 2.14.2. 矢状面指沿前后方向将人体纵切为左右两个部分的所有断面

• 2.14.3. 横断面指将人体水平切割的所有断面

2.15. 医学影像的获取方式是沿横断面方向获取切片序列

2.16. 大多数人体组织结构与数据获取方式不一致，也不与任何规则的几何结构匹配，因此仅沿冠状面、矢状面或横断面采用影片播放模式不能完全表达目标结构的信息

2.17. 设置多个任意斜平面方向重建其对应切片的方式称为多平面重建（Multi-Planar Reconstruction,MPR）​

• 2.17.1. 与之对应的是，基于曲面的重建（Curved Planar Reformation,CPR）​，可用于表达弯曲血管的表面几何

2.18. 间接体绘制

• 2.18.1. 代表性方法包括多平面重建、多曲面重建和等值面（Isosurface）抽取方法等

• 2.18.2. 包括等值线提取和三维轮廓线重建、移动立方体法（Marching Cubes）或移动四面体法等方法

• 2.18.3. 移动立方体法的基本思想是逐个处理体数据场中的各个体元（Cell，指以8个相邻体素为顶点所组成的立方体）​，根据体元各个顶点的值来决定其内部等值面的构造形式，并生成所有体元内部的等值面的集合

2.19. 直接体绘制

• 2.19.1. 代表性方法包括最大密度投影（Maximum Intensity Projection,MIP）​、半透明体绘制（Semi-transparent Volume Rendering）​、基于多维传输函数的体绘制等

• 2.19.2. 直接体绘制算法可分为4类：Splatting（滚雪球）法、Shearwarp（剪切变形）法、光线投射法和三维纹理切片法，其中后两者精度高，是作为医学影像数据的直接体可视化的标准做法

2.20. 混合绘制将几何数据和一个或多个体数据同时绘制，使得用户在观察大型复杂数据时可以更好地研究其中出现的现象

2.21. 最普遍的算法是深度剥离（Depth Peeling）和A缓冲（A-buffer）​