常见的医学图像成像及存储格式解析

1.MRI、FMRI和DTI

MRI：核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）简称磁共振，核磁共振是一种物理现象。磁共振成像（MRI）是利用收集磁共振现象所产生的信号而重建图像的成像技术。磁共振可以进行横断面、冠状面、矢状面及任意断面的图像观察。相比“CT”的断层扫描，“MRI”能获得多方位的原生三维断面成像，比如脑和脊髓的立体图像。对于骨、关节、脊髓、盆腔脏器、前列腺、膀胱、子宫、卵巢、心脏大血管病变及心肌梗塞的诊断尤为准确。“MRI”对软组织的分辨力远非“CT”，“X线”可比，可用来观察神经、脊髓等椎管内软组织，因此用来检测和诊断中枢神经系统疾病更佳。

常用MRI序列概述：

T1加权成像(T1WI)：突出组织T1纵向弛豫（从某一个状态恢复到平衡态的过程）差别

T2加权成像(T2WI)：突出组织T2横向弛豫差别

T1WI观察解剖好；T2WI有利于观察病变

FIAIR序列（Fluid Attenuation IR）：（水抑制序列）---液体信号（自由水）被抑制，从而突出其他组织。

STIR或FS序列：(脂肪抑制序列)

DWI序列：（弥散加权）

正常组织的MR信号特点：水、脑皮质、脑灰质、脂肪与骨髓组织、肌肉组织、骨骼组织、气体、血流

FMRI：function MRI，MRI研究的是脑部解剖，fmri研究的是脑部功能，MRI的结构图像通常保存为三维的资料格式。fMRI数据是一系列的图像采集，可以保存为三维格式，也可以保存为四维文件格式（第4维为时间）。通常，我们尽可能保存为四维数据格式，这样可以减少文件数量，但是有些数据分析软件包不能处理四维数据。
DTI：（diffusion tensor imaging）磁共振弥散张量成像,是一种描述大脑结构的新方法，是MRI的特殊形式。举例来说，如果说MRI是追踪水分子中的氢原子，那么弥散张量成像便是依据水分子移动方向制图。

2.CT、X光(DR)、B超

“CT”是用X线束对人体某部位进行断层扫描，获得人体被检部门的断面或立体图像，16排螺旋CT可以提供人体被检查部位的完整三维信息，可使器官和结构清晰显影，清楚地显示病变。 

  “X光(DR)”是穿透很强的射线，能够穿透人体，使用X线对人体内部进行透视或摄影的检查方法，其原理是利用了X线的穿透作用，在穿透人体的时候，被钙（骨）、水分（血液等）、软组织（肌肉）等吸收而减弱，因此可以呈现出所检部位的基本形态。 

  与“CT”、“X线”不同，B超检查是利用超声波产生回声的原理来检查的，超声能在一定方向上传播，而且可以穿透物体，如果碰到障碍，就会产生回声。人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上，可以用来了解物体内部结构，辅助诊断。

3.文件格式

在这里我们就DICOM、Analyze和NIfTI最重要的三种格式做一讨论。

表1.常见的医学图像格式

名称	文件扩展名	分析软件及来源
Analyse	.img/.hdr	Analyse软件，梅奥临床医学中心
DICOM	.dcm	ACR/NEMA协会
NIFTI	.nii或.img/.hdr	NIH影像学信息工具倡议
MINC	.mnc	蒙特利尔神经学研究所(MNI,扩展名NetCDF)
AFNI brick	.BRIK	AFNI软件，威斯康星医学中心(NIHM)

1）DICOM格式：

通常，DICOM把每一层图像都作为一个独立的文件，这些文件用数字命名从而反映相对应的图像层数（在不同的系统有一定差异）。文件中包含文件头信息，且必须要特定的软件才能打开使用。在所有格式中，DICOM包含了大量的元数据信息在文件头中，包括仪器信息、图像采集参数以及病人信息资料。  

尽管DICOM是MRI采集的标准输出格式，但是，数据分析前往往要把DICOM格式转化为其他分析格式，这主要是因为DICOM数据比较庞大。由于DICOM把每层图像都存储为独立文件，这会导致产生大量较小的数字文件，从而堵塞文件系统，降低分析速度。有很多免费工具可以把DICOM数据转换为其他存储格式。

1.1）Mosaic数据存储格式

有些MRI的脉冲序列（特别是西门子MRI系统）把fMRI的DICOM数据存储为Mosaic格式。这种格式中，每个图像文件中包含1个mosaic文件，而实际是16层的图像。该存储格式就节约了大量的存储空间。大多情况下，仪器生产商宁愿保存为256×256，而fMRI图像的矩阵为64×64。因此，分析前必须解压缩mosaic图像，使之成为三维或四维文件从而符合分析软件需要的格式。

2）Analyse格式

Analyze格式储存的每组数据组包含2个文件，一个为数据文件，其扩展名为.img，包含二进制的图像资料；另外一个为头文件，扩展名为.hdr，包含图像的元数据。在fMRI的早期，Analyze格式最常用的格式，但现在逐渐被NIfTI格式所取代。Analyze格式主要不足就是头文件不能真正反映元数据。

3）NIFTI格式

标准NIfTI图像的扩展名是.nii，包含了头文件及图像资料。由于NIfTI格式和Analyze格式的关系，因此NIfTI格式也可使用独立的图像文件（.img）和头文件（.hdr）。单独的.nii格式文件的优势就是可以用标准的压缩软件（如gzip），而且一些分析软件包（如FSL）可以直接读取和写入压缩的.nii文件（扩展名为.nii.gz）

还有.tiff格式的图像解析可参考这篇博客： http://www.cnblogs.com/gywei/archive/2013/10/29/3393816.html

Reference:
1. https://wenku.baidu.com/view/0660f81e48d7c1c708a14579.html
2. https://brainder.org/2012/09/23/the-nifti-file-format/