（信号与信息处理专业论文）医学影像无损压缩算法及存储系统研究.pdf

abs tract t h e l o s s l e s s c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m a n d s t o r a g e s y s t e m f o r m e d i c a l i m a g e s a r e h o t r e s e a r c h a r e a s a t p r e s e n t , w h i c h a r e m u l t i d i s i c i p l i n e a r e a s d e a l i n g w i t h c o m p u t e r g r a p h i c s , i m a g e p r o c e s s i n g , b i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g , n e t w o r k d a t a b a s e a n d s o o n . t h i s t h e s i s m a i n l y a d d r e s s e s t o t h e r e s e a r c h o n l o s s l e s s c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m s a n d d e v e l o p m e n t o f t h e s t o r a g e s y s t e m f o r m e d i c a l i m a g e s . f i r s t l y , t h e s t a t e o f a r t o f p a c s s y s t e m i s i n v e s t i g a t e d a n d a n a l y z e d , a n d o n t h e b a s i s o f t h i s , a h u g e d i s t r i b u t e d s t o r a g e s y s t e m s c h e m e f o r m e d i c a l i m a g e s i s d e s i g n e d w i t h c o n s i d e r a t i o n o f t h e f e a t u r e s o f b o t h d o m e s t i c h o s p i ta l s a n d t h e p a t i e n t s , a n d s o m e k e y t e c h n i q u e s a r e d i s c u s s e d . s e c o n d l y , s o m e c o m p r e s s i o n a l g o r it h m s b a s e d o n i n t e g e r w a v e l e t t r a n s f o r m ( i w t ) a r e s t u d i e d i n d e t a i l . a n d a n e ff e c t i v e l o s s l e s s c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m b a s e d o n b o t h d p c m a n d i w t i s p r o p o s e d , w h i c h m a k e s u s e o f t h e s t r o n g c o r r e l a t i o n a m o n g p i x e l s w i t h a g r e a t i m p r o v e m e n t o f t h e c o m p r e s s io n r a t i o f o r s i n g l e i m a g e . i n a d d i t i o n , a c c o r d i n g t o t h e i m a g i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f m e d i c a l i m a g e e q u i p m e n t s , a c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m b a s e d o n t h re e - d im e n s i o n a l i w t f o r i m a g e s e q u e n c e s , n a m e d a s 3 d - d p i wt , i s p r e s e n t e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e c o m p r e s s i o n r a t i o o f t h e 3 d - d p i wt a l g o r i t h m i s m u c h h i g h e r t h a n t h a t o f c o n v e n t i o n a l t w o - d i m e n s i o n a l i m a g e c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m s . me a n w h i l e , t h e t w o n e w c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m s a re a p p l i e d t o t h e m e d i c a l i m a g e s t o r a g e s y s t e m d e s i g n e d w i t h a s h o w o f t h e i r f e a s ib i l i ty a n d e ff e c t i v e n e s s . f i n a l l y , t h e k e y t e c h n o l o g i e s f o r i m p l e m e n t i n g t h i s s t o r a g e s y s te m a r e d i s c u s s e d , a n d i t s f u n c t i o n s a n d u s e r i n t e r f a c e s a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l . t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s s t o r a g e s y s t e m i n s e v e r a l d o m e s t i c h o s p i ta l s s h o w s t h a t i t c a n m e e t c o n s u m e r s d e m a n d s w i t h g o o d p e r f o r m a n c e s . t h i s s y s t e m i s s t a b l e a n d e ff e c t i v e i n s t o r i n g a n d m a n a g i n g m e d i c a l i m a g e s . i t i s a b l e t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s f o r l a r g e m e d i c a l i m a g e s t o r a g e i n p a c s s y s t e m i n c u r r e n t h o s p i t a l s . it c a n b e w i d e l y u s e d i n h o s p i t a l s i n t h e f u t u r e k e y w o r d s : me d i c a l i m a g e , d i c o m s t a n d a r d , p a l s , i m a g e s t o r a g e s y s t e m , i n t e g e r wa v e l e t t r a n s f o r m ( i wt ) , l o s s l e s s c o mp r e s s i o n , n e t w o r k d a ta b a s e 独创性 ( 或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中 特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名:日 期 7 0 0 11 , 1 1 5 ; 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解西安电 子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部 或部分内 容， 可以允许 采用影印、 缩印 或其它复制手段保存论文. ( 保密的 论文在 解密后遵守此规定) 本人签名: 导师签名: m 健 多 升 杠 丢 日 期 ，啥 / 夕 日 期今 峨尸 本/ 、 . 乙 ” 第一章绪论 依据的方法。 图1 . 3常用图像压缩算法 根据第一种分类方法，图像压缩算法可以分为两大类:无损压缩 ( l o s s l e s s c o m p re s s i o n ) 和有损压缩 ( l o s s y c o m p r e s s i o n ) o 图像的无损压缩是指解压图 像与原始图 像完全相同， 没有任何信息损失。 无 损 压缩算 法i i i 可以 分 为: 基于 统计概率的方 法， 如h u f f m a n 编码、 算术编码 和基 于字典的 技术， 如l z w ; l e 基于统计概率的 方法依据的是变长 编码定 理和 信息 嫡 的 有关知识。 基于字典 技术的 压缩方法主要 有: ( 1 ) 游程编码 ( r u n n i n g l e n g t h c o d i n g , r l c ) ， 它适用于 灰度级数不多， 数据相关性很强的图像数据压缩; ( 2 ) l z w编码. r l c 和l z w算法都是对字符串进行编码， 但它们的不同之处在于l z w 在对数据文件进行编码的同时，生成特定字符串序列的表以及它们对应的代码， 字符串 表在压缩过程中 动态生成，而且字符串表也不必存在于压缩文件中， 解压 缩时可以 用压缩文件中的 信息重构它. 图 像的有损压缩是指解压图 像与原始图像相比，允许一定程度的失真，即损 失一部分信息。一般情况， 在保证图 像应用要求和图像质量的条件下， 有损压缩 要比无损压缩有更高的压缩率。有损压缩技术常常广泛应用于语音、图像和视频 数 据的 压缩。 经典的 有损 压缩方法 1 1 1包括预测编码和变换编码。 预 测 编码的 基本 思路是根据某一模型， 利用以 往的图 像数据样本值进行预测， 减少图像数据在时 间和空间上的相关性，以达到压缩图像数据的目的。 预测编码方法简单经济，编 码效率较高。 变换编码的基本原理是将空间域上原来相关性高的图像数据通过某 种数学变换， 变换到一定的 变换域上进行描述。在变换域中变换系数之间的相关 性低，因此减少了重复信息量，达到了数据压缩的目的。基于变换的图像压缩编 解码流程如图 1 . 4 所示。 医学影像无损压缩算法及存储系统研究 压缩后的比特流 无损解压 图1 4基于变换的图像压缩编解码流程 医学图 像是医学诊断和疾病治疗的 重要依据， 在临床上具有重要的应用价值。 确保医学图像压缩后具有高保真度是医学图像压缩首要考虑的因素。根据医学图 像的 用途，它常采用无损压缩方法。因为它能 够精确地还原图 像，使其与原始图 像完全一致。但是无损压缩方法的缺点是压缩率低，仅为2 -5 倍; 而有损压缩方 法的压缩率可高达5 0 倍，甚至更高。 所以，在保证图像使用要求的情况下，将这 两 种压 缩方法结合起来1 2 , 1 3 ,4 7 ,4 8 1 ， 在获 取高的压缩 质童的 前提 下提高 压缩率也是图 像压缩编码领域值得研究的课题。 1 . 2 . 3整数小波 小波变换是2 0 世纪8 0 年代出现的时频域信号分析工具. 作为多个学科共同 的 研究 成果，小 波分析理论正日 益受 到 学术界和工程界的密切关注， 成为 近代多 门学科和多种领域研究的热点。小波变换以 其优良 的时频局部分辨率特性及良 好 的去相关能力，在计算机图形学、图像压缩编码等领域得到了 广泛的应用， 并取 得了良 好的 效果。 1 9 8 9 年， s . m a l la t t 99 1 创造性地 将计算 机视觉领域中的多 尺度分 析方法引入到小披基的构造中，首次 统一了以 前提出的各种小波构造方法，并 研 究了 小波的离散形式， 给出了m a l l a t 塔式分解和重构算法， 从而为小波理论的工 程应用铺平了 道路。m a l l a t 算法 ( f w t : f a s t w a v e l e t t r a n s f o r m)是小波理论突破 性的 成果， 其作用 相当 于傅立叶分 析中 的f f t ( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) . 1 9 8 9 年， m e y e : 出 版的 小 波与 算 子 )po q 是目 前 较 权 威、 较 系 统 的 小 波 理论 著 作。 d a u b e c h ie s i 的“ t e n l e c t u r e s o n w a v e l e t s 1 1 4 1 总结了 她的 研究 成果， 为向 世界科技工 作者普及 小 波 理 论 做出 了 积 极 的 贡 献。 嵌 入 式 零 树 小 波 编 码 1 5 1 ( e z w : e m b e d d e d z e r o t r e e w a v e le t ) 、 基 于 分 层 树 集 合 分 割 算 法 ( 16 1 ( s p i h t : s e t p a r ti t i o n i n g i n h ie r a r c h i c a l t r e e s ) 都是基于小波变换的经典图像压缩算法。 1 9 9 4 年， w im s w e l d e n 等 人 提出 了 一 种 新的 构 造小 波的 方法 12 6 -3 2 】一 提升方 法 ( l i ft i n g s c h e m e ) ， 基于提升方法的小 波 称为 整数小 波或第二 代小 波。 这给小波 变 换注入了新的活力。由于这种小波变换具有良 好的特性，所以它很快被用于图像 的无损压缩编码中， 也受到静止图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 的青睐。 在对量化级数多、 第一章 绪论 要求高分辨率的医学图 像进行无损压缩时， 自 然也想到了 利用整数小波变换( i wt : i n t e g e r w a v e l e t t r a n s f o r m ) 。 大 量 文 献 12 0 ,2 2 ,2 3 ,2 4 ,2 5 1证明 ， 它 确 实 为 提高 医 学图 像 的 压 缩率做出了很大的贡献。 我国 对小波的研究起步较晚，1 9 9 4年形成国内的小波研究高潮，并在信号去 噪和图像压缩、机械故障检测等方面取得了较大的进展。当时涉及到的整数小波 理论 还很少。 从公开 发表的 应用性 文章 1 2 , 1 7 ,1 8 ,1 9 ,2 1 ,4 6 ,8 1 的内 容看， 主 要可以 分为 两 大部分:一部分是利用小波分析对信号进行消噪处理，以提高解释方法的分辨率， 这一部分包括小波变换用于信噪分离、弱信号提取、信号奇异点与奇异度测定， 以及多尺度边缘检测与重构;另一部分是利用小波分析做图 像或数据压缩。一个 图像经小波分解后，图像轮廓主要体现在小波系数的低频部分，而细节部分主要 体现在高频部分，因此，可以采用不同的量化方法对不同层次的低频系数和高频 系数进行量化处理，对量化后的小波系数进行重构，以达到图像或数据压缩的目 的。利用小波分析对信号或图像进行去噪或压缩处理，最关键的就是如何选闸值 和如何进行系数的量化， 从某种程度上说， 它直接关系到信号消噪和压缩的质量。 目 前， 国内 越来 越 多的 研究 人员 开 始 研究 整 数小 波 理 论 及 其 应 用 3 3 -3 8 ,4 1-4 3 1 。 由 于它具有整数到整数变换的特点， 将其应用于图像的无损压缩，这是图像压缩编 码研究的一个新热点。许多学者已经把整数小波应用于医学图像的无损压缩 3 9 ,4 0 ,6 5 ,8 3 ,8 4 1 ， 但是由 于基于 整 数小 波变 换的图 像压缩是一 个热点， 也具 有一定的 难 度和新意，所以对其进行深入研究是很有必要的。 1 . 3本文研究内容和章节安排 本文对图像压缩算法及图像存储系统所涉及的关键技术和实现方法进行了系 统深入的研究。通过阅读大量关于整数小波和图像编码，以及静止图像压缩标准 j p e g 2 0 0 0 等方面的文献资 料， 并针对医学图 像具有高度相关性的 特点， 提出了两 种基于整数小波变换的压缩算法;并针对国内医院和病人就诊的特点，结合医学 d i c o m标准， 提出了 一种图 像存储系统的设计方案， 并就实现该系统的关键技术 和软硬件技术进行了分析。全文共分为五章，内容如下: 第一章为绪论， 概括介绍了 研究图像存储系统及图 像压缩算法的目 的、 意义， 以及研究现状，特别强调了 整数小波应用于图像压缩的意义及现状。 第二章为医学影像分布式存储系统的设计，主要包括存储系统总体设计方案 和模块功能，以及图像的多级分布式存储、分级备份机制、图像压缩存储方案、 数据恢复机制，以及基于d i c o m标准的远程管理及访问等关键技术。 第三章为基于整数小波变换的单帧图像无损压缩算法研究，主要介绍了整数 小波用于图像压缩的优点、整数小波变换，并针对医学图像的特点，提出了基于 医学影像无损压缩算法及存储系统研究 d p c m和整数小波相结合的单帧图 像压缩算法，以 及对新算法中涉及的关键技术 加以详细说明。 第四章为基于整数小波变换的序列图像无损压缩算法研究， 首先介绍了 j p e g 2 0 0 0 标准中的压缩算法在医学图 像中的应用， 接着讨论了 三维整数小波变换 的分解和最优小波基的 选取， 最后根据医学影像设备的 成像特点， 提出了j p e g 2 0 0 0 标准下的基于整数小波变换的序列图像压缩算法，以及详细分析了新算法中所涉 及的关键技术。 第五章是医学影像分布式存储系统的实现，主要介绍大容量存储设备、数据 库的设计及编程接口的选取，和网络工作环境等关键技术，并讨论了本存储系统 的一个应用实例， 对其性能进行分析， 与同类软件进行了比较。 最后， 对论文工作进行了 全面地总结，并对今后的研究方向 进行了 展望。 第二章 医学彤像分布式存储系统的设计 第二章 医学影像分布式存储系统的设计 2 . 1引 言 随着医院信息化建设的不断深入， 很多医院都希望构建自己的放射科 p a c s 系统，以 实现放射医疗的数字化。因此， 在符合当前我国医院的实际情况下， 采 用经济可靠的方法实现大容量医学影像存储和管理的问题具有较强的 现实意义。 本章研究和设计了 一套完全符合d i c o m标准、 能 够完全满足我国医院目 前和未来 需求的p a c s 系统存储方案162 翻 1 d i c o m ( d i g i ta l i m a g in g a n d c o m m u n i c a t i o n s i n m e d i c i n e ， 医学 数字成像和通 信 标 准) 标 准 15 0 ,5 1) 是 美 国 放 射 学 会( a c r ) 和 美 国 电 子 制 造 商 协 会( n e m a ) 联 合 制 定的医学数字成像和通信标准。 它促进了 远程放射学系统、 p a c s 系统的研究与发 展，并且由于其具有开放性与互联性，使得各种医学应用系统的集成成为可能。 1 9 9 3 年诞生了 统一的医学图像和相关信息 格式及交换方法的d i c o m 3 .0 标准。 它 为各国不同厂商生产的医疗诊断和治疗设备提供了医学图像数字通信接口的标 准。医学图像设备只有采用d i c o m 3 .0 标准， 其图 像数据格式和数据才能在国际 互联网上传输，能实时地接收到图像、 文字、表格、数据、动态图像、声音和视 频等多媒体信息。只有符合d i c o m 3 . 0 的医疗设备，才能为医院所接受。 根据医院目 前对医学图 像管理系统的要求， 整个d i c o m图像存储系统必须提 供以下功能: 1 )具备通 信功 能。 能 够与 现有的 符合d i c o m标准的医 学影像 设 备、 诊断工 作站及医疗信息系统进行通信， 作为服务的提供者 ( s c p : s e r v i c e c l a s s p r o v i d e r ) ，主要为医学影像设备等提供网络服务。即按照d i c c m标准， 完成为这些设备提供图像数据存储、 查找和转存等服务， 同时对客户端( 其 它与之通信的设备，作为服务使用者 ( s c u . s e r v ic e c l a s s p r o v i d e r ) )的 请求必须有较快的 响应， 满足实时性的要求。 2 )具备数据备份功能。 能够按照事先设定好的备份策略， 将接收到的医学影 像数据进行多级备份，以 确保数据的安全， 并且在备份数据的同时， 对图 像数据进行无损压缩，以降 低所需的 存储空间，节省存储设备的开销。 3 )能 够存储医学 影 像的 相关 信息， 并 实 现对这些信息的 统计、 查 询和打印 等 基本的数据库管理功能。 4 )具有良 好的 可 扩展 性。 能 够方 便 地与 各 种医 疗信息系统， 如r i s( 放射科 信息系统) 、 h i s 集成. 医学影像无损压编算法及存储系统研究 2 . 2存储系统的总体方案 由 于该存储系统针对医院放射科，需要存储的数据主要是医学图像数据和相 关信息，如病人的基本信息、医生信息、检查费用和诊断分析报告等，所以 它具 有 特殊 性。 考虑到 这种 特殊性15 8 1整 个存 储系 统必须具备以 下 特性: 1 )医学图 像数据和相关信息的完整性和一致性， 保证p a c s 系统采集的新图 像完整无误地存入存储系统; 2 )存储的 效率， 保证数据查询的 高 效性以 及 存 储的 低代价。 将短期存储和长 期存储方式结合使用; 3 )信息的可靠性， 保证存储的图 像和相关信息不会由 于人为或不可知因素而 损坏或彻底丢失。 因此，本文设计的存储系统由数据管理模块、系统管理模块和网络通信模块 构成。 它主要完成海量多级分布式存储、图像数据备份和管理，以及基于d i c o m 标准的远程管理及访问等功能。它的总体设计框架如图2 . 1 所示。 图2 . 1 医学影像存储系统的总体设计框架 在该存储系统中，各种医学影像设备、医学诊断工作站和其它医学信息系统 ( 如r i s ) 都通过它的网络通信模块与其相联系。当 影像设备c t , m r , c r等或 者诊断工作站发送图像给存储系统时， 存储系统首先通过网 络通信模块接收图像， 并将其以文件的形式存储在在线存储区中，同时将图像的相关信息存入网络数据 库s q l s e r v e r 2 0 0 0 的 在线数据库中 。当 诊断工 作站需 要从存储系统获取图 像时， 也是通过网 络通信模块将请求发送给网 络数据库， 然后依照请求从数据库中找到 指定图像的存储路径，根据存储路径访问具体的图像，并将图 像数据通过网络通 信模块发送给诊断工作站。同时， 存储系统的网络通信模块也能够给 r i s发送诊 第二章 医学影像分布式存储系统的设计 断状态信息。数据管理模块直接对数据库和图像文件进行各种管理操作，如复合 查询和显示。系统管理模块是对系统的稳定性和安全性等进行设置，如多级图像 的恢复、多级数据库的恢复、用户管理。在该存储系统体系结构中，网络通信模 块是核心。 它主要作为 服务提供者s c p ， 完成海量图 像数据的存储、 查找和转存， 以及图像的多级备份。 2 . 3存储系统中的关键技术 根据我们设计的医学影像存储系统的方案， 该存储系统中所涉及到的关键技 术主要有多级分布式存储、图 像的分级备份机制、图 像压缩方案和数据恢复机制， 以 及基于d i c o m标准的远程管理及访问。 2 . 3 . 1多级分布式存储 该存储系统主要完成图像数据的存储和管理。因此，如何有效地组织数据， 将关系到系统性能的好坏和复杂度的高低。 由于大型p a c s 系统中存储的图像数据 量相当 大， 通常以t b 度量， 因 此， 本系统采用多级分布式的技术对图 像、 相关信 息分别进行存储和管理，并支持多种存储设备。我们按图像的使用频度， 将存储 级别分为以下三种: 1 )在线 ( o n - l i n e ) 存 储， 用于 存储最新产生的和 使用频率 较高的图 像数据。 常用的存储媒介是本地硬盘或磁盘阵列r a i d ， 存储能力为几十g b到几 百 g b . 2 )近线 ( n e a r - l i n e ) 存储， 用于存储医院所有病人5 1 0 年的图 像数据。 通 常采用磁盘阵列或磁带库之类的大容量设备， 存储能力为几百g b到几个 t b. 3 )离线 ( o ff - l i n e ) 存 储， 用来存储要永久保存的 数据，主要是考虑到图 像 数据的安全， 避免不必要的数据损失。 通常采用光盘塔和磁带库等存储图 像， 其存储容量可以 容易扩充。 以这种方式存储的数据通常要通过人工操 作才能进入p a c s 系统， 比如要将指定的光盘放入光驱或磁带装入磁带机， 读取里面的图 像数据。 按照树型结构， 利用网络数据库存放图像的相关信息，同时将图像数据放置 在图 像文件区中. 这种存储方式具有访问灵活、查询速度快、便于图 像共享等优 点。 这里只利用数据库存放图 像的索引 信息，膨胀相对比 较缓慢， 保证了 数据库 的稳定性。 根据d i c o m标 准 ， 图 像的 相关 信息可以 分为病人级( p a t i e n t 级) 、 病例级( s t u d y 级) 、 序列级 ( s e r i e s 级) 和图 像级 ( r n a g 。 级)的 信息， 上一级和 下一 级都 存在 一对多的关系。 其树型存放结构如图1 2 所示。 这种四级结构是从现实实体中抽象 医学影像无损压缩算法及存储系统研究 出 来的， 符合当前医院的工作流程，具有很强的实用性。 图像山 图像1 图2 . 2图像信息树型 存放结构 病人级为最高级，主要存储病人的基本信息，如姓名、性别、年龄和病人 i d 号、电话、住址等。对于一个指定的 病人来说， 这些信息是基本不变的，会永久 保存在指定医院的数据库中。每次病人就诊， 医院就会从数据库中调出关于这个 病人的基本信息，每一个病人相应地都会分配一个p a t i e n t i d号作为唯一识别号。 病例级为第二级， 主要存储病人每次到特定的医院看病时记录的一部分信息， 如 病例号( s t u d y i d ) , s t u d y i n s t a n c e u i d 、 诊断的 科室名、 医生 姓名等， 其中s t u d y i n s t a n c e u i d是影 像设备产生的唯一识 别号， 具 有 唯一性。 序列级为第三级，主要存储病人每次检查时记录的不同检查部位、不同影像 设备的信息，如序列号、s e r i e s i n s t a n c e u i d 、诊断部位、影像设备、病因等，其 中s e r i e s i n s t a n c e u i d也是由 设 备产生的 唯一识别号。 图 像级为第四级，主要存储具体医学图像的详细信息，如图像号、 i m a g e i n s t a n c e u i d 、 图 像尺寸、图 像描述等， 其中i m a g e i n s t a n c e u i d也是由 设备 产生 的唯一识别号。 为了 进一步优化系统的结构， 根据国内 医院的实际情况， 将病人级和病例级 合二为一 以 上讲的是图 像的相关信息 在网 络数据库中的存储方式。 对于图 像文 件的 存储， 我们 根 据 每幅图 像中 所包含的s t u d y i n s t a n c e u i d , s e r i e s i n s t a n c e u i d, i m a g e i n s t a n c e u i d来 共同 确定目 录结 构。 原因 是 这三种u i d 都是由 设备唯一给定的， 这样构建出 来的目 录结构具有唯一性。 根据d i c o m标准， 同 一 个s t u d y 下所有图 像的s t u d y i n s t a n c e u i d是 相同的， 而同 一 个s e r i e s 下所 有 的s e r i e s i n s t a n c e u i d也是相同的， 所以 在 存储图 像时， 我们直接用s t u d y i n s t a n c e u i d和s e r i e s i n s t a n c e u i d来定义目 录， 用i m a g e i n s t a n c e u i d来充当图像的文件 名。采用这种方式存储图像，不但文件的存储结构比 较清晰， 而且图像也便于查 找和管理。整个图像文件的存储目 录结构如图2 . 3 所示。 第二章 医学影像分布式 存储系统的设计 m%t4mi sway instenoe uid . msmnce uidseries instance uid 1 .seies i uid sexes 1 u7d . series irrclarae uid 1 ima ge instance u id .， . im age instanoa u id im age inp s lce u id 二 ， im age instance u id 图像文件 图2 .3图像文件的存储目 录结构 2 . 3 . 2图像的分级备份机制 备份管理是为了 保证图像数据的安全性而设计的. 通常数据的备份可分为增 量备份、全量备份和差分备份。在本系统中，我们采用了增量备份，因为全量备 份会构成大量的数据冗余， 造成存储空间的浪费，而差分备份不能完全保证数据 的安全性. 根据存储系统的设计方案，需要备份的数据包括两类:图像数据和图像的相 关信息。因为图像的相关信息存放在网络数据库中，用户可以根据需求选择备份 策 略， 利 用s q l s e r v e r 2 0 0 0 自 身拥有的备份管 理机制， 对其进行备 份。因 此， 我 们的重点放在实现图像的备份上。 图像数据的多级备份流程如图2 .4 所示。 首先， 网络通信模块在接收到图像数 据之后，分别将图像和从中解析出来的相关信息存入在线存储区和在线数据库。 刚存入在线存储区的图像没有经过备份，因此将其加入到备份队列中，备份系统 会根据用户事先设置的备份策略，将备份队列中的图像数据备份到近线存储区， 并将对应的数据库记录备份到近线数据库，同时更新在线数据库。 近线至离线的 数据备份流程类似，只是它需要判断存储媒介是否己满或者是否准备就绪。由于 备份过程需要占用一定的系统资源， 特别是需要备份的图像非常多的时候，就要 占用更多的资源.因此，我们将备份时间设定在晚上或者用户对系统访问量比较 小的时间段自 动进行，以免出 现资源紧张， 影响用户访问速度。当 然， 该系统也 提供手动备份的功能，也就是为用户提供对某些病人的未备份的图 像进行紧急备 份的功能。因为在线存储区存放的是最新的图像数据，为了保证查询的速度，在 备份的同时，需要定期清除在线存储区和在线数据库中的已 经备份过且很少被使 用的图像数据。 医学影像无损压缩算法及存储系统研究 一 一 v 图2 . 4图 像数据的多级备份流程图 2 . 3 . 3图像压缩存储方案 备份大量的图像数据，需要大容量的存储空间。为了节省所需的存储空间， 我们在备份的同时对图像进行压缩。考虑到医学图 像的特殊用途，以及法律原因、 后处理方面的原因和客观评价方面的原因，我们主要研究的是医学图像的无损压 缩。 在该系统中提供了四种压缩存储方案。 第一， 基于j p e g标准下的无损压缩算 法j p e g - l s 8 l ， 这 是d i c o m标 准 支 持 的 一 种成 熟的 无 损 压缩 算 法。 该 方法 对c t . m r . u s和c r等医学图像通常能达到3 - 5 倍的压缩率，压缩率随图像不同 而不 同;第二， 基于整数小波变换的单帧图像无损压缩算法，它利用了医学图像象素 之间存在高度的相关性和整数小波的特性;第三， 基于三维整数小波的序列图像 无损压缩算法， 它除了利用医学图像象素之间存在高度的相关性和整数小波的特 性以 外， 还利用了 影像设备拍摄图 像的 特性，即利用序列图像间的高度相关性， 对整个序列进行无损压缩， 可以 有效地提高图 像的 压缩率; 第四， 利用j p e g 2 0 0 0 标 准 支 持r o i ( r e g io n o f i n t e re s t感 兴 趣 区 域) 编 码的 特 性 16 1 ,6 9 ， 对图 像的 重 要 诊断区域 ( r o d进行无损压缩编码， 对次要信息区域 ( 如背景) 采用高压缩比的 有损压缩方法。在保证重建图像质量的情况下，进一步提高图像的压缩率。这种 压缩方案还在理论研究阶段。因此， 我们将重点放在第二种和第三种压缩存储方 案上， 将分别在第三章和第四章作以详细介绍。 2 . 3 . 4数据恢复机制 医学图像数据的安全性是存储系统必须考虑的关键问题之一。由于人为误操 作或者硬件损坏，以及各种不可知因素的影响， 通常会造成系统存储的图像数据 及数据库记 录丢失。如果没有一套完善的数据恢复机制， 则丢失的数据将永远不 复存在，而且今后存储系统的运行将变得不稳定，甚至造成存储系统的崩溃。因 此， 对于要求高稳定性和高可靠性的系统来说，数据恢复功能是不可缺少的。 第二章 医学影像分布式存储系统的设计 本存储系统的存储方式采用了多级分布式存储的概念，存储的数据具有相当 高的稳定性和安全性， 而且每一幅图像数据和相关信息都至少有两个备份，这样 为数据的恢复提供了 条件。因此，我们设计了一套完普的数据恢复机制。数据恢 复主要包括两方面的内 容:图像相关信息数据库的恢复和图像数据的 恢复。 ( 一) 数据库的恢复 图 像相关信息 数据库的 损坏通常是s q l s e r v e r 服务器被损坏或者人为 意外而 造成存储在其中的病人的 相关信息丢失。由 于s q l s e r v e r 自 身具有强大的数据备 份及恢复 功能， 因 此， 提高了 数 据库信息的 稳定 性和安全性， 这也是 我 们选择s q l s e r v e r 的一个重要原因. 但是，一旦数据库里的数据丢失，无法自 身恢复，该存储系统将面临崩溃的 威胁。因为没有了相关信息数据库的支持， 存储区中的图像数据就变成了黑数据， 无法识别。因此，该存储系统中提供了 数据库恢复功能，通过存储区中的图 像数 据来恢复数据库中的相关信息。它恢复的前提是要保证相应的存储区图像数据完 整无损。 依据d i c o m标 准， 同 一个s t u d y 下的 所有s e r i e s 有一些相同 的 信息， 同 一个 s e r i e s下的所有图像也有很多相同的信息。根据这一点，该系统提供数据库 的精确恢复和数据库的快速恢复两种数据库恢复的方式。数据库恢复的流程如图 2 . 5 所示。 与图像存储区对应的数据库信 息丢失或损坏 数据库的精确恢复数据库的快速恢复 解析图像存储区中的每一幅图 像的头信息，对对应的数据库 进行精确恢复。 仅仅解析图像存储区中的部分 图像的头信息，对对应的数据 库进行快速恢复。 图2 . 5数据库恢复流程 它们的区别在于前者对所有图像的头信息都进行完全解析，后者仅仅只对同 一个 s e r i e s下的一个图像的头信息进行完全解析，其它的图像仅仅只解析个别信 息。 也就是说， 我们认为一个序列下的图像的大部分信息都是一样的。当然， 数 据库的快速恢复可能恢复的信息不够完全，但是这种恢复速度要比数据库的精确 恢复快得多。 ( 二)图像数据的恢复 该存储系统中也提供了图 像数据恢复的功能， 包括完全图像数据的恢复和部 分图像数据的恢复。由 于在任何时间每一幅图像数据都至少有两个备份， 那么， 当一份数据丢失时，就可以通过另一份完好的数据来对其进行恢复。并且根据我 医学形像无损压 缩算法及存储系统研究 们的系统设计方案，图像数据和数据库里的相关信息是一一对应的关系，因此， 图像数据的恢复是以 数据库里的相关信息和其他存储区的图像数据为依据的. 例 如，在线存储区的图像数据的恢复，是以 近线数据库和近线存储区为依据的，当 然前提是在线数据库完整无损。 完全图像数据的恢复不需要查找数据库。 它认为图像数据全部丢失，只要将 指定图像存储区的全部数据拷贝到丢失图像数据的存储区即可，同时需要对相应 的数据库进行更新。部分图像数据的恢复需要事先查找丢失的图像， 根据查找的 结果， 仅仅对丢失的图像进行恢复. 其图像数据恢复流程如图2 . 6 所示。 在完全图 像数据的恢复中拷贝图像耗时，而在部分图像数据的恢复中查找丢失图像耗时。 存储区图像数据全部 损坏或丢失 存储区图像致据部分 损坏或丢失 从指定的存储区将完盛圈像数 据恢复至损坏的存储区 扫描被拐坏的存储区。 确定被损坏成丢失的圈像. 很据拐坏成丢失目像的记录，从 指定的存储区将搜坏或丢失的图 像数据恢复至损坏的存储区. 更新损坏或丢失圈像数据的存 储区对应的教据库信息， 使其 与图 像数 据一一对应。 图2 .6图像数据恢复流程 2 . 3 . 5基于d i c o m标准的远程管理及访问 基于d i c o m标准的远程管理及访问 是图像存储系统与医学影像设备、 诊断工 作站和其他医学信息系统的接口，能为符合 d i c o m 标准的设备和系统提供各种 d i c o m 标准支持的与图像信息有关的通信服务，如图像数据的存储服务 ( s t o r e ) , 查找服务 ( f i n d ) 和转存服务 ( m o v e ) 等。同时对客户端 ( 指的是 与之通信的其他设备或系统)的请求必须要有较快的响应，满足实时性的要求。 ( 一) 存储服务的功能 该存储系统作为服务的提供者( s e r v i c e c l a s s p r o v i d e r , 简称s c p ) ， 给医学影 像设备、诊断工作站和其他医学信息系统提供远程管理及访问服务。s t o r e s c p 的 功能主要是接收来自 其它医疗设备 ( 作为服务的使用者， s e r v i c e c l a s s u s e r , 简 称 s c u ) 的医学图 像， 从获取的图 像中 解析出图像的相关信息， 存入在线数据库， 同时将图像存放在在线存储区。其处理流程见图2 . 7 0 第二章 医学影像分布式存储系统的设计 存储系统 影像工作站等 图2 . 7 s t o r e s c p 的处理流程 ( 二)查找服务的功能 f i n d s c p的功能主要是在数据库中查找符合影像工作站或其他医学信息系 统 查 找 请 求的 信 息 ， 将 匹 配 的 信 息 通 过d i m s e ( d i c o m m e s s a g e s e rv ic e e le m e n t ) 服务返回给作为f i n d s c u的影像工作站等。 f i n d s c p的处理流程如图2 . 8 所示。 存储系统 影像工作站等 图2 . 8 f i n d s c p的处理流程 ( 三) 转存服务的功能 m o v e s c p的功能主要是接收一个s c u的转存请求， 给指定另一个s c u( 可 以与提出请求的s c u一致) 发送符合条件的图 像。 这时要求接收图像的s c u必须 具备 s t o r e s c p服 务功能， 它能够接收并存储获取到的图像. 而存储系统作为 mo v e s c p ，它除了能处理mo v e s c u的请求外，还必须具备s t o r e s c u的功 能，将图像发送给对方。m o v e s c p的处理流程如图2 .9 所示。 d i c o m 接口 存储系统 影像工作站等 图2 . 9 m