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基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 中文摘要 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 中文摘要 随着我国医疗卫生事业的迅速发展，医疗影像设备的装备情况有了 较大的改善，医学影像处理系统在现代化医院中得到越来越广泛的应用。 但是，由于经济水平的制约和一些关键技术没有得到很好的解决，使得 我国医学影像的研究和应用仍然处于摸索和起步阶段。现有的实用医学 影像处理系统中，图像处理功能较弱，且都采用传统的空间域或频率域 图像处理方法。本课题针对现有医学影像处理系统的不足，构建了一个 医学影像处理与传输系统平台，采用了存储局域网加数据库进行图像存 储，应用d e l p h i 7 0 编程语言设计程序实现图像数据的局域网传输。通过 实例研究了基于小波变换的图像增强的处理方法，并且与传统的图像增 强方法进行对比。研究结果表明：基于小波变换的图像处理和传输 方法效果优于传统的图像处理和传输方法。 关键字：小波变换；图像增强；图像传输；医学影像 作者：李浩 指导教师：汪鸣 垦竺竺苎! ! ! ! 生竺! ! 堡! ! ! 竺! 鳇! 翌! 壁里竖! ! ! ! ! ! ! ! 竺型! ! g ! ：! ! ! 竺呈竺型! ! ! ! ：型壁 垒! ! 壁! ! r e s e a r c ho ft h em e d i c a li m a g e p r o c e s s i n ga n d t r a n s m i t t i n gs y s t e mb a s e d o nw a v e l e t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h em e d i c a la n dh e a l t hu n d e r t a k i n g o fo u rc o u n t r y ，t h em a t e r i a lc i r c u m s t a n c eo ft h em e d i c a lt r e a t m e n th a v e i m p r o v e dq u i c k l y ，m e d i c a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m sa l eb e i n gu s e dm o l ea n d m o l ei nm o d e r nh o s p i t a l s b u tb e c a u s eo ft h er e s t r i c to ft h ee c o n o m i cl e v e l a n dn og o o ds o l u t i o no fs o m ep i v o t a lt e c h n i q u e ，t h el e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n a r es t i l li nt h ee a r l ys t a g e e s p e c i a l l y ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gf u n c t i o n sa r ew e a k i nt h em e d i c a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m st h a ta p p l y i n gi nh o s p i t a l s ，a n do n l y t r a d i t i o n a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d so fs p a c ef i e l da n df r e q u e n c yf i e l da r e a d o p t e d i nv i e wo ft h ed e f e c t so ft h e m ，w eh a v ed e s i g n e dat e r r a c eo f m e d i c a li m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n gs y s t e m i nt h es y s t e m ，w eu s e d s a na n dd a t a b l et os t o r ei m a g ed a t a ，a n dd e s i g n e dp r o g r a m m i n gt ot r a n s m i t i m a g ed a t ao nl o c a la r e an e t w o r k t h e nw er e s e a r c h e dt h em e d i c a li m a g e e n h a n c e m e n t u s i n gw a v e l e t t r a n s f b n nf o r a c t u a lm e d i c a li m a g e a n d c o m p a r e dt h er e s u l tt ot h a to ft r a d i t i o n a lm e t h o d s t h ec o m p a r i s o n ss h o wt h a t t h em e t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r i l lj sb e t t e rt h a n 仃a d j t i o n a 】m e t h o d si nt h e m e d i c a li m a g ee n h a n c e m e n t k e yw o r d s ：w a v e l e tt r a n s f o r m ；i m a g ee n h a n c e m e n t ；i m a g et r a n s m i t t i n g ； m e d i c a li m a g e i i w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： l ih a o w a n gy i m i n g 码5 7 1 8 9 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏卅i 大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：左；堕 日 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：0 6 f 2 d 期： 盟兰旦 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 第一章概述 1 1 引言 视觉是人类最重要的感知手段之一。视觉信息是人类从自然界获得 信息的主要来源，人们通过视觉获取的信息约占到人们从客观世界获取 的所有信息总量的8 0 以上。图像是人类视觉的基础，视觉获取的信息 是各种各样的运动或静止的图像。因此，图像是人们认识世界的重要知 识来源。图像信息具有直观形象、易懂、信息量大的特点，因此图像在 通信、医学、气象、工业检测、智能机器人等领域的应用越来越广泛。 人们在对图像进行分析，以获得图像中准确的信息时，往往觉得原 始图像不能满足要求，因此就需要对图像进行一定的处理。图像处理可 以应用光学方法，也可以应用数字方法，光学图像处理方法已有很长的 历史，在激光全息技术出现后得到进一步发展。尽管光学处理理论日臻 完善，且处理速度快，信息容量大，分辨率高，但处理精度不高，稳定 性差，设备沉重，操作不便，数字图像处理恰恰克服了上述的缺点，它 最突出的优点是灵活方便，改变软件程序即可改变处理方法达到所求的 处理效果。数字图像处理的历史是与数字计算机的发展密切相关的。在 计算机出现之前，人们主要对模拟图像进行处理，在计算机出现并得到 高速发展后，尤其是到了上个世纪五十年代，电子计算机已经发展到一 定的水平，人们开始利用计算机来处理图像和图形信息。到了六十年代， 数字电子计算机的进一步发展以及大规模的存储和显示系统相关技术的 发展，使得数字图像处理形成了一门学科。 数字图像是指一个被采样和量化的二维函数，采用等距离矩形网格 采样，对幅度进行等间隔量化，因此数字图像就是指存储在计算机磁盘 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第一章概述 上的一个二维数据矩阵。数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 又称 为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对 其进行处理的过程“。早期的图像处理目的是改善图像质量，它以人为对 象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中，输入的是质量低的图像， 输出的是质量改善后的图像。常用的图像处理有图像增强、复原、编码、 压缩等。 随着计算机技术、人工智能和思维科学研究的迅速发展，从2 0 世纪 7 0 年代中期开始，数字图像处理得到了生机勃勃的发展。图像处理技术 的第一类应用领域是用于人类分析，如图像处理技术已成功应用于天文、 生物学、法律设施、国防及工业领域，图像处理技术的第二类应用领域 是解决机器感知问题，人们已经开始研究如何用计算机系统解释图像， 实现类似于人类的视觉系统理解外部世界，这就是图像理解或计算机视 觉。在机器感知中通常使用图像处理技术的典型问题是自动字符识别、 用于生产线及检测的工业机器视觉、军事识别、指纹的自动处理、用于 天气预报和环境鉴定的航空与卫星图像的机器处理等。 数字图像处理一个重要的应用领域是在医学方面的应用。1 9 7 2 年由 英国的h o u s f i e l d 和美国的c o r m a r k 发明并由英国e m i 公司制造出第一台 用于头颅诊断的x 射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常所说的c t ( c o m p u t e r t o m o g r a p h ) 。c t 的基本方法是根据人的头部截面的投影，经 计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。通过c t 获取人体剖面图， 使对机体病变，特别是对肿瘤的诊断发生了个革命性的变化。两位发明 者因此而获得了1 9 7 9 年诺贝尔奖，后来又发展了超声c t ，核磁共振c t 等。 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第一章概述 随着医学技术的发展，医疗诊断也越来越依赖于现代化的医学影像 设备获取的病人病变区的图像，医学诊断可以依据医学影像所提供的正 常或异常信息做出诊断结论，病变诊断符合率取决于图像质量，优质医学 图像是诊断准确的前提。而在图像获取过程中，不可避免地会由于各种 原因造成图像质量下降。因此在利用图像进行诊断之前，对图像进行处 理就显得非常重要。因此医学影像处理已成为数字图像处理中的一个重 要部分。 近年来多媒体技术和因特网的迅速发展与普及，为数字图像处理技 术的持续发展创造了前所未有的机会。 1 2 数字图像处理的主要内容及方法 数字图像处理的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 图像数字化 图像数字化其目的是是将模拟形式的图像通过数字化设备变为数字 计算机可用的离散的图像数据。 ( 2 ) 图像变换 图像变换是对原始图像执行某种正交变换如傅立叶变换、离散余弦 变换、沃尔什变换、哈达玛变换等，将图像的特征在变换域中表现出来 以便在变换域中对图像进行各种相关处理。采用各种图像变换的方法， 将空间域的处理转换为频率域处理，不仅可减少计算量，而且可获得一 些用空间法无法完成的特殊处理。近年来发展起来的小波变换在时域和 频域中都具有良好的局部化特性，它在图像处理中也有着广泛而有效的 应用。 ( 3 ) 图像编码压缩 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第一章概述 图像编码压缩目的是为了减少描述图像的数据量( 即b i t 数) ，以便 节省传输和处理的时间以及存储器容量。压缩可以在不失真的前提下获 得，也可以在允许的失真限度内进行。编码是压缩技术中最重要且比较 成熟的方法。 ( 4 ) 图像增强和复原 图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，图像增强处理主要 是突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用 信息得到加强，便于区分或解释。主要方法有直方图增强、空域增强、 频域增强、伪彩色增强法等技术等。图像复原处理的主要目的是去除干扰 和模糊，恢复图像的本来面目，如去除噪声。图像复原处理要求必须考 虑图像降质的原因，以根据降质过程建立相应的数学模型，作有针对性 的处理。 ( 5 ) 图像分割 图像分割是根据灰度或几何特性选定的特征，将图像划分成几个有 意义的部分，从而使原图像在内容表达上更为简单明了。对分割出的有 意义的部分进行处理分析，从中获取有用信息，以便进一步用作模式识 别、机器视觉等处理。 ( 6 ) 图像描述 、 图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值图像可 采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描 述，有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维 纹理特征描述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体 描述的研究，提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 ( 7 ) 图像识别 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第一章摄述 图像识别是数字图像处理的重要研究领域，是图像处理技术的深入 和发展，也可以认为是模式识别的一个分支，其主要内容是图像经过某 些预处理( 增强、复原、压缩) 后，再进行特征提取和分割，进而按一 定的判据进行判决分类。图像识别可分为统计识别法、句法( 结构) 识 别法、模糊识别法，近年来新发展起来的人工神经网络模式分类在图像 识别中也越来越受到重视。 1 3 医学图像处理研究现状 ( 1 ) 临床应用 随着我国医疗卫生事业的迅速发展，医疗影像设备的装备情况有了 较大的改善。大多数医院配备了各种先进的医疗影像诊断设备，例如：x 光机、c t ，m r l 、b 超等设备。但是，由于经济水平的制约和一些关键技 术没有得到很好的解决，特别是有关配套的法规制度不健全，使得我国 医学影像的研究和应用仍然处于摸索和起步阶段。目前国内尚未见一套 完整的、运行正常并通过国家卫生部验收的医学影像系统。当前，在大 型现代化医院里，临床上医学图像处理主要以应用随机附带软件进行直 接处理为主。由于计算机技术的进步，各种影像学设备随机安装大量后 处理软件，使图像后处理的临床应用越来越广泛。这使图像的显示、诊 断和鉴别诊断能力不断提高，受到影像学科和其他临床学科医生的欢迎 和好评。最近几年来出现的p a c s 系统( p i c t u r e a r c h i v i n g & c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 是一个涉及放射医学、影像医学、数字图像技术、采集和处理、 计算机与通讯c s 体系结构的多媒体d b m s 系统，涉及软件工程、图形 图像的综合及后处理等多种技术，是一个技术含量高、实践性强的高技 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 第一章概述 术复杂而又庞大的系统，价格昂贵，限制了其迅速普及。由于单机图像处 理系统的软硬件成本较低，因此其在绝大多数医院尤其是在中小型医院 中的应用还是占主导地位。 ( 2 ) 技术水平与处理方法 当前实用的一些医学影像系统，具有基本的图像处理与管理功能， 如：医学图像的获取、增强、恢复( 还原) 、存储等，可以实现采集d i c o m 和非d i c o m 接口的影像设备的影像信息，同时支持胶片扫描获取图像， 对获取的图像可以以d i c o m 格式存储或传输；支持图文诊断报告，支持 相关报告对比功能；可进行典型病例管理，支持姓名、影像号等多种方 式的查询。但是系统往往更注重文字信息的处理，如病人基本信息、医 嘱信息、诊断报告、成本核算等，图像处理只是一部分，而且往往只是 对图像进行一些简单的处理，采用高级语言编程实现。 图像处理方法很多，有空域法和频域法之分。传统的频域法中主要 用傅立叶变换、离散余弦变换等。近年来，最新的频域分析工具小波变 换在图像处理中的应用研究越来越多，采用小波变换进行图像处理已经 表现出很多优点。在当前国内实用的医学影像处理系统中，主要还是使 用传统的图像处理方法，以小波变换作为主要处理方法的医学图像处理 系统还没有。 ( 3 ) 发展趋势 医学图像诊断在现代医疗活动中占有极为重要的地位，现代医学己 越来越离不开医学图像的信息，医学图像在临床诊断、教学、科研等方 面正发挥着极其重要的作用，通过医疗影像诊断设备获得有用信息已经 成为医院临床诊断的主要手段之一。因此，在国内发展以医学影像信息 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第一章概述 管理为主的医学影像系统成为必然趋势，医学影像传输及其处理系统是 实现医学图像信息管理的重要条件，它对医学图像的采集、显示、储存、 交换和输出进行数字化处理，最终实现图像的数字化储存和传送。医学 影像传输及其处理系统的目标是实现医学图像在医院内外的迅速传递和 分发，实现资源共享，使医生或病人本人能随时随地获得需要的医学图 像。此外，通过对医学图像和信息进行计算机智能化处理后，可使图像 诊断摒弃传统的肉眼观察和主观判断。借助计算机技术，可以对图像的 像素点进行分析、计算、处理，得出相关的完整数据，为医学诊断提供 更客观的信息，最新的计算机技术不但可以提供形态图像，还可以提供 功能图像，使医学图象诊断走向更深层次，例如：计算机辅助诊断技术， 利用计算机进行图像的识别和辅助诊断等，医学图像后处理的新方法和 新技术有广阔的发展前景。 1 4 主要研究工作及本文的结构安排 随着现代科学技术的发展，医学图像传输及其处理系统的应用越来 越广泛，越来越多的医生要根据医学图像作出诊断，因此医学图像处理 及其传输系统的研究也变得越来越重要。本文来源于徐州瑞祺医疗设备 有限公司和第四人民医院的研究课题，以现有的超声医学图像处理系统 为基础，设计了一种医学影像处理和传输系统，系统针对原有系统图像 处理方面较弱的缺陷，以图像增强为实例研究了基于小波变换的医学图 像处理方法。 本文结构如下： 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第一章概述 第一章为绪论，介绍了数字图像处理及数字图像处理的方法、主要 内容和应用，同时介绍了医学图像处理的现状和发展趋势从而提出本课 题的意义。 第二章为医学影像处理及传输系统设计，在本章中介绍本系统的结 构和工作原理，重点解决了图像存储方案设计，研究了如何把d e l p h i 7 0 和m a t l a b 6 5 结合起来实现对图像的处理，以及如何采用d e l p h i 7 0 编程 语言编程实现局域网上计算机之间的图像数据传输等。 第三章和第四章是本系统的图像处理部分，针对目前医学图像处理 系统采用传统的频域处理方法，本系统采用的是近年来研究比较活跃的 基于小波变换的图像处理方法，在第三章小波变换理论基础部分回顾了 小波的发展史，介绍了小波的特点、原理及连续小波变换、离散小波变 换、二维小波变换等。从小波的发展和特点可以看出，小波的优势越来 越明确，应用越来越广泛，已引起世人的重视，并取得了瞩目的成就。 对小波的研究还在深入继续，它还将在许多领域起到不可估量的作用。 对小波变换理论的介绍也为下一章小波变换应用图像处理作铺垫。 由于本系统涉及的图像处理的内容较多，本文不可能面面俱到，所 以我们在第四章仅以图像增强处理为实例，结合传统的中值滤波、直方 图增强的图像处理方法，利用小波变换进行图像去噪声处理，并将因去 噪而使边界变得模糊的图像进行增强，对小波变换后的高频和低频系数 分别加权处理，从而得到对比度增强的图像。通过分析比较两种去噪和 增强方法的效果和参数，得出小波变换增强的效果更优的结论。 第五章是结论与展望，给出了本设计课题的特色和存在的问题以及 今后需要更深入研究的方向。 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统垃计 第二章医学影像处理及传输系统设计 2 1 系统功能与特点 本系统由图像采集、图像存储、图像处理和图像传输四部分组成。 图像采集部分实现医学图像的获取，并按要求的格式存储；图像存储部 分采用数据库加存储局域网存储，存储容量大，易于检索；图像处理部 分实现对医学图像的增强、压缩和分割处理，可以得到效果较好的图像； 图像传输可以实现图像数据局域网之间的传送。系统的特点是： ( 1 ) 医学图像处理范围广。目前实用的医学图像处理系统，主要针对 某一种影像设备采集到的图像，不具有通用性；本系统针对不同的影像 设备采集的图像格式不同，设计了图像转换程序，将不同图像格式转换 为利于处理的格式，因此不局限于某一种影像设备。 ( 2 ) 图像处理功能强。本系统主要具有图像增强、图像压缩、边缘检 测与图像分割等功能，研究如何使图像处理的效果更好，力求为按医生 要求提供效果良好的处理后图像。 ( 3 ) 采用数据库加存储局域网存储图像。存储容量大，便于图像的存 储和检索。 2 2 系统结构与工作原理 本系统由图像采集、图像存储、图像处理和图像传输四部分组成。 结构如图2 1 所示。 系统工作原理：不同的医学图像设备采集图像的方式各不一样，但 要进行数字化处理，必须转换成数字图像。对于胶片图像，要进行数字 化扫描，而对于可以直接获得数字化图像的设备，则要根据图像的格式 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 第二章医学影像处理及传输系统砒| 十 进行转换。本文是以2 5 6 级灰度图像作为处理对象，因此，专门设计了 图像格式转换程序，用以将图像转换为便于处理的常见图像格式。图像 获取后存储在图像数据库中，在后续的增强、压缩和分割处理中，均从 图像数据库中读取图像数据，处理后还存放在图像数据库中。图像可以 在医院内局域网上进行传输，以供不同科室医生共同观看，进行会诊。 也可将图像通过局域网传送到i n t e r n e t 上，提供远程医疗服务。 图2 1 系统结构图 系统设备选用： 扫描仪：选用h p 4 6 7 0 v p 平板扫描仪，最大扫描幅面a 4 ，光学分辨 率2 4 0 0 2 4 0 0 d p i ，u s b 2 0 接口。 影像获取设备：医学影像设备( c c d 图像传感器加视频采集卡 a v 8 7 8 a ) 。 图像处理服务器：图像处理数据运算量大，因此要选用性能好的服 务器。这里选用联想万全t 1 6 8s 3 0 g i v 42 5 6 8 0 s 服务器，采用i n t e lp 4 3 o 超线程处理器，5 1 2 m 内存，8 0 g 硬盘，i n t e l l 0 1 0 0 1 0 0 0 m 自适应以太网 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 卡。 存储服务器：采用上文的存储局域网s a n 。 工作站：联想扬天t 6 2 0 0p 43 0 h t5 1 2 8 0 s ( d ) 2 2 1 图像采集 图像采集是指利用医学影像设备从病人病变部位摄取图像的过程， 是医学影像处理系统的开始部分。医学影像设备种类很多，获取的图像 格式也不尽相同，但大部分医学影像设备是采用c c d 图像传感器结合视 频卡来进行图像采集的。因此本系统也以c c d 图像传感器加视频卡作为 图像采集工具。 ( 1 ) 图像采集卡 本系统选用的是a v s t a r 公司的a v 8 7 8 a 图像采集卡，a v 8 7 8 a 是 一种3 2 位图像采集卡，可以从任意视频源中采集真彩图像，并在v g a 上显示真彩动静态视频，支持所有v g a 分辨率，解析度达到6 4 0 4 8 0 。 对于普通医学影像的应用已经足够。 ( 2 ) c c d 图像传感器 数字图像摄取设备。由于采集卡本身可以实现图像的单帧、多帧和 连续采集，并可以对图像进行灰度调整、明暗调整等操作，因此本系统 只注重图像采集后的处理。 、 实际应用中，不同的医疗影像设备采集到的图像格式不同，为了便 于图像处理，特编程对图像进行格式转换 可以打开常见几种格式图片， 如j p g 、b m p 、p c x 、t i f 等，并按要求的格式保存后再进行处理。操作界 面如图2 2 。 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 第二章医学影像处理及传输系统设计 图2 2 图像格式转换操作界面 2 2 2 图像存储 医学图像的特点是高精度、高分辨率和大数据量( 比如一副c r 图像 达8 m 左右) ，而医院每天产生的图像又非常多。一个中等规模的医院每 周所产生的图像数据是以g b 数量级增加的曙1 ，数据量的急剧增加使需要 保存的数据量越来越大，这对图像存储设备提出了越来越高的要求。对 于大量的医学图像，存储起来要占用大量的存储器，解决方法主要有两 种：一是增加服务器的存储容量；二是对图像进行压缩，减少每幅图像 的数据量。服务器的存储容量并不能无限增加，而且存储容量的增加会 使成本成倍上升，降低图像查询速度；图像压缩可以使数据量减少为原 来的几分之一甚至几十分之一，但会使图像失真，这对于一些细节要求 很高的图像也是不可取的。实际应用中往往把二者相结合，一方面增加 存储容量，另一方面减少图像数据量。 当前医院中的数字图像存储方式主要是服务器加光盘塔方案，即将 带宽在4 0 m b s 左右的s c s i 接口的c d r o m 驱动器通过s c s i 电缆串连 起来，以层叠方式安装在塔式机箱内使网络用户以在线的速度直接访问 预先放置在c d r o m 驱动器内的光盘。此种方案容量小，单位价格昂贵； 访问速度慢；并发用户少，维护繁琐。而存储局域网( s t o r a g ea t t a c t e d n e t w o r k 简称s a n ) 是新兴的一种全新的存储技术，为解决各单位的业 基于小波的医学彤像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 务数据的级数增长和应用系统的扩展等问题提供了一种很好的解决方 案。 s a n 是指独立于服务器网络系统之外的高速存储网络，即将存储系 统和主机从物理连接和功能上都独立出来，分别组成自己的网络，这种 网络可以使用户实现对存储设备间的p o i n t - t o p o i n t 存取到m a n y t o m a n y 存取的飞跃。s a n 实际上是一种存储设备池，由光纤磁盘阵列、磁带机 以及光纤交换设备构成的具有光纤通道的子网，子网上的存储空间可由 主网上的每一系统所共享。在被服务器调用之前，所有的数据都驻留在 s a n 上，只有服务器调用它们时，s a n 才会转化为客户机网络。即在s a n 中存储资源在统一管理软件的管理下，被连接到局域网上所有主机共享。 这种网络采用高速的光纤通道作为传输媒体，以f c 应用协议作为存储访 问协议，使用户获得不低于1 0 0 m b s 的数据系统的访问速度，大大高于 传统的s c s i 技术所提供的传输能力口1 。同时这种存储网络使得整个系统 形成存储共享的有机整体，使数据彻底摆脱了传统的分散式管理格局， 走向一体化的信息管理。本文采用d e l l 公司的一种光纤存储网络解决 方案，系统配置如图2 3 。 前端应用服务器 图2 3s a n 配置图 1 3 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 系统由前台前端应用服务器、光纤交换机、后台磁盘阵列柜、磁带 库和软件组成，磁盘阵列柜p v 6 6 0 f 具有光纤通道，接口速度可达 2 0 0 m b s ，内置两个互为镜像光通道磁盘阵列卡，有1 g b 镜像缓存。阵 列柜内可级联7 个磁盘扩展柜，最大容量可达4 t b 。d e l lp v l 2 8 t 磁带 库有2 0 盒磁带的自动换带能力，最大总容量可达4 t b ，适用与大容量自 动备份或对多台服务器的备份，在进行日常数据备份时，数据以每小时 1 t b 的速度由存储柜经光纤通道直接写入磁带备份库里，对网络不会造 成任何负荷，同时大大降低了数据备份和还原所需要的时间。d e l l p v 5 1 f8 口光纤交换机一方面连接具有各种用途的应用服务器，另一方面 连接光通道磁盘阵列系统，在系统扩展时，光纤交换机还可以通过自身 、 的端口或通过级联方式进行扩展。与传统的s c s i 技术相比，光纤通道技 术的数据传输性能稳定，无论负荷高低对性能影响不大。 s a n 有突出的优点： ( 1 ) 适应性强，分散的数据资源可以相互连接起来组成一个很大的总 资源。 ( 2 ) 可扩展的和灵活的升级途径，服务器与存储器不再一对一脆弱地 连在一起，新的存储设备可以动态地加入到存储设备池中。 ( 3 ) 高性能，通过光线通道技术，数据的传输速度有了很大的提高， 通过s a n 的架构，备份恢复、文件迁移等都不必通过局域网传输数据， 数据的传输和应用的性能有很大的提高。 ( 4 ) 高可用性，系统软件的可靠性和性能可以满足最苛刻的要求，数 据可以全自动的备份，并维护多个灾难恢复用的数据副本。 ( 5 ) 易于管理，通过更高的可靠性和集中管理使管理变得简单，自动 化的监视管理工具可以识别一些错误，无需人工干预就能够自动修复。 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 ( 6 ) 可靠性高，设备磁盘阵列和磁带库具有更高的可靠性和性能。消 除了服务器处理瓶颈，可用带宽接近实际的网络传输带宽，适合大数据 量传输，实时数据处理。 除了s a n 外，本课题还提出结合网络中的单机进行存储，即充分利 用网络中各计算机的剩余存储容量来存储图像。这样可以在原有网络的 基础上充分利用资源，无需增加成本。 2 2 3 图像的局域网传输 本系统可以实现医院各科室从存储设备上读取图像数据，并在本机 上进行相应的处理，通过d e l p h i 程序实现，实现原理如下： 在局域网内进行通信，最好的方法是采用w i n s o c k ，但是编写w i n s o c k 应用程序比较困难，必须对复杂的w i n s o c k 中的a p i 函数有深入的了解“1 。 而在d e l p h i 7 中的t c l i e n t s o c k e t 和t s e r v e r s o c k e t 封装了w i n d o w s 中有关的 a p i ，大大简化了对w i n s o c k 的访问，比较容易编写w i n s o c k 的应用程序。 通过网络传输数据，至少需要一对s o c k e t ，其中一个在客户端，另一 个在服务端，一旦客户端与服务端的s o c k e t 建立起连接，就可以相互通 信了，用s o c k e t 建立连接是建立在t c p i p 基础上的，同时也支持i p x s p x 等相关协议晦1 。在d e l p h i 7 中分别用t c l i e n t s o c k e t 和t s e r v e r s o c k e t 来操纵 客户端与服务端s o c k e t 的连接和通信。实际上，这两个元件用于管理服 务器与客户的连接，本身并不是s o c k e t 的对象，操纵s o c k e t 对象的是 t c u s t o m w i n s o c k e t ，如t c l i e n t w i n s o c k e t 、t s e r v e r c l i e n t w i n s o c k e t 、 t s e r v e r w i n s o c k e t ，实现过程如下： ( 1 ) 客户的建立 把一个t c l i e n t s o c k e t 加到f o r m 上，应用程序就变为一个t c p i p 客 户，就可以用t c l i c n t s o c k e t 来操纵客户端的s o c k e t 对象。要建立与服务器 的连接，先要制定连接的服务器。有两种指定服务器的方法：一是设置 lryrriilr 、 、 、j-ri 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究 第二章医学影像处理及传输系统设计 h o s t 的属性指定服务器的主机名或局域网中的机器名，这种方式直观， 但要进行阈名解析，速度会慢一些；另一种方法是设置a d d r e s s 属性指定 主机的i p 地址。两种方法是等价的。然后要指定连接服务器的端口号， 一是设置s e r v i c e 使用默认端口号，一是直接设置p o r t 端口号，由于8 2 4 以下的端口号中，很多已经分配出去了，为防止无意间冲突，在编制程 序时将p o r t 设为8 2 4 以上暗1 。指定好服务器和端口号后，调用o p e n 方法 或将a c t i v e 属性设为t r u e ，客户端的s o c k e t 就会向服务端的s o c k e t 提出 连接请求，服务器如果处于监听状态，就会自动接收请求建立连接，建 立连接时会触发其o n c o n n c c t 事件。需要断开连接时，只要调用c l o s e 方 法或将a c t i v e 属性设为f a l s e ，则会触发o n d i s c o n n e c t 。 ( 2 ) 服务器的建立 建造一个服务器只要将一个t s e r v e r s o c k e t 元件，放在f o r m 上即可。 当服务器处于监听状态，此时服务端的s o c k e t 对象用t s e r v e r s o c k e t 来操 纵；当客户提出请求，服务器响应请求并建立连接，此时用 t s e r v e r c l i e n t w i n s o c k e t 来操纵服务端s o c k e t 和客户端s o c k e t 的连接。指定 服务器的端1 2 号必须保证和客户端的端1 3 号相同，然后调用o p e n 方法或 a c t i v e 属性设为t r u e 。 一旦建立起客户与服务器的连接后，就可以进行相互问的通信了。 d e l p h i 7 为t s e r v e r s o c k e t 和t c l i e n t s o c k e t 提供了几个通信用的方法，用 s e n d t e x t 发送文本信息，用s e n d s t r e a m 发送流，用s e n d b u f 发送指定长 度的数据。由于w i n d o w s 默认缓冲区大小为8 k b ，所以当发送大于8 k b 的信息时，服务端只要调用相应的方法即可，但在客户端：接收时必须 对数据进行组装，本文是将流长度先发给客户端，再发送流。客户端接 收时，当流长度等于服务端发回的长度时，表明客户端已经接收完毕。 一次图像数据传输结束。 一 。， 。 、 耩于小波的医学影像处理及其传输系统研究 第二章医学影像处理及传输系统设计 2 3 图像数据库的创建和图像数据的存取 为了便于图像数据的存储和检索，特建立一个图像数据库，本文将 图像数据存储在一个s q l s e r v e r 的数据库中，图片的存取设计d e l p h i 程 序来实现，创建过程如下： ( 1 ) 创建数据库，新建一个图像数据库p i c t u r e 。 ( 2 ) 新建图像数据表，数据表机构如图2 4 。 ( 3 ) 图像数据导入，采用d e lp h i 7 0 编程将图像数据存入图像数据库中。 ( 4 ) 图像数据读取和查询，可以通过图像号( i m a g e、图像number) 名称( i m a g en a m e ) 和存储日期( i m a g e _ d a t e ) 来查询。 操作界面如图2 5 所示。 图2 4图像数据表创建 图2 5 图像数据存储 1 7 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 2 4d e i p h i 7 0 环境中调用u a t l a b 6 5 程序 m a t l a b 是m a t h w o r k s 软件公司推出的一种矩阵运算数学工具，其运 算功能强大，编程简单，直接输入数学公式就可以进行运算，而在其他 的高级计算机语言中要实现一种数学公式的运算往往要几十甚至几百条 语句，有的甚至无法实现。因此，在数学运算方面，相对其他高级语言， m a u a b 有着无可比拟的优越性。而m a t l a b 的新版本已不只停留在数学计 算功能上，它由主包、s i m u l i n k 以及功能各异的工具箱组成，以矩阵运 算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到一个简单易用的交互式工 作环境中，可以实现工程计算、算法研究、符号运算、建模和仿真、图 像处理、原型开发、数据分析及可视化、科学和工程绘图、应用程序设 计等功能。 正是由于m a t l a b 的这些突出的优点，它现在已成为世界上应用最广 泛的工程计算软件。但是，m a t l a b 在人机交互式图形界面设计方面功能 较低，而在一个优秀的应用系统中，良好的人机交互界面是非常重要的。 而d e l p h i 语言很容易设计出良好的人机界面，相对于c 和v c + + 来说， d e l p h i 是一种开发效率较高的编程语言，其语法基础是o b j e c tp a s c a l 语 言，程序结构化非常好，完全面向对象的程序设计对所有的组件完全支 持其继承性、封装性和多态性，并支持指针、集合、枚举、记录等多种 数据结构。因此，如果采用d e l p h i 设计出人机交互式应用界面和控制程 序，而采用m a u a b 设计应用计算处理程序，并融合成一个系统，则会使 系统功能得到很大增强。这里采用m a t l a b 中的图像处理工具箱设计小波 图像处理算法，用d e l p h i 设计使用界面和控制程序。如何把m a t l a b 和 d e l p h i 集成到一起是关键。 由于d e l p h i 7 0 和m a t l a b 6 5 都支持a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器协议 和d d e ( 动态数据交换) n 1 ，所以使用a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器协议 和d d e 使得在一个d e l p h i 应用程序中就可以调用m a t l a b 命令向m a t l a b 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 传送或接收数据。 2 4 1m a t l a b 应用程序接口简介 尽管m a t l a b 是一个完整独立的数据处理和编程环境，在很爹隋况下 还需要同外部的程序和数据进行交互操作，m a t l a ba p l 支持这些接口。 m a n a ba p l 支持的功能有： 在m a t l a b 中调用c 或f o r t r a n 程序； 建立m a n a b 和其它应用程序之间的客户机服务器应用关系； m a t l a b 环境与外部进行数据交换； m a t l a b 中调用j a v a ； 串口i o 。 m a u a b 可以作为一个计算引擎，为其它应用程序提供数据计算服务。 m a t l a b 引擎应用程序是用c 或f o r t r a n 编写的一些程序，通过a c t i v e x 或 管道与一个单独的m a n a b 进程进行通信，m a t l a b 提供了一个函数库可以 启动和中止m a t l a b ，向或从m a t l a b 发送数据及数据处理命令。 2 4 2m a t l a b 作为服务器 在m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统上，m a t l a b 支持自动化服务器 ( a u t o m a t i o n ) 。自动化是一个a c t i v e x 协议，可以让一个应用程序或组 件控制另一个应用程序或组件。m a t l a b 可以被其它w i n d o w s 程序启动和 控制，通过自动化，可以执行m a n a b 命令，从m a t l a b 工作空间接收或向 它输出数据。 ( 1 ) a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器协议 f o rw i n d o w s 版的m a t l a b 都支持a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器协议盯1 ， a c t i v e xa u t o m a t i o n 是一种允许一个应用程序控制另一个应用程序的协 议，使得在一个应用程序中可以控制另一个对象，通过a c t i v e x 基于小波的医学影像处理及其传输系统研究第二章医学影像处理及传输系统设计 a u t o m a t i o n 实现对别的对象操作如同对自己的对象进行操作，可以实现 两个或多个组件的无缝链接，同时用户可设置和获得对象的属性和使用 对象的方法。一个a u t o m a t i o n 客户，或称为a u t o m a t i o n 控制者可以操纵 另一个应用程序的对象。向a u t o m a t i o n 客户提供可编程的对象的应用程 序称为a u t o m a t i o n 服务，a u t o m a t i o n 对象具有属性和方法作为外部接口， a u t o m a t i o n 客户通过访问a u t o m a t i o n 服务所提供的对象的属性和方法来 操作a u t o m a t i o n 这些对象。 ( 2 ) m a t l a b 中的a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术 m a a b 支持a c t i v e xa u t o m a t i o n 操作，a c t i v e x