（教育技术学专业论文）医学影像的数字化采集与存储.pdf

摘要 随着计算机、多媒体技术和网络技术的迅速发展，社会各领域 的信息化进程日趋加快，数字化信息资源已成为人类经济活动和社 会活动的战略资源。资源的数字化、网络化作为资源信息化的一个 重要组成部分，受到人们的普遍重视和研究。本文研究了医学领域 中医学影像的数字化的一系列问题，鉴于医学影像在医学诊断和医 学教育中的特殊地位和作用，本文分析了医学影像数字化与存储过 程中，影响影像质量的因素，提出了优化影像质量的方法，找到了 医学影像数字化采集与存储的可行性方法和途径。 本文首先论述了数字化影像的特点和应用上的优越性，进而分 析了医学影像进行数字化的重要性和必要性，同时从侧面阐明了医 学数字化影像的应用方向。 本文分析研究了影像色彩模式、文件存储的格式与影像质量、 用途的关系，重点介绍了不同的影像色彩模式和影像文件常见存储 格式的特点，分析了色彩模式和文件存储格式在应用上的优缺点。 确定了医学影像数字化后存储的最佳方案，同时为今后数字化医学 影像的多用途使用提出了在存储模式上的建议，本文先从数字化影 像资源存储方面解决了影像质量与存储空间、处理速度以及使用中 的经济性、合理性等问题，为建立格式化、标准化的数字化信息资 源奠定了理论基础。 数字化采集工具是实现影像数字化的最根本的物质基础，本文 在分析常用数字化采集设备的基础上，探讨了扫描仪和数字相机进 行影像采集过程中的注意事项，给出了两者在影像数字化采集中提 高影像质量的具体方法。 本文在分析和解决了数字化采集和存储过程中影响影像质量和 应用问题的基础上，详细探讨了医学影像数字化采集的具体方法和 措施。分析了同一种医学影像的可能的可行性采集方案，以及不同 医疗影像设备所形成的不同影像数字化采集的途径，提出了在不同 条件和环境制约因素下，实现医学影像数字化采集的具体的和最佳 的方案，为全面实现医学影像信息的数字化开辟了思路。 实践证明，本文所提出的优化医学影像数字化采集的方案和优 化数字化医学影像质量的方法是系统的和可行的，具有一定的理论 和应用价值。 医学影像的数字化采集与存储 关键词：医学影像数字化采集存储 分类号：g 4 3 4 一 墨兰墅堡盟塑! 些鲞叁皇查垡 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r s ，m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y a n d n e t w o r k ，t h ep r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o ni n s o c i a lf i e l d sb e c o m e sm u c h f a s t e r ，t h ed i g i t a li n f o r m a t i o n r e s o u r c eh a sb e c o m et h em i1it a r y r e s o u r c ei nh u m a n s e c o n o m i ca n ds o c i a la c t i v i t i e s a sa n i m p o r t a n tp a r t o f i n f o r m a t i o n r e s o u r c e ，t h ed i g i t a l r e s o u r c e a p p e a l s t o u n i v e r s a la t t e n t i o na n dr e s e a r c h 。t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sa s e r i e so f q u e s t i o n s o f i m a g i n gd i g i t a l i z a t i o n i nm e d i c a l f i e l d s ，b a s e do n t h e s p e c i a lp l a c ea n df u n c t i o no fm e d i c a l i m a g e s i nm e d i c a l d i a g n o s i s a n dm e d i c a l e d u c a t i o n ，t h i s a r t i c l e a n a l y s e s t h ef a c t o r s a f f e c t i n g t h e q u a l i t v o f i m a g e s i nt h ec o u r s eo f d i g i t a l i z a t i o n a n d s t o r a g e o f m e d i c a l i m a g e s ，p r o p o s e s t h em e t h o d so f i m p r o v i n g t h e i m a g eq u a l i t y ， f i n d st h e p o s s i b l e m e t h o d sa n dm o d e so f c o l l e c t i o na n ds t o r a g eo fm e d i c a li m a g ed i g i t a l i z a t i o n a tf i r s t ，t h i sa r t i c l et a l k sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a t i o na d v a n t a g e s o f d i g i t a li m a g e s ，t h e n t h e i m p o r t a n c e a n dn e c e s s i t yo fd i g i t a l i z a t i o n ，a n ds t a t e st h e a p p l i c a t i o n d i r e c t i o no fd i g i t a lm e d i c a l i m a g e s t h i sa r t i c l e a n a l y s e s t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c o l o r f u l m o d e s ，s t o r i n gm o d e a n di m a g e q u a li t y a n du s a g e ， e s p e c i a l l y i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e sa n d d is a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tc o l o r f u lm o d e sa n d t h ec o m m o n s t o r i n gm o d e s o f i m a g e f il e s ，m a k e st h eb e s ts t o r i n gp l a n o f d i g i t a l m e d i c a l i m a g e s a t t h e s a m et i m e g i v e s a d v i c e o n s t o r i n g m o d e sf o rt h em u l t i p u r p o s eo fi m a g e s ，s o l v e s q u e s t i o n s s u c ha s i m a g eq u a l i t y a n ds t o r i n g s p a c e ， p r o c e s s i n gs p e e d a n dr e a s o n a b ili t y ，a n do f f e r st h e t h e o r e t i c a lb a s ef o rs t a n d a r d i z a t i o n o f d i g i t a l i n f o r m a t i o nr e s o u r c e d i g i t a le q u i p m e n t i st h em o s ti m p o r t a n tb a s e t o r e a li z ed i g i t a li m a g i n g i nt h i sa r t i c l e ，t h ep r o b l e m s i n u s i n g t h es c a n n e ra n dd i g i t a l c a m e r aw e r ed i s c u s s e d ，a n d t h e s p e c i f i c m e t h o d st o i m p r o v e t h e i m a g eq u a l i t yu s i n g t h e m a c c o r d i n g t ot h ea b o v ed i s c u s s i o n ，t h i sa r t i c l ep r o b e s t h em e t h o d sa n dm e a s u r e s i nt h ec o u r s eo fm e d i c a li m a g e s d i g i t a l i z e d ，t a l k s a b o u tt h ep o s s i b l ec o l l e c t i n gp l a n s o f t h es a m em e d i c a li m a g e a n dt h ec o l l e c t i n g m o d e so f d i f f e r e n tm e d i c a li m a g e s 。 o f f e r st h es p e c l f l c a n db e s t d l a ni nc o m p l e t i n gi m a g ed i g i t a l i z a t i o n i nd i f f e r e n tc a s e s t h ed l a n st oi m p r o v e t h ed i g i t a l c o l l e c t i o no fm e d i c a l i m a g e s a n dt h em e t h o d s t o p r o m o t e t h eq u a li t y o fm e d l o a l i m a g e sa r es y s t e m a t i c a n dp r a c t i c a l ，t h e y a r ev a l u a b 上e t h e o r e t i o a l l ya n dp r a c t i c a l l y k e yw o r d s ：m e d i c a l i m a g e ：d i g i t a l i z a t i o n ；c o l l e c t i o n s t o r a g e o a t e g o t y n u m b er ：g 4 3 4 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可 空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：导师签字 签字日期：20 0 4 年 月 日 签字日期：2 0 0 4 丘勿月名目 医学影像的数字化采集与存储 影像数字化的特点 绪论 目前在国际上，影像数字化作为影像信息化的一个重要步骤和 过程，成为诸多领域研究的热门课题。数字化影像信息技术在信息 领域的应用也越来越广泛。随着现代电子、计算机、软件、多媒 体、国际互联网等技术的高速发展，影像信息技术已逐步广泛应用 于气象、医疗、科研、影视、城市规划、建筑设计、银行、保险、 公安、军事、工农业生产和政府部门等社会各个领域，例如：在农业 生产中，通过分析得到的农作物区域分布的数字化影像，监测农作物 的生长情况、提高产量，并且可以在收集的数据的基础上直接建立 农作物生长模型，通过科学系统分析，为农作物的播种、生长情况、 病虫害情况、农作物估产等提供可信的技术和信息支持。在林业系 统中，实时接收到的森林遥感影像，经计算机图像处理制作出各种 林火监测情况，包括林火影像、林火影像定位以及综合的林火信息 报表等，及时提供给森林防火部门使用。在政府部门，可以把全国 所有的身份证、结婚证书和死亡证书等重要文件用电子图像系统储 存起来，原来手工查询记录的方式由自动化代替，文件的提取翻阅的 效率得到大大提高，而且这些文件可以保存在光盘上，也提高了文 件的安全性。工业生产中，生产过程监控、流水线零件自动监测识 别，以及交通管制、机场监控等等，都是影像数字化的具体深入的应 用。总之对充满影像的物质世界，人们不断地用数字化技术进行综 合分析与利用，数字化生存的空间带给人们无限的智慧和财富。 影像信息之所以受到人们的关注和研究，是因为具体的影像所 传达的信息有时候是语言难以描述的，据有关资料表明，人们从外 界获得的信息6 0 以上是视觉信息，即通过影像来获得的，包括静 止图像、活动图像、单色图像、彩色图像、计算机虚拟图像等，涉及 到宏观( 如空间摄影照片、地球资源探测照片等) 和微观( 如电子 显微镜照片等) 、现实与虚拟等各个层面。而影像数字化后，无限 扩展了人们对影像信息的认知、创造和利用的空间，在标准化、格 式化、系统性的基础上，人们更容易、更方便快捷地对影像信息进 行处理，包括信息的获取和编辑、检索、存储、输出、通讯、管理 医学影像的数字化采集。，存储 以及影像数据的空间推理等，同时对信息可以创造性、能动性地再 加工，诸如对数字化影像进行增强、滤波、复原、重建、边缘提 取、纹理分析、图像分割、格式识别以及数字或光学手段变换影像 等等，进一步深入研究，以便发现模型，找到规律，从而让数字化影 像最大化地为人类服务。 所谓影像数字化，就是将具体的影像，无论是静态的还是动态 连续的，宏观的还是微观的，简单的还是复杂的，通过专门的设备 如扫描仪、数字相机、摄像机、采集卡等数字化转换设备，把影像 信号转换为适合于运算处理设备( 如计算机) 的数字信号，并按一 定格式存储的过程。影像数字化后的最大特点是能够被计算机等处 理设备进行一系列的人工很难做到的存储、传输、处理、加工、分 析、管理和应用等任务，而且与非数字化的影像相比，数字化影像 具有更大更明显的优越性。主要表现在以下几点： ( 1 ) 存储的便利和安全性：数字化的影像能够存储在磁盘、光 盘中，随着科学技术的发展，现在存贮器的存贮空间越来越大，影 像的数字化存储大大优于以纸张和胶片等为载体的存储方式，而且 成本会越来越低，同时，数字信号易于作高保密性的加密处理，存 储的安全性也大大增强。 ( 2 ) ；0 1 3 z e 处理的灵活性：数字化后的影像，便于使用现代数字 影像处理技术对其进行所需要的各种加工处理。如可以对影像的任 意灰度范围、任意尺寸范围、任意的片断进行特殊处理，如上下滚 动、漫游、拼图、合成、分解、修复、变换、各种函数运算、放 大、缩小、各种算术逻辑运算等都可以用计算机来完成。另外，从 外到内，从静到动等各种处理都能灵活、方便地执行。总之可以利 用影像处理软件灵活地对其进行一系列的针对性、创造性的加工。 ( 3 ) 传输能力强：数字化影像信息的传输的抗干扰能力强，利 用计算机和互联网可以把影像数据大量压缩传送到远方而保持相当 高的逼真度，而且传输速度也日趋加快。 ( 4 ) 影像多途径重现的方便性：数字化影像在以计算机为中心平 台的基础上，实现了重现途径的多样化。如可以在计算机显示器上 观看，也可以通过打印机打印到纸张、胶片或照片上观看，还可以 印刷成印刷品，另外利用一些刻录软件可以转化成v c d 、d v d 格 式在电视机上放映等等，能够方便地满足人们不同的观看需要，实 现“众口不再难调”。 ， ( 5 ) 计算精度不断提高：例如一幅图像的点数可以增加，其灰 度l _ _ | 丁以划分2 ”的n 也可以增加。数字化影像的处理精度可以随实际 应用的需求而增加，另方面，因为计算机运算精度非常高，其有 效位可以增加，使计算精度不断提高。 医学影像的数字化采集t j 存储 ( 6 ) 研究视野的立体性和直观化：利用虚拟现实技术( v i r t u a l r e a l i t y ) 白j 建立体的三维影像虚拟环境，是探索影像信息( 已知和未 知) 的新方法，扩展了人们的感知范围，使人们可以做到现实中以 往无法进行的工作，例如创建逼真的医学影像虚拟环境，融入虚拟 现实技术的互动性与沉浸性，可以形成虚拟培训系统，模拟各种手 术的操作过程和分析设计最佳方案，以便开辟新的手术方法和途径。 另外，虚拟现实技术可以使人们感知那些没有物理模型或表示抽象 思想的过程，将抽象的概念转成我们所能感知的体验，极大丰富了 影像本身的内涵。 ( 7 ) 管理、分析、检索的自动性：数字化影像进入计算机后， 可以形成系统性、标准化、格式化的管理、分析、检索的模式，完 成上述功能的自动化，提高了工作效率。 二医学影像数字化的意义 医学作为一门形态科学，影像无论在医学基础课教学，实验课 的教学，临床课的教学，医学科学研究还是在医院临床论断治疗过程 中都起着至关重要的作用。医学影像涉及的种类繁多，而且随着现 代科学技术的发展，呈现在人们眼前的可视影像也会越来越多，从 而也促进人们对疾病研究和医学教育的不断向前发展和深入。一般 说来，医学影像包括：图形、标本、显微图像、内镜影像、超声影 像( b 超、彩超) 、x 线影像( 传统x 线影像、x 线数字影像) 、 c t 影像、核磁影像、造影影像等。 目前，无论在医院系统、医学院校以及医学研究机构和部门都 十分注重医学影像数字化问题，因为传统的医学影像在存储、传 输、处理等方面存在很多弊端。 例如在医院系统中，传统的医学影像在处理方式上存在着诸多 的问题，主要表现在是： ( 1 ) 首先保存影像胶片需要很大的存储空间。 ( 2 ) 在显影、定影、冲洗、晾干、归档等胶片处理环节上要耗 费大量人力、物力和财力，同时使病人等待结果的时间很长。 ( 3 ) 胶片的分门别类的归档任务繁重而且容易出错。 ( 4 ) 手工查找胶片浪费大量的时间。 ( 5 ) 时间长久后，胶片的老化容易使影像变的模糊不清，给再 次奄阅和科研工作带来极大不便，甚至使一些典型的或罕见的影像 损坏或消失。 ( 6 ) 影像冲洗形成胶片的过程中，已经丢失了大部分原始信 3 医学影像的数字化采集与存储 息，保留的只是操作医师认为有用的信息，丢失了对病人进行复诊 和其他医师认为是有用的诊断信息。 ( 7 ) 远程会诊不方便。以人工送胶片的方式传递信息，不仅传 递时间长，延误诊断，而且经济上花费也大。 ( 8 ) 不利于创新研究和特色医疗的开展。 在医学院校教学和研究中，传统的医学影像也存在着明显的弊 端，主要表现在： ( 1 ) 查找有用影像信息的工作艰辛。在教学过程 中，老师需要依赖大量的医学影像，尤其是影像诊断学科的教学， 更是离不开影像，离开影像，教学如无源之水一般。教师为了找到 与教学内容相符合的影像，不得不翻阅大量的图书资料，查看大量 的切片、标本、挂图、模型，寻找现有的幻灯片、照片、录像带、 v c d 、d v d 、投影片、影像胶片等，或者到互联网上进行搜索，甚 至到相关医院去借阅胶片，给教师各课和准备材料带来极大的繁重 的体力和脑力劳动。而且很多典型、罕见病例的影像资料常常寻找 不到。另外，即使找到了相关医学影像，也因为清晰度差、影像质 量不高而不得不忍痛割爱。( 2 ) 影像在课堂使用的不方便。教师经过 花费大量时间的查找，找到了有用的影像，但往往因为影像存在的 载体不同，有的是纸张或照片，有的是胶片，有的是切片，有的是 标本模型，有的是录像带、v c d ，有的是数字影像。存在形式多种 多样，给教师在课堂上给学生展示又带来两难的境地，要使用就需 要多种专门的设备，而且浪费课堂时间，完不成教学任务，如果不 使用，有时侯用文字难以给学生表达准确和清楚，无法让学生完成 从感性认识到理性认识的过程，影响教学效果和教学质量，误人子 弟。( 3 ) 教师利用的医学影像资料，学生很难自己占有，学生复习影 像困难，许多课程就变的让学生背教条，不利于培养学生综合的理 论、实践分析能力。( 4 ) 多媒体教学难以发挥其应有的作用和先进 性。由于教师手中缺少医学影像数字化资源，教师很难能动性、创 造性、个性化地制作出图、文、声、影并茂的科学性标准化的教学 课件，从而使目前我国推行的学校多媒体教学的改革难以得到深 化，相当的多媒体设备成了无源之水，无本之木，造成资源浪费， 同时也令越来越多的教师感叹“巧妇难为无米之炊”。 因此，数字化后的医学影像就能够很容易地解决以上提到的问 题和弊端，对医院的管理影像，对医生诊断病人病情，对病人更方 便快捷的就诊，对教师更生动形象的教学，对学生的学习与利用， 对医学研究人员的进一步分析研究疾病，对影像的使用效率等等， 都会带来巨大的变革，同时也使医学影像的利用空间得到空前的扩 大。这也正是医学影像数字化的意义之所在。 4 三影响医学影像数字化质量问题 虽然医学影像实现数字化的意义是重大的，但是数字化后的医 学影像能否真正发挥出它们的优越性，一个最重要的问题是医学影 像经过数字化采集与存储后的影像质量是否受到损害。如果数字化 后的医学影像欠佳，例如影像不清晰，层次不分明，色彩不逼真， 这样影像就不能够很好的被利用，甚至造成严重的后果。例如，c t 片中的肿瘤包块与其周围的组织有着明显的分界线，亮度与层次上 都明显区别与周围的组织。如果数字化后的影像质量受损，造成层 次不分明，那么就会造成医生的误诊，本来该诊断为肿瘤的疾病很 可能就被否决，给病人带来严重的甚至是无法挽回的伤害。另外这 样的影像如果在教学中使用，必然影响学生对知识和经验的获得， 科研人员也不能够进一步分析和研究影像中有用信息，甚至会得出 错误的结论。 因此，医学影像的数字化必须以数字化的影像质量为前提，否 则对医学影像数字化的工作就是徒劳的。 影响医学影像数字化质量的因素是多方面的，目前主要表现在 以下几个方面： 1 缺少系统有效的采集方法和措施表现在不能够合理有效 地使用有关的数字化采集设备，比如在用扫描仪、数字相机进行对 医学影像采集过程中，不知道采取提高影像质量的方法，简单的一 扫或者一拍就完事了，虽然和人员的素质和意识有一定关系，但是 主要还是他们没有掌握采集中提高影像质量的系统方法而无法采取 相应的措施。另外表现在针对不同的医疗成像设备，在现有条件 下，不清楚最大化保证医学影像质量的采集途径，例如有的高档医 疗成像设备本身就有数字影像输出，如果令找途径采集，仿佛就是 画蛇添足了。 2 不注意存储过程中对影像质量的影响即便是采取了系统 有效的采集方法和措施，由于采集后的数字化影像总要存储在计算 机里，各日后利用，如果影像存储格式不恰当，也会对影像质量造 成很大影响。主要表现在影像的色彩模式和影像文件的存储格式 l ，例如颜色丰富的彩色医学影像如果用只能支持2 6 6 色的索引色 彩模式储存，势必降低影像的色彩还原；如果使用了有损压缩下的 格式存储影像，就会减少影像的原有信息量。 当然还有其他一些因素，比如数字化采集设备的质量与性能有 待进一步提高，医疗成像设备自身的数字化需要进一步加强和完善 等等。 本文主要针对前两个因素展开详细讨论。 第一部分优化医学影像存储质量的方法 目前，在数字化医学影像存储方面，人们的重视程度和意识不 够，从而造成医学影像利用的效率和质量不高。根本的问题在于影 像的质量和存储空间、处理速度的关系。如果以最佳的影像质量存 储医学影像，那么影像数据量就大，影像的清晰度、色彩以及层次 表达得就越丰富和细腻，从而导致影像文件占用的存储空间就大， 对影像的处理以及传输的速度就慢。反过来说，如果只强调影像的 存储空间和处理、传输速度，影像文件过小，影像当中很多的色 彩、细节信息就被认为的减少，导致影像质量的降低，也就是说， 这样的做法是以牺牲影像的质量做代价。比如，有些人为了减少影 像文件占用计算机的存储空间，喜欢用压缩格式下的文件格式来存 储影像，导致影像信息的减少，影像的清晰度、层次和细节等都受 到不同程度的降低，在一定场合下，这样的医学影像利用价值就不 高。 另外一个问题是，数字化后的医学影像总是以应用为最主要的 目的，比如医生的快速诊断，医学影像的安全管理、方便的传输、 快捷地检索，教师的方便使用，学生更好的学习等等，既可以在计 算机、网络上应用，又可以打印输出，还可以转换成视频在v c d 、 d v d 、录象机中播放。在现有技术水平基础上，不同的应用模式对影 像质量的影响也不同，总之，应该做到在具体应用场合最大化保证 医学影像的质量是重要的。 医学影像数字化后，为了实现数字影像的存贮、传输、再现、 利用的最优化，实现影像在不同情况和条件下的影像质量和用途的 最佳化，满足个性化需要和特殊需要，弄清楚影像存储的色彩模 式、文件存储的格式和影像质量、用途的关系是十分必要和重要 的。因为恰当的色彩模式和文件存储格式直接关系到医学影像自身 的质量以及应用时的合理性、经济性问题。 堕竺墅堡堕塑兰些墨叁兰壹堕 一选择合适的色彩模式 影像色彩能否逼真地还原直接影响到医学影像的真实性和影像 的质量。目前大多数图像处理软件所支持的图像类型( 按色彩模式划 分) 有黑白模式、灰度模式、索引色彩模式、r g b 色彩模式、 c m y k 色彩模式、l a b 色彩模式和h s b 色彩模式。每种模式都有其 特殊的应用背景和场合，所表达的影像的信息也有所不同，并且部 分色彩模式之间是可以相互转换的，下面首先探讨这些色彩模式的 特点和适用场合。 1 黑白模式 在黑白模式的图像中，每个像素由一个数据位构成，即黑色或 者是白色。介于黑白之间的灰色调是通过黑白两种颜色来模拟的， 这种图像类型主要用于表现黑白对比非常鲜明的图像，如一些简单 的黑白图形，在文字模式识别中使用普遍。一些书本中绘制的黑白 医学图形选择该模式最能还原图形的本来面目，而且文件占用的存 储空间也最少。 2 灰度模式 在灰度模式的图像中，每个像素都以8 位或1 6 位表示，即占 用1 个字节或2 个字节，因此，每个像素介于黑色与白色之间的 2 5 6 或6 4 k 种灰度中的一种。灰度图像中只有灰度颜色而没有彩 色，各灰度级之间的过渡是平滑的，在医学影像中，这种模式的图 像主要用于表现不需要色彩的图像，如c t 影像、核磁影像、x 线 影像等。 当把一个彩色图像转换为灰度模式的图像时，彩色图像里的色 度( h ) 、饱和度( s ) 等信息被消除，只留下亮度( b ) 。如果再将灰度 图像转换回彩色图像时，原有的部分色彩将会丢失，因此将彩色图 像转换成灰度图像时，一定要注意把原彩色图像进行备份，避免遗 憾。 3 索引色彩模式 目前市面上出售的扫描仪绝大多数都能够以2 4 位的模式对源 图像进行采样，也就是说，尽管源图像包含的颜色只有为数不多的 j l 十种，但扫描仪仍然以这种能显示1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色的模式获取数 字图像数据。 但对于大多数图像而言，图像包含的颜色数目是非常有限的， 有时候使用1 6 0 0 余万种颜色对图像进行采样时，形成数据文件占据 较大存储空间，而且图像质量较源图像也并无图像质量的提高。为 厂减小图像文件占据的存储空间，人们设计了索引色彩模式 一8 一 医学影像的数字化采集与存储 ( i n d e x e d c o l o r ) 。将一幅图像转换为索引色彩模式后，系统将从图 像中获取2 5 6 种典型的颜色作为代表颜色，如果图像的颜色超过 2 5 6 种，系统将从代表颜色表中找出近似的颜色来模拟。 对于大多数图像来说，索引色彩模式与r g b 色彩模式在显示 器显示效果上相差无比，而索引模式下图像占据的空间只是r g b 色彩模式的1 3 ，因此在制作多媒体文件时，索引色彩模式类型 的图像比较受欢迎。 值得注意的是，由于索引色彩模式只能显示2 5 6 种颜色，因此 将图像转换成该种模式时，存在一定程度的失真，很可能会在原本 平滑的图像边缘出现锯齿，作者建议对色彩要求不高的图像，转成 索弓i 色彩模式比较合适。另外索引色彩模式的图像，在一些图像处 理软件如p h o t o s h o p ，一些滤镜和渐变功能都无法使用，使图像的再 加工与处理受到一定的局限性。作为存储原始的医学影像时，建议 不要选择该模式。 4 r g b 色彩模式 通常，人们习惯将红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 称为三原 色，它们是合成自然界色彩的基本颜色。由于三原色各自具有2 5 6 个亮度级别，r g b 模式又是加色算法模式，因此三种颜色叠加就能 形成2 5 6 x 2 5 6 x 2 5 6 = 1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色，这就是我们平常所说的“真 彩色”。一幅r g b 色彩模式的图像中，每个像素可表达1 6 7 7 7 2 1 6 种 颜色之一，该类型的图像文件所保存的图像信息最多，所以该类型 是编辑和存储彩色图像最好的数据类型，是利用一些图像处理软件 ( 如p h o t o s h o p ) 处理彩色图像时首选的色彩模式，该模式也是 p h o t o s h o p 等图像处理系统默认的色彩模式。 另外，扫描仪、数码相机、显示器、投影设备的输入以及显示 设备都是通过r g b 这种加色模式来表达颜色的，因此r g b 色彩模 式能够有效保证彩色图像的信息在通过不同设备的转换、传递过程 中，色彩能够得以逼真还原，失真最小，从而保证同一图像的色彩 从输入到显示再到输出达到与原图像色彩匹配、和谐一致的效果。 因此，该模式是存储彩色医学影像最好的色彩模式，最大化保证了 影像的清晰与细腻，但是占用的存储空间也相对较大。通过实验我 们会很容易看出索引色彩模式和r g b 模式下的彩色图像的差别： 将一幅颜色丰富的图像分别用以上两种模式显示，索引色彩模式下 图像上会出现很多的明暗深浅不同的斑点，使本来平滑的变得粗糙 一i 平，特别在不同颜色交界的地方尤其明显和严重。 当然，r g b 色彩模式也不是完美无缺的，由于r g b 色彩模式 提供的有些颜色己经超过了打印机的输出设备的打印颜色的范围， 因此，用打印机重现r g b 色彩模式的图像时，如果不经过色彩模 医学影像的数字化采集与存储 式的转换，就会因损失部分颜色信息，特别是那些比较鲜艳的颜色 最容易丢失，而造成打印出的彩色图像效果不佳，因此又引入了 c m y k 色彩模式。 5 c m y k 色彩模式 c m y k 色彩模式与印刷界所用的模式是相同的，其中c 、m 、 y 、k 分别代表青色、洋红色、黄色与黑色，由于c m y k 表达的颜 色是由打印油墨吸收的光的颜色决定的，因此又称为“减色模式”。 c m k y 色彩模式是最佳的打印模式，打印机的输出设备也都是 信赖于这种模式再现色彩的。问题是，为什么编辑彩色图像时要用 r g b 色彩模式而不用c m y k 色彩模式呢? 这是因为：一是由于显 示器采用的是r g b 色彩模式，因此在对彩色图像处理加工时，要 采用r g b 色彩模式，当确信图像完全处理后，再转化为c m y k 模 式图像，即遵守“r g b 模式编辑处理，c m y k 模式显示打印”的原 则，同时注意最好留一个r g b 模式的图像作为备份，因为从长期 保留图像的角度考虑，以r g b 模式保留彩色图像是比较理想的， 这样将来在档案库中检索的r g b 模式的图像可用在不同的输出设 备上。二是因为对于同样的图像，r g b 模式下只需处理红( r ) 、 绿( g ) 、蓝( b ) 三种色彩元素，而对于c m y k 模式却要处理青 色( c ) 、洋红色( m ) 、黄色( y ) 、黑色( k ) 四种色彩元素， 图像处理速度和效率要低一些，而且处理图像的质量也要差一些。 总之，如果日后打印输出医学影像时，应该考虑到该模式。 6 l a b 色彩模式 l a b 色彩模式是以一个亮度分量l ( l i g h t n e s s ) , 币n 两个颜色分量 a 与b 来表示颜色的，它是p h o t o s h o p 内嵌的一种标准色彩模式。 l a b 模式提供了与设备无关的色彩，其最大特点是弥补了r g b 与 c m y k 两种色彩模式的不足，通过l a b 色彩模式可以从一种色彩模 式转换为另一种色彩模式，它包含了全部的r g b 与c m y k 颜色光 谱，不会造成颜色信息在转换过程中的丢失。因此将一幅图像由 r g b 模式转换至c m y k 模式时，一般以l a b 色彩模式作为中间桥 梁，先由r g b 模式转换为l a b 模式，再由l a b 模式转换为c m y k 模 式，反之亦然。该色彩模式通常作为不同色彩模式转换时的过度，我 们。般不用它来存储图像。 7 h s b 色彩模式 h s b 色彩模式是一种基于人类直觉的色彩模式，该模式由色 度、饱和度和明亮度来定义的，这是因为人的眼睛感觉到的颜色是 由色度、饱和度和明亮度组成的。h 代表h u e ( 色度) ，它反映了 从物体上反射回来的光波，决定颜色是由红、绿、蓝或是别的颜 色：s 代表s a t u r a t i o n ( 饱和度) ，它是某种颜色包含灰色的多 医学影像的数字化采集与存储 少，饱和度越高，则所含的灰色越少，颜色的浓度也就越高；b 代 表b r i g h t n e s s ( 明亮度) ，是对颜色中光的强度的一个衡量，控制 着颜色的亮度。 对于我们来说，通过颜色值或百分比的混合得到颜色是非常抽 象的，例如：谁能知道颜色( r = 1 4 9 、g = 2 5 5 、b = 1 3 0 ) 就是我 们最常见的绿色呢? 因此h s b 色彩模式的引入，更能方便我们直观 地修正图像颜色。其实在p h o t o s h o p 中，我们不能将其他模式转换 成h s b 模式，从而不能以h s b 色彩模式来存储图像。因此只能利 用该模式辅助修正图像的颜色。h s b 色彩模式出现在两个地方， 个是c o l o r p i c k e r 对话框，另一个是c o l o r 调板。我们可在打开的 控制菜单内进行h s b 色彩模式的切换，以便利用直觉对图像色彩进 行修正，以达到我们主观上的要求。 结合以上对色彩模式的分析，选择适当的色彩模式存储医学影 像，对于提高影像的保真度，方便日后处理影像，贴近实际需求都 有着重要的意义，那么实际使用中，色彩模式选择要考虑以下因 素： ( 1 ) 对于不需色彩的医学图形或影像可选用黑白模式或者灰度 模式。 ( 2 ) 对于色彩不丰富的影像或者当需要使用2 5 6 种颜色时，可 选择索引色彩模式，以降低数据文件存储空间和提高处理、传输速 度。 ( 3 ) 编辑、保存彩色医学影像可选择r g b 模式。 ( 4 ) 为了打印时输出彩色医学影像，在对医学影像做完处理 后，需要将其转化为c m y k 模式后，再打印或印刷。 ( 5 ) h s b 色彩模式不能直接存储医学影像，只能作为修正处理 医学影像时才涉及到。 ( 6 ) 从效率角度考虑，要根据不同原稿医学影像类型选择不同 的色彩模式，因为彩色文件的数据量比同等条件下的灰度文件的数 据量大，而灰度文件又比黑白文件的数据量大。从效果上看，黑白 图像方式识别的效果最好，对于只有文字和表格或一”般图形来说， 如果方法正确的话，识别率可达9 5 以上，而对于灰度方式和彩色 方式，当背景太花哨时，其识别率就相对要低得多。 只有选择合适的色彩模式，我们才能在实际应用中合理把握医 学影像的质量，保证医学影像在存储与利用上的双丰收。 医学影像的数字化采集与存储 二选择合适的文件格式 当我们使用扫描仪、数码相机、视频采集卡等设备将医学影像 转化为数字文件时，或者利用一些制图软件( 如w i n d o w 画图、 a u t o c a d 、3 d m a x 、3 d s 等) 直接绘制平面或立体数字影像时， 在对影像输入、编辑、处理完毕存储时，都而临对保存影像指定文 件格式的问题。 f t 前，影像文件存在以下特点： ( 1 ) 结构性强：影像文件是由特定的结构组成的，每一种影像 文件都有各自组织影像数据的方式，形成了格式多样化局面。 ( 2 ) 格式多样：许多软件都有自己的存储和压缩标准，并且随 着影像处理技术的发展，还将出新的影像文件格式，当前各种计算 机软件的影像格式有数十种，如b m p 、p c x 、t g a 、t i f f 、j p g 、 g i f 、a v i 、m p e g 、d i c o m 等等，造成了格式之间的转变，各种 格式都有自己的优缺点，有必要根据一定的标准来选取合适的影像 文件格式。 ( 3 ) 数据量大：影像文件包含了影像的色彩数据，通常比较 人。随着影像处理技术的日益提高，获取影像数据的手段也日趋先 进，所获得的数据越来越复杂，数据量不断增大。 ( 4 ) 压缩：由于图影像文件包含的数据量大，会给存储器的存 储容量、通信干线信道的宽带以及计算机处理速度等方面增加极大 的压力，单纯靠增加存储器容量，提高信道宽带以及计算机的处理 速度等方法来解决这个问题是不现实的，也很不经济，因此，绝大 多数影像文件都使用经过压缩编码过的影像数据格式。影像压缩被 。泛地用于医学影像，广播电视、计算机通讯、多媒体系统、卫星 影像、传真等领域。 压缩可分为两大类：第一类压缩过程是可逆的，信息没有任何 丢失，即压缩后信息经解码后可百分之百地恢复出原来的信息，称 为无损压缩。医学影像、卫星影像等重要影像通常需要进行无损压 缩。常见的无损压有l z w 编码，行程编码( r l e ) 、h u f f m a n 编 码、j p e g 编码，其中j p e g 压缩编码是一种被普遍接受的影像文 件压缩标准。第二种压缩过程是不可逆的，信息有一定的丢失，称 为有损压缩，常用于动态影像的压缩，如可视电话、电视会议等。 影像以文件形式存储，影像文件格式分两大类，一类是静态影 像文件格式，一类是动态影像文件格式。静态影像文件格式有： b m p 、p c x 、t g a 、t i f f 、j p e g 、g i f 、p c d 、d i c o m 等：动态 影像文件格式有a v i 、m p e g 等。由于各种影像处理软件使用自己 医学影像的数字化采集与存储 的文件格式保存图像，形成了目前多种影像文件共存的局面，并且 这种局面仍将继续维持。因为现存的各种影像文件格式从质量、灵 活性、效率等各个方面综合起来评价，很难准确评价孰优孰劣，以 下是几种人们在日常工作和生活中经常遇到的影像文件格式。 1 t g a 格式 t g a 格式是t r u ev i s i o n 公司于1 9 8 4 年设计的一种影像文件 格式，原是t r u ev i s i o n 公司的专有文件格式，支持8 位到3 2 种颜 色深度，后来发展成为一种通用的影像文件格式，文件的扩展名 为t g a 。t g a 格式已经广泛应用于计算机的影像处理领域，而且由 于它的出现，使得w i n d o w s 与3 d s 相互交换影像成为可能。人们 可以在3 d s 中生成色彩丰富的t g a 影像，然后在p h o t o s h o p 中打 开修改、编辑等操作，使制作出的立体图像更生动、逼真。 t g a 格式的特点有： ( 1 ) 色彩表达能力强：最多可支持3 2 位彩色影像，可用来保存 颜色复杂的影像。 ( 2 ) 多种任选组合模式：在t g a 模式中，影像可以用压缩方式 存储，也可以用非压缩方式存储。 ( 3 ) 结构简单且少有变化，很容易与其他格式的文件相互转 换。 ( 4 ) t g a 格式的文件占用较多的存储空间，这也是t g a 格式 的明显的缺点。 2 p c x 格式 p c x 格式是z s o f f 公司于1 9 8 4 年开发的一种文件格式，最早 是p cp a i n t b r u s h 图形软件所支持的固有影像格式，近年来， p c x 格式被越来越多的图形、图像软件工具所支持，目前最多支持 2 5 6 科t 颜色，文件扩展名为p c x 。 p c x 格式的特点有： ( 1 ) 文件格式的支持范围广，结构简单，存取速度快，适合于 一般软件的使用。 ( 2 ) 适用于保存绘图软件所生成的图像。 ( 3 ) p c x 格式采用行程编码方式，压缩速度快，但压缩l l 4 , ， 造成压缩效率不高。 ( 4 ) 不能用来存储色彩丰富的图像，因为只支持2 5 6 种颜色， 否则会影响图像的质量。 3 g i f 格式 g i f 格式是当前较受欢迎的一种图像文件格式，由 c o m p u s e r v e 公司制作，它的文件最大不能超过6 4 m ，最多只能显 示2 5 6 色，使l z w 编码压缩，是互联网中应用最广泛的两种格式 医学影像的数字化采集与存储 之一( 另一个是j p e g 格式) 。文件扩展名为g j f o g i f 格式与其他格式不一样，它完全是被作为一种公用标准而 设计的，不像p c x 格式那样是和某些软件联系在一起，即g i f 不 是某个软件的对应产品。与其他流行文件类型相比，g l f 图像有一 个非常突出的优点：它支持在图形的透明区域中构造颜色的能力， 当把g i f 图像放到个背景上时，人们能透过图像看到这个背景。 最初的g i f 只是能用来存储单幅静态图像( 称为g i f 8 7 a ) ，后 来随着技术发展，现在可以同时存储若干静态图像进而形成连续的 动画。目前互联网j 大量采用的彩色动画文件多为这种格式的文