（计算机应用技术专业论文）医学影像压缩技术研究及应用.pdf

摘要 随着医疗技术的发展，数字化医疗的逐渐普及，医学图像是医生进 行诊断的重要依据，但由于医学图像数据量巨大，这样绘存储和远程传 输带来诸多不便，因此进行医学图像压缩是十分必要的。 本文主要通过无损压缩算法以及有损压缩算法的研究，提出了即保 证感兴趣区域图像的重构质量又能获得较高的压缩比的算法，在这罩采 用有损压缩和无损压缩相结合的压缩算法，统一在小波变换的框架下， 使得对感兴趣区域( r o i ) 进行无损压缩，而对非感兴趣区域( u r o i ) 进行有损压缩，以及带矩形区域r o i 区域的压缩，用此方法可以很好的 解决压缩比与重建图像质量之间的矛盾，在满足压缩效率要求的同时使 得重建图像的感兴趣区域具有较好的质量。 本文采用v c + + 6 0 编程，实现了医学图像对感兴趣区域进行无损压 缩非感兴趣区域进行有损压缩相结合的算法，达到了一个较高的压缩比 和较高的峰值倍噪比。 关键词：r o iu r o i 小波变换压缩比峰值信噪比 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm e d i c a lt e c h n o l o g y , d i g i t a lm e d i c a li sg r a d u a l l y p o p u l a r i z e d ，m e d i c a li m a g ei st h ei m p o r t a n tp r o o fw h i c hd o c t o rd i a g n o s e d ， b u tt h ed a t aq u a l i t yo fm e d i c a li m a g ei se n o r m o u s s oi tl c a dt om a n y i n c o n v e n i e n c e sf o rs t o r a g ea n dl o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n t h e r e f o r ei ti s v e r yn e c e s s a r y t oc o m p r e s sm e d i c a li m a g e 1 1 1 i sp a d e rm a i n l yd i s c u s s e sl o s s l e s s c o m p r e s s e da r i t h m e t i ca n dl o s s c o m p r e s s e da r i t h m e t i c i tp u t s f o r w a r daa r i t h m e t i ct h a ta s s u r et h e r e c o n s t r u c t i o nq u a n t i t yf o rr e g i o no fi n t e r e s ta n do b t a i nu p p e rc o m p r e s s e d r a t i o i nt h i sp a p e r ，i ta d o p t sac o m p r e s s e da r i t h m e t i cw h i c hc o m b i n e d l o s s l e s sc o m p r e s s i o nw i t hl o s sc o m p r e s s i o n i tu n i f yu n d e rt h ef r a m eo f s m a l lw a v e t r a n s f o r m a t i o n ，i tm a k e si o s s l e s sc o m p r e s s i o nw i t hi n t e r e s t e d r e g i o na n dm a k e sl o s sc o m p r e s s i o nw i t hu n i n t e r e s t e dr e g i o n i tc a r ls o l v e t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n c o m p r e s s e dr a t i oa n dr e c o n s t r u c t i o ni m a g e q u a n t i t y u n d e rm e e t i n gt h en e e do fc o m p r e s s i o ne f f i c i e n c y , i to b t a i n sb e t t e r q u a l i t yi nt h ei n t e r e s t e dr e g i o no fr e c o n s t r u c t i o ni m a g e t h i sa r t i c l ep r o g r a m si nv c + + 6 0 i ta c h i e v e saa r i t h m e t i cw h i c hm e d i c a l i m a g e m a k e sl o s s l e s s c o m p r e s s i o n f o ri n t e r e s t e d r e g i o n a n dl o s s c o m p r e s s i o nf o ru n i n t e r e s t e dr e g i o n s oi ta t t a i n sau p p e rc o m p r e s s e dr a t i o a n dau p p e rp e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ，p s n r k e y w o r d s ：r o u - r o is m a l lw a v et r a n s f o r m a t i o n c o m p r e s s e dr a t i o p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，医学影像 压缩技术研究及应用是本人在指导教师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 作者签名：译她年立月丛日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学 硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学 保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名： 主i 丛! 竺2 年上月3 日 指导导师签名：二二重型兰墨! 月幺日指导导师签名：匕兰：= = ! ! 型三月二丝日 | 1 1 引言 第一章绪论 随着现代医学的发展，医院的诊疗工作越来越多地依赖现代化的检 查结果。像x 光检查、c t 、m r i 、超声、胃肠镜、血管造影等影像学检 查的应用也越来越普遍。传统的x 线图像、c t 与m r i 大多是以照片形 式于放射科档案室存档。需要时，要从档案室借调，占用很多人力，在 借调中，照片丢失或错拿时有发生，而且效率低。由于影像诊断技术应 用越来越普及，图像数量大增，照片存档与借调工作就相对来说很大， 而且不便于各种不同检查的图像分别存放，临床医生要同时参考同一病 人不同检查所产生的影像时往往借阅困难；传统图像存储和管理的独占 性使得图像的丢失概率增加，利用率下降，异地会诊困难等。可见，传 统的医学影像管理方法已经无法适应现代医院中对如此大量和大范围 医学影像管理的要求。采用数字化影像管理方法来解决这些问题已经得 到公认。因此，建立了p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 即存档传输系统和“e l e 一啪e d i c i n es y s t e m ) 即远程医疗诊断系统。 医学图像具有图像象素深度较大的特点，每个象素占用1 2 - 2 4 b i t s ， 这样一幅原始的医学图像通常占用较大的存储空间。一般而言，在一个 中等医院，每年产生的医学图像就超过一百万幅，所需数据存储容量达 到2 t b ( 2 1 0 ”字节) 。在医院使用的p a c s ，需要提供较大容量的存储 空间柬存储海量的医学图像数据，并且在远程诊断系统中，图像的大小 也会影响传输的速率，如此大的数据量对计算机的存储和处理能力以及 当前通信信道的传输能力都造成了极大的压力，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，于是我们想到了对图像进行压缩，但这种压缩不能影响医疗诊断。 d i c o m ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ，医学图像 成像与通讯) 标准中有关于压缩的各种细节规定。通过对医学图像进行 有效的压缩，不但可以节约存储空间，还可以缩短远程医疗应用中医学 图像异地传输的时间，提高传输的效率，从而促进医学图像存储和传输、 远程医疗诊断等系统的发展。 1 2 国内外发展状况 广行稃编码( r u n l e n g t hc o d i n g ) ，躲躺t 磊黧码竺a r i t h m 眄e t c i c 删c o d i n g 第一代编j 预测编码 ：制“”m c 删m 8 i 其它编码二位平面编码( b i tp l a n ec o d i n g ) 2 码算法、基于对象( o b j e c t b a s e d ) 压缩算法、基于模型( m o d e l b a s e d ) 的压缩编码算法以及小波变换等数学工具，充分利用了视觉系统生理心 理特性和图像信息源的各种特性“。当前国内外，医学图像无损压缩 技术已经相对成熟和完善，而医学图像近无损压缩或医学图像混合压缩 技术仍然处在研究过程中。 1 3 论文研究的内容和目的 本文主要介绍了医学图像压缩的重要意义以及医学图像压缩的可 能性，并且对现有医学图像的压缩算法( 包括有损压缩和无损压缩) 进 行研究和分析，通过数据比较，总结几种压缩算法的差异，从无损压缩 算法和有损压缩算法中分析我们可以知道：无损压缩的压缩比太小，不 能满足实际的医学图像压缩；虽然有损压缩压缩比很大，但由于医学图 像是医学诊断和疚痫治疗的重要依掘，所以仅仅采用一般的有损压缩会 产生失真，容易造成迭疗纠纷。所以，在此基础上提出了对感兴趣区域 进行无损j k 缩刈 b 感兴趣区域进行有损压缩相结合的方法，并把此方法 应用到防学图像压缩上。 本文实现的过程如下：首先打开一幅要压缩的医学图像，把非图像 的数掘进行过滤并存储，而医学图像信息由诊断医生选择一个感兴趣区 域，确定感兴趣区域( 在本文选择的区域为矩形区域) 后，再选择背景 区域所用的比特率，记录感兴趣区域的位置，并对感兴趣区域进行无损 瓜缩，通过背景区域所选的比特率进行有损压缩，把有损压缩和无损压 缩部分都存入文件，在图像重新建立的时候先读出医学图像非图像部分 的信息，再分别还原无损压缩和有损压缩的部分，这样就可以实现医学 图像的币建。 第二章医学图像基础知识 2 1p a c s 系统 p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ”1 医学影像存 档与通讯系统。首次出现在七十年代末，它是随着数字成像技术、计算 机技术和网络技术的进步而迅速发展起来的，是使用计算机和网络技术 对医学影像进行数字化处理的系统，是应用于医院的数字医疗设备如 c t 、m r ( 核磁共振) 、u s ( 超声成像) 、x 光机、d s a ( 数字减影) 一、 c r ( 计算机成像) 等设备所产生的数字化医学图像信息的采集、存储、 管理、诊断、信息处理的综合应用系统。p a c s 采用三级存储结构即： 在线、近线、离线：利用硬盘、多服务器磁盘阵列、磁带库等作为存储 介质，支持影像数掘的短期存储管理和长期存储管理。图2 1 为小型 p a c s 系统示意图。 幽2 1 小犁p a c s 系统示意图 p a c s 是以计算机为中心，由图像信息的获取、传输、存档和处理 4 等部分组成”1 。其主要作用有：连接不同的影像设备( c t 、m r 、x r a y 、 超声、核医学等) ；存储与管理图像：图像的调用与后处理。不同的 p a c s 在组织与结构上可以有很大的差别，但都必须能完成这三种类型 的功能。p a c e 系统的建立对医学图像的管理和疾病诊断具有重要意义。 它实现了无胶片的电子化医学图像的管理，利用计算机对图像进行处 理，可接入远程医疗系统实现远程会诊，利用分却式医学图像数掘库实 现医学数掘共享，从而提高医院的工作效率和诊断水平。为了使数字信 息在计算机之间能够实现传输，美国放射学会( a m e r i c a nc o l l e g eo f r a d i o l o g y ，a c r ) 和国家电器制造商协会( n a t i o n a le l e c t r i c a l m a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ，n e i a ) 组织制定了一个统一的d i c o m 标 准，通过数据接口与互联网接通，就可以进行医学图像信息的远程传输， 实现异地会诊。p a c s 系统结构如图2 2 。 2 2d l c o m 介绍 图2 2p a c s 系统结构 2 21d l c o m 标准的意义 随着医疗信息技术的进一步发展，医疗档案电子化是大趋势。医疗 系统中为了方便管理与信息共享而产生的医学图像存档与通信系统 ( p a c s ) 、放射学信息系统( r i s ) 、医院信息管理系统( h i s ) 等系统 将柬都会趋向于普及，而这些系统中，图像信息存储和通讯的基础是 d i c o m 标准。但在医学影像信息学的发展和p a c s 的研究过程中，由于医 疗设备生产厂商的不同，造成与各种设备有关的医学图像存储格式、传 输方式千差万别，使得医学影像及其相关信息在不同系统、不同应用之 i 日j 的交换受到严重阻碍。为此，以规范医学影像及其相关信息的交换， 制定了d i c o m ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i l i e ，医 学图像成像与通讯) “1 标准，是由美国放射学会( a m e r i c a nc o l l e g eo f r a d i o l o g y ，a c r ) 和美国电器制造商协会( n a t i o n a l e l e c t r i c a l m a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ，n e m a ) 组织制定的专i 1 用于医学图像的存 储和传输的标准名称。d i c o m 格式是医学图像存储、处理和传输的国际 标准，它涵盏了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等几 乎所有信息交换的协议；以丌放互联的架构和面向对象的方法定义了一 套包含各种类型的医学诊断图像及其相关的分析、报告等信息的对象 集；定义了用于信息传递、交换的服务类与命令集，以及消息的标准响 应：详述了难一标识各类信息对象的技术；提供了应用于网络环境( o s i 或t c p i p ) 的服务支持；结构化地定义了制造厂商的兼容性声明 ( c o n f o r m a n c es t a t e m e n t ) 。 在我国，由于历史的原因，各医院里真正符合d i c o m 标准的影像设 备只占所有影像设备的一部分。大量的老式影像设备往往只能输出胶 片，或者只有普通的视频输出，或者使用专用的图像格式。因此，目i ；i 在建设p a c s 的时候必须考虑到这一点。为了使现有的大量不符合d i c o m 的影像设备进入p a c s 网络，需要使用一个通用的d i c o m 格式转换工具包。 2 2 2d i o o m 发展历史 d i c o m 的发展历史”1 ： 1 9 8 2 一a c r 和n e m a 联合成立了一个委员会，制定d i c o m 标准。 1 9 8 5 一公布1 0 版本( a c r n e m av 1 0 ) 。 1 9 8 8 一公如2 。0 版本( a c r - n e m av 2 o ) 。 1 9 8 9 一j 始i jh i s r i s 系统连接的网络工作；名字改称：d i c o m ，以表 示本质区别j ：原先的杯准。 1 9 9 1 一公布d i c o m 的i 至8 章。 1 9 9 2 一r s n a 展示第8 章。 1 9 9 3 一d i c o m 的i - 9 章通过，r s n a 展示了全部的9 个部分。 1 9 9 4 一增加第1 0 章： m e d i as t o r a g ea n df i l ef o r m a t 。 1 9 9 5 一增加第1 1 章、1 2 章、1 3 章及补充章节。 1 9 9 6 一进行了第三次修订，更名为：d i c o m3 0 ；发伟9 6 版，基于服 务器客户端的网络结构，采用o o p 方式进行分析和设计。 1 9 9 8 一d i c o m3 09 8 版，进行了若干不明确的规定、一些错误的修正， 网络打印补充，控制事件补充，接纳二次采集图像。 6 1 9 9 9 一d i c o m3 09 9 版，考虑增加化验室设备的定义，考虑专向三层 结构，为同h i s 系统进行更多的信息共享做准备。 2 0 0 1 一d i c o m3 02 0 0 1 版本。 2 0 0 3 一d i c o m3 02 0 0 3 版本。 2 2 3d i o o m 标准的内容 d i c o m 标准的内容包括1 4 个内容，分别为”“： 第l 部分：介绍和概览：介绍d i c o m 历史，d i c o m 同a c r n a m a 的区别 和现在发展方向应用的范围和领域，引用的标准，用到的术 语定义，版本中的符号和缩写，标准的目标和标准主要内容 的预览。 第2 部分：兼容性说明：给出了d i c o m 的兼容性定义和方法。兼容性是 指遵d i c o m 标准的设备能够互相连接互相操作的能力。由 于d i c o m 标准内容庞大，功能复杂，目的为止，还没有什么 设备能够涵盖所有的d i c o m 功能，只是实现本设备必需的功 能。因此标准要求设备制造商必须给出本设备所支持的 d i c o m 功能的说明，即兼容性声明。本部分标准内容定义了 声明的结构和必须表现的信息，包含三个主要部分： a 本实现中可以识别的信息对象集合； b 本实现支持的服务类集合； c 本实现支持的通信协议集合。 标准没有规定兼容性实现的测试和验证的过程。用户在采购 d i c o m 功能的设备时，必须注意各设备的兼容性水平是否一 致，否则各设备互连时会出现一些问题。 第3 部分：利用面向对象的方法：描述如何定义信息对象，对医学数字 图像存储和通信方面的信息对象提供了抽象的定义。每个信 息对缘定义是由其用途和属性组成的。为方便标准的扩充和 保持与老版本的兼容，在d i c o m 中定义了复合型和普通型两 大类的信息对象类。普通犁信息埘象炎仅包含现实世界实体 中固有的那些属性。复合) 掣信息对缘类可以附加上并不是现 实世界实体中固有的属性。如c t 图像信息对象类既包含了图 像固有的图像日期、图像数据等图像实体的属性，又包含了 如病人姓名等并不属于图像本身的属性。复合对象类提供了 表达图像通信所需求的结构性框架，使网络环境下的应用更 加力便。 第4 部分：服务类规范：说明了许多服务类，服务类详细论述了作用与 信息对缘上的命令及其产生的结果。在d i c o m 2 0 0 4 中定义了 十八种标准化的服务类。1 ，证实服务类；2 ，存储服务类； 3 ，查询检索服务类；4 ，检查内容通知服务类；5 ，患者管 理服务类；6 ，检查管理服务类：7 ，结果管理服务类；8 ， 打印管理服务类；9 ，介质存储服务类；l o ，存储责权管理 服务类；1l ，基本工作列表管理服务类；1 2 ，队列管理服务 类；1 3 ，灰度软拷贝表达状态存储服务对象类；1 4 ，结构化 报告存储服务对象类；1 5 ，请求事件记录服务类；1 6 ，相关 患者信息查询服务类；1 7 ，实例可用性通知服务类；1 8 ，介 质创建管理服务类。 第5 部分：数据结构及语义：说明了d i c o m 应用实体如何构造从信息对 象与服务类的用途中导出的数据集信息，给出了构成消息中 传递的数掘流编码规则。数据流是由数据集的数据元素产生 的，几个数掘集可以被一个复合数掘集引用或包容。一个复 合数捌集可以在一个“数据包”中传递信息对象的内容。这 部分葛重说明的是有关d i c o m 消息中数据流方面的内容。此 外也定义了许多信息对象共同的基本函数的语义，即要求的 条件、完成的结果、实现的功能等等。 第6 部分：数据字典：是d i c o m 中所有表示信息的数据元素定义的集合。 在d i c o m 标准中为每一个数据元素指定了唯一的标记、名字、 数字特征和语义；这样在d i c o m 设备之间进行消息交换时， 消息中的内容具有明确的无歧义的编号和意义，可以相互理 解和解释。 第7 部分：消息交换：消息是由用于交换的一个或多个命令以及完成命 令所必需的数据组成，是d i c o m 应用实体之日j 进行通信的基 本单元。这部分说明了在医学图像环境中的应用实体用于交 换消息的服务和协议。 第8 部分：消息交换的网络支持：说明了d i c o m 实体之间在网络环境中通 信服务和必要的上层协议的支持。这些服务和协议保证了应 用实仆之m 有效地和下确地通过网络进行通信。d i c o m 中的 网络珂、境包括o s i 和r c p i p 两种参考模型，d i c o m 只是使用 而不是实现这两类协议，因而具有通用性。 第9 部分：消息交换的点对点通讯支持：说明了与a c r n e m a 2 0 相兼容 的点对点通信环境下的服务和协议。它包括物理接口、信号 联络过程以及使用该物理接口的与o s i 类似的会话传输网 络协议及其服务。 第1 0 部分：用于介质交换的介质存储和文本格式：这一部分说明了一 个在o j 移动存储介质上医学图像信息存储的通用模型。提供 了在各种物理存储介质上不同类型的医学图像和相关信息 进行交换的框架，以及支持封装任何信息对象定义的文件格 式。 第1 1 部分：介质存储应用卷宗，用于医学图像及相关设备信息交换的 兼容性声明。给出了心血管造影、超声、c t 、核磁共振等 图像的应用说明和c d - r 格式文件交换的说明。 第1 2 部分：用于介质交换的物理介质和介质格式。它提供了在医学环 境中数字图像计算机系统之| 日j 信息交换的功能。这种交换 功能将增强诊断图像和其它潜在的临床应用。这部分说明 了在描述介质存储模型之问关系的结构以及特定的物理介 质特性及其相应的介质格式。具体说明了各种规格的磁、 光盘，p c 机上使用的文件系统和1 4 4 m 软盘，以及c d r 可刻写光盘。 第1 3 部分：点对点通信支持的打印管理。定义了在打印用户和打印提 供方之间点对点连接时，支持d i c o m 打印管理应用实体通 信的必要的服务和协议。点对点通信卷宗提供了与第8 部 分相同的上层服务，因此打印管理应用实体能够应用在点 对点连接和网络连接。点对点打印管理通信也使用了低层 的协议，与已有的并行图像通道和串行控制通道硬件硬拷 贝通信相兼容。 第1 4 部分：说明了灰度图像的标准显示功能。这部分仅提供了用于测 量特定显示系统显示特性的方法。这些方法可用于改变显 示系统以与标准的灰度显示功能相匹配或用于测量显示系 统与标准灰度显示功能的兼容程度。 2 3 医学图像的获取 2 3 1 数字医学图像获取的重要性 数7 1 9 ：学h 像铁取足数掘输入到p a c s 中的第一步关键环节，医学 诊断对图像质：1 ：彳j + 粥微岛的要求。因此，在数字图像获取过程中引入的 误差可以扩肢剑辟；! f 个系统的各个部分环节，从而影响到临床应用的效 果，可见我们了解陕学图像的获取是很重要的。 2 3 2 数字医学图像采集设备 数字图像采集设备很容易集成到同常的l 临床应用环境中；设备具有 高可靠性和容错性，并且具有简单和直观的用户操作接口，以及较高的 9 执行效率。基于r i s h i s 接口技术的相关数据获取：r i s ( r a d i o l o g i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和h i s ( h o s p i t a li n f o r m a t i o i ls y s t e m ) 中数 据包含了病入的基本统计信息和电子病案信息，可以认为它是病人的信 息中心，病人统计信息包括病人的姓名，出生r 期，会诊时| 日j ，医疗记 录号( m r n ) 存取号( a c c n u m ) ，检查类型等。m r n 唯一地标识和鉴别一 个病人，a c c n u m 唯一地识别患者一次医学图像检查；成像参数可以自 动地对记录在r i s - h i s 与p a c s 中的相关数据进行检验和校正，r i s h i s 数据库中的信息支持对病人信息的查询和检索操作。r i s h i s 和p a c s 都包含了病人的基本统计信息，可以使r i s h i s 中的这部分信息与p a c s 共享，将r i s - h i s 中由条码阅读器读入的病人基本统计信息自动下载到 p a c s 中成为图像描述信息中相关的部分，这可以有效的减少在p a c s 中 由于手工重复录入而导致的输入错误，从而提高了系统的可靠性和智能 化程度。目i 0 不少医学成像模块都提供与r i s 的耦合接口功能，将病人 的统计信息自动下载成为d i c o m 头部的信息“。 2 3 3 数字图像获取的方法 数字成像模块的数字图像的获取有两种方法获取数字成像模块内 部的数字图像：1 ，直接的截获方式：一些最新的高档医学图像设备本 身已经与计算机结合在一起，而且往往必须由内含的微处理器进行信息 处理，如x c t 、m r i 和d s a ，利用标准的数字接口技术，在p a c s 中可 以通过统一的d i c o m 数字接口直接读取数字医学图像信息再通过计算 机网络传送至图像中心存储，这种方式直接从设备的d i c o m 接口读取图 像数掘，因此，医学图像质量可以得到保证，这是最理想的数字图像获 取方式。2 ，视频帧的捕获方式：目前使用的医学图像设备中大部分还 处于非数字化状态，甚至有些还不是由电子屏幕显示的视频信息，而仅 仅是以肉瞅脱察的光学仪器，这就必须通过一定的手段来采集和转换， 使之成为i i 鳕机能接受和处理的数字图像信息。借助医用电视摄像管以 及医用c c d 干采叭k 足一种图像采集手段。根折j 不同图像对分辨率、黑 白或彩色、i i f l i 念或动念锋的不同要求，选择适合的摄像头和采集卡，比 如放射胃肠造影，成饶榆奄，病珲分析等只能产生视频信号，对于这类 设备可以使用视频采集设备，视频信号的各种标准已经在许多年前判定 完毕，采用视频这种接入方式无需再购买专用的医疗一起d i c o m 信号输 出口，成本较低，但由于存储的视频帧信息基本单元的灰阶值8 b i t 有 时会失真不能直接进行相应的临床应用。 2 3 4 医学图像源 在这罩我们简瞥介绍几种常见的医学图像源：x 射线成像、无线电 1 0 波成像、伽马射线成像以及超声成像。 ( 1 ) x 射线成像：传统的x 射线投影的数字图像获取可以采用计算 机x 射线照相术( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，c r ) 和数字化x 射线照相 术( d i g i t a lr a d i o g r a p h y ，d r ) 的方法，而对于已经制成x 射线胶片 的影像，是将x 线摄照的影像信息记录在影像板( i m a g ep l a t e ，i p ) 上，经读取装置读取，由计算机计算出一个数字化图像，再经过数字 模拟转换器转换，在荧屏上显示出灰阶图像。下面简单介绍一下x 射线 投影的数字图像的获取。 模拟胶片的数字化：为了使早期的x 射线胶片的图像能够输入 到p a c s 系统，以数字化的方式进行浏览和处理，有必要采用各种数字 化设备将胶片上连续的光强度信号经过采样、量化等过程转化成数字信 号。目i j i f 常用的模拟胶片数字化设备包括带有数模转换器的模拟视频照 相机、数码相机等，在p a s s 中使用较多的是平板式或c c d 胶片扫描仪， 它将从校准后的漫反射光源发射的光聚焦到线型c c d 监测仪上，并将收 集到的光信号通过a d c 转换成数字电信号。c c d 的最大分辨率 4 0 9 6 4 0 9 6 ，灰度值8 1 2 b i t ，但它只能响应较窄频谱范围的光信号， 一般只在高端的远程医疗系统中应用。 计算机x 射线照相术( c r ) ，c r 技术不同于传统的胶片式x 射 线投影技术，胶片直接充当成像敏感器和记录媒介，图像的浏览显示和 存储也是有胶片束来完成的，而c r 技术从图像记录步骤起就去除了胶 片的作用，使图像的捕捉、显示和存储彼此分离。图像的传输、操作管 理，显示和存储都可以以数字的方式来完成。 数字x 射线照相术( d r ) ，d r 是数字x 射线照相术的简称，应 用到临床只有4 - 5 年的时间，和c r 采用成像板进行x 射线曝光，然后 用扫描光学设备取读出数字图像的方式不同。d r 从x 射线曝光到图像 的显示过程没有更多的人工干预。它是x 摄像投影的直接数字获取设 备，其探测器检测到的x 射线直接转换为相应的数字信号，因此，d r 又被认为足直接x 射线照相术的简称。 ， 电r f 算机仆j ：摄影( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，简称c t ) ”是x 射 线成像的另一面蛩的廊用，它是近十午束发展迅速的电子计算机和x 线 相结合的一项新颖豹诊断新技术。其主要特点是具有高密度分辨率，比 普通x 线照片高1 0 2 0 倍。能准确测出某一平面各种不同组织之日j 的 放射衰减特性的微小差异，以图像或数字将其显示，极其精细地分辨出 各种软钉l 织的不同密度，从而形成对比。如头颅x 线平片不能区分脑组 织及脑脊液，而c 1 不仅能显示出脑室系统、还能分辨出脑实质的灰质 与白质：如再引入造影剂以增强对比度，对其分辨率更为提高，故而加 宽了疾病的诊断范畴，还提高了诊断j 下确率。 ( 2 ) 无线电波成像 在医学中，无线电波主要用于磁共振成像( m r i ) 。磁共振成像是利 用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。 m r i 另一新技术是磁共振血管造影( m a g n e t i cr e s o n a n c e a n g i o g r a p h y ，m r a ) 。血管中流动的血液出现流空现象。它的r 信号强 度取决于流速，流动快的血液常呈低信号。因此，在流动的血液及相邻 组织之间有显著的对比，从而提供了m r a 的可能性。目前己应用于大、 中血管病变的诊断，并在不断改善。m r a 不需穿刺血管和注入造影剂， 有很好的应用前景。m r a 还可用于测量血流速度和观察其特征。 ( 3 ) 伽马射线成像 将放射性同位素注射到病人体内，当这种物质衰变时放射出伽马 射线，然后用伽马射线检测器将收集到的放射物产生图像。p e t ( 派特) 是继c t 和核磁共振( m r i ) 之后应用于临床的一种新型的影像技术，其 全称为：正电子发射型计算机断层显像( p o s i t r o ne m i s s i o nc o m p u t e d t o m o g r a - - p h y ，简称p e t ) 。其原理是将人体代谢所必需的物质，如： 葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等标记上短寿命的放射性核素( 如1 8 f ) 制成显像剂( 如：氟代脱氧葡萄糖，简称f d g ) 注入人体后进行扫描成 像。因为人体小同组织的代谢状态不同，所以这些被核素标记了的物质 在人体各种组织中的分布也不同，如：在高代谢的恶性肿瘤组织中分布 较多，这些特点能通过图像反映出来，从而可对病变进行诊断和分析。 ( 4 ) 超声成像 超声是超过j 下常人耳能听到的声波，频率在2 00 0 0 赫兹( h e r t z ， h z ) 以上。超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上 的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的 检查方法。4 0 年代初就已探索利用超声检查人体，5 0 年代已研究、使 用超声使器官构成超声层面图像，7 0 年代初又发展了实时超声技术， 可观察心肼及胎儿活动。超声诊断由于设备不似c t 或m r i 设备那样昂 贵，u j 捩 ：j 器一的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像 快，诊断及叫，尢帅凡与危险，属于非损伤性检查，因此，在临床上应 用已 f 及，是医学影像学中的重要组成部分。 2 4 医学图像压缩的必要性 随符f j 怨，6q k 地迅猛发展，世界经济己进入信息化时代。计算机、 医学影像i 殳符等都达到了建立医疗机构数字化、信息化的硬件环境条 件。因此，医学图像作为医疗诊断的重要依据，可见医学图像是传递信 息的重要依掘，信息量以非常大的速度在增长，有效地存储、获取和传 输信息，变得极其重要，对医学数字图像尤其如此。医院除了经常使用 的x 射线检查项目外，像c t 、m r i 、核医疗( 如y 摄像、s p e c t p e t 等) 以及超声等也进入同常的医学检查和诊断应用中u ，由于医学诊断的特 殊要求，医学图像不仅要求具有很高的空问分辨率，而且要有比一般图 像具有更高的图像灰阶深度，考虑到大多数断层扫描对于感兴趣的部位 的都要产生1 6 6 4 幅切片图像。而且超声和血管造影等每次检查都要 产生3 3 0 分钟的视频序列图像。这必然使得原柬就很庞大的数字医学 图像的数据量，以更快的速度增加。表2 - 1 列出不同采集模块图像的精 度要求以及每次检查产生的数据量，对于国外一个具有6 0 0 张床位的中 等规模医院，每年仅产生的静态图像就达到1 0 0 万幅，总数量2 t b ( 2 x1 0 “字节) 左右。如果再加上视频图像，数据量更大。( 本文只研 究静念图像的压缩。) 一方面，数字医学图像的数据量急剧增加。同时， 还要有较长的保存周期，这使它具有更大的存储空间。另一方面再远程 医疗，p a c s 等应用环境中，图像数据需要在不同的区域之f b j 进行传输， 这对传输网络的宽带产生很大压力。因此，近年来图像的压缩技术获得 发展。 表2 一1 图像采集模块精度要求 2 5 医学图像压缩的可行性 在医学图像中存存冗余信息，这样为我们图像压缩提供了实现的i j 提条件。这些冗余来自数据之问的相关性，或者柬自于人的视觉特性， 当我们将图像信息的描述方式改变之后，可以压缩掉这些冗余。在图像 数掘中，根据采用矩阵方式描述图像的特点，一般冗余包括以下几种： 空| 、日j 冗余，时间冗余，结构冗余，知识冗余，编码冗余，象素冗余和视 觉心理冗余等。 空间冗余：在一幅图像内部，某些区域在色彩和亮度上是相关的，这就 叫空间冗余。 时间冗余：在需要传输的几幅图像之间，大量区域是相互一致的，即使 结构冗余： 知识冗余： 编码冗余： 象素冗余： 有变化也是渐变的，突变的部分很少，这是图像问的时间冗 余。 图像中存在强的纹理结构，考虑其纹理特性，可有效的压缩 图像。如医学图像看作是区域集时产生的冗余。 与收发端所共有的知识相关联的冗余度。 一个图像的狄度级编码，使用了多于实际需要的编码符号， 就称陔图像包含了编码冗余。如：一幅图像只有3 h i t ( 8 灰 度级) 狄阶，但仍采用标准的8 b i t ( 2 5 6 灰度级) 存储一个 象素，就有了编码冗余。 对一幅图像，如描述每个象素的数量时相等的，并且时相互 独立的，则由于象素的相关性使得该数掘对视觉的贡献一定 存存着一定的冗余，这种象素之间的内在相关性所导致的冗 余为织索冗余。如局部子块为： 1 1 0 1 0 81 0 61 0 8 1 0 3 1 0 51 0 61 0 6 1 0 31 0 51 0 8 1 1 0 1 0 61 0 71 0 71 1 0 若用灰度图的描述方式，这个子块所需要的数据量为1 6 8 = 1 2 8 b i t ，若将这个子块以最小的数据，以及与之偏差的数据流形式来描 述为：1 0 3 及1 6 个偏差7 ，5 ，3 ，5 ，0 ，2 ，3 ，3 ，0 ，2 ，5 ，7 ，3 ，4 ， 4 ，7 。可以看出这1 6 个偏差大小范围从0 到7 ，以一个较小的灰度级 ( 如3 b i t ，8 狄度级) 来描述，则数据量为8 + 1 6 3 亍5 6 b i t ，是原来 数扼量的4 3 7 5 。 视觉心理冗余：通常情况下，最终图像数据总是由人眼观察出来的，就 图像编码而言，视觉冗余在各种形式的冗余中地位相对 重要。多数情况下，压缩图像主要是由人眼观察出来的， 当人在观察一幅图像时，一些信息在一般视觉处理中比 其他信息的相对重要程度要小，因此这部分( 即：视觉 小太明显的) 信息往往被忽略掉，将这种对视觉感知影 响很小的信息称作视觉冗余。 图像压缩的核心：就足去掉或减少冗余信息。由于一副图像存在一定的 数掘冗余和主观冗余。所以图像压缩可以从这两个方面 着手。一方面，因为数据冗余是由于描述图像的方法所 1 4 致的，所以若改变图像信息的掐述方式，就可以压缩数 据冗余。基于数据统计特征的传统的信源编码方法，如 行程编码、预测编码、变换编码等。另一方面，因为图 像中存在主观视觉心理冗余，编码时忽略一些视觉感知 不太明显的微小差异，可以进行所谓的“有损”压缩。 2 6 医学图像压缩基础 2 6 1 图像压缩的概念 减少描述图像信息的数据量，通过改变图像的描述方式，将图像中 的数掘冗余去掉，即图像压缩“。 2 6 2 图像压缩的目的 在于以较少的数据来表示图像，实现节约存储费用，或者传输时间 和费用1 。 2 6 3 图像压缩方法的分类 一般地，图像压缩技术可分为两大类：无损压缩和有损压缩”。 ( 1 ) 无损压缩( 可逆压缩) ：原始数据可以从压缩后的数据中完全 重新构造出来，信息没有损失，其利用数据的统计冗余进行压缩，可完 全恢复原始数据而不引入任何失真，但压缩比受到数据统计冗余度的理 论限制，一般为2 ：l 到5 ：l 。这类方法广泛用于文本数据、程序和特殊 应用场合的图像数据( 如指纹图像、医学图像等) 的压缩。由于压缩比的 限制，仅使用无损压缩方法不可能完全解决图像和数字视频的存储和传 输问题。 ( 2 ) 有损j i 、缩( 不可逆压缩) ：允许重构数掘与原始数掘存在一定 的误差，但视觉或叭髓敛粜一般是可以接受的，能够满足用户的需要。 其方法利用了人类视髓对i 划像中的菜此频率成分不敏感的特性，允许压 缩过程中损失一定的信息：虽然不能完全饮复原始数掘，但是所损失的 部分对理解原始图像的影响较小，却换来了大得多的压缩比。有损压缩 广泛应用于语音、图像和视频数据的压缩。在多媒体应用中常用的压缩 方法有脉冲编码调制、预测编码、变换编码、插值和外推法、矢量量化 和子带编码等，混合编码是近年来广泛采用的方法。 2 6 4 医学图像压缩方法的评价及要求 由于医学图像的质量直接影响到医生对病情的诊断，所以医学图像 的质量是不可忽视的一个问题。根掘解码图像对原始被压缩图像的保真 程度，图像压缩的方法可分成两大类：信息保存型和信息损失型。信息 保存型在压缩和解压缩过程中没有信息损失，最后得到的解码图像与原 始图像一样，这样我们主要比较各个不同压缩算法的压缩比和压缩时 1 b j ，压缩比越大且压缩时间越小就越好：信息损失型常能取得较高的压 缩比，但图像经过压缩后并不能通过解压缩完全恢复原状，在这种情况 下需要有对信息损失的测度来描述解码图像相对于原始图像的偏离程 度，这些测度一般称为保真度( 逼真度) 准则，通常我们从客观保真度 和主观保真度束评价图像的质量。 ( 1 ) 图像质量的客观保真度的评价 图像质量的客观保真度评价，通常是对图像内容的某些数学描述， 所损失的信息帚可用编码输入图与解码输出图的某个确定函数表示，一 般说它是基f 客观保真度准则的。客观保真度准则的优点是便于计算或 测量，常片j 的客脱保真度准则有：压缩一解压缩图的均方信噪比 ( s i g n a l t o - n o is er a t i o ，s n r ) 和峰值信噪比( p e a ks i g n a lt on o i s e r a t i o ，p s n r ) 。 如：- - * 2 给定的数字化待评价的图像f ( x ，y ) 和参考图像f o ( x ，y ) 。 对于任意x 和y ，f ( x ，y ) 和f a x ，y ) 的误差为公式( 2 1 ) ： ， ， e ( x ，