（计算机软件与理论专业论文）医学仿真手术数据库系统的设计与实现.pdf

医学仿真手术数据库系统的设计与实现 摘要 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 专业名称： 学位申请人： 导师姓名及职称： 计算机软件与理论 李盛文 鲍苏苏教授 随着计算机技术、图像处理技术的迅速发展，外科诊断与治疗的手段正在发 生着很大的变化。近年来出现的计算机辅助手术系统，仿真手术系统等就是信息 科学迅速发展并应用于医学领域产生的成果。 仿真手术在医学领域中正发展成为一个新的研究方向。仿真手术利用各种医 学影像数据，采用虚拟现实技术，在计算机中建立一个虚拟3 d 环境，建立可交 互操作的平台，通过虚拟手术器械，仿真模拟手术过程。 数据库技术已成为现代计算机信息系统和应用系统开发的核心技术，也是 “信息高速公路”的重要支撑技术。多种技术与数据库技术结合是当前数据库研 究发展的一个重要趋势。医学信息管理的发展提出了设计和实现医疗图片存档与 通讯系统( p a c s ) 。如何有效的存储、管理、组织和检索海量医学图像数据，是 p a c s 系统实现中必须解决的重要问题。 仿真手术数据库系统是建立在计算机众多学科研究成果的基础上，综合利用 当前关于多媒体数据库、图像处理与理解、人工智能和网络技术等最新研究成果， 针对医学图像数据特点，把数据库技术与医学可视化问题结合，而设计实现的一 个用于医学图像数据存储、管理、查询的多媒体数据库软件系统。仿真手术数据 库是一个将多媒体医学图像处理技术与数据库技术结合的应用课题，是一个符合 仿真手术需求的数据库系统。通过仿真手术数据库系统，完成医院放射科，医院 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 外科，实验室图像处理中心，以及数据库管理中心中间的数据共享，起到联系仿 真手术数据库各个部分的作用，并为将来的数据挖掘等奠定一个基础。本文针对 医学图像仿真手术数据库设计展开研究，并通过编码对它进行实现。 本文在研究多媒体数据库的模型基础上，通过分析医学图像信息系统的任 务、功能，从软件系统体系结构、系统功能划分的角度，分别提出了医学信息管 理系统体系结构模型和医学图像检索模型，给出了仿真手术数据库系统的设计方 案；进而，从分析医学图像数据的特性入手，围绕医学图像的存储结构与相关算 法，提出了图像表示的模块化结构概念，给出适于医学图像处理的空间数据结构 存储表示。改进了面绘制中三角面片存储结构、三维模型的组织与快速重构算法； 针对医学图像数据的关联关系，提出并实现基于八叉树的色彩量化算法。 作为医学图像数据库技术研究的应用，我们设计实现了医学图像仿真手术数 据库系统，系统已经在实验室环境下使用，效果良好。 关键字：仿真手术数据库系统，医学图像，数据库，图像数据库，图像处理 n 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 t h ed e sig na n d lm p l e m e n t a tio no fm e dlc a ls u r g e r y a b s t r a c t slm u l a tl0 nd a t a b a s es y s t e m m a j o r ： n a m e ： c o m p m e rs o f t w a r ea n dt h e o r y l is h e n g w e n s u p e r v i s o r ：b a os u s u ( p r o f e s s o r ) w i t ht h er a p i dd e v e m p m e mo fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n g ，g r e a t c h a n g e sh a v et a k e np l a c ei nt h ef i e l do fs u r g i c a ld i a g n o s i sa n dt h em e t h o d so f t r e a t m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h ee m e r g e n c eo fc o m p u t e ra u x i l i a r ys u r g e r ys y s t e ma n d s i m u l a t i o ns u r g e r ys y s t e mp r o v et h a tt h ei n f o r m a t i o ns c i e n c ei sr a p i d l yd e v e l o p i n g a n di sa p p l i e di nt h em e d i c a lf i e l d s i m u l a t i o ns u r g e r yi sb e c o m i n gan e wr e s e a r c hb r a n c hi nt h em e d i c a lf i e l d i t u s e sa l lk i n d so fm e d i c a li m a g e s ，a d o p t sv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yt oc r e a t eav i r t u a l 3 de n v i r o n m e n ti nc o m p u t e r , a n ds e t su pap l a t f o r mf o ri n t e r o p e r a t i o n w ec a n s i m u l a t es u r g i c a lp r o c e d u r e st h r o u g hv i r t u a ls u r g i c a li n s t r u m e n t s t h ed a t a b a s et e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h ek e r n e l si nb o t ht h em o d e m c o m p m e ri n f o r m a t i o ns y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to f i t sa p p l i c a t i o ns y s t e m i ta l s o s u p p o r t st h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e t t h ec o m b i n a t i o no fm u l t i t e c h n o l o g ya n d d a t a b a s ei sam a i nt r e n da tp r e s e n t t h ep i c t u r ea r c h i v a la n dc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m si saf i e l de m e r g i n gi nr e c e n ty e a r sa sar e s u l to f t h ed e v e l o p m e n to fm e d i c a l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t h o wt oe f f e c t i v e l ys t o r e ，c o n t r o la n dr e t r i e v et h em a s sd a t a i sa nu r g e n tp r o b l e mn e e d i n gt oh es o l v e db yt h ep a c s s i m u l a t i o ns u r g e r yd a t a b a s es y s t e mi sb u i l tb a s e do nt h er e s u l t so fr e s e a r c hi na 1 1 1 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 b r o a dr a n g eo f d e c i p l i n e sa b o u tc o m p u t e r i tc o m p r e h e n s i v e l yu t i l i z e st h el a t e s tr e s u l t s o fc u r r e n tm u l t i m e d i a d a t a b a s e ，i m a g ep r o c e s s i n ga n du n d e r s t a n d i n g ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，n e t w o r kt e c h n o l o g ya n ds oo n f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e d i c a li m a g e ， t h i sm u l t i m e d i ad a t a b a s es y s t e mi s d e s i g n e dt os t o r e ，m a n a g ea n di n q u i r em e d i c a l i m a g eb yt h ec o m b i n a t i o no fd a t a b a s et e c h n o l o g ya n dm e d i c a lv i s u a l i z a t i o n t h i s s y s t e mi s a na p p l i e dp r o j e c to ft h ec o m b i n a t i o no fm u l t i m e d i am e d i c a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y i tm e e t st h en e e do fs i m u l a t i o n s u r g e r y w i t ht h i ss y s t e m , t h ed a t ac a nb es h a r e da m o n gr a d i o l o g yd e p a r t m e n t ， s u r g e r yd e p a r t m e n t ，i m a g ep r o c e s s i n gl a b o r a t o r ya n dd a t a b a s em a n a g e m e n tc e n t e r i t a l s ow o r k sa sab r i d g et oc o n n e c ta l lt h ep a r t so ft h ed a t a b a s e ，a n da c t sa sb a s e so f f u t u r ed a t am i n i n g t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fd a t a b a s ed e s i g na n d i m p l e m e n t si tb yc o d i n g t h i st h e s i sp r e s e n t st h es t r u c t u r a lm o d e lo fm e d i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e ma n dm e d i c a li m a g e sr e t r i e v a lm o d e la n dp r o p o s e st h ed e s i g n i n gs c h e m eo f m e d i c a li m a g ed a t a b a s es y s t e mf r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e a n ds y s t e mf u n c t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h er e s e a r c ho fm u l t i m e d i ad a t a b a s ea n dt h e a n a l y s i so ft h et a s ka n df u n c t i o no ft h ep a c s t h e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h ef e a t u r eo f t h em e d i c a li m a g ed a t a , w ep u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fu s i n gm o d e ls t r u c t u r et o d e n o t ei m a g e ，a n dp r o p o s et h ed e s c r i p t i o no f p r o c e s s i n gm e d i c a la r c h i v i n gs p a c ed a t a s u r r o u n d i n gm e d i c a li m a g ea r c h i v i n gs t r u c t u r ea n da r i t h m e t i c w eh a v ea l s oi m p r o v e d t h es t o r a g es t r u c t u r eo ft h et r i a n g l em e s hi nt h es u r f a c ep r o t r a c ta n dt h ea r i t h m e t i co f f a s tr e c o n s t r u c t i n g3 dm o d e l w eh a v ep r o p o s e da n dr e a l i z e dt h ea l g o r i t h m so ft h e c o l o ro p t i m i z a t i o nb a s e do nt h eo c t r e e w eh a v ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dam e d i c a li m a g es i m u l a t i o ns u r g e r yd a t a b a s e s y s t e ma sa na p p l i c a t i o no fo u rr e s e a r c hi nm e d i c a li m a g es i m u l a t i o ns u r g e r y d a t a b a s e t h i ss y s t e mh a sb e e nt e s t e di n l a b o r a t o r ye n v i r o n m e n ta n ds h o w c a s e d s a t i s f a c t o r ye f f e c t s k e yw o r d s ：s i m u l a t i o ns u r g e r yd a t a b a s es y s t e m ，m e d i c a li m a g e ，d a t a b a s e ，i m a g ed a t a b a s e ，i m a g e i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 燃 b 月斗日 本人完全了解华南师范大学有关收集、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华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名： 日期：研年 巷敞 莎月斗日 跏签名：专够 日期：沁唧年月9 日 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 1 1 该课题研究的背景 1 1 1 医学成像技术发展 第一章绪论 医学成像技术为现代医学提供了直接显示与研究人体结构的手段，使诊断和 治疗发生了革命性的变化。利用计算机技术对二维断层图像进行分析和处理，例 如对软组织和病变的分割、提取、三维重建和显示，可以辅助医生对病变和某些 特定的区域进行定性、定量分析，使医生得到更准确的信息，从而提高诊断的正 确率和效率。显而易见，医学成像技术随着计算机等信息技术的发展在医学领域 中发挥着越来越重要的作用。 c t _ x 射线电子计算机体层摄影仪，是电脑与x 光扫描综合技术的产物， 集中了当代一系列不同技术领域的最新成就。它能把人体一层一层地用灰度图像 显现出来，检查出体内任何部位的微小病变。1 8 9 5 年，r o e n t g e n ( 伦琴) 发现x 射线。从此开创了用x 射线进行医学诊断的放射学- x 射线摄影术，也开创 了工程技术与医学相结合的新纪元【1 】。1 9 6 9 年，英国的工程师汉斯菲尔德制作了 一架简单装置，用加强的x 线为放射源，对人的头部进行实验性扫描测量，取 得惊人的成功，得到了脑内断层分布图像 2 1 。1 9 7 4 年，有l e d l e y 设计成功全身 c t 装置，这进一步扩大了c t 的检查范围，从而为c t 进入临床医学领域奠定了 基础【3 1 。 近2 0 年来，由于c t 装置、成像软件及扫描技术的不断更新和改进，出现 了c t 电影，c t 血管造影，超高速c t ，高分辨率c t ，螺旋c t 等技术，使得 c t 技术在临床的许多领域得到应用，提高了诊断的准确度和可信度。特别是6 4 排螺旋c t 机的诞生，实现了过去不能进行诊断的诸多项目，例如，无创伤的检 查全身血管及脏器，检查周围血管如颈动脉、肺动脉、腹部动脉、下肢动脉等的 相关疾病，为脏器移植和外科术前评价提供了详尽的大中小血管形态学信息等 1 4 1 。6 4 排螺旋c t 机与以往的多层螺旋c t 机相比具有扫描速度更快、更安全； 扫描层厚更薄，图像更清晰；计算功能强大：扫描范围大等特点【5 1 1 6 】。 睦学仿真r 术数栅斥系统的鞋讣+ ，实现 下图是i i 张肝静脉期的6 4 排蝶旋c 1 图像( 柬源f 南方医科大学珠江医院) ， 从( a ) 图r p 可以看h 符个器。占的轮廓及轮廓间的界限很分l 必；( b ) 罔叶1 红线圈中的 轮廓中比较亮的部分是川静脉血管。 曼”| 豪鲤翟藤硷二= ! 二= ：= 三，麓- 虢s 三_ = 三：= 二，翟 ( a ) 1 1 2 仿真手术 图i - 1 肝静脉斯6 4 排c t 图像 仿真手术在医学领域中正发展成为个新的研究方向。仿真手术利用备种医 学影像数据，采用虚拟现实技术，在训算机中建立一个虚拟3 d 环境，建正可交 互操作的平台，通过仿真f 术器械，仿真模拟手术过程。与传统手术枷划相比 仿真手术具有交互性、无损伤性、可重复性和可定制性等优点。日前，国外已经 有许多研究机构对虚拟现实尤其是在仿真医学于术方面进行了大量的研究和实 践。法国i n r i a 研究项目组在2 0 0 0 年丌发出一个肝脏切割模拟器，并在此基础 t 进行一系列的发展。两班牙m e i e r 等在2 0 0 1 年研制丌发了带有力反馈功能的 三维微创手术培训系统。黄凼斯坦福大学计尊机科学学院在2 0 0 3 年研究开发了 软组织缝合的实时仿真系统。我国近年的研究大多集巾在埘医学图像的三维重建 及- 叮视化等方面，而对于带有力反馈的仿真手术系统，特别足肝肌及其脏器等 软组织的手术仿真研究的投入比较少。苏永松等在2 0 0 2 年设计了基丁维鼠标 的骨科手术模拟系统。谭珂等在2 0 0 5 年把触摸过程中的面弹力和粘滞摩擦力的 实现原理和方法设计鼻腔镜仿真手术系统。许天春等在2 0 0 6 年也使用了美国 s e n s a b l e 公刊的p h a n t o m 设备，设计了个声带肿物切除仿真系统。 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 1 1 3 仿真手术数据库 生命科学是二十一世纪的最重要的科学研究领域，而生物医学工程和计算机 信息工程的结合是其主要的研究手段。随着计算机技术的发展，各种医疗数据逐 步从过去的原始资料形式储存，转变为数字数据进行存储。数字式的医疗数据， 不仅克服了原始数据存储方式( 如胶片) 的种种局限与缺陷( 只能一个地点的医生 进行观察，容易遗失、损坏等) ，同时为数据的远程传输共享提供了可能。在这 个背景下，作为放射检查、诊断的重要辅助手段的医疗图片存档与通讯系统 ( p i c t u r ea r c h i v a la n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s p a c s ) 也就应运而生了。p a c s 系统 可以将数据进行压缩、储存，通过计算机网络传输给远程的医疗专家，实现医疗 数据共享与远程专家会诊。 设计和实现医疗图片存档与通讯系统时遇到的最大困难之一，是医疗数据中 的大部分属于海量多媒体数据。如何有效的存储、管理、组织和检索海量数据， 是p a c s 系统实现中必须解决的问题，仿真手术数据库系统就是针对此问题而展 开研究的。 仿真手术数据库是建立在计算机众多学科研究成果的基础上，综合利用当前 关于多媒体数据库、图像处理与理解、人工智能和网络技术等最新研究成果，针 对医学图像数据特点，把数据库技术与医学可视化问题结合，而设计实现的一个 用于医学图像数据存储、管理、查询的多媒体数据库软件系统。 在国外，特别是发达国家，大型的p a c s 系统应用越来越广泛。关于图像数 据库的研究取得了可喜的进展，如i b m 公司的q b i c 系统、美国哥伦比亚大学 的v i s u a ls e e k 系统等，他们的工作为开展仿真手术数据库的研究打下了坚实的 基础【7 ，引。如美国海军的医疗系统( d i n p a c s ) 。它由g e a p p l i c a r e 和i b m 提供， 网络类型多元化，采用w a n ，l a n 、卫星系统、无线系统和i n t e m e t 连接。达到 无胶片化、远程会诊和全面的医疗图像信息资源共享。韩国的三星医院，采用 g e 的p a t hs p e e d p a c s 系统整个医院实现了网络化，无胶片化，整体效率得到 了相当大的提高。1 9 9 8 年，体现国际医学图像技术最高水平的“北美放射学年 会 ( r s n a ) ，不论从学术报告及展览中均体现出医学图像设备的数字化是大势 所趋。据资深专家估计，预计全世界5 0 的放射科将在5 年内实现无胶片化，7 0 的放射科将在1 0 年内实现。据此，医学图像存档与通讯系统( p i c t u r ea r c h i v i n ga n d 3 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p a c s ) 的前景也将是十分乐观的，沿着2 0 世纪医学图像 技术的发展轨迹，可以预见，全数字化放射学、图像数据库及远程放射学作为三 种相互关联的技术将成为新世纪的图像技术的主流，而使医学图像学的面貌焕然 一新。 仿真手术数据库系统的研制任务就是要提供管理医学图像图形的科学模型 和交互处理的方法。利用现代医学设备的数字化信息，抓住对大量医学图像数据 进行管理的核心问题，进行医学图像存储、查询、管理的相关技术研究，建立一 个集成图像处理、管理及通信的医学图像信息系统。并且具备存储各种手术视频， 手术方案的网络数据库系统。 1 2 本课题的来源 本论文课题来源于华南师范大学计算机学院鲍苏苏教授与南方医科大学珠 江医院方驰华教授合作的国家8 6 3 计划项目腹部脏器6 4 排c t 扫描数据 三维重建及仿真手术研究( 项目编号2 0 0 6 a a 0 2 2 3 4 6 ) 和广东省自然科学基金团 队项目( 6 2 0 0 1 7 1 ) 的支持。主要内容是对患者的c t 数据进行图像预处理、三维重 建，并进行仿真手术。 本项目旨在减轻甚至解除肝病患者的病痛、降低肝病手术风险，提高手术成 功率，并在改善医患关系、提高临床教学水平等方面有积极的意义。而本课题 是整个项目能否成功完成的前提和基础。 本论文在项目中要完成的任务是：研究仿真手术数据库中对医学图像的存 储、查询、管理的相关方法，并结合项目的要求，建立一个集成图像处理、图像 管理及图像通信的医学图像信息系统。完成医院放射科，医院外科，实验室图像 处理中心，以及数据库管理中心中间的数据共享，起到联系仿真手术数据库各个 部分的作用，并为将来的数据挖掘等奠定一个基础。 1 3 多媒体技术与医学图像数据库 i 3 1 数据库技术发展 7 0 年代e e c o d d 提出数据库关系模型，并对关系数据理论做出了创造性的 4 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 工作与贡献，奠定了数据库技术的理论基础，使数据库从技术上升到理论。8 0 年代出现了一批基于关系模型的商品化软件，形成了s q l 语言的国际标准。 数据库技术在技术发展和应用需求的双重影响下，发生了深刻的变化，变化 表现在： 一方面是多种技术与数据库技术的结合，出现了数据库的多种新技术；典型 的有分布式数据库( c s 结构) 、并行数据库、多媒体数据库、面向对象数据库。 另一方面：是多种应用与数据库技术的融合，出现了数据库的多种新应用； 典型的有工程数据库、演绎数据库、时态数据库、统计数据库、空间数据库、科 学数据库、文献数据斟外。 1 3 2 多媒体技术与多媒体数据库 多媒体技术将多种媒体信息综合在一起进行处理，其核心是表达信息的媒体 多样化。这些媒体形式包括有文字、图像、图形、视频和声音等。传统的数据类 型主要是整型、实型、布尔型和字符型；然而多媒体数据处理中，除了上述常规 数据类型外，还要处理图形、图像、音频、视频和动画等多媒体复杂数据类型。 多媒体信息引入计算机后，大大扩展信息表达范围，但因为多媒体数据不规则， 没有一致的取值范围，没有相同的数据量级，也没有相同的属性集，这和传统的 基于规范数据字符与数值表示的关系数据库是截然不同的。因而必须考虑在 将视频、声音、图像、动画等媒体引入数据库后，在多媒体表示、存储、组织、 访问、时空合成与同步、查询与索引机制、用户接口等方面带来的多种问题。 多媒体数据库m d b ( m u l t i m e d i ad a t ab a s e ) 是数据库技术与多媒体处理技术 的集成。对于后台而言，是一个特定的数据库管理信息系统，而其前台，则是一 个集成了多种多媒体技术的多通道的用户接e l i l 0 1 。 基于内容的多媒体信息检索建立在对多媒体信息内容处理、分析、理解的基 础上，在多媒体应用中占有重要的位置。在商标的注册管理、人口户籍管理、地 图地理信息系统、电子数字博物馆、远程教育、身份认证中都有重要的应用。在 医学库中，检查2 d 放射片以发现某种多个病人间的相似病状或分析一个病人的 病情发展；在人脸库中，警察可以辩识嫌疑犯是否在已有的数据库中：在卫星图 像库中，提取具有某些特性的目标或区域。对分布式多媒体数据库，基于图像内 5 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 容的查询技术可以极大的提高检索的效率并减少网络的传输量，基于内容进行图 像查询检索是获取、管理和利用图像信息的有效手段。在医学分析、研究和远程 医疗系统中，特别对远程会诊，基于内容的图像查询可以大大的提高效率并节省 大量的网络传输费用。 1 3 3 医学图像数据库 在医学信息的管理中，医学图像作为一种最为重要的媒体形式，其表达、处 理及管理有其特定的方法和特性，有着更大的难度。医学图像数据的管理和操纵 的技术，有别于其他图像数据。例如，其数据的器官结构形状、生物纹理特征、 医学领域的相关知识和临床医学对图像信息的需求等。建立医学图像数据库，可 借助现有图像数据库和工程数据库的研究基础，也必须充分利用医学数据的相关 知识。在此基础上，综合利用生物医学工程等多学科的新技术新方法，提供医学 图像数据的集成管理，它将是病情诊断、手术计划与导航、远程诊疗、多媒体教 学等系统的核心和基础，对诊断、治疗、教学起到十分重要的作用。医学图像的 处理技术和医学图像数据库的研究成为计算机在医学领域应用的重要方面。 医学图像数据库是建立在图像数据库、图像处理与理解、人工智能、远程与 局部网络技术以及医学领域知识基础上，支持医学图像数据有效存储、传输、检 索和管理的数据库技术。它既不同于传统的数据库，也不同于一般的图像数据库， 在需求和实现上需要研究的内容和需要解决的问题包括： 1 医学图像数据的采集、解码、转换、显示。 2 医学图像数据库的建立策略。 3 医学图像的存储策略。 4 医学图像的处理技术。 5 医学图像数据库的检索技术。 6 医学图像数据库的可视化接口。 7 医学图像数据的远程存取。 我们的研究目标是借鉴国际在本领域研究的先进技术和有关标准，充分考虑 国内医学图像管理和处理的需要以及医疗设备现状，研究并开发出既适应电子病 历管理、又能为医学多媒体教学、仿真手术、手术计划与导航、远程诊疗等应用 6 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 提供数据管理与服务的核心数据库系统。 1 3 4 医学图像数据库的发展现状 多数医学图像数据库以支持教育、科研工作为宗旨，为用户提供原始图像数 据和图像浏览工具。医学图像数据库的数据资源本身具有信息量大、数据的非结 构化( 如视频、图像) 、时间敏感性、不同媒体之间的复杂关系、交互性等特点，这 使医学图像数据库的开发难度比较大。 近几年来，欧美国家相继开发了医学图像数据库，不断探索医学图像可视化 技术，使医学图像资源更易于被用户接受，更有效的服务于医学教育和科研工 作。以下是几个医学图像数据库： 美国国家医学图书馆( n a t i o n a ll i b r a r yo f m e d i c i n e ) 的可视化人体项目( t h e v i s i b l eh u m a np r o j e c t ) 是美国国家图书馆1 9 8 6 年制订的一项长期计划。他们制 作了一具男尸和一具女尸的l m m 间隔的生理切片人体数据，并扫描得到这两具 尸体的l m m 间隔的c t 和m 数据。这项可视化人体项目的长期目标是创造一 系列将视觉信息和符号信息联系起来的知识结构。 美国e m b b s 医学图像数据库的初衷是为急诊和初级看护医生提供一个通 讯的场所，同时提供可用于急诊和健康护理的计算机技术，随着该数据库在网上 发布，他们发现该数据库还可以提供教学和管理信息。该数据库拥有大量实用的 临床照片、x 光照片、文章、工作指南以及临床信息等。 南佛罗里达大学的乳房图像数据库是为研究机构提供乳房图像的医学图像 数据库，其目的是为促进乳房图像屏幕显示技术及开发教学辅助工具。该图像数 据库包括大约2 ，5 0 0 个病例，每个病例包括每个乳房的两幅图像。 另外还有f l o r i d a 的病理学者d r j o h nm i n a r c i k 首先开创的肿瘤图像数据库 ( t u m o rb o a r d ) ，瑞士的网上健康( h e a l t ho nt h en e tf o u n d a t i o n ，h o n ) 数据库， 美国卡耐基梅隆大学的图像数据库( c a r n e g i em e l o ni m a g ed a t a b a s e ) 等。 1 4 论文的主要工作和意义 仿真手术数据库系统的技术研究，与数据库技术、计算机网络、模式识别、 软件开发技术、图像处理、生物医学工程等多个领域相关，是数字化医学的研究 7 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 热点。其中涉及三维可视化、w e b 服务等多项前沿技术的研究。研究包括仿真手 术数据库的模型、数据库的设计、数据结构构建、开发程序的架构、医学图像处 理技术、三维可视化技术多个方面。在我们设计实现的仿真手术数据库系统中， 应用验证了这些研究结果，取得了良好的效果。 医学数据库的数据量大，原始数据可以是结构化( 数据库中的数据) 、半结构 化( 文本、图像) 数据，可以是在分布在网络上的不同构型的数据，图像数据的抽 象程度低，为此，不仅需要大量存储与快速传输，还需要了解数据间的相互关系， 研究有效管理和自动查询的技术。用数据库管理系统存储管理数据，通过模式识 别技术进行图像处理，用智能的方法来分析和挖掘数据图像背后的知识，应用基 于内容检索、w e b 技术为信息的利用提供技术支持。 本文的主要研究工作 1 仿真手术数据库的模型设计与数据库设计 研究多媒体数据库的模型，依据数据库理论，分析医学数据库系统的任务、 功能，从软件系统体系结构、系统功能划分的角度进行分析，分别提出了两个三 层结构模型，即提出了服务层、中间层、用户层的三层医学信息管理系统体系结 构模型，提出了具有表示层、功能层、数据层的三层结构的医学图像检索模型： 给出了仿真手术数据库中数据库设计方案。 2 图像的存储结构与相关处理算法 围绕医学图像的存储结构与相关实现算法研究，从分析医学图像数据的特性 入手，以d i c o m 医学数字图像通信标准为基准，提供医学图像采集多种途径与 转换的接口。在此基础上，提出了图像表示的模块化结构概念，给出适于医学图 像处理的空间数据结构存储表示四叉树、八叉树，实现了基于四叉树的空间 关系表达、面绘制中三角面片存储结构、三维模型的组织与快速重构算法：针对 医学图像数据的关联关系，提出并实现基于八叉树的色彩量化算法。 3 实现了仿真手术数据库系统 作为仿真手术数据库系统的技术研究的应用，我们设计实现了一个仿真手术 数据库系统仿真手术数据库。包括病历录入、图像切片处理、图像组管理、图像 组三维显示、远程查询、系统维护等多项功能。在数据库设计、w e b 方式远程查 询等方面特色明显。数据库系统已在实验室和互联网上使用，效果良好。 8 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 论文的研究意义 本项目旨在减轻甚至解除肝病患者的病痛、降低肝病手术风险，提高手术成 功率，并在改善医患关系、提高临床教学水平等方面有积极的意义。数据库系统 是整个大项目的一个子项目，也是8 6 3 项目所明确要求必须实现的部分，是完成 8 6 3 项目的重要组成部分。数据库系统能否按期、高质量地完成，是整个项目成 功完成的前提和基础，只有建立完善的系统结构，研究的各个单位之问才能进行 有效的通信，获得的实验结果才能得到及时的保存和管理。 本论文主要研究数据库系统的相关技术、系统结构，并编码实现，在项目中 要完成的具体任务是：研究仿真手术数据库中对医学图像的存储、查询、管理的 相关方法，并结合项目的要求，建立一个集成图像处理、图像管理及图像通信的 医学图像信息系统。完成医院放射科，医院外科，实验室图像处理中心，以及数 据库管理中心中间的数据共享，起到联系仿真手术数据库各个部分的作用，并为 将来的数据挖掘等奠定一个基础。另外，通过数据库收集一定数量的中国人人体 c t 、m r 、超声、x 线等的数字信息，对全身各组织器官的长、宽、高、体积， 各种管道的直径、长度等进行测量，制定出中国人的人体标准数据。 数据库系统在信息服务和数据挖掘方面都将起到关键作用。在信息服务方 面，数据库系统对医院，病人，医生，研究人员以及普通的老百姓都能提供服务： 对医院而言，数据库系统可以存储病人的信息，包括基本信息和医学图像等，也 提升了医院的服务能力，为病人提供更多样化的医疗服务；对病人而言，数据库 系统可以让病人查询自己的病变状况，了解自己的疾病严重程度，以及可能实施 的手术方案和模拟手术过程；对医生而言作用体现在两个方面，一方面数据库系 统让医生查询病人的基本情况，对比其他相似的病例制定手术方案，另外一方面 数据库系统可以让医生参考仿真手术的过程，指导医生进行真正的手术；对研究 人员而言，数据库系统为他们提供研究所需的图像数据，提供匹配已有病例的能 力，并提供接口让研究人员上传手术结果到数据库系统中；对普通老百姓而言， 数据库系统通过互联网的形式让他们了解仿真手术的概念和作用，并提供联系的 方式方便他们进一步与研究人员交流。 在数据挖掘方面，数据库系统采集到的病人信息不断增加，达到一定量之后 便可作为数据挖掘的基本信息。挖掘某种疾病与病人本身身体的某种参数或季节 9 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 等的相关性，指导卫生部门进行疾病的防御工作；也可以挖掘不同治疗方案对不 同疾病的治疗效果，指导医生不断改进治疗方案，提高疾病的治愈率。 1 5 论文结构和内容组织 围绕上述研究内容，论文共分五章，各章主要内容如下： 第一章：绪论 对仿真手术数据库系统的研究背景，研究意义，研究内容与现状、多媒体技 术与仿真手术数据库的关系、仿真手术数据库的关键技术、论文主要研究内容给 出了比较全面的介绍。 第二章：仿真手术数据库系统的设计 从数字化医学展开对仿真手术数据库设计的要求：提出了服务层、中间层、 用户层的三层信息系统结构，通过分析整个系统的任务、功能，给出了具有表示 层、功能层、数据层的三层结构的图像检索模型：给出了仿真手术数据库的总体 架构、数据库设计方案、系统功能说明。 第三章：仿真手术数据库的数据结构与相关算法 分析医学图像数据的特性，讨论了d i c o m 3 0 医学数字图像通信标准，给出 医学图像采集途径与转换的接口。给出适于医学图像处理的空间数据结构存储表 示与相关处理算法：提出并实现基于八叉树的色彩量化算法。 第四章：仿真手术数据库系统的功能 从应用的角度出发，分析仿真手术数据库系统的各个模块以及他们所实现的 功能，让读者对系统的实现过程有更直观的理解。 第五章：总结与展望 总结本文工作，指出继续研究的思路。 1 0 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 第二章仿真手术数据库系统的设计 仿真手术数据库本质上是多媒体数据库，在医学领域的应用中有着广泛的用 途，与领域应用密切相关。本章从数字化医学的分析对仿真手术数据库设计的要 求；依据数据库理论从软件系统体系结构、系统功能划分两个角度进行分析，分 别提出了两个不同角度的三层结构模型，将系统的体系结构设计成为服务层、中 间层、用户层三层系统结构，通过分析整个系统的任务、功能，给出了具有表示 层、功能层、数据层的三层结构的图像检索模型；给出了仿真手术数据库中数据 库的设计方案。 2 1 数字化医学 1 医院信息管理系统( h i s ，h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 通用医院管理系统实现了医院从门诊、住院、药房到设备、人事、财务、考 勤、院长查询等部门的计算机管理，它有助于实现医院管理条理化、规范化、科 学化，提高医院的管理水平、工作效率和服务质量，为病人提供了良好的治疗环 境【1 3 】。 1 ) 门诊管理子系统：处理门诊的日常收费，信息查询，数据统计，数据维 护并产生各种报表。 2 ) 医院管理子系统：实现病人的住院、出院、费用管理，信息查询，数据 维护并产生各种报表。 3 ) 药库管理子系统：实现药品的出入库，药库帐务并产生各种报表。 4 ) 药房管理子系统：包括门诊药房、住院药房、中草药房，实现药房药品 的出入库及帐单、帐务的管理，并产生各种报表。 5 ) 后台管理的其它子系统，如院长查询、财务、人事等子系统。 2 放射医学信息系统( p a s ，r a d i o l o g yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) r i s 是计算机在放射科基本的信息系统应用，包括病人的基本数据，以及图 像文件。r i s 曾经是放射科的信息管理的基本工具【1 针。 3 图像归档与传输系统( p a c s ，p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 医学仿真手术数据库系统的设计与实现 p a c s 的发展是在2 0 世纪8 0 年代初，它对数据存储容量、网络技术和通信 速率等方面都有很高的要求。当时的计算机和网络技术还不能很好地解决这些问 题，而且各种不同厂家的图像系统由于缺乏统一标准而在设备互联、图像传输方 面存在障碍。所以在最初几年，过高的价格和有限的性能限制了p a c s 迅速发展 和推广应用。 4 远程医学( t c l e m e d i c i n e ) p a c s 是实现未来远程医学的基础。远程医学可以分为三类：远程医学教育 ( t e l e e d u c a t i o n ) 、远程会诊( t e l e c o i l s u h a t i o l l ) 和远程诊断( t e l e d i a g n o s i s ) 【1 5 】。 2 2 仿真手术数据库系统的结构设计 图像数据库系统是对某一领域的图像信息提供获取( 输入) 、编辑、检索、 存储、表示、输出( 显示) 、传输( 通信) 、处理、管理、推理乃至规划以及决策咨 询的一系列综合手段的表示，图像数据库系统的典型框图见图2 1 【1 6 1 。 图2 - 1图像数据库系统典型结构图 仿真手术数据库系统的设计要体现医学图像管理需求和图像检