（计算机应用技术专业论文）医学影像处理算法开发平台的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 医学影像处理算法开发平台的设计与实现 摘要 本文介绍了一个通用的、可扩展的医学影像处理算法开发平台，该平台不但 提供了灵活的算法开发接口，友好的影像操作界面，也为计算机辅助检n 诊断 ( c a d ) 系统高效、快速地开发提供了基础支持。 该平台中运用的工作流管理技术使得开发平台算法库中的算法能被方便地调 用和管理，为影像处理逻辑过程的建模提供可视化的环境，使用户可以监控和管 理算法处理流程的执行过程。开发平台能有效地提高算法研究人员的算法开发效 率，减少了开发过程中重复性的开发，使得算法研究人员能将精力集中于算法处 理过程的研究。 因此，该开发平台主要面向两种用户：研究人员( r e s e a r c h e r ) 和用户( u s e r ) 。 平台一方面为研究人员提供了简单便捷的开发接口，使得算法研究人员可方便地 开发医学影像处理算法：另一方面，平台为普通用户提供了友好的操作界面，使 得普通用户很方便地执行影像基本操作，包括二维影像和三维重建影像操作，这 些都使得开发平台具有很强的扩展性、通用性和易用性。 关键词：医学影像；工作流管理；开发平台i 计算机辅助诊断 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rm e d i c a li m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e so n eg e n e r i c ，e x t e n d a b l ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rm e d i c a l i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，s ot h i sp l a t f o r mn o to n l ys u p p o r t sf l e x a b l ei n t e r f a c ef o r d e v e l o p i n gn e wm e d i c a li m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，f r i e n d l yu s e ri n t e f a c e ，b u ta l s o s u p p o r t sb a s i st od e s i g nc o m p u t e ra d d e dd e t e c t i o n d i a g n o s i s ( c a d ) s y s t e mq u i c k l y a n de f f i c i e n t l y t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mu s e st h ew o r k f l o wt e c h n o l o g yt om a n a g et h ea l g o r i t h m l i b r a r y ；y o uc a nm a n a g ea n d r u nt h ea l g o r i t h mi nt h ep l a t f o r ma l g o r i t h ml i b r a r ye a s i l y t h ep l a t f o r mh a so n ev i s u a lv i e wt od e s i g nt h ew o r k f l o wp r o c e s s ，w h i c hi st h e a l g o r i t h mp r o c e s s a l lo ft h i sl e tt h eu s e r sc a l lg r a p h i c a l l yw a t c h t h ep r o c e s so fm e d i c a l i m a g et r a n s f o r m t h i sp l a t f o r mw i l lg i v et h em e d i c a li m a g ea l g o r i t h mr e s e a r c h e r s c o n v e n i e n te n v i r o n m e n t ，a n dw ew i l ld ot h eb e s tt od e i n c r e a s et h er e p e a t i n gg e n e r i c d e v e l o p m e n tf o ra l g o r i t h m ，s ot h er e s e a r c h e rc a nf o c u sh i se n e r g yo nt h el o g i cp r o c e s s o f t h em e d i c a li m a g ep r o c e s s t h e r e f o r e ，t h i sp l a t f o r mc a r tb eo r i e n t e dt ot w ok i n d so fu s e r s ：t h er e s e a r c h e r sa n d t h ep l a i nu s e r s t h i si sr e s u l t e db yt h a tt h ep l a t f o r mh a st h ef l e x a b l ep r o g r a mi n t e r f a c e t ob ee x t e n d e dt h a tc a l lb eap l u gi nt ot h ep l a t f o r m ，a n ds u p p o r t st h ef r i e n d l yu it od o t h ei m a g ep r o c e s s i n go p e r a t i o n s ，w h i c hi n c l u d et w od i m e n s i o n sv i e wi m a g ea n dt h r e e d i m e n s i o n sc o n s t r u c t e dv o l u m ei m a g e a l lo ft h e s ef u n c t i o n sm a k et h ed e v e l o p e r p l a t f o r mh o l de x t e n d a b l ef r a m e w o r k s ，b a s i sa p p l i c a t i o na n de a s yu s a b i l i t y k e yw o r d s ：m e d i c a li m a g e ；w o r k f l o wm a n a g e m e n t ；d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ；c o m p u t e r a i d e dd i a g n o s e ( c a d ) 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：霖名 日期：2 卯身同j 石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字曰期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 概述 第一章引言 随着现代计算机科学技术的迅速发展，医学影像处理与分析越来越多地受到 人们的重视，已经成为- ；7 新兴的发展迅速的交叉科学领域。医学影像处理与分 析是计算机信息学、物理学和医学等学科相结合的产物，在2 0 世纪内经历了学科 的形成、发展和快速发展的过程。 目前，越来越多的高精密的医疗设备在临床上广泛应用，c t 、m r j 、c r 、b 超、电子内窥镜等现代医学设备的应用使得传统的医学诊断方式发生了根本性的 变化。然而在国内与这些硬件设备相配套的图像处理软件仍然相当缺乏，因此， 开发医学影像处理算法开发平台对整个算法以及系统软件的研发有很重要的意 义，发展前景非常广阔。 在发达国家，对开发高质量的医学影像软件和算法研发平台非常重视。美国 国家卫生院下属的国立医学图书馆近年来投入巨资支持三家科研机构( 包括 u n i v e r s i t yo f n o r t hc a r o l i n a ，u n i v e r s i t yo fu t a h ，u n i v e r s i t yo fp e n n s y l v a n i a ) 开发医 学影像分割与配准算法的研发平台i t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s t r a t i o n t o o l k i t ) ，现在已经开发出初步的版本。在医学影像领域的主流国际会议s p i e m e d i c a li m a g i n g 的2 0 0 4 年大会上一个报告专题，称为v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t s ，探讨 医学影像领域内算法研发平台的研究。而在m e d i c a li m a g ec o m p u t i n g & c o m p u t e r a s s i s t e di n t e r v e n t i o n ( m i c c a i ) 也是探讨未来医学影像领域内高质量软件，尤其是 算法研发平台( t o o l k i t s ) 的研究问题。 因此，针对目前这种状况，东软研究院独立开发了医学影像处理算法开发平 台，该开发平台主要提供了以下基础功能： ( 1 ) 进行影像分析等基本操作，平台更通用、易用； ( 2 ) 基于开发平台迅速开发出新算法，并在平台上调试、运行； ( 3 ) 提供管理人员丰富的算法管理接口( g u i ) ； “) 在开发平台上快速开发出具体的医学应用系统。 开发出该平台之后，开发平台能满足以下目标： ( 1 ) 可扩展性 开发平台应该能满足多名开发人员同时使用，能随时备份，根据开发人员的 需要随时修改界面布局，算法开发完成后可以把最新的算法集成到算法库中； f 2 ) 共享性 开发人员可以利用编译后的算法库，应用当前最新的研究成果； 1 东北大学硕士学位论文第一章引言 ( 3 ) 稳定性 平台应该具有成熟的异常处理机制和同志等安全保证功能； ( 4 ) 基础算法的完善性 基础算法稳定可靠，实时性好，能完全满足开发人员的要求； ( 5 ) 算法优化 对于采用的算法要进行优化，保证算法运行的实时| 生，例如采用多线程等技 术： ( 6 ) 灵活的数据格式 除了常用的数据格式如j p e g 、b m p 、g i f 等格式外，保证对d i c o m 标准的 完全兼容，可以根据需要适应最新的d i c o m 版本； ( 7 ) 控制管理 能对开发过程中的算法进行管理控制，可以对整个系统操作管理，如系统的 更新，日志的记录： ( 8 ) 流程管理 利用工作流管理技术对影像处理过程进行可视化建模，并能进行流程的运行、 监控和管理功能，充分发挥工作流管理技术的优势。 由上面内容可知，医学影像理解基础开发平台能够实现对医学影像的二维可 视化、三维可视化、分割、分类、检测等功能。它为医学培训、医学研究与教学、 计算机辅助临床外科手术等应用领域提供数字化实现手段，具有十分重要的科研 价值和良好的市场前景。 1 。2 主要研究工作 在该算法开发平台的开发过程中，我参与了开发平台的需求分析。经过对目 前已有的各种开发平台的调研和总结，以及对医学影像处理算法开发的过程研究， 我们发现：开发人员开发算法时有不少的工作都是重复性的开发，如d i c o m 图像 的存取、显示等；演示和调用一个算法经常需要用到已有的算法进行前序处理， 所以在研究医学影像处理算法时开发人员很需要一个这样的开发环境： ( 1 ) 在这个开发环境中，开发算法人员无须花费大量的时间去构建一个测试开 发算法的测试系统； ( 2 ) 开发人员也无须去开发所有的通用模块，如影像的存取、显示等； ( 3 ) 在开发算法过程中，开发人员能很方便的调用已有的算法或者第三方的算 法： ( 4 1 通过这个环境，普通用户可以及时了解系统中所有算法，包括算法用途、 特点、应用范围等，并能进行处理过程( 如肺结节的检测流程) 模拟。 此外，我还参与了开发平台的设计与部分模块的开发。在这个工作中，我主 查! ! 查兰壁主量堡堡查j 二兰生 要研究并开发了如下几项内容： ( 1 ) 为使平台具有很强的可扩展性，开发采用了平台与插件开发相结合的设计 结构。平台算法库中的所有算法都作为平台的插件被管理和使用，这种方 法可以使开发的算法迅速集成到平台； ( 2 ) 我对算法管理部分做了系统地分析和设计，实现了灵活的算法调用和管理 列表；开发了算法开发的帮助向导，使得算法开发更加方便快捷； ( 3 ) 研究了如何在平台中使用工作流管理技术，包括对影像处理流程节点的抽 象和工作流节点模型的建立，并做了与影像处理流程管理相关的研发： ( 4 ) 提出并设计了算法开发接口，由于在关于医学影像处理算法方面的开发经 验还不丰富，所以该接口的设计还有待在实际运用中进一步优化。 1 3 研究背景和主要内容 在上述的论述中，我们为实现这样的一个环境，我们需要在开发平台中开发 大量可复用的功能模块，并且在该开发平台中进行处理流程的模拟运行，所以， 基于这样一个开发的背景和需求，我们采用了工作流管理技术和应用开发平台中 应用的技术。通过工作流管理技术我们可以很方便的对算法进行管理和调用，以 及进行灵活的流程定制功能。通过应用开发平台的基础技术，我们可以在该算法 开发平台上构建更多地可复用组件，以便算法开发的需要。 在本文中，详细的介绍了该开发平台的设计和开发的过程。全文一共分为六 个章节： 第一章概述了医学影像处理算法开发平台的目的和开发意义及本文的研究背 景和主要内容； 第二章讲述了工作流管理模型，以及它在本文中开发平台的应用：本章和下 一章都是为了进行算法开发平台的设计和现实打下基础。阐述了基本的概念和在 本开发平台中的应用范围，以及如何运用该技术； 第三章讲解了一般应用开发平台的知识，主要有开发平台的技术基础和应用 状况，包括在本文中起到的基本作用和指导意义； 第四章详细介绍开发平台的设计、体系结构、应用架构等；介绍了开发平台 底层的数据结构，以及在设计中运用的相关技术和设计模式； 第五章介绍了开发平台的实现，包括整体的系统功能实现和我对部分模块的 设计过程；以及在这个开发过程中，我对遇到的若干问题的解决方法。在本章的 最后，详细介绍了一个算法开发的实例； 第六章对全文的研究工作进行了总结并对未来的研究工作进行了展望。 本文的总体结构如图1 1 所示： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 需求分析和背景介绍c 第一章， 图1 1 论文内容结构 f i g 1 1s t u c t u r eo f p a p e rc o n t e n l 4 东北走学硕士学位论文 第= 幸i 作流管理技术 第二章工作流管理技术 2 1 工作流技术基础 本课题研究了如何将工作流管理技术应用到医学影像处理算法开发平台中， 使得在该，f 发平台中发挥工作流管理技术的优势。下面介绍工作流管理技术的发 展历史和基本概念。 21 1 工作流发展历史 工作流技术发端于1 9 7 0 年代中期办公自动化领域韵研究工作，但工作流思想 的山现还应该更早，1 9 6 8 年f r i t zn o r d s i e c k 就已经清楚地表达了利用信息技术实 现工作流程自动化的想法。1 9 7 0 年代与工作流有关的研究工作包括：宾夕法尼亚 大学沃顿学院的m i c h a e ld z i s m a n 开发的原型系统s c o o p ，施乐帕洛阿尔托研究 中心的c l a r e n c e a e l l i s 和g a r yj ，n u l t 等人开发的o f f i c e t a l k 系列试验系统，还有 a n a t o lh o l t 和p a u lc a s h m a n 开发的a r p a n e t 上的“监控软件故障报告”程序。 s c o o eo f f i e e t a t k 和a n a t o lh o l t 开发的系统都聚用p e t r i 网的某种变体进行流程建 模。其中s c o o p 和o f f i c e t a l k 系统，不但标志着工作流技术的开始，而且也是最 早的办公自动化系统。 1 9 9 3 年8 月，工作流技术标准化的工业组织工作流管理联盟( w f m c ) 成立， 标志着工作流技术在计算机应用研究领域有了自己的一席之地，相应的概念逐步 也得到了人们的承认。1 9 9 4 年，工作流管理联盟发布了用于工作流管理系统之间 互操作的工作流参考模型，并相继制定了一系列i 一业标准。 在全球范围内，对1 作流技术的研究及相关产品的开发进入了更为繁荣的阶 段。 在实验室等科研院所中，被广泛研究和引用的有： ( 1 ) 美国g e o r g i a 大学计算机系m e t e o r 研究项目所开发出的基于c o r b a 的 分布式工作流系统o r b w o r k ； ( 2 ) i b m a l m a d e n 研究中心提出的基于永久消息队列的分布式工作流系统模型 - e x o t i c a f m q m ； f 3 ) 瑞士z o d c h 大学计算机系的研究人员提出的基于事件驱动的分布式工作流 执行系统一e v e ； ( 4 ) 美国d a r t m o u t h 大学计算机系设计开发的基于可移动代理的工作流管理系 统- - d a r t f l o w ； ( 5 ) 由西班牙、意大利和荷兰的五个合作单位协同开发的基于分布式主动数据 ( 5 1 由两班矛、意大利和荷兰的五个合作单位协同开发的基于分布式主动数据 e 东北大学硕士学位论文第二章工作流管理技术 第二章工作流管理技术 2 1 工作流技术基础 本课题研究了如何将工作流管理技术应用到医学影像处理算法开发平台中， 使得在该开发平台中发挥工作流管理技术的优势。下面介绍工作流管理技术的发 展历史和基本概念。 2 1 1 工作流发展历史 工作流技术发端于1 9 7 0 年代中期办公自动化领域的研究工作，但工作流思想 的出现还应该更早，1 9 6 8 年f r i t zn o r d s i e c k 就已经清楚地表达了利用信息技术实 现工作流程自动化的想法。1 9 7 0 年代与工作流有关的研究工作包括：宾夕法尼亚 大学沃顿学院的m i c h a e ld z i s m a n 开发的原型系统s c o o p ，施乐帕洛阿尔托研究 中心的c l a r e n c ea e l l i s 和g a r yj n u r 等人开发的o f f i c e t a l k 系列试验系统，还有 a n a t o lh o l t 和p a u lc a s h m a n 开发的朋l p a n e t 上的“监控软件故障报告”程序。 s c o o p , o f f i c e t a l k 和a n a t o lh o l t 开发的系统都采用p e t r i 网的某种变体进行流程建 模。其中s c o o p 和o f f i c e t a l k 系统，不但标志着工作流技术的开始，而且也是最 早的办公自动化系统。 1 9 9 3 年8 月，工作流技术标准化的工业组织工作流管理联盟( w f m c ) 成立， 标志着工作流技术在计算机应用研究领域有了自己的一席之地，相应的概念逐步 也得到了人们的承认。1 9 9 4 年，工作流管理联盟发布了用于工作流管理系统之间 互操作的工作流参考模型，并相继制定了一系列工业标准。 在全球范围内，对工作流技术的研究及相关产品的开发进入了更为繁荣的阶 段。 在实验室等科研院所中，被广泛研究和引用的有： ( 1 ) 美国g e o r g i a 大学计算机系m e t e o r 研究项目所开发出的基于c o r b a 的 分布式工作流系统- - o r b w o r k ； ( 2 ) i b m a l m a d e n 研究中心提出的基于永久消息队列的分布式工作流系统模型 - - e x o t i c a f m q m ； ( 3 ) 瑞士z t i r i c h 大学计算机系的研究人员提出的基于事件驱动的分布式工作流 执行系统一e v e ； f 4 ) 美国d a r t m o u t h 大学计算机系设计开发的基于可移动代理的工作流管理系 统- - d a r t f l o w ； f 5 ) 由西班牙、意大利和荷兰的五个合作单位协同开发的基于分布式主动数据 。e 东北大学硕士学位论文 第二章工作流管理技术 库技术的工作流管理系统一w i d e 。 进入2 0 0 0 年以后，随着w e b 服务技术的兴起，多个标准化组织制定了各自和 工作流技术相关的w e b 服务标准，如x l a n g ，w s f l 等。2 0 0 2 年8 月，i b m ， m i c r o s o f t 为等企业联合提交并发布了b p e l 规范。 目前，工作流技术已广泛应用在内容管理的各个应用领域，如政府办公、审 批流程和企业内容管理流程等。 2 1 2 工作流基本概念 工作流是指一个业务过程的整体或局部的自动化。即为了完成某一目标，按 照一定的规则，将某些信息或任务，在所有参与者之间进行传递，并由参与者进 行处理的个自动化的业务过程。它的概念起源于生成组织和办公自动化领域。 它是针对日常工作中具有固定程序的活动而提出的一个概念。它的目的是通过将 工作分解成定义良好的任务、角色，按照一定的规则和过程来执行这些任务并对 它们进行监控，达到提高办事效率、降低生产成本、提高企业生产经营管理水平 和企业竞争力的目标。 工作流管理系统是指对组成流程的各项活动、活动间的相互次序进行管理， 以及对与活动有关的资源( 人、i t 资源) 进行调用，来提供对业务过程程序化( 计 算机化) 管理的计算机管理系统。它是支持企业经营过程高效执行并监控其执行 过程的计算机软件系统。它不是企业的一个具体业务系统。它为企业的业务系统 运行提供一个软件支撑环境，非常类似于在单个计算机上的操作系统。它支撑的 范围比较大、环境比较复杂，所以也有人称工作流管理系统是业务操作系统( b o s - - b u s i n e s so p e r a t i n gs y s t e m ) 。 流程是用来描述企业的经营过程的，工作流中的流程就是一个用一组连接关 系组合起来的一组活动组成的一个反映企业业务过程的模型。 流程模板就是一个定义了一些必要元素的流程，如节点、子流程、传输线、 条件表达式、参与者、应用程序及相关数据等等。用户在创建一个业务系统的流 程的时候，只需要继承该业务系统或者给出一个流程的模板，并做适当的修改， 即可以完成流程的设计。流程模板是企业根据自己的需要定义的。在进行流程定 义的时候，除了需要定义流程本身的一些必要属性外，还需要利用各种组成元素 来描述一个流程的具体执行情况。组成流程模板的基本元素包括： 节点即通常所说的流程中的办理步骤，它是构成工作流的基本元素，节点主 要描述了一个工作流程是由哪些办理步骤构成，一个流程是由若干个节点和他们 之间的连线组成。另外它还指定了处理是否被工作流管理系统自动开始和结束， 以及工作的优先级别等信息。节点定义中需要指定事件的执行者、事件完成的功 能及与事件相关的各类信息。处理事务可以是由人工手动办理，也可以是由程序 6 东北大学硕士学位论文 第二章工作流管理技术 自动完成。当一个节点有多个出口，或多个节点的出口连接到一个节点时，就涉 及到节点的出口控制和入口控制。 传输线的作用就是将模板中的节点按照一定的逻辑顺序连接起来，它担负着 流程中控制信息和数据信息的载体和桥梁。 流程模板中还有其他的一些元素，这里就不多介绍了，当定义一个流程之后， 在工作流引擎的调度下的流程模板就逐步地实例化，形成该流程模板的一个流程 实现，它是一次流程的执行。 流程实例是在运行时由流程模板创建，流程实例的创建是执行一个商用流程 的开始，创建流程实例包括创建一些相关流程状态数据和工作流关数据，如分配 该实例的唯一i d 号，取得第一个节点即开始节点的相关信息及激活条件等。流程 实例在运行时有初始态、运行态、激活态、挂起态、完成态和终止态共六种状态。 流程实例创建时还没有满足流程启动执行的条件，处于初始态。一个流程实例的 运行是通过启动并激活流程的第一个节点而开始整个流程的。关于流程实例的状 态转换将在后面的章节中进行讲述。 2 2 工作流参考模型 图2 1 是w f m c 的工作流管理系统参考模型川。这个体系结构定义了工作流管 理系统所包含的组件和接口。工作流服务( w o r k f l o w e n a c t m e n t s e r v i c e ) 是由一个 或多个工作流引擎组成，提供流程的创建、管理和执行功能。整个系统是以工作 流服务为中心，应用程序和工具通过接口与它进行信息交换，以下是各个部分的 简单的描述： ( 1 ) 工作流引擎 ： 作流引擎是整个系统的运行核心，它为工作流流程提供运行环境，包括流 程解释、流程控制、数据传递等等； ( 2 ) 工作流接口( i n t e r f a c e x ) 工作流接口的规范【2 1 ，使得工作流系统的各个部分成为独立的组件。在理想状 态下，组件的开发遵循统一的接口时，各个组件的开发就可以独立进行。一个完 整的系统是集成各个组件而实现的。统一的标准接口为各个工作流系统的协作提 供了基础。 东北大学硕士学位论文 第二章工作流管理技术 图2 1w f m c _ t 作流管理系统参考模型 f i g 2 1r e f e r e n c em o d e lo f w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m 2 3 工作流技术的应用 随着工作流技术标准的不断完善，信息技术的飞速发展，工作流的应用会更 加广泛，随着国内电子商务、电子政务的推广，b p m 、b p r 、e r p 领域将更多的 看到工作流的影子，它也真正的成为b o s ，随着计算模式的变化，工作流也就为 适应新的企业计算模式而产生新的架构和模型，在当前向s o a ( 面向服务的架构) 过渡时期，工作流将更多的以服务形式为企业服务，不管怎样，工作流将有更大 的用武之地。 2 3 1 工作流应用分类 综合考察目前的工作流产品市场，可以根据实现的业务过程和底层实现技术 这两种分类方法对工作流管理系统及其产品进行分类。 根据所实现的业务过程，工作流管理系统可分为四类： ( 1 ) 管理型工作流：在这类工作流中，活动可以预定义，并且有一套简单的任 务协调规则； f 2 ) 设定型工作流：与管理型工作流相似，但一般用来处理异常或发生几率较 小的情况； ( 3 ) 协作型工作流：参与者的数量和协作的次数较多。在一个步骤上可能反复 协作，直至得到某种结果，甚至可能回到前一个阶段； ( 4 ) 生产型工作流：实现重要业务过程的工作流管理，特别是与业务组织功能 东北大学硕士学位论文 第二章工作流管理技术 直接相关的工作流管理。与管理型工作流相比，生产型工作流一般应用在 大规模、复杂和异构的环境下，整个过程涉及多个人和不同的组织。 根据底层实现技术，可将工作流产品分为三类： ( 1 ) 以通信为中心：以电子邮件为底层的通讯机制。这类工作流管理系统适合 于协作型工作流和不确定型工作流，而不适合生产型工作流； f 2 ) 以文档为中心：基于文档路由，它同外界应用的交互能力有限。许多基于 表的管理型工作流可以用以文档为中心的工作流实现； ( 3 ) 以过程为中心：这种工作流系统对应于生产型工作流。它们一般建立在数 据库之上，有自己专用的通信机制，并且提供同外部交互的接口。 2 3 2 工作流在本项工作中的应用 论文中研究了将工作流管理技术应用在医学影像处理。通过研究，一方面可 以直接利用工作流技术优势和一些问题的解决模式1 4 ；另一方面也是为了能使得医 学图像处理方法得到一些改进，特别对目前的集成化医学影像理解基础平台项目。 这个平台对算法的管理很重要，所有的开发算法人员都是通过这个算法管理模块 开发、提交和管理自己的算法，对整个平台来说，集成了越来越多的算法后，对 算法的管理也是一项很繁琐的工作，所以通过算法管理系统就可以直接对提交的 试验算法，成熟的算法进行方便地管理。 本课题是在研究工作流应用模型的一定基础和对医学影像理解基础平台的开 发过程中进行逐步研究的。在具体应用中，若要使用工作流，那么这个应用过程 首先满足一些应用的条件，否则是无法应用工作流的。所以首先对影像处理的过 程做了一些分析，并根据实际的需求确定如何在开发平台中应用工作流管理技术： ( 1 ) 分割性 影像处理过程实际上就是对影像数据的一系列数学变换，并用适当的方式显 示出来。如果把这一系列数学变换看作是一个个处理步骤，那么整个处理过程就 是一个相互联系的处理流程，这个流程的联系核心是影像数据，流程的表达形式 就是一个个数学处理过程。这是流程化的基本条件，如果一个处理过程是无法分 割的那么我们就无法进行流程的描述。 在上述的描述中，如果对各个步骤我们把它们抽象为一个个处理节点，那么 整个影像处理的过程就如图2 2 所示： 东北大学硕士学位论文 第二章工作流管理技术 图2 2 图像处理流程图 f i g 2 2m e d i c a li m a g ep r o c e s s i n gf l o wc h a a 上图2 2 中上方的虚线框中的过程就是处理过程，而下面的就是数据变换过 程。每次数据转化都是通过一个处理过程来实现的，在形式上看是数据展现出来 的影像算法，背后则是一个个的算法处理逻辑单元，我们就是将这个逻辑处理单 元抽象为了工作流中的处理节点的。 ( 2 ) 连续性 影像处理的过程中每一个算法处理的结果是下一个算法处理的输入，从图2 2 看出： 从最初的源数据到最后的显示数据出现了若干个可分离的中间结果； 每个中间结果都可以显示为图像； 每一个中间结果既是输入也是输出数据，也就是说既是前一个算法的输出， 又是下一个算法的输入。 工作流管理技术的引入，使得处理影像的过程发生了很大的改变，从以往的 不断地发送处理影像命令转变为现在调用影像处理流程。工作流管理技术的使用 使得影像处理流程化的优势充分地显现出来： 任意的装配流程中的算法进行效果调试。我们可以不断地调试节点上的算 法，直到得到理想的处理算法； 用户不必每次都去做相同的任务。一旦一个正确且理想的处理过程确定下 来，我们只需要保存这个流程定义，那么在下次影像处理时用户就可直接 运行这个流程就能对一次影像处理完全自动处理，并得到预期的结果。没 有必要再次去编织流程，或者不用流程，而是一个算法命令连着一个算法 命令的连续发送进行处理影像； 利用已有的算法成果，方便快捷。对于我们的平台来说，既然是一个基础 的试验平台，那么我们不可避免的利用到已有的算法。并且每一个算法开 发者都不能独自开发以得到理想的影像处理效果的所有算法。利用流程编 制就可以很方便的利用已有的算法，用户只需要配置相应的参数数据，然 后直接调用即可，否则用户就需要在自己的平台上面添加算法处理命令， 编程开发新的程序。这对平台来说是很不理想的； 通过小的流程组装为一个较大的流程。当我们有了一个简单的处理流程， 东北大学硕士学位论文 第二章工作流管理技术 我们可以把简单流程抽象为流程节点，并组成一个复杂的流程。这也符合 人们的思维习惯，有利于功能扩充。 在以往的影像处理平台系统中，影像处理都是通过不断的输入命令来达到影 像的处理，而本文的研究预期结果是： 通过流程定义视图将图像的处理过程编制为一个流程，然后通过工作流引 擎解析执行，进而达到影像的预期效果，这样做的优点在上文中已有表述； 通过工作流实现对算法清晰的管理，算法不再是一个单独的算法，而是和 其他的算法结合在一起完成更大功能的基本单元。 因此，工作流管理技术在影像处理开发平台中的作用是积极的。本文的研究 展示了影像处理领域的新的研究方法。 东北大学硕士学位论文 第三章应用开发平台 第三章应用开发平台 3 1 应用开发平台概述 基础平台是一种以业务为导向，可快速构建应用软件的平台。它解决了管理 软件的业务描述，与操作系统、软件基础构架平台之间的交互管理问题。同时它 屏蔽了技术细节，使开发人员能够集中全力关注产品研发中的业务与管理问题， 摆脱技术细节的困扰，从而大大提高了产品研发效率f 5 】。 那么如何理解平台昵? 平台的概念目前基本上有三种： ( 1 ) 基于快速开发目的的技术平台； ( 2 ) 基于业务逻辑复用的业务平台； ( 3 ) 基于系统自维护、自扩展的应用平台。 技术平台和业务平台都是软件开发人员使用的平台，而应用平台则是应用软 件用户使用的平台，从表3 1 可以清晰地看出各自的特点以及优势。 表3 ，1 平台概念对比 t a b l e3 1c o m p a r i s o n sf o rp l a t f o r mc o n c e p t i o n 平台类别平台概念 平台优点，不足 技术平台是一套完整的、严技术平台有效降低了软件公司的 密的服务于研制应用软件产品的开发成本，技术平台的优劣，直接体现 软件产品及相关文文件。真正的 了一个软件公司的核心竞争力的优劣。 技术平台应该是选择合适的技术没有自己技术平台或技术平台不够先 体系( 如j 2 e e ，n e t 等) ，技术进的软件公司就像没有核心竞争力的 架构( 一组设计模式如m v c 的集公司那样，最终被淘汰出局，因为客户 合) ，充分发挥技术体系及技术架 永远追求物美价廉的产品。 构的优势，能够大大提高应用软 技术平台毕竟是“技术”平台，无论 技术平台件开发速度，指导并规范应用软 怎么完善和拓展也只是一个“技术”平 件分析、设计、编码、测试、部台，应用软件的所有的业务逻辑都是技 署各阶段工作，提炼用户真正需术平台无能为力的，也不是技术平台的 求，提高代码正确性、可读性、 职责所在。 可维护性、可扩展性、伸缩性等 的软件工具。优秀的技术平台还 包括一套高效的底层通用的代 码，甚至还包括代码生成器，代 码安全漏洞检查工具等。 东北大学硕士学位论文第三章应用开发平台 续表3 1 平台概念对比 t a b l e3 ic o m p a r i s o n sf o rp l a t f o r mc o n c e p t i o n 平台类别平台概念 平台优点，不足 业务平台是指快速生成业 业务平台封装行业知识积累和行业 务逻辑组件，并组织、调度业务解决方案，能够最大限度的实现知识的 逻辑组件应用的软件工具和众复用，业务平台可以自我完善、不断的 多行业经验积累的、成熟的业务丰富和发展，随着业务平台的多次客户 业务平台组件库。化应用，平台有机会构筑出一些行业软 件产品( 或准产品) 。 业务平台中业务逻辑的提取，不是 一个容易的过程，也是做一个行业软件 产品的关键所在。 应用平台一个核心思想就应用平台的核心思想是d 1 y ( d oi t 是d i y ( d oi ty o u r s e l f ) 。意思就 y o u r s e l f ) 。许多行业软件为满足大多数 是用户自己来定制自己的应用 行业内企业而牺牲了这些企业的个性化 系统，应用平台提供一个定制平需求，无法赢得较高的用户满意度。而 应用平台 台。 应用平台的面世，则使这个局面大为改 观。应用平台不需要用户具备软件专业 知识就可以定制出满足本企业需求的应 用系统。 3 2 实现技术 在各种开发平台出现之前，它必须有一系列成熟的基础技术作为支持。如面 向对象技术、组件技术、x m l 技术、数据库技术等。下面就对开发平台的基础技 术做一个简述。 3 2 1 面向对象技术 所谓面向对象，就是一种使用对象( 它将属性与操作封装为一体) 、消息传送、 类、继承、多态和动态绑定来开发问题域模型之解的范型。而面向对象方法是一 种运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传送、多态性等概念来构造系统的软 件开发方法嘲。 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 不仅是一些具体的软件开发技术与策略，而且是 一整套关于如何看待软件系统与现实世界的关系，以什么观点来研究问题并进行 求解，以及如何进行系统构造的软件方法学。概括地说，面向对象方法的基本思 想是，从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 触发来构造软件系统，并在系统 构造中尽可能运用人类的自然思维方式。开发一个软件是为了解决某些问题。这 些问题所涉及的业务范围称做该软件的问题域。面向对象方法强调直接以问题域 中的事物为中心来思考问题，认识问题，并根据这些事物的本质特征，把它们抽 象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位( 而不是用一些与现实世界 中的事物相差较远，并且没有对应关系的其它概念来构造系统) 。这可以使系统直 东北大学硕士学位论文第三章应用开发平台 接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌。 对象的分析，设计，编程，是面向对象的工作流应用系统的基础。面向对象 技术的封装性、可扩充性和安全性成为实现和运用工作流应用系统的前提和保障。 在工作流管理系统的设计和开发过程中，面向对象的软件开发方法将成为分析、 设计和实现以及扩展工作流管理系统最常用的分析设计方法和思想。 面向对象的软件工程方法是面向对象方法在软件工程领域的全面应用。它包 括面向对象的分析、面向对象的设计、面向对象的实现、面向对象测试和面向对 象的软件维护等内容。 面向对象的软件可以被想象成一些相互作用的对象的集合，这些对象合作提 供所需的服务。对象模型描述的就是这些对象和它们之间的关系。对象模型是在 应用丌发的分析和设计两个阶段中完成的。分析模型代表问题域；其中没有考虑 实现细节。设计模型代表解题域：它们是从分析模型发展起来的，描述系统应该 怎样构造。我们称分析中的对象为语义对象。因为这些对象从业务领域看是有意 义的。 3 ，2 2 组件技术 分布计算技术起源于7 0 年代，早期研究主要集中于分布式操作系统。进入8 0 年代以后，面向对象技术的应用成为发展的主流。而9 0 年代软件开发技术的一个 重要进展就是组件化，丽开发和使用可复用的组件是从面向对象技术发展而来的 项重要技术。 组件是指在软件系统设计中能够重复使用的模块，它包装了一系列互相关联 的操作和服务，作为一个在整个分布式系统中可以即插即用的独立对象能够有效 的嵌入其它开发商开发的组件中。为获得更高的效率和更好质量的产品，把软件 工程师从繁琐的细节问题中解放出来，计算机软件工业的生产模式也应该像生产 硬件一样，软件的开发最终将向硬件一样成为对个组件的组装。 按照分布式对象的封装方式，在分布式系统中，完成系统功能的一部分的 个分布式对象就是一个组件，上述分布式对象计算框架使得组件具有自治性和协 作性。初步的实践应用已经证明了分布式对象技术的可行性和先进性。当前国际 上主要有三大分布式软件组件对象标准：o m g 的c o r b a 、m i c r o s o f t 的d c o m 和 s u n 公司的r v i i ，而就服务器而言，有c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ( c o m ) ，e n t e r p r i s e j a v a b e a n s ( e j b ) 和c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ( c o r b a ) b e a n s 则一直在竞争。 分布式组件技术是应用开发平台的重要一环。使用组件技术实现应用开发平 台系统可以大大提高系统的可扩展性，每个功能模块都可以做成即插即用形式的 组件，使得每个开发人员都只是关注自己部分的逻辑实现而不用考虑和别的模块 1 4 东北大学硕士学位论文第三章应用开发平台 部分的交互细节，只需提供一套标准的a p i 实现相互的调用，使得分布式的组件 易于实现统一管理和维护，因而开发工作也更简单和方便。 s u nm i c r o s y s t e m s 发起了一项称为j a v a2p l a t f o r m ，e n t e r p r i s ee d i t i o n ( j 2 e e ) 的技术创新，旨在将j a v a 平台的范围扩展到大规模服务器环境，j 2 e e 为e j b 技术 提供了工作环境。事实上，s u n 把若干项软件技术都设想为这样的构件块，它们将 使大型企业能够把以任务为关键的业务系统移植到j a v a 环境中，而e j b 技术不过 是这些技术之一。e j b 组件是按它们自己的规范定义的，但e j b 技术并不是一项 独立的技术。它建立在其他j a v a 技术之上，这些技术由s u n 和其他公司联合制定 它们一起提供了这个框架的内容，该框架就称为j 2 e e ，如图3 1 所示。 ， 企业信