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1、9第9章 医学图像的压缩、存储与传输医学成像及处理技术医学成像及处理技术高等学校计算机基础教育课程高等学校计算机基础教育课程“十二五十二五”规划教材规划教材2011.39.1 医学图像的压缩9.2 医学图像的存储与传输9.3 医学图像存档与通信系统（PACS）本章小结思考与练习|通过本章的学习，掌握医学图像的压缩、存储与传输的基本知识。掌握图像压缩的几种方法，了解各种压缩方法的特点。掌握DICOM标准的特点，了解DICOM标准的图像文件组成，了解DICOM3.0的通讯方式。掌握PACS|系统的概念及组成部分，了解其的一些关键技术。|图像压缩方法|各种压缩方法的特点|DICOM标准的特点|PAC
2、S系统的概念|PACS系统的组成|随着计算机技术的不断发展与更新，数字成像技术在医学中得到了非常广泛的应用，如它在CT、MRI、计算机放射成像技术、血管数字剪影技术、超声图像以及正电子发射断层技术中的应用等；另一方面，基于计算机网络为基础的图像存储和传输系统PACS（Picture Archiving and Communication System）及其应用也在不断发展。这些技术的广泛应用，产生了大量的数据，给图像的存储、传输和读出技术都带来了很大的挑战，解决这个问题的关键技术之一就是图像压缩技术。|医学设备发展迅速，一次检查就能产生几百甚至上千张的医学图像，单张图像的数据量也越来越大，而且
3、随着设备功能的细化，医学图像的类别也越来越多，不同的医学图像都有各自的特点。为了节省有限的存储空间，降低存储成本，同时也为了提高图像的传输速度，减少通信费用，必须将医学图像进行压缩存储。|医学图像数据量极大，CT和MRI等成像技术一般是在512512象素的分辨率，12位灰度级下对断层扫描图像信息进行数字化采集的。每次采集40或80帧层位片。每帧图像为512512像素点， 40帧总长约16M，80帧总长约32M。在实际应用中，常将1024称为“1K”; 一帧2K2K12 位的胸片约需2M存储容量。名称一幅图像容量每次图像数总容量(大约)DSA512512815-404-10MBMRI256256
4、12(16)606MB(8MB)CT51251212(16)4016MB(21MB)CR2048204812213MBDR2048204812213MB|表9-1 各种医学图像容量表|医学图像的容量很大而医院的带宽往往十分有限，造成传输速度非常慢，有些医院虽已建成了小型的PACS系统，但并没有投入实际应用，究其原由就是图像传输太慢，还不如直接去科室拿片子。|解决这个问题的关键就在于如何在不影响诊断的前提下对医学图像进行压缩，从目前的临床应用中，可以看到这种办法能大大提高图像的传输效率，这在远程医疗等图像传输中都有重要意义。|图像压缩编码技术的研究工作自1948年提出电视信号数字化后，至今已有6
5、0多年的历史。其发展历史见表。|表表 图像压缩技术的发展图像压缩技术的发展 年代主要进行的研究20世纪50和60年代限于客观条件，仅对帧内预测法和亚取样内插复原法进行研究1966年J.B.ONeal对比分析了DPCM与PCM并提出线性预测编码的实际试验1969年举行图像编码会议（PictureCodingSymposium）20世纪70年代开始进行预测编码的研究20世纪80年代开始对运动补偿（MC）所用的运动估值（ME）算法研究|最主要的障碍就是缺少通用的图像编码标准。|国际电信联盟（ITU）和国际标准化组织（ISO/IEC）等几大标准化组织自20世纪后期先后制定了一系列静止和活动图像编码的国
6、际标准，并致力于面向未来应用的多媒体编码标准的研究。|进入20世纪90年代以后，ITU-T和ISO制定了一系列图像编码的国际标准，见表。|表 图像编码的国际标准 年份名称应 用1990年H.261应用于视频通信，如可视电话、会议电视等1990年JPEG应用于静止图像，如数码相片，因特网等1992年MPEG-1适用于VCD，数字摄像机等1994年MPEG-2(MPML)用途最广，如DVD、数字卫星电视直播、数字有线电视等1994年MPEG-2(High-Profile)高清晰度电视(HDTV)领域1996年H.263应用于甚低码率视频编码，H.263与H.261相比采用了半象素的运动补偿，并增加
7、了4种有效的压缩编码模式1998年H.263+可以处理基于视窗的计算机图像、更高帧频的图像序列及宽屏图像1999年MPEG-4(ASP)应用于低分辨率低码率领域，如监控、IPTV、手机等1999年MPEG-4(AVC)已在多种领域应用，如HDTV、IPTV、iPhone、蓝光光盘等2000年JPEG2000应用于国际互联网、彩色传真、印刷、扫描、数字摄影、遥感、移动通讯应用、医用影像、数字图书库和电子商务等领域2001年MPEG-7实际是“多媒体内容描述接口”，主要在数字图书馆、音乐字典等中应用|表9-3 图像编码的国际标准 |图像压缩编码标准的特点如下：z标准的通用性z标准的开放性|如何有效
8、地压缩医学影像设备产生的越来越大的信息量，以便于其传输、存储和检索已经成为数字化医学影像技术进一步应用的瓶颈。z研究医学图像压缩算法具有重要的意义。z随着医学影像技术的进一步发展，医学影像压缩技术将成为医学影像应用和发展的关键技术。|数字图像压缩方法 z无损压缩 无损压缩是指压缩后的图像再进行图像重建时，重建后的图像与原始图像完全一样，没有丝毫误差。 z有损压缩 有损压缩是指使用压缩后的图像重建时，重建后的图像与原始图像虽有一定的误差，但不影响人们对图像意义的正确理解。 |由于医学影像的特殊性，压缩不允许丢失有用的细节诊断信息，应采用无损压缩。无损压缩虽严格地保证图像质量，但压缩效率太低(23
9、倍)。为了提高压缩效率，可对图像进行一定的有损压缩。|首先将医学图像进行分割，对具有诊断信息的重要区域进行无损压缩，对与诊断无关的背景进行有损压缩，既保证了重要区域的图像质量，又最大限度地压缩了无关信息。尽管对医学图像有损压缩还存在争议，但人们一直尝试采用各种有损压缩算法压缩医学图像，最近的研究表明：只要保证诊断信息不丢失，有损压缩在医学影像中是可行的。 |图像压缩的标准算法z静态图像的JPEG标准z动态图像的MPEG1、MPEG2和MPEG4算法等这些方法在娱乐、游戏和INTERNET上得到了广泛的应用。|由于医学图像关系到医学诊断的可靠性，影响非常之大。因此，对于医学图像的有损压缩问题一般
10、都讳莫如深 。|压缩的关键是通过手工或自动方式分割出重要区域和背景区域，重要区域采用无损压缩或高精度有损压缩，背景进行低精度的有损压缩。|分区压缩是医学图像压缩最基本的手段。|规则矩形区域压缩算法只能处理矩形区域，算法简单，但压缩效率不高。基于结构的压缩算法可以处理任意边界的区域，通过种子区域生长算法得到边界，将边界近似成直线和圆弧等规则的图形结构。|使用链条编码对边界进行无损编码，再对区域内进行无损编码，区域外进行有损压缩。非规则区域压缩算法可以处理任意边界，提高了压缩效率，但边界计算复杂性增加。 |区域压缩算法的效果取决于背景的PSNR（峰值信噪比）、区域大小及形状等 |例如区域较小而PS
11、NR要求较高时可采用简单的熵编码算法。两者的对比图，如图所示。 A: 矩形区域 B:全部区域图 区域压缩对比|（1）基于小波结构的编码算法 |（2）自适应小波变换|（3）整型小波变换|（1）3-D整型小波变换|（2）3-D SPIHT和3-D EBCOT|（3）面向对象的区域运动补偿算法 |JPEG由联合图像专家组JPEG(joint photographicexperts group) 于1990年提出，1993年成为ISO（国际标准化组织）和ITU（国际电报联盟）正式标准。是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的存储空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。 |
12、JPEG2000是由ISO(国际标准化组织)和IEC(国际电工协会) 联合开发的新兴图像压缩标准。JPEG2000被设计成用于补充现有的JPEG标准，已于2000年12月成为了国际标准。JPEG2000因为采用了离散小波变换和最新的嵌入式编码技术，所以具备了传统的JPEG所无法比拟的优势。基于其出色的图像压缩表现，现在JPEG2000在医学中正被广泛应用。 |下面是JPEG2000与JPEG在对胸片图像压缩后的效果对比，如图所示。A. 采用JPEG 2000 压缩的图像; B. 采用JPEG压缩的图像|（1）JPEG2000 的特点z小波转换(Wavelet Transform)为主的多解析编
13、码方式。zJPEG2000还将彩色静态画面采用的JPEG编码方式与二值图像采用的JBIG编码方式统一起来，成为对应各种图像的通用编码方式。 JPEG2000的简单原理如图所示。彩色静态图像(JPEG)二值图像(JBIG)高压缩率图像(JPEGLS)JPEG2000小波编码 图 JPEG2000的简单原理图 |JPEG2000标准有下面几大适合医学图像压缩的特征： |（1）高压缩率。 |（2）无损压缩和有损压缩 |（3）感兴趣区域压缩。 |（4）容错性。 |根据医学图像实际应用的目的不同，医学图像可分为三个精度等级：z一图像做为医疗诊断的主要依据时，数字化后的图像必须反映原始图像的精度；z二作为
14、医疗中的一般参考时，图像可进行一定的压缩，以减少对信息资源的占用；z三作为教学参考时，图像只要能够保留图像中教学所需要的部分内容，允许对医学图像有比较大幅度的有损压缩。|图像存储与传输系统是应用于现代化医院的各种数字医疗设备，所产生的数字化医学图像信息的采集、存储、诊断、输出、管理、查询、信息处理的综合应用系统。 |随着电子计算机技术，特别是多媒体技术的飞速发展，使医学图像的存储和传送成为可能，大容量的硬盘、图像信息的压缩技术、可读写光盘的应用，使医学图像可以大量存储。|现在很多医院内一般利用计算机局域网(LAN)来实现医学图像和病案等软拷贝的传输，而远程医疗中则通过广域网(WAN)或INTE
15、RNET来进行通讯。 |在医学图像信息的存储与传输过程中，由于医疗设备生产厂商的不同，造成各种医学图像的存储格式、传输方式千差万别，使得医学图像及其相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到严重阻碍。为此，美国放射学会和全美电子厂商联合会建立了一种新的标准，以规范医学图像及其相关信息的交换，它就是Dicom标准。DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）即医学成像和通信标准。|近年来，随着计算机网络技术的发展，大量数字化医学影像设备不断在临床中得到应用，如CT、MRI、计算机放射摄影(Computed Radiography-CR
16、)及数字放射摄影(DigitalRadiography-DR)，医学图像存档与通信系统PACS也应运而生。在此背景下，DICOM3.0标准已经成为放射医学领域中的一种核心标准，并在其它医学领域中得到了广泛的应用。它是一组具有DICOM 兼容性的设备所共同遵循的协议，通过该协议，可以实现系统间各种语法、语义命令及相关信息的交换。该协议的主要目标是保证患者的诊断信息、治疗信息、医学影像以及其它各类相关数据能够在不同设备及系统间实现通信。DICOM3.0是保证PACS成为全开放系统的重要网络标准及协议。|1982 年，美国放射学会（ACR）和国际电气制造商协会（NEMA）联手成立数字图像和通信标准委
17、员会。 |1985年、1988年发布了ACR-NEMA标准1.0及2.0的两个版本。|1993年，数字图像和通信标准委员会在北美放射学会上正式推出上述标准的第三个版本，该版本后来被正式命名为DICOM 3.0。 |从医院的管理角度来说 z由于DICOM已经成为国际医疗影像设备图像通信/交流的唯一规范，采用DICOM标准是医院间及国际间医学图像交流的基础。z由于医院形成了统一的影像规范，可以对医学影像进行统一归档存储查询，实现无胶片化医院，节约大量的人力和资金，有效提升医院形像和等级。 |从病人角度来看 z有DICOM构架的医院可以大幅度缩短候诊时间，以往可能需要数次往返医院，现在只要一次就可完
18、成就诊、照相、报告这几个过程。 |DICOM3.0具有以下特点： z（1）基于标准的网络协议（如TCP/IP 协议），具有广泛的网络适用性，特别为远程医疗创造了条件。z（2）采用面向对象的设计方式，利用服务类（service class）的概念具体地规定了医疗设备对于数据交换及相关指令作出反映的语义。z（3）引入了广义的信息对象(information object)概念，信息对象不仅包括图形和图像，还包括检查(study)、报告(report)等广义上的各种信息对象。z（4）定义了信息对象的唯一性标志，这对于网络上识别信息对象及其关系具有关键性意义。z（5）采用模块式结构，具有可扩展性，这对
19、于二次开发具有重要意义。z（6）规定自身的兼容程度。|1. 实体(Entity) |2. 联系(Relation) |3. E-R模型 |4. 对象(Object) |5. 信息对象定义(Information Ob-ject Definition，IOD) |6. 服务(Service) |7. 服务对象对(Service Object Pair，SOP) |8. 协议 |9. ISO-OSI |10. TCP/IP |DICOM3.0标准中各主要组成部分的关系，如图所示。 数据集:Data ElementData ElementData Element数据元素：yuansu :TagVRV
20、alue LengthValue Field每个数据元素代表病人相关信息( IOD)或象素点数据(Pixel Data)，其基本组成如图 所示。图 数据集结构 |DICOM数据元素主要由4个部分组成 |（1）标签 |（2）数据描述VR |（3）数据长度 |（4）数据域 |DICOM通过应用层的服务完成消息交换和数据传输，其应用层通讯模型包括四层，如图所示。DICOMSCU/SCPDIMSEDICOMTCPSOCKET 图 DICOM应用层通讯模型|（1）TCP Socket层 |（2）DICOM上层协议层 |（3）DIMSE（DICOM 消息服务元素层） |（4）SCU/SCP 层 |PACS
21、是Picture Archiving and Communications System的英文缩写，中文译为“医学图像存档与通信系统”。|PACS是一种用于解决医学图像获取、显示、传输、存储和管理的综合系统，它主要由医学图像获取、图像显示和处理、高速数据传输与通信网络、大容量数据存储、影像数据库管理五部分组成。|用数字影像数据库来取代传统的胶片库将图像归档。 |用医生诊断工作站来取代传统的胶片与胶片灯。 |用数字影像共享来取代传统的胶片邮寄。 |通过DICOM 3.0标准通信协议实现各种医疗影像设备之间的数据交换。 |将影像处理和计算机辅助诊断技术融入到临床诊疗当中。 |通过互联网进行远程诊断
22、与专家会诊。 |传统的医学影像图片多为胶片，保存胶片需要巨大的存储空间。|传统的影像胶片库通过手工方式管理，资料的查询速度慢，图像传递时间长，效率低下，不能满足临床的需求。传统的医学图像保存处理方式有以下不足： |传统X线胶片因为不便于储存和传输，所以无法实现实时、快速的远程会诊，不便于实现影像资料的多人共享 。|CT、MRI等影像资料一般通过硬拷贝到胶片上保留，但是这种信息保留方式，只是针对操作医师认为有用的信息，不是所有影像信息均能够完整保存，而且图像无法做后期处理，影像信息保存时固定的窗宽、窗位很容易造成原始信息的丢失。 传统的医学图像保存处理方式有以下不足： |通过PACS无论在门诊、
23、急诊科室或是住院处都可以随时快速、方便地调阅胶片图像进行读片与诊断，提高了医生的工作效率，避免了胶片在传递过程中的丢失，成为医院信息化管理当中不可或缺的手段。 |通过PACS可以很容易的克服时间和地域上的限制，无论同城或异地均可以很方便的开展复合影像诊断、多学科会诊等，这为患者因为转院等耗费的时间，使医护人员能为患者提供及时的诊断、治疗和护理。同时也便于影像资料的传递和交流，也很容易实现影像资源共享，从而在整体上提高医院的诊断质量、效率，以及科研水平。 PACS优点：|由于PACS的出现，极大地改变了传统影像科与其他科室的关系，促进了放射学向更加专业化的道路上发展，它的大范围运用，也必将对放射
24、学实践产生极其深远的影响，从而迫使行业内出现更为激烈的学术或技术竞争。 |PACS的应用，节约了医院的胶片开支及其管理费用，从而使医院的影像资料管理进入了无胶片时代，最终将有利于提高医院的整体医疗质量，缩短患者在医院的诊疗时间，从而为医院和患者带来显著的经济效益和社会效益。PACS优点：|小型PACS（Mini-PACS） |放射科PACS（Radiology PACS） |全院PACS（Hospital PACS）或企业PACS（Enterprise PACS） | PACS的主要组成部分包括成像设备、数据通信网络和网络基础设备、PACS服务器、PACS工作站、硬拷贝输出设备，其组成结构如图
25、所示。 图 RAID5的组成 内镜（左）、超声（右）图像采集工作站 图9-12 PACS诊断工作站|以后的PACS会将扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）引入的DICOM标准当中，提出一种基于XML的智能字符串标识DICOM标准，使得医学影像资源的共享变得更加方便、容易。对现有的电子病历（Electronic Medical Record，EMR）进行改良，将PACS与EMR有机结合，尝试研究一种PACS/EMR系统，以实现远程计算机辅助技术（Computer Aided Technologies，CAS）在医学领域的应用，以及远程医疗诊断中心的建设等，
26、这种尝试可能会改变现有的医疗体系结构与诊疗模式。新一代大容量存储设备的出现，以及医院数据中心的建立，都将会促进PACS的良性发展，使得PACS最终会成为临床诊断中的常见一员被广泛应用。|因为PACS需要与医院内所有的影像设备相连接，所以必须采用统一的信息通信标准来保证不同厂商的影像设备能够互相连接。 |目前，DICOM3.0标准已经成为国际医疗影像设备厂商普遍遵循的规则，所以现阶段各厂商所生产的影像设备均提供对DICOM3.0标准通信协议的支持。符合DICOM3.0标准的影像设备之间可以互相通信，并可以与其他网络通信设备互联，因此，只有建立在DICOM3.0标准下的PACS才能为用户提供最好的
27、系统连接和扩展功能 |兼容DICOM标准设备的采集|非DICOM标准设备的采集 |模拟视频影像采集 |胶片扫描 |数字图像预取技术的应用能够充分的利用网络资源，在网络使用平稳时期将图像传输到指定的地点，同时又能够实现医学影像数据的后台自动传送。分中心预取技术是在分布式PACS架构中，将一个科室内的一台工作站设为分中心服务器，PACS影像服务器只把影像资料传输到各个科室的分中心服务器，这些科室内其余工作站所要获取的影像信息，均由科室内的分中心服务器分发。这样既可以保证各个科室的医生能够在任意一台工作站上查阅病人的影像资料，又减轻了PACS影像服务器的负担，从而有效的减少了网络使用高峰时期PACS
28、主干网的数据交换压力，又提高了局部工作站系统的响应速率。 |对PACS网络中传输的图像数据流进行有效的压缩可以提高PACS的效率，降低投资成本，使系统更快、更有效的进行通讯和图像信息交换。从医学图像角度讲，就是在图像质量下降的压缩算法和图像无损压缩算法之间做出权衡，选出适合临床诊疗的压缩算法。 |常见的医学图像去噪方法，比常见的医学图像去噪方法，比如利用小波变换方法去除医学如利用小波变换方法去除医学图片中的噪声，其优点是小波图片中的噪声，其优点是小波变换具有良好的时频特性和多变换具有良好的时频特性和多尺度特性，通过这种方式对医尺度特性，通过这种方式对医学图片进行去噪可以得到非常学图片进行去噪可
29、以得到非常好的效果。其次，在图像显示好的效果。其次，在图像显示时，还可以通过对图像进行灰时，还可以通过对图像进行灰度校正、边缘增强、无损缩放度校正、边缘增强、无损缩放和亮度、对比度调节等图像处和亮度、对比度调节等图像处理技术来得到更好的显示效果，理技术来得到更好的显示效果，以帮助医生尽快的确定病灶，以帮助医生尽快的确定病灶，减少误漏诊的发生。减少误漏诊的发生。 |直接连接存储（Direct Attached Storage，DAS）|网络连接存储（Network Attached Storage，NAS） |存储区域网络（Storage Area Network，SAN） |PACS只是医院多
30、个信息系统的一员，其他信息系统如HIS、RIS等都是医院常见的应用系统。系统集成技术就是通过一定的方法与技术将医院当中各个独立的信息系统整合到一起，使其能够形成一个统一的系统应用平台，这样原来各个独立的信息系统之间就可以很方便的实现数据交换与数据共享，避免医院内部各个信息系统之间形成“信息孤岛”。 人机交互技术 |对于PACS，在系统的设计初期就必须考虑系统的易用性，使系统界面简洁、直观、易于上手，这样普通的医疗工作者经过短期的培训，便可以熟练的掌握系统的使用，这便是人机交互技术所要研究的主要内容。|1. PACS的定义|2. PACS的分类|3. PACS的组成|4. PACS的相关技术|9-1.某医院的CT是在512 512 象素的分辨率， 16 位灰度级下对断层扫描图像信息进行数字化采集的。每次采集40帧层位片，则每次采集的图像总容量是多少MB？| 9-2.JPEG2000 的特点是什么？| 9-3.简述DICOM 3.0 的特点？|9-4.DICOM数据元素主要由哪4个部分组成？|9-5.PACS的定义是什么？|9-6.PACS主要由哪几部分构成？|9-7.PACS的相关技术有哪些？