第九章 医学图像的压缩、存储与传输,医学成像及处理技术,高等学校计算机基础教育课程“十二五”规划教材 2011.3,本章目录,9.1 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,教学目标,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。,教学重点和难点,图像压缩方法 各种压缩方法的特点 DICOM标准的特点 PACS系统的概念 PACS系统的组成,9.1 医学图像的压缩,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。,9.1.1 医学图像压缩概述,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。,1.医学图像压缩的必须要性,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。,1.医学图像压缩的必须要性,表9-1 各种医学图像容量表,1.医学图像压缩的必须要性,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。,2.图像压缩编码技术的发展,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60多年的历史。其发展历史见表。,2.图像压缩编码技术的发展,表 图像压缩技术的发展,2.图像压缩编码技术的发展,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。,2.图像压缩编码技术的发展,表 图像编码的国际标准,2.图像压缩编码技术的发展,表9-3 图像编码的国际标准,2.图像压缩编码技术的发展,图像压缩编码标准的特点如下： 标准的通用性 标准的开放性,3. 医学图像压缩的发展趋势,如何有效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。 研究医学图像压缩算法具有重要的意义。 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。,9.1.2 医学图像压缩方法,数字图像压缩方法 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。 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。,9.1.2 医学图像压缩方法,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。,1图像压缩方法概述,图像压缩的标准算法 静态图像的JPEG标准 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都讳莫如深 。,2区域压缩编码,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。,2区域压缩编码,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PSNR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。,2区域压缩编码,A: 矩形区域 B:全部区域 图 区域压缩对比,3小波编码算法,（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,4三维医学图像压缩,（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,5JPEG2000压缩方法,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。,5JPEG2000压缩方法,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。,5JPEG2000压缩方法,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,5JPEG2000压缩方法,（1）JPEG2000 的特点 小波转换(Wavelet Transform)为主的多解析编码方式。 JPEG2000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。,5JPEG2000压缩方法,JPEG2000的简单原理如图所示。,小波编码,图 JPEG2000的简单原理图,5JPEG2000压缩方法,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。,9.2 医学图像的存储与传输,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： 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； 二作为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； 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。,9.2.1 医学图像的存储与传输概述,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。,1医学图像的存储,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。,2医学图像的传输,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INTERNET来进行通讯。,9.2.2 DICOM图像存档与传输标准,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。,9.2.2 DICOM图像存档与传输标准,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)及数字放射摄影(Digital Radiography-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。,1DICOM 标准的发展,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。,2DICOM标准的应用,从医院的管理角度来说 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。 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。,2DICOM标准的应用,从病人角度来看 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成就诊、照相、报告这几个过程。,3DICOM 3.0的特点,DICOM3.0具有以下特点： （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。 （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。 （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