关键词：图像重建；代数重建算法；松弛因子
中图分类号：TP391文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.10055630.2014.01.010
引言
计算机断层扫描（ComputedTomography，CT）[12]是计算机与X线检查技术相结合的产物，它能够得到被检测物体的断层灰度图像并且不损伤原物体，然后根据这些灰度值检测出断层面的内部结构。实际应用中常用滤波反投影算法（FBP）和代数重建算法（ART）这两大类方法来实现CT图像重建。其中滤波反投影算法具有重建速度快，重建质量好的优点，但它的局限在于重建前必须有完备的投影数据，可完备的投影数据在实际操作中却往往不容易得到。ART算法却能很好地克服这一缺点，它是运用迭代的方法解线性方程组，实现了在投影数据较少的情况下同样重建出高质量的图像的目的。虽然ART算法重建的速度较慢，但随着计算机技术的发展，计算速度不再是需要考虑的问题，只需把精力集中在如何提高图像的重建质量上。
本文简单地介绍了ART算法的基本原理，分析了引入松弛因子的原因和松弛因子的有无对重建图像质量的影响，借助仿真实验来研究不同投影数下选择松弛因子的标准，尽可能用最短的时间得到最优的重建图像，为实际重建时选择合适的松弛因子提供理论上的参考依据。
1ART算法理论
所以实际上用ART算法重建图像的过程就变成了解一个带有松弛因子的线性方程系统的过程，因此，提高算法的重建速度和重建质量都与如何选择合适的松弛因子有很大的关系，特别是在实际的重建过程中。但是目前只有一些基本的标准来规定如何选择松弛因子，完整规范的理论依据还有待进一步研究。
2松弛因子对重建图像质量的影响
2.1松弛因子的引入
2.2动态松弛因子
上述提及到的方法虽然能够达到不错的效果，但该方法却存在很大的局限性，因为不断变化的实际环境在实验室中是不可能模拟出来的，所以需要寻找一种新的选取松弛因子的算法。从ART算法的迭代式（4）可以看出，投影数据值和图像被修正的程度存在着正比例的关系，即投影数据值越大，图像向量被修正的程度也就越大，而且由式（1）可以知道投影值与物体强度衰减的大小也是成正比例关系的。通常选用的常数松弛因子相当于对所有的投影值都采用了同一个低通滤波器，重建图像的边缘看起来比较模糊，因为低通滤波器在抑制高频噪声的同时也抑制了图像本身的高频成分。基于上述所说的正比例关系，文献[9]提出了一种能够反映投影数据变化特点的动态选择松弛因子的方法。
3实验分析
3.1常数形式的松弛因子实验分析
实验中选用经典的SheppLogan[1011]头模型作为重建对象，改变投影角数和松弛因子对其进行迭代，然后分析结果，研究松弛因子λ对重建图像质量的影响。该实验中选取的重建图像大小为128×128。分别选取λ=1，λ=0.2和λ=1.5在投影角数θ为60个，90个和180个进行一次迭代，所得到的重建图像如图2所示。
为了更加客观地评价重建图像和原图像之间存在的误差，实验还计算了重建图像的归一化平均绝对距离判据r。实验中将迭代初值F取为0，松弛因子分别取0.02，0.08，0.2，0.5，1.0和1.5进行实验仿真。ART算法迭代后的重建图像与原始图像的误差如图3所示。观察图3可以得出结论：ART重建算法进行迭代时，如果投影数比较多时，可以选取稍小一点的松弛因子；随着投影数的减少，就要逐渐选取稍大的松弛因子，但一般不会超过1。如果松弛因子选取过大，则对图像向量的修正程度就会偏大，重建出的图像与原图像有比较大的偏差。如图中所示当投影数θ为180个时，松弛因子选择0.2最佳。一般在有松弛因子的情况下，仅需要4～6次迭代就可以得到比较满意的重建图像了。
从实验结果中可以看出越小的松弛因子重建的图像越平滑，伪影越少。但是加入松弛因子后，重建图像的边缘却趋于模糊了。
3.2动态形式的松弛因子实验分析
用256×256的SheppLogan头模型来研究动态松弛因子对图像重建的影响，式（5）中的λ0通常选择0.2。选用动态因子和常数因子为0.2的图像重建结果如图4所示。
由图4的实验结果表明：按照文献[9]所提出的方法选择动态松弛因子进行重建，与常数的松弛因子进行重建结果相对比，动态松弛因子重建的图像更清晰，边界效果更好。
4结论
如上述实验结果所示，在ART算法中如何选择松弛因子会直接影响到图像的重建质量。判断选择的松弛因子是否合适时还需要考虑以下两个因素：投影数据的采集方式和测量环境的噪声类型。在用ART算法进行图像重建时，选择合适的松弛因子可以达到用比较少的迭代次数得到同等质量的图像的目的。如果用动态的方法来选择松弛因子则可以使重建图像的边界效果比较好。今后将进一步实验研究出更多有效的松弛因子的选取方法，这对工业CT上实现不完全投影重建具有重要的意义。
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［摘要］随着信息技术的迅猛发展和教育技术的进步，多媒体教学已经在《医学影像学》这门学科上得到广泛应用。多媒体教学因其图形、动画、动静态视频、声音等媒体优势，越来越受到广大师生的欢迎。它激发了学生学习的积极性；有利于充分展示《医学影像学》的教学内容；有利于对《医学影像学》教学内容及时更新、补充。
［关键词］医学影像学多媒体教学优势
［中图分类号］TP316.5［文献标识码］A［文章编号］1009－5349（2011）09－0154－01
医学影像学是一门新兴学科，也是一门有丰富内涵的学科，包括超声、放射、磁共振、数字减影、血管造影等。这门学科在医学诊断上有着举足轻重的作用。在医学影像学的教学中，运用多媒体教学可以把晦涩难懂的理论用图文并茂、声像俱佳的形式表现出来。在实际教学中，多媒体教学比传统的教学有很多的优势：
一、多媒体教学有利于激发学生对《医学影像学》学习的积极性
作为一门自然科学，《医学影像学》因其复杂性、深奥性令很多学生望而却步。多媒体教学在《医学影像学》中的应用扭转了学生的为难情绪。多媒体教学集文字、图像、动画、声音于一体，把相关的内容、图像生动、直观地投影到屏幕上。学生在学习的时候，可以通过形象、生动的画面进行学习，改变了枯燥的局面。使整个教学活动在生动、灵活、形象中进行，这样就利于提高学生的学习兴趣，充分调动其学习的主动性和参与性。例如：在讲述《骨肿瘤的影像》时，可以用多媒体先展示出诊断要求，然后讲述良性、恶性肿瘤的鉴别方法，最后展示患者已经拍的片子，这样，学生可以在课堂上直接看到实物的片子到底是什么样子的，为下一步的诊断提供依据，可以直接把学到的知识用于实践。
另外，应用多媒体教学可以把大量的信息简易化，把复杂的知识简单化，可以做到化难为易，化静为动，并能够多层次、多角度地展现教学内容，创造立体的教学空间，增强教学感染力，使学生对教学内容更易接受，也利于增强学习的主动性。例如：在讲到《消化系统》时，涉及到的知识非常的多。用多媒体进行教学时，把需要学生掌握的重点知识列出来。可以用多媒体展示“正常腹部的X摄像片”，然后再展示“腹部基本病变――胃肠金属异物”情况下的片子。这样的实物展示，可以节省很多的文字表达，让学生学习时，一目了然。
二、多媒体教学有利于充分展示《医学影像学》的教学内容
医学影像学的特点就是图像多，学这个学科的学生，将来在工作中，面对的也是复杂的图像片子，而且这门学科是一门综合性的学科，包含多学科的内容。图像多、内涵大的特点，在传统教学中有很大的压力，而对图像的显示恰恰是多媒体教学的优势所在，所以用多媒体教学可以达到最佳的教学效果。同时，部分医学影像学所显像属功能性成像技术，它不仅能获得脏器的基本信息，还可以获得和脏器相关的组织功能、血流、代谢等变化的功能方面的信息，有利于对疾病做出早期诊断。在显像过程中，可将上述各种信息进行整合，应用多种媒体软件进行处理，用动态的、立体的媒体形式把血液的流经方向以及相关的病变情况显示出来。在制作多媒体课件时，杂糅各种软件，例如photoshop中的色阶功能，可以反映功能性影像中某些量化。这样高质量的多媒体演示，可以更接近学生未来的工作环境，以便学生把学到的知识应用于工作中。
《医学影像学》中的教学内容有很多都晦涩难懂，如果没有多媒体教学，学生听课会很枯燥无味，老师讲解也会很费力。而通过多媒体的动画制作及采用视频、声音插入等方法，为学生营造一种充满生动、活力的教学氛围，使《医学影像学》教学达到形象生动的教学效果。例如：在讲到《泌尿生殖系统》时，可以用多媒体展示“肾径线的测量”，用非常直观的图像，告诉学生什么是“肾脊”“肾脊角”等等。如果没有多媒体，教师的讲解将会很困难。
关键词：电子病历；PACS；RIS；XML；B/S
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31202-01
TheIntegrationofCPRandMedicalImageSystemBasedB/SMode
HUXu-ming
(physicsandelectronicinformationcollege,WenzhouUniversity,Wenzhou325035,China)
Abstract:Atrendshowscomputerizedpatientrecordswilltobeusedwidely.FortheshortagesofCPRsusing,weputforwardasystemwhichintegratesitwithPACSandRIS.Besidesrecordpatient’scondition,thesystemenablesdoctersinquiryandconsultmedicalimagesofpatientexpedientlybasedB/Smode.Thissystemcouldmakedoctersworkmoreefficiently.
Keywords:CPR;PACS;RIS;XML;B/S
1引言
电子病历（CPR）属于医院信息系统（HIS）的一部分，是数字化病历信息的有机结合，提供信息存储、查询、统计、数据挖掘等功能，它是医院信息化发展的趋势。
一些有条件的大医院已经开始引入CPR，但由于缺乏统一的结构和通讯接口，加上医院现有的PACS、RIS也多是独立存在的，因此当前CPR的医学影像查阅与记录功能普遍比较弱。这对医生检查、诊断病情显然是不利的。本文设计了一种将CPR与PACS、RIS集成的系统，使用户能够在统一的平台上，方便地对病人的病情、医学影像等信息进行集中操作，真正体现电子病历以病人为中心，从面向管理向面向医疗发展，从信息服务向智能服务发展的要求。
2系统解决方案
随着网络技术的发展，医院规模的扩大，为了在统一的平台上实现资源共享和协同工作，系统选择基于B/S模式实现。B/S模式在客户端只需装上浏览器即可，将所有的开发、维护和升级工作集中在服务器端，具有信息共享度高、使用简单、易于维护、扩展性好、安全性能高等优点。
由于病历的复杂性和使用上的习惯性，对病历很难设计出一个统一的结构进行描述。本系统要求在病历中能对医学影像进行实时查阅，因此就对病历的结构提出更高的要求。采用XML作为病历描述的基础是解决这一问题的有效途径。
该B/S模式软件系统选择以技术进行开发，在.NETFramework和IIS的支持下，使用C#语言编写代码。同时还利用了数据访问技术，这是一种具有可编程性、互操作性并以XML为重点的数据访问技术，它适应了当前医院分布式或基于Internet的大型应用程序环境。
在此系统中，正文信息的交换采用HL7标准，医学影像传输采用DICOM3.0标准。系统框架如图1所示。
2.1PACS和RIS的集成
在图1中，PACS的架构组成包括四个部分：影像采集工作站、档案服务器，档案数据库以及由快速存储器（如磁盘或高速RAID）和长期存储器（DLT磁带库或光盘库）组成的存储子系统。影像通过网络从采集工作站传送到档案服务器。档案服务器的主要功能包括：（1）从采集工作站接收影像（2）将影像存档到存储子系统（3）处理来自CPR的影像查询、提取请求（4）更新数据库表[1]。
图1系统框架
档案数据库是一个关系数据库，由若干个预定义的数据表组成，该数据库不存储任何医学影像，而是存储对应影像的索引。
在本文所提出的整套集成系统中，围绕影像科运作的PACS和RIS的集成是很重要的基础。PACS和RIS集成后的工作流程为：病人信息由CPR通过预登记进入RIS，病人进入放射科后，由RIS安排其检查。产生影像后，PACS的功能模块与RIS进行交互，从而获得更多信息（包括病人信息、影像设备状态信息、历史报告信息等），并以此驱动着影像数据的流动[2]。
根据实际工程的经验，在对PACS和RIS进行集成时，须遵照美国健康信息与管理系统协会和北美放射学协会共同制定的IHE技术框架，该框架定义了医疗单位功能模块的子集，通过定义一组相应的信息交换集合来定义它们间的相互作用关系。
2.2CPR查询/提取医学影像的方法
医生在查询某位病人的医学影像时，一般采用基于文本的查询方法（例如根据病人姓名、住院号或医生名字等进行的查询）。当遇到疑难病症时，往往需要从已经确诊的影像中找出最相似的一些影像进行对比。在这种情况下，面对PACS中大量的影像数据，基于文本的影像查询方法就显得力不从心。首先是提取注解所需要的工作量太大，其次是对影像注解的主观性和不精确性可能导致查询过程的失配，再次，医学影像的形状、纹理、颜色、空间关系很难用文字进行精确的描述和注解[3]。鉴于以上原因，系统应当具备基于内容的影像检索功能（QueryByImageContent，QBIC）。QBIC的特点是基于相似度，而并非精确匹配，这是医学影像检索策略的一个重要发展方向。
基于内容的医学影像检索的原理是（如图2）：先利用图像处理技术，对库里的影像提取灰度、形状、纹理、拓扑等特征向量，建立相应的特征向量库。在进行影像检索时，对给定的查询例图，先提取该例图的特征向量，然后将例图的特征向量与特征库中的特征向量进行匹配，并根据匹配结果从影像库中搜索出所需的影像。
为了满足基于内容的医学影像检索的需要，在PACS档案服务器内，设计构建一个影像特征库。影像检索分为以下三个步骤：一是提取CPR当前所显示影像的特征；二是将其与特征库里的特征进行比较，并取得目标影像的索引；三是根据索引从PACS存储子系统中取得目标影像并发送至CPR。
由于医学影像对于纹理特征的描述最为清晰，所以在本系统中采用的是基于共生灰度矩阵纹理特征的检索算法。
图2基于内容的医学影像检索原理
2.3XML实现电子病历的方法
结构化病历的处理是电子病历研究的一个重要方面，由于要求在病历中方便地查阅医学影像，其内容就更加显得复杂。XML是一种结构化语言，采用了层次化的面向对象结构的描述方法，为病历中复杂内容的描述提供了有效手段。
之前已经有很多文献介绍过基于XML的电子病历实现方法，在本系统中，采用的是基于数据的分散式电子病历集成方法。即在CPR中，不存在集中管理病人的信息库，CPR通过接口直接访问各个业务系统中的病人信息。例如病人的医学影像，就是通过其记录的地址从PACS中直接获取。这种集成方法的优点在于，CPR可以与业务系统得到完全相同的数据，实现数据的实时访问，减少数据冗余。图1中，CPR里的影像数据中心只是在逻辑上以“虚拟中心”的形式提供数据采集的功能。当浏览器端发出集成病历各项数据的请求后，虚拟中心就从异构数据库中查询需要集成的数据，再通过XML转换器，根据XMLSchema或DTD（DocumentTypeDefinite）所描述的规则，把采集到的数据转换成XML数据，并做成统一的数据视图提供给浏览器端[4]。
利用XML显示医学影像的基本步骤如下[5]：
（1）设计开发影像的XML大纲
影像XML大纲中，定义的主要标签有image、comment、source、width和height等．用于描述影像及其宽度和高度等属性。同时也定义了link超链接标签，用于定位具体的网络资源。
（2）编写规范的影像XML文档
……
showamedicalimagebyXML
images/brain.jpg
400
300/
……
以上XML文挡描述的是一幅脑部影像，数据源是images/brain.jpg，宽度300像素，高度400像素。当然，实际应用中还必须在link和message等标签里加入病历的其它信息。
（3）利用XSLT表现影像的XML文档
在定义了影像XML大纲和影像XML文档之后，要想让浏览器显示出来，还必须为其定义表现方式，此时可以利用XSLT把XML文档翻译成合适的数据结构以供浏览器显示，默认的XSLT文件的后缀名为.xsl。
3结论
电子病历的集成是医院信息系统的重要研究内容之一，本文提出的基于B/S模式的电子病历与医学影像集成系统不仅仅是把病历中的文本信息与医学影像简单排放在一起，而是具备了一定的智能化功能，使医生能够很方便地查询、比对当前病人及以往病例的医学影像，进而对病情作出诊断。该系统能较好地将CPR与医院现有的PACS、RIS资源进行整合，提高了医院，特别是影像科的运作效率，同时也提高了医生的工作效率。另外，还可以为系统添加与远程医疗、咨询与辅助决策等HIS子系统的接口，使之具有良好的扩展性能。
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【关键词】医学影像技术
医学影像技术主要是应用工程学的概念及方法,并基于工程学原理发展起来的一种技术,其实医学影像技术还是医学物理的重要组成部分,它是用物理学的概念和方法及物理原理发展起来的先进技术手段。医学影像信息包括传统X线、CT、MRI、超声、同位素、电子内窥镜和手术摄影等影像信息。它们是窥测人体内部各组织,脏器的形态,功能及诊断疾病的重要方法。随着医疗卫生事业的发展,以胶片为主要方式的显示、存储、传递X-ray摄像技术已不能满足临床诊断和治疗发展的需求,医疗设备的数字化要求日益强烈,全数字化放射学、图像导引和远程放射医学将是放射医学影像发展的必然趋势。
1传统摄影技术在摸索中进行
1.1计算机X线摄影
X射线是发展最早的图像装置。它在医学上的应用使医生能观察到人体内部结构,这为医生进行疾病诊断提供了重要的信息。在1895年后的几十年中,X射线摄影技术有不少的发展,包括使用影像增强管、增感屏、旋转阳极X射线管及断层摄影等。但是,由于这种常规X射线成像技术是将三维人体结构显示在二维平面上,加之其对软组织的诊断能力差,使整个成像系统的性能受到限制。从50年代开始,医学成像技术进入一个革命性的发展时期,新的成像系统相继出现。70年代早期,由于计算机断层技术的出现使飞速发展的医学成像技术达到了一个高峰。到整个80年代,除了X射线以外,超声、磁共振、单光子、正电子等的断层成像技术和系统大量出现。这些方法各有所长,互相补充,能为医生做出确切诊断,提供愈来愈详细和精确的信息。在医院全部图像中X射线图像占80%,是目前医院图像的主要来源。在本世纪50年代以前,X射线机的结构简单,图像分辨率也较低。在50年代以后,分辨率与清晰度得到了改善,而病人受照射剂量却减小了。时至今日,各种专用X射线机不断出现,X光电视设备正在逐步代替常规的X射线透视设备,它既减轻了医务人员的劳动强度,降低了病人的X线剂量;又为数字图像处理技术的应用创造了条件。随着计算机的发展数字成像技术越来越广泛地代替传统的屏片摄影现阶段,用于数字摄影的探测系统有以下几种:(1)存储荧光体增感屏[计算机X射线摄影系统(computerRadiography.CR)]。
(2)硒鼓探测器。(3)以电荷耦合技术(chargeCoupledDerices.CCD)为基础的探测器。(4)平板探测器(FlatpanelDetector)a:直接转换(非晶体硒)b:非直接转换(闪烁晶体)。这些系统实现了自动化、遥控化和明室化,减少了操作者的辐射损伤。
1.2X-CT
CT的问世被公认为伦琴发现X射线以来的重大突破,因为他标志了医学影像设备与计算机相结合的里程碑。这种技术有两种模式,一种是所谓“先到断层成像”(FAT),另一种模式是“光子迁移成像”(PMI)。
1.3磁共振成像
核磁共振成像,现称为磁共振成像。它无放射线损害,无骨性伪影,能多方面、多参数成像,有高度的软组织分辨能力,不需使用对比剂即可显示血管结构等独特的优点。
1.4数字减影血管造影
它是利用计算机系统将造影部位注射造影剂的透视影像转换成数字形式贮存于记忆盘中,称作蒙片。然后将注入造影剂后的造影区的透视影像也转换成数字,并减去蒙片的数字,将剩余数字再转换成图像,即成为除去了注射造影剂前透视图像上所见的骨骼和软组织影像,剩下的只是清晰的纯血管造影像。
2数字化摄影技术
数字X射线摄影的成像技术包括成像板技术、平行板检测技术和采用电荷耦合器或CMOS器件以及线扫描等技术。成像板技术是代替传统的胶片增感屏来照相,然后记录于胶片的一种方法。平行板检测技术又可分为直接和间接两种结构类型。直接FPT结构主要是由非品硒和薄膜半导体阵列构成的平板检测器。间接FPT结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非品硅层在加TFT阵列构成的平板检测器。电荷耦合器或CMOS器件以及线扫描等技术结构上包括可见光转换屏,光学系统和CCD或CMOS。
3成像的快捷阅读
由于成像方法的改进,除了在成像质量方面有明显提高外,图像数量也急剧增加。例如随着多层CT的问世,每次CT检查的图像可多达千幅以上,因此,无法想象用传统方法能读取这些图像中蕴含的动态信息。这时在显示器上进行的“软阅读”正在逐渐显示出其无可比拟的优越性。软拷贝阅读是指在工作站图像显示屏上观察影像,就X线摄影而言这种阅读方式能充分利用数字影像大得多的动态范围,获取丰富的诊断信息。
4PACS的广阔发展空间
随着计算机和网络技术的飞速发展,现有医学影像设备延续了几十年的数据采集和成像方式,已经远远无法满足现代医学的发展和临床医生的需求。PACS系统应运而生。PACS系统是图像的存储、传输和通讯系统,主要应用于医学影像图像和病人信息的实时采集、处理、存储、传输,并且可以与医院的医院信息管理系统放射信息管理系统等系统相连,实现整个医院的无胶片化、无纸化和资源共享,还可以利用网络技术实现远程会诊,或国际间的信息交流。PACS系统的产生标志着网络影像学和无胶片时代的到来。完整的PACS系统应包含影像采集系统,数据的存储、管理,数据传输系统,影像的分析和处理系统。数据采集系统是整个PACS系统的核心,是决定系统质量的关键部分,可将各种不同成像系统生成的图象采入计算机网络。由于医学图像的数据量非常大,数据存储方法的选择至关重要。光盘塔、磁带库、磁盘陈列等都是目前较好的存储方法。数据传输主要用于院内的急救、会诊,还有可以通过互联网、微波等技术,以数据的远距离传输,实现远程诊断。影像的分析和处理系统是临床医生、放射科医生直接使用的工具,它的功能和质量对于医生利用临床影像资源的效率起了决定作用。综上所述,PACS技术可分为三个阶段,(1)用户查找数据库;(2)数据查找设备;(3)图像信息与文本信息主动寻找用户。
5技术----分子影像
随着医学影像技术的飞速发展,在今天已具有显微分辨能力,其可视范围已扩展至细胞、分子水平,从而改变了传统医学影像学只能显示解剖学及病理学改变的形态显像能力。由于与分子生物学等基础学科相互交叉融合,奠定了分子影像学的物质基础。Weissleder氏于1999年提出了分子影像学的概念:活体状态下在细胞及分子水平应用影像学对生物过程进行定性和定量研究。
分子成像的出现,为新的医学影像时代到来带来曙光。基因表达、治疗则为彻底治愈某些疾病提供可能,因此目前全世界都在致力于研究、开创分子影像与基因治疗,这就是21世纪的影像学。新的医学影像的观察要超出目前的解剖学、病理学概念,要深入到组织的分子、原子中去。其关键是借助神奇的探针--即分子探针。到目前为止,分子影像学的成像技术主要包括MRI、核医学及光学成像技术。一些有识之士认为;由于诊治兼备的介入放射学已深入至分子生物学的层面,因此,分子影像学应包括分子水平的介入放射学研究。
6学科的交叉结合
交叉学科、边缘学科是当今科学发展的趋势。影像技术学最邻近的学科应为影像诊断学。前者致力于解决信息的获取、存储、传输、管理及研发新的技术方法;后者则将信息与知识、经验结合,着重于信息的内容,根据影像做出正常解剖结构的辨认及病变的诊断。两者相辅相成,互为依托。所以,影像技术学的发展离不开影像诊断学更密切地沟通与结合将为提高、拓展原有成像方式及开辟新的成像方式做出有益的贡献。医用影像诊断装置用于详细地观察人体内部各器官的结构,找出病灶的位置毫克大小,有的还可以进行器
官功能的判断。还有医用影像诊断装备情况,已成了衡量医院现代化水平的标志。
7浅谈医学影像技术的下一个热点
医疗保健事业在经济上的窘迫使得90年代以来,成为一个没有大规模推广一种新的影像技术的、相对沉寂的时期,延续了一些现有影像技术的发展,使得他们中至今还没有一种影像技术能对影像学产生巨大的影响。随着科技的发展,最近逐渐发展起来的一批有希望的影像技术。如:磁共振谱(MRS),正电子发射成像(PET)单光子发射成像(SPECT),阻抗成像(EIT)和光学成像(OCT或NRI)。他们有可能很快成为大规模应用的影像技术,将为脑、肺、及其他部位的成像提供新的信息。
7.1磁源成像
人体体内细胞膜内外的离子运动可形成生物电流。这种生物电流可产生磁现象,检测心脏或脑的生物电流产生的磁场可以得到心磁图或脑磁图。这类磁现象可反映出电子活动发生的深度,携带有人体组织和器官的大量信息。
7.2PET和SPECT
单光子发射成像(SPECT)和正电子成像(PET)是核医学的两种CT技术。由于它们都是接受病人体内发射的射线成像,故统称为发射型计算机断层成像(ECT)。ECT依据核医学的放射性示踪原理进行体内诊断,要在人体中使用放射性核素。ECT存在的主要问题是空间分辨率低。最近的技术发展可能促进推广ECT的应用。
7.3阻抗成像(EIT)
EIT是通过对人体加电压,测量在电极间流动的电流,得到组织电导率变化的图像。目的在于形成对体内某点阻抗的估计。这种技术的优点是,所采用的电流对人体是无害的,因而对成像对象无任何限制。这种技术的时间分辨率很好,因而可连续监测实际的应用,已实现以视频帧速的医用EIT的实验样机。
7.4光学成像(OTC或NIR)
近期的一些实质性的进展表明,光学成像有可能在最近几年内发展成为一种能真正用于临床的影像设备。它的优点是:光波长的辐射是非离子化的,因而对人体是无伤害的,可重复曝光;它们可区分那些在光波长下具有不同吸收与散射,但不能由其它技术识别的软组织;天然色团所特有的吸收使得能够获得功能信息。它正在开辟它的临床领域。
7.5MRS
影像存档及通信系统(PictureArchivingandCommunicationSystem,PACS)是近年来国内外新兴的医学影像信息技术,包括影像获取、处理、存储、显示或打印的软硬件系统,是医学影像、数字化影像技术、计算机技术和网络通信技术相结合的产物。PACS需要解决数据传输和影像存储的问题,医学影像压缩是关键的技术之一[1]。
研究人员结合模式识别、计算机视觉、神经网络理论、小波变换和分形理论等探索影像编码的新途径,同时人的视觉生理心理特性的研究成果也开拓了人们的视野[2]。
分形影像压缩方法是一种新的图像编码方法,它是一种基于图像内容间存在的自相似性关系的编码方法。随着图像处理方法的发展,分形压缩技术正从一致的编码方法发展到自适应的编码方法[3,4]。本研究介绍医学影像的自适应分形压缩技术,特别是图像区域划分和编码方法的自适应性。
1分形和分形影像压缩
分形是美国科学家B.Mandelbrot给不规则的支离破碎的复杂图形的命名。分形一般是指一个粗糙或零碎的几何形状,可以分成数个部分,且每一部分都(至少会大略)是整体缩小尺寸的形状[5],此性质称为自相似性。
分形压缩是一种有损的图像压缩方法,它利用分形几何原理对影像进行高水平的压缩。
由于医学影像中存在某种形式的分形自相似性,因此可以利用影像整体与局部的自相似性,应用迭代函数系统(IFS)理论实现分形影像压缩编码。分形编码过程包括图像的分割、搜索最佳匹配和编码相关参数三个步骤。首先利用图像处理技术将图像划分成若干不重叠的值域块Rj和可以重叠的定义域块Dj,然后对每个Rj寻找某个Dj,使Dj在规定的最小误差内经过某个变换Wj映射到Rj,记录下子块Rj和Dj及变换Wj的参数,得到一个迭代函数系统,最后对这些参数进行编码。分形解码过程利用编码传来的参数确定迭代函数系统,经过有限次迭代,图像趋近于迭代函数系统的吸引子,即为解码图像。
2自适应区域划分方法
一致的分形编码方法由于没有考虑图像特征的高度非线性和不一致性,统一的图像分区不能产生令人满意的率失真性能。因此,研究人员提出了自适应的区域划分。例如,四叉树分解,水平垂直块分解,多角形分解,三角形(矩形)的分裂合并方法,基于图像分割(边缘粗尺度,纹理细尺度)的划分方法等等[6,7]。这些方法利用了图像的空间不一致性,能够适应图像的不同变化。
其中,图像的分类和不同块的分裂合并遵从一些不同的原则。例如,不同区域子块的局部整体变分,方差,分数维(分形维数是一个表征分形复杂或粗糙程度的量)和定义的某种差别量等[4]。
利用合理的划分准则和策略,可以将图像划分为适合图像特征的不同性质的图像子块,以便于有效的分形编码和优越的编码性能。当然,还有图像不同子块的自适应匹配方法。
3自适应编码方法
一幅图像中存在对于临床医生具有不同意义的内容,为了有效地节省存储空间,研究人员提出了基于感兴趣区的影像编码方法:对于图像的不同区域采用不同类型的编码方法,这就是编码方法的自适应性[3]。
医疗数字影像传输协定DICOM(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine)是一组对于医学影像的处理、储存、打印和传输的通用的标准协定,包含了档案格式的定义及网络通信协定。DICOM可以整合不同厂商的医疗影像仪器、服务器、工作站、打印机和网络设备于PACS系统中。DICOM标准的使得自适应压缩编码得到更大的发展。
研究者将图像分为感兴趣区和非感兴趣区。对于感兴趣区,为了更好地保持图像的病理特征,尽量使用无损压缩方法。例如,预测法,变换法,平均信息法(熵编码),方块编码法,游程编码法及轮廓编码法等。对于非感兴趣区,为了更好地保持节省存储空间,使用有损压缩方法。例如,JPEG,JPEG2000以及压缩比非常高的分形压缩技术。
4医学分形影像压缩的进一步发展
人们提出了许多自适应改进方案。这些方案一般围绕着提高压缩比和编码效果,提高编码和解码速度,分形与其他工具相结合的影像压缩新方法等方面进行。自适应分形影像压缩技术是一个有潜力、有发展前途的压缩方法。
参考文献
[1]G.S.Michael.ReviewofcompressionmethodsformedicalimagesinPACS.InternationalJournalofMedicalInformatics,1998,52(13):159165.
[2]阮秋琦.数字图像处理学.电子工业出版社,2004.
[3]Y.Fisher.FractalImageCompressionTheoryandApplication.SpringerVerlag,1995.
[4]B.Wohlberg,G.deJager.Areviewofthefractalimagecodingliterature.IEEETransactionsonImageProcessing,1999,8(12):17161729.
[5]B.Mandelbrot.TheFractalGeometryofNature.W.H.FreemanandCompany,1982.
现今科学技术飞速发展，医疗诊断、治疗对科学技术的依赖性日益加强，医学放射成像技术的发展与应用就是众多医学技术的一种，医学影像检查技术包括X线、CT、MR、超声、窥镜、血管造影等，影像学技术的发展，导致了临床对影像学数据信息分析技术需求的增高，进而促进了医学影像信息学的产生与发展[1]。医学影像信息学指基于临床医学影像存储与通信，应用计算机技术解决临床影像分析、数据处理的技术管理系统，主要发挥收集和处理患者放射科的登记、分诊、影像诊断报告以及放射科的各项信息查询等临床医疗信息的作用[2]。上世纪80年代以来随着计算机技术的不断发展，影像学技术逐渐实现了数字化、无胶片化。临床实例分析结果显示医学放射成像技术与医学影像信息学相辅相承，共同促进、共同完善，本文主要对医学放射成像与医学影像信息学间的关系展开探讨，以下是本次研究全部内容。
1.资料
1.1三维CT成像与医学影像信息学
医学放射成像技术能够简单、直观的反应患者身体内部脏器、骨头等病变情况，极大的提高了临床诊断准确度及精密度。20世纪80年代以来，计算机技术飞速发展，计算机存储量大、分析速度快等特点逐渐应用于医学放射成像技术，医学放射成像技术与医学影像信息技术的结合促进了医学放射成像信息的数字化转变，简化了医学影像分析难度，提高了图像分析的准确度，同时计算机技术的应用能够显著提高放射成像图片的质量，并且有助于医学影像图像数据的系统化管理，降低了工作人员劳动强度，同时有助于医学信息系统化管理[3]。
具体应用实例包括三维CT随着医学影像学的发展其图像分辨率、数据采集速度、射线利用率、人体射线吸收剂量分别向着更高、更快、更高、更低的方向发展，现代临床应用的锥型束螺旋CT即随着平板（2D）检测器的发展，影像学的发展逐渐解决了传统医学放射成像不能解决的全身或者较长身体部位的检查问题，锥型束螺旋CT重建算法极大的提高了医学影像质量[4]。20世纪90年代后期随着计算机技术在医学领域的应用与发展，实时X线平板（2D）检测器技术逐渐成熟，克服了传统组合断层成像数据采集速度慢、噪声干扰和几何失真等问题，获得高质量的实时数字X-线图像，丰富和发展了临床数字放射摄影和真三维CT图像信息采集[5]。
1.2多源螺旋CT成像检测技术与医学影像信息学
传统螺旋CT成像检测技术受信息采集时间、螺旋速度等限制，很难对运动心脏的临床数据进行采集。计算机软硬件、多媒体以及通信技术的高速发展促进人类生活方式及生活水平不断发展的今天，患者及临床医学对医学影像的需求及要求不断增长，这些均在极大的程度上促进了科学工作者对医学影像技术的改革，为了克服传统螺旋CT成像检测技术的上述不足，科学工作者逐渐将医学影像信息学技术应用于医学成像领域，2005年SOMATOMDefinition双源螺旋CT检测器应用而生，该检测技术解决了单源螺旋CT检测器不能解决的心脏及冠状动脉情况的观察，但是双源螺旋CT则不存在精确重建的算法，为了克服这一技术问题，多源锥束成像装置应用而生，这一技术发展得益于医学影像信息学的发展实现了快速、精准控制多个X射线管，进而实现了同时获取多投影角下的投影数据信息，这重建[6]。医学影像信息学的发展促进了医学放射成像技术向着更加快速、精准、方便的方向发展，同时还增加了医学影像信息存储量，同时能够实现影像信息的远程分析。
1.3电子扫描CT与医学影像信息学
电子扫描CT是采用扫描电子束X射线进行医学影像信息采集的医疗器械，该设备依靠阴极X射线管发射的电子束沿轴线加速与聚焦进行的顺序触发式扫描，能够应用于动态心脏检查。但是传统电子扫描CT成像检测器上不能装防散射栅叶片，因此不能保证医学图像质量由于散射而受到影响，同时检测器上香蕉形的放射剖面严重降低了系统的几何剂量效率，此外传统X线管的功率比较低，一般不适用于大体形的病人应用，受环境影响较大[7]。随着医学影像学的发展，逐渐克服了电子扫描CT的上述不足，综合了锥束螺旋CT与电子扫描CT的共同优点，对电子扫描CT设备进行改造，设计了一个供小动物成像用的电子束微型，并改进了计算机数据处理系统，有效地克服了传统电子扫描CT图像质量差、几何效率低、信噪比大等缺点。电子扫描CT的发展同时刺激了椎束变螺旋CT理论的发展。
2.讨论
医学影像信息学的不断发展，实现了对医学放射图像的数字化分析与存储，这一改变在一定程度上极大的节省了医疗成本，同时数字化医学影像信息存储节省了存储空间，提高了临床工作效率，而且克服了传统图像储存存在的图片因长时间存放而褪色、失真等问题，降低了医院信息管理费用，而且医学影像学的发展导致了医学放射成像技术的发展导致的工作效率的提高，极大的增大了医院的经济收益。医学影像信息学的发展，简化了医生的工作内容，有助于提高医院的诊断水平及准确度的提高，而且有利于医院对典型病理信息的收集、存储及管理，同时实现了全面的医疗技术交流，有助于医学技术的成熟与发展。
综上所述，医学放射成像与医学影像信息学间相辅相承，共同发展。医学影像信息学的发展一方面无形的促进了医学放射成像技术的发展，进而促进了医学影像信息学的逐步完善；另一方面医学放射成像技术以及医学影像信息学的不断发展，促进了计算机技术在医学领域的广泛应用，实现了医学技术的快速、精准、方便、廉价发展。
参考文献
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