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逐级医学图像容积导航
技术领域
本发明一般涉及数据处理，更具体地说，涉及用于图像的有效传输和查看的三维医学图像的数据压缩/解压缩。
背景技术
传统医学成像系统，例如计算机体层摄影(CT)、磁共振成像(MRI)和正电子发射体层摄影(PET)等，通常以二维(2D)图像“切片”的形式产生表明所成像身体部分的三维(3D)数据。每个切片代表身体部分的不同截面，且每个切片与邻近切片可稍微重叠。在向放射学家提供重要诊断信息的同时，存储大量的图像数据要求有相当大的信息存储能力。而且，传输这些数据供远程查看还需要较高带宽的数据链路。已建议用图片档案库和传输系统(PACS)来处理医学界的大量图像数据需求，例如在高带宽局域网(LAN)上或在窄带宽应用中(例如在广域网(WAN)上)提供全分辨率或多分辨率图像。在窄带宽应用中，数据需要进行压缩以降低传输带宽要求并提高传输速度。这种压缩的图像在远程用户计算机接收后进行解压缩。
医学图像扫描器，例如CT，MRI，或PET扫描器，能够提供比它们在过去所能产生的薄得多的扫描切片。例如，老技术的扫描器对成像的身体部分可以提供180个扫描切片，而对于同样的成像身体部分，具有更新技术的扫描器则可提供多达1500个扫描切片。虽然与过去较厚的切片相比，较薄的切片可提供更高的分辨率，但放射学家需要查看的图像切片数量增加了8倍。由于需要查看越来越大量的扫描图像，放射诊断的时间就会相应增加。
为使诊断过程更加有效，放射学家通常使用两种方法来查看图像扫描：放射学家可能跳过一些扫描切片，或者，放射学家可能要求较厚的，或“平均”的切片，它们在z-轴，或轴向具有降低的分辨率，但在与轴向正交的空间，或x轴向和y轴向，具有全分辨率。如果放射学家选择后一种方法，扫描器控制台就需要重新处理图像以产生较厚的，平均的扫描图像。如果放射学家然后又需要比重新处理的平均切片更高的分辨率，扫描器控制台就需要以所要求的分辨率或厚度重新产生扫描图像切片。于是，每当放射学家需要不同的轴向分辨率时，就需要重新产生并重新发送扫描图像切片。虽然已建议用医学图像数据的三维变换(例如通过同时对x轴、y轴和z轴方向的图像进行小波变换)来改进图像查看效率，但这些方法不能以全空间分辨率提供平均图像帧，因为小波变换是对每个三维方向上的每一级分解进行的。
发明内容
此文说明了一种处理医学图像数据的方法，所述方法包括接收表示成像的三维容积的一组连续截面图像的数据，其中每个截面图像都垂直于z轴。这组截面图像包括z轴向的第一轴向分辨率以及与z轴正交的x轴向和y轴向的第一空间分辨率。此方法还包括变换z轴向的连续截面图像组，产生所述图像组的轴向变换再现，此轴向变换再现具有低于第一轴向分辨率的第二轴向分辨率。
此文说明了一种处理医学图像数据的装置，它包括一种处理器模块，配置成接收能表明成像的三维容积的一组连续截面图像的数据。此装置还包括一种处理器模块，配置成压缩z轴向的连续截面图像组，产生所述图像组的轴向变换再现。
附图说明
图1示出体现本发明的示范3D医学图像处理系统的方框图。
图2示出用于处理3D医学图像信息的示范方法的流程图。
图3示出用于3D容积的示范小波分解的子带边界。
图4A示出用于Huffman编码的示范熵编码器的方框图。
图4B示出用于Huffman解码的示范熵解码器的方框图。
图5A示出用于z轴向多分辨率的图像数据逐级编码的示范位流格式。
图5B示出用于z轴向多分辨率以及x轴向和y轴向多分辨率的图像数据逐级编码的示范位流格式。
图6为查看多分辨率的图像的方法流程图。
在某些情况下，为了计算效率或易于维护，所示流程图的方框排列可由业界技术人员重新安排。虽然将参考附图中所示的本发明的实施例细节来说明本发明，但这些细节并非旨在限制本发明的范围。
零件表

零件号名称10医学图像处理系统12成像系统14服务器16通信链路(LAN/WAN)18用户端计算机20显示器22流程图24接收图像数据26小波变换z轴向数据28小波变换x轴向和y轴向数据29量化30熵编码变换的/预测的数据32编码成顺序位流34传送顺序位流36开始顺序解压38顺序显示图像40厚片42，44，46子带边界  48，50，52，54，  56，58  空间子带边界  59  子带级  60  熵编码器  62  小波变换  64  Huffman表产生  66  Huffman编码  68  位流  70  标题  72  Huffman表  74  第一数据部分  76  第二数据部分  78  最后数据部分  80  位流  82  标题  84  Huffman表  86  第一数据部分  88  第一子部分二数据部分  90  最后子部分  92  第二数据部分  94  最后数据部分  96  熵编码器  98  Huffman表解码  100  Huffman解码  102  小波逆变换  104  流程图  106  显示粗图像  108  精修粗图像  110  导航精细图像  112  查看较粗分辨率的图像  114  导航粗图像
具体实施方式
本发明的发明人实现了以下创新：通过变换(例如小波变换)z轴向的子容积，或一组数个单独切片，同时保持x轴向和y轴向地全空间分辨率，可以产生切片的最初所需的平均厚片再现。于是，图像可以被有效解压，使放射学家能首先以较低的分辨率模式快速导航这些数据，然后以放射学家通常检查这些数据的相同方式用直观浏览技术选择较高分辨率的查看区域。在本文中，术语压缩是指减少代表图像或图像系列所需的数据量的方法，可包括以下方法：如小波变换，离散余弦变换(DCT)，预测编码变换，包括例如差分脉冲编码调制(DPCM)，编码，以及熵编码，包括例如算术编码，行程编码，以及Huffman编码。除了压缩之外，还可以使用业界所知的图像逐级显示来屏蔽传输时延，即首先提供较低或较粗的分辨率作浏览，而当放射学家在浏览厚片寻找关注的区域时加载较高或精细分辨率的数据。
通过变换x轴向和y轴向的数据，可以对z轴向已压缩的厚片作进一步的压缩。另一方面，已压缩数据可再进一步编码以利用特别是z轴向的图像相关性，而提供更高的压缩增益。例如，邻近的扫描图像可具有较小的切片与切片之间的差别，或较高的相关性，允许有较高的压缩增益。相应地，与2D压缩方案相比，特别是对于具有较低带宽通信链路(例如WAN链路)的用户来说，数据传输时间可以减少。压缩z轴向的数据集由于z轴向的图像相关性可有利地产生放射学家作低分辨率查看所需的平均厚片。此外，z轴向的小波变换过程具有产生对数据作加权平均的作用，而提供信号的近似模型。相应地，小波变换有利地抑制了噪声，所以改进了图像质量。
原有的图像压缩方法(例如同时3D小波变换)要求解码所有的帧，然后对这些帧作平均，产生厚片。和原有方法不同，在本发明中，可在产生厚片的同时对压缩信息解压缩，这样比起传统方法就要求较少的计算开销，因而查看的速度更高。有利的是，在解压缩过程中产生的厚片成为复合切片的平均再现，并允许对图像，特别是轴向的图像，作方便的逐级解码。通过首先提供厚片再现，如果查看者对最初的厚片已感到满意，则解压缩所需的数据比传统方法一般所需的数据会更少。此外，放射学家可以“在运行时”选择一个片厚，即通过解压缩更多的数据来选择较精细的片厚，而不是命令扫描器以不同的片厚重新产生图像。而且，所有解压缩信息，从空间压缩的厚片再现到全部重新构建(无损)的图像，都可在同一位流中编码，减少了对局部存储空间的要求。此外，有损的压缩技术，例如量化技术，也可用来为在位流中编码而压缩数据。
图1示出体现本发明各方面的3D医学图像处理系统10的示范方框图。一般来说，系统10包括成像系统12，例如CT，MRI，或PET扫描系统，以及服务器14，它用于存储和压缩来自成像系统12的成像数据并在通信链路上，例如LAN/WAN16上，传输已压缩的信息。系统10还包括用户端计算机18，它用以从服务器14接收已压缩信息并解压缩所述已压缩信息，以及显示器20，它用于显示已解压缩的信息。操作用户端18的放射学家可向服务器14请求图像，而服务器14则例如以逐级编码数据流向用户端18提供已压缩图像作为响应。以下将详细说明本发明的压缩和解压缩方面。
图2示出处理3D医学图像信息的示范方法流程图22。最初，在24，在服务器14接收表示图像的数据。数据可以表示3D容积的各个连续截面，例如由医学成像系统12扫描的人体部分，所述截面通常垂直于一个轴向，或z轴向。在26，数据被接收之后作z轴向压缩，例如进行一维，z轴向的小波分解。如业界已知，图像的小波分解产生分辨率降低的图像和信息，允许以全分辨率重新创建原始图像。利用小波变换作3D医学图像压缩/解压缩的实例可参阅：bilgin，A.，Zweig，G.，Marcellin，M.W.，Three-dimensional image compressionwith integer wavelet transforms，Applied Optics，Vol.39，no.11(Apr.10，2000)，pp.1799-1814，此文已作为参考包括在本文内。本发明的一个方面是，数据可以分为数据的子集，或子容积，包括能表示子集中所包含的数个图像切片的数据。每个子容积可包括例如代表2，4，8或16个邻近切片的信息。但应理解，子容积中可包括任何数量的切片。小波分解可分别对每个子容积进行，以创建“厚片”的第一压缩再现。有利的是，小波分解提供的厚片能代表z轴向子容积的所有复合切片的平均值。
图3示出用于3D容积的示范小波分解的子带边界。在图3所示的小波分解方案中，进行多级分解。图3示出用于3D容积(例如厚片40)的示范小波分解的子带边界，其中子带边界表示分解的各级。例如，对于包含8个切片的厚片40，在z轴向可以进行三级分解，用子带边界42，44，和46表示，形成厚片40的第一压缩再现。如果每个切片的厚度是0.625毫米(mm)(厚片中的连续切片之间没有重叠)，在z轴向一级小波分解后，产生了四个分辨率降低的再现，每个再现对应于两个全分辨率切片，并代表厚度为1.25mm的平均切片(2个切片×每个切片0.625mm)。在z轴向作二级小波分解后，产生两个分辨率降低的再现，代表厚度2.5mm(4个切片×每个切片0.625mm)。三级分解后，产生一个分辨率降低的再现，代表总厚片厚度5mm(8个切片×每个切片0.625mm)。这种压缩方案保持了在与z轴正交的空间，或x-y轴向，厚片40的分辨率。有利的是，仅需要对应于已分解厚片的空间维度的z轴分解系数来重新构建对应于z轴向厚片40的最低分辨率模型的最高级分解。
回到图2的流程图，在26作z轴向小波变换后，得到的每个厚片40的第一变换再现可以进一步作x轴向和y轴向变换，创建第二变换再现。这样，降低空间或x-y轴向厚片40的分辨率，以便在逐级显示方案中提供更有效的传输。例如，通过x轴向和y轴向的交替分解来进行小波分解，产生空间分辨率逐级降低的再现，例如图3中空间子带边界48，50，52，54，56，58所示。另一方面，可以使用DPCM变换使x轴向和y轴向的第一变换再现“去”相关，以创建预测剩余第二变换再现。在29，在x轴向和y轴向变换后，可选择利用业界技术人员已知的有损压缩方案量化第二已变换再现。
可以通过进行熵编码步骤30对再现进行压缩，以利用构成厚片40的切片间的图像相关性。例如，诸如算术编码或Huffman编码等熵编码可以在例如小波变换或DPCM变换后获得的子容积变换后进行，以创建熵压缩信息。在本发明的一个示范形式中，Huffman编码方案可用于已变换的或预测剩余再现。
图4A示出对小波变换的图像数据进行Huffman编码60的示范熵编码器60的示范方框图。在进行小波变换62以产生已变换的图像数据后(例如上述第二已变换再现)，可对已变换的图像数据进行Huffman编码66，产生压缩的图像数据。此外，可以产生Huffman编码表64并用于Huffman编码66。Huffman表的各项可以根据数据相关性统计而动态更新以提供自适应编码。在本发明的一个方面，Huffman编码表可以包括在传输到用户端的已压缩图像位流中，以便在用户端18能更有效的作Huffman解码。上述压缩方案可以在例如从成像系统12接收到原图像数据后进行，并作为压缩数据存储，以降低服务器14中存储器的存储要求。另一方面，原图像数据可以不经压缩就存储，而在接收到对数据的请求时“在运行时”进行数据压缩。
熵编码30之后，所得的熵压缩信息可编码成位流，以便在用户端18进行例如厚片的逐级解码。图5A示出示范位流68，用于z轴向作小波变换和x-y轴向作DPCM变换的图像(例如厚片)作逐级编码。
位流68包括标题70，例如它包括分辨率方案的模型号，前向变换类型，小波分解级数，行列值，每个子容积中所用的切片数，以及小波子带的压缩大小。标题70信息后跟着的是熵解码表72，例如Huffman编码表，用以解码加到图像数据上的熵编码。熵解码表72后是压缩数据，例如逐级编码格式的数据。本发明的一个方面是，在位流的第一数据部分74，提供最低分辨率，或最高分解级n(例如，对应于图3中子带46表示的第三z轴分解)的压缩数据。而且，DPCM数据，例如用于当前级n的x轴向和y轴向2D压缩的DPCM系数，也在第一数据部分74中编码。级n数据后面，在位流的第二数据部分76，提供次高分辨率或次低分解级(级n-1)的压缩数据。第二数据部分76也可包括用于级n-1的x轴向和y轴向2D压缩的DPCM数据。位流可如上述逐级编码，直到到达最终的数据部分78，对应于第一分解级1的压缩数据编码。部分78也可包括用于级1的DPCM数据。
图5B示出另一示范位流80的配置，用于z轴向小波分解，随后x轴和y轴维度小波分解的图像的逐级编码。位流80包括标题82，其后是熵解码表，例如Huffman编码表84。Huffman编码表84后面可以提供逐级编码格式的压缩数据，位流的第一数据部分86留给最低分辨率，或最高分解(级n)的压缩数据，例如对应于图3中子带46表示的第三z轴分解的压缩数据。在本发明的一个方面，第一数据部分86还可用已变换的x轴和y轴数据编码，代表z轴向变换的级n数据的进一步压缩。而且，随后的部分92，94可用已变换的x轴和y轴数据作逐级编码。
例如，第一数据部分86可以依次分成子部分，对应于x轴向和y轴向小波分解的各级。按照逐级编码方案，用于x轴向和y轴向的最低分辨率，或最高分解级(例如，对应于图3中分解级58表示的第三级x轴向和y轴向分解)的以使数据存储在第一子部分88中。分辨率逐级增高的压缩数据可存储在顺次的子部分中，这样最后的子部分90含有用于x轴向和y轴向的最高分辨率，最低分解级的压缩数据。第一数据部分86之后，在位流的第二数据部分92，提供次高分辨率或次低分解级(级n-1)的z轴向压缩数据。级n-1可以和级n一样再分成x-y子带(未示出)。第二数据部分92后面是分辨率逐次升高的级别，所以位流的最后数据部分94是用对应于第一分解级(级1)的压缩数据编码。
回到图2，压缩数据编码之后，在34，可以按照用户端的请求将顺序位流发送到例如用户端18。用户端18接收到位流时，在36，在位流中编码的压缩数据可以逐级解码，在38，逐级显示分辨率越来越精细的所需图像再现。例如，位流可按信息到达用户端18的顺序作按时间顺序的解压，这样，位流第一数据部分中存储的较低分辨率的信息就可用来创建最初的较低分辨率的图像，随后是在后来收到的位流数据部分中包含的分辨率越来越高的信息。在本发明的一个方面，解压步骤36可包括对收到的压缩数据作熵解码。图4B示出在小波逆变换102图像数据之前进行熵解码例如Huffman解码100的熵解码器的示范方框图。Huffman解码(100)可以利用例如在接收的压缩位流中所包含的Huffman解码表98进行。应理解，Huffman编码/解码只是熵编码/解码的一个实例，不应被认为是对本发明的限制。
图6是在图2所示的逐级显示步骤中导航所显示的压缩图像的流程图104。工作时，查看者，例如放射学家，在用户端18向服务器14发出一个查看所需图像的请求。例如，放射学家请求查看一组厚片图像中的某一特定厚片。服务器14作出响应，以压缩的逐级编码的位流发送所请求的厚片图像。用户端18收到以后，解压图像并显示106粗略的分辨率较低的图像，对应于在位流开始解码的低分辨率数据。例如，放射学家首先接收到分辨率最低的图像，或第二压缩再现，对应于图3所示的由子带边界58表示的子带级59。
如果放射学家想要精细化，或获得较高分辨率的图像108，则放射学家可要求导航更精细的，或分辨率较高的图像110，直到达到所需的分辨率。如果放射学家要求分辨率较高的图像，越来越多的位流数据部分被解码，以提供分辨率逐级升高的图像版本。在本发明的一个方面，最初要求增加显示的分辨率会导致x轴向和y轴向图像数据的重新构建，以对应于变换数据在位流中编码的时间顺序。在所有x轴向和y轴向变换信息都重新构建之后，提供全空间分辨率版本，或第一变换再现(包括子容积的平均厚片视图)作显示。然后，随着要求子容积有更高分辨率，位流中的z轴变换数据就逐级重新构建，以提供在轴向上分辨率逐级升高或逐级“去平均”的厚片视图。增高的轴向分辨率就可以逐级显示，直到达到子容积的全分辨率。例如，为查看包括子容积的单个切片，放射学家就选择对应于所需切片的子容积，且所述子容积全部解码。如果子容积包括例如8个切片，子容积完全解码就可查看组成所述厚片的8个切片中的任何一个。
所以，一旦已收到整个重新构建的位流，全部解压的图像可本机存储在用户端18，或者当放射学家要求不同分辨率的图像时，将压缩的图像信息不断地流到用户端以提供所需分辨率的图像。如果在已到达所需的高分辨率级时放射学家需要查看较低或粗略分辨率的图像112，(例如，为了以更快的速度导航低分辨率模式的数据，因为重新创建较低分辨率的图像需要较少的信息)，放射学家可能选择返回查看较低分辨率的显示114。这样，可以向服务器14请求所需的分辨率级，而可从位流中提取用于所需分辨率的合适的压缩数据。如果位流中的信息已本机存储在用户端18，就可从本机存储的压缩信息中提取所需分辨率的图像。如果放射学家然后需要查看分辨率较高的图像，图像可以进一步精细化，例如从接收的位流中提取图像数据，或从以前本机存储的压缩数据中提取图像数据。上述过程有利地保持了传输带宽，并降低了处理要求，特别是如果放射学家不需要用分辨率较高的图像来导航图像数据，以便找出他需要以较高分辨率查看的图像区域。一旦显示了所需分辨率级的图像，就不需要提供进一步压缩的图像信息，也不需要进行另外的解压。重要的是，此技术可使放射学家选择作诊断所需的适当的信息量，而不必选择大量的高分辨率图像然后才找到作诊断所需的关注区域。有利的是，放射学家的工作效率比传统方法有所提高。
本发明可以由计算机实现的过程以及实现这些过程的装置来实现。本发明也可以计算机程序代码的形式来实现，所述计算机程序代码包含有可保存在有形介质中(例如软盘，CD-ROM，硬盘驱动器，或任何其它计算机可读的存储介质)的计算机可读指令，其特点在于，当计算机程序代码加载到计算机上并由计算机执行时，所述计算机就成为实现本发明的装置。本发明也可以以计算机程序代码的形式来实现，例如，所述计算机程序代码可以是存储在存储介质中，加载到计算机上和/或由计算机执行，或通过某种传输介质发送，例如通过电线或电缆，通过光纤，或经由电磁辐射等发送，其特征在于，当计算机程序代码加载到计算机上并由计算机执行时，所述计算机就成为实现本发明的装置。在通用计算机上实施时，计算机程序代码段会对计算机进行配置，创建特定的逻辑电路和处理模块。
虽然以上已对本发明的优选实施例作了图示和说明，但显然这些实施例仅是以实例方式提供的。业界的技术人员在不背离本发明的情况下可以作出许多改变、更动和替代。所以，本发明应仅受所附权利要求书的精神和范围的限制。