專利名稱：一種海量醫學圖像三維可視化處理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種海量圖像的可視化處理系統，特別涉及一種海量醫學圖像 三維可視化處理系統。
背景技術：
隨著數字圖像技術及多媒體信息技術的發展,海量圖像數據的應用越來越 普遍，比如說醫學圖像領域已經普遍運用了海量圖像數據，并且隨著醫學數字 圖像采集設備的改進，原始圖像數據的精細程度的提高，需要處理的數據量也 越來越大。然而，與此相對應的是硬件方面計算機內存的增加速度永遠趕不上 數據量的增長速度；軟件方面計算機系統的設計使得32位軟件最多擁有3GB數 據處理能力。即使采用64位設計軟件，要將海鼂醫學圖像的全部數據讀入至內 存中處理也是不現實的。
在醫學圖像處理領域，將醫學圖像中具有特殊含義的感興趣區域提取，并 進行三維重建，這在醫學應用中具有特殊的重要意義。在上述各種不同的圖像 處理中都會直接或間接對海量醫學圖像數據進行處理，并會生成相應中間結果， 因此如何科學有效地表示和存儲醫學圖像數據使之適于醫學圖像處理操作便成 為解決海量醫學圖像處理的關鍵。
實現海量圖像處理的關鍵就在于如何解決內存與硬盤之間數據通信，以大 的硬盤空間來彌補內存空間的不足，同時又要保證在大量的數據通信下軟件仍 能滿足用戶需求。目前主要有以下四種方法
4方法一使得程序可以訪問超過3GB的內存地址。例如現有技術中的，醫療 三維重建研究軟VG Studio Max,采用處理模型是開發基于64位處理器的軟件， 在64位處理器下，程序可以訪問的地址幾十GB。
方法二采用內存圖像數據分塊處理，并進行結果匯總的方法。廣東威創
曰新電子有限公司提出一種海量圖像數據壓縮，存儲和顯示方法。專利申請號:
200710027386.5。此方案將海量圖像數據分塊，將分塊數據讀取并存放在內存 緩存，經壓縮生成各種分辨率級別的分層數據，并保存為中間圖像文件，然后 釋放該內存緩存；在對海量圖像進行顯示時，將存儲在磁盤中的中間圖像文件 讀取到內存緩沖中，然后拷貝到顯示緩沖區，將該顯示區域范圍內的圖像顯示 出來。
方法三采用每次處理立即釋放內存空間的方法；
力法四采用圖像尺、丄縮小方法來減少要處理數據量。
以上方法都存在如下不足方法1要針對不同操作系統進行自主內存管理， 方法不便于移植，復雜，而且不能充分利用已有操作系統高效的內存管埋。特 別是醫療三維重建研究軟VG Studio Max對處理器，內存等硬件和操作系統都 有要求，而當前主流仍以32位處理器為主，VG Studio Max在32位處理器上不 能進行海量圖像數據處理。
方法2要針對現有不同的圖像處理算法進行相應的分塊，合并操作，而不 同的圖像處理算法各不相同，工作量大，同時有些圖像處理算法不能進行分塊 處理，這就意味著采用這種方式就不能進行某些不支持圖像分塊的數據處理。 專利申請號為200710027386. 5,名稱為一種海量圖像數據壓縮，存儲和顯示方 法的專利申請主要用于圖像顯示，并不涉及數字圖像處理，如平滑、分割、三維重建等。同時采用分塊的方式，正如前面所述，對于類似醫學圖像處理中涉 及到三維體數據處理中部分算法不能進行。
方法3僅是通過臨時釋放數據的方法來騰出空間，并不是真正解決問題， 而且動態釋放內存會降低處理的效率。
方法4為最常用方法，但縮小意味著圖像有不同程序的失真，而醫學圖像 往往要求精細度很高，這種方法不能達到醫學圖像精細的要求。

發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術不足，設計一種能對海量醫學圖像進 行三維可視化處理，并能有效利用內存空間，以求在內存空間和內存處理效率 中取得最佳平衡點的海量醫學圖像三維可視化處理系統。
為了解決上述技術問題，本發明包括如下技術方案 一種海量醫學圖像三 維可視化處理系統，包括依次連接的圖片導入模塊、數據庫、圖像二維可視化 處理模塊和三維模型顯示模塊；所述圖像三維可視化處理模塊包括客戶端、服 務端和硬盤緩存器，所述客戶端通過服務端與硬盤緩存器連接，所述硬盤緩沖 器與客戶端和三維模型顯示模塊連接。
所述服務端包括圖像平滑模塊、圖像分割模塊、三維重建模塊；所述硬盤 緩存器包括平滑結果硬盤緩存、分割結果硬盤緩存和三維重建結果硬盤緩存； 所述圖像平滑模塊、平滑結果硬盤緩存、圖像分割模塊、分割結果硬盤緩存、 三維重建模塊、三維重建結果硬盤緩存依次連接。
由于需要大量的內存與硬盤緩存操作，本發明采用游程編碼用于壓縮圖像 分割后的結果，來減少對硬盤緩存的需求，所述分割結果硬盤緩存包括依次連 接的文件頭信息生成單元、游程編碼壓縮單元、硬盤緩存器和游程編碼解壓單元。
為方便后續處理，把同一系列的斷層圖像合并成3維體數據以單個DICOM 文件格式保存，所述圖片導入模塊包括依次連接的文件頭信息讀入單元和圖片 排序單元。
為了讓用戶選擇是否應該縮小圖像尺寸使得處理結果和效率都能滿足用戶 要求，所述圖像導入模塊包括圖像尺寸縮放選擇單元。
所述圖像尺寸縮放選擇單元包括依次連接的縮放命令執行器和文件信息修 改器。
為了支持數據管理，避免重復處理，所述的數據庫包括依次連接的數據管 理單元和數據存儲單元。
所述數據管理單元包括記錄查詢器，與記錄查詢器連接的記錄生成器，所 述的記錄生成器與數據存儲單元連接。
與現有技術相比，本發明具有如下優點通過本發明，能夠解決當前無法 處理的醫學海量圖像數據三維可視化問題。使得一般圖像處理算法在不需要改 動的情況下能夠支持達上GB以上的DICOM圖像處理。對于當前普遍僅能處理 部分臟器的小數據處理是創新的突破。


圖1現有技術對海量圖像數據處理的流程示意圖； 圖2為本發明的海量圖像數據處理模型意圖； 圖3為本發明的海量圖像處理流程圖； 圖4為本發明的海量醫學圖像數據導入流程圖； 圖5為本發明的數據庫管理流程圖；圖6為本發明的文件頭信息生成單元生成的海量圖像中間數據格式。
具體實施例方式
本發明基于圖像數據處理流水線的原理，即各種不同的圖像數據處理都可 以抽象看作是一數據處理器，數據傳入，并通過以結果的方式流出。這樣，我 們就要以把圖像數據處理的任務看作把數據送入流水線，把不同的處理以輸入 輸出的方法連接，最終即可得到我們想要的結果。
圖1是現有技術對海量圖像數據處理的流程示意圖，為了滿足對醫學圖片 處理的需求，需要進行DICOM原始采集數據，然后通過數據導入模塊得到'本數 據，將體數據依次通過圖像去噪平滑模塊、圖像分割模塊和三維重建模塊的處 理，得到的結果進入三維模型處理模塊，所述三維模型處理模塊處理的結果送 到模型庫或者到顯示模塊進行顯示。但是，假設原始采集DICOM數據為600 張，每張圖M大小為512*512，則大約為400MB左右,若緣純采用內存保i'十iufe進 行處理，設每個模塊至少生成一個中間結果，則所需要的空間接近2GB，而一般32 位程序無法支持如此大的內存操作限于內存無^^一次性載入多個海量圖像數 據，因此，通過把硬盤緩存器，把每個數據處理器的連接通過硬盤緩沖來相連， 這樣就可以使得在流水線中存在活動的圖像數據為最低。使得海量圖像數據處 理成為可能。
圖2為本發明的海量圖像數據處理模型意圖。醫學圖像三維可視化處理模 塊24包括客戶端25、服務端26和硬盤緩存器27，所述客戶端25通過服務端 26與硬盤緩存器27連接，所述硬盤緩沖器27與客戶端和三維模型顯示模塊9 連接。本發明主要采用類似提供服務的方式細化每個圖像處理執行流程
(1)把不同的圖像處理作為服務端26，每次處理由程序發送命令給相應服務端26;
(2) 服務端26收到命令，執行相應圖像處理請求；
(3) 命令完成，服務端26把結果進行壓縮寫入硬盤緩存器27，并生成相 應記錄，返回客戶端25;
(4) 客戶端25查詢服務端26返回記錄，進行處理結果管理，并執行后續 圖像處理操作。
其中，客戶端25主要工作是負責管理導入的數據及由服務端26生成的操 作結果。服務端26主要是細化和完成圖像處理流程.。
圖3為本發明的海量圖像處理流程圖。其中，數據庫中的圖片經過依次連 接的圖像平滑模塊3、平滑結果硬盤緩存4、圖像分割模塊5、分割結果硬盤緩 存6、三維重建模塊7、三維重建結果硬盤緩存8以及三維模型顯示模塊9最終 得到處理結果。因此，不同于一般的圖像處理流程，這里使用內存僅是不同處 理模塊的所需內存最大值，而不是所有模塊需要內存之和。這里主要通過硬盤 緩存來解決有限內存尋址的問題目。例如， 一般圖像處理流程假設包含圖像平 滑，分割及三維重建模塊，5見有原始采集DICOM數據為600張，每張圖片大小 為512*512,則大約為400MB左右，則內存為能進行圖像處理一般要求包含原始 數據，平滑后數據，分割結果，及三維重建模，其內存需求大于^400MB，接 近2GB，操作系統無法承受如此大的內存訪問。而通過采用硬盤緩存及模塊劃 分，每個模塊獨立，均可尋址2GB，這樣，每個模塊所需內存僅為數據輸入和 數據輸出，若上述倒子，僅2t400MB，這樣就間接提高內存能處理數據的效率。
圖4為本發明的海量醫學圖像數據導入流程圖。本發明通過圖像導入模塊1 實現海量醫學圖像數據的導入，所述的醫學圖片導入模塊1包括依次連接的文件頭信息讀入單元14、圖片排序單元15和圖像尺寸縮放選擇單元16，所述圖 像尺寸縮放選擇單元16包括依次連接的縮放命令執行器17和文件信息修改器 18。
圖像數據導入是進行數據處理的第一步，由于醫學圖像數據以DICOM格式 保存， 一個個體一般包含上至幾百張斷層圖像，為方便后續處理，數據導入完 成的主要任務就是把同一系列的斷層圖像合并成三維體數據以單個DICOM文 件格式保存。每張DICOM文件頭都包含相關的信息，例如病人名，系列ID，圖 像空間位置，圖像精確度等。本發明利用DICOM頭信息解決自動劃分系列和排 序斷層文件的問題。同時能由用戶選擇讓程序是否應該縮小圖像尺寸使得處理 結果和效率都能滿足用戶要求，而縮減的過程應該同時修改DICOM頭文件的空 間信息使得數據不會因圖像尺寸改變而不可讀。
其中，文件頭信息讀入單元14讀入并分析DICOM頭文件倍息(例如病人 名，系列ID，圖像空間位置，圖像精確度等)，圖片排序單元15利用DICOM頭 信息解決自動劃分系列和排序斷層文件的問題。
根據用戶的需求，圖像尺寸縮放選擇單元16根據用戶的選擇對圖片進行縮 放操作，當接受到用戶選擇縮放圖片的命令時，縮放命令執行器17根據用戶要 求對圖片進行縮放，文件信息修改器18同時修改DICOM頭文件的空間信息， 使得圖片不會因圖像的尺寸改變而不可讀。經過排序和縮放選擇處理的圖片， 生成DICOM體數據并被導入數據庫。
圖5為本發明的數據庫管理流程圖。 一般來說，海量數據的導入和處理是 十分耗時的，而用戶對同一個體的數據操作又是頻繁的，因此，如何有效管理 數據就是海量數據處理首要解決的問題。本發明釆用XML文件作為簡易的數據庫，記錄當前所有海量醫學圖像數據的位置及處理結果，使得處理能夠持久化， 即程序能夠自動記錄用戶的以往操作，避免重復處理。為支持數據管理，需提 供相關接口，自動生成記錄標記，查詢記錄項，插入記錄項，刪除記錄項。
所述的數據庫包括依次連接的數據管理單元19和數據存儲單元20。所述數 據管理單元19包括記錄查詢器21，與記錄査詢器21連接的記錄生成器22，所 述的記錄生成器22與數據存儲單元20連接。
經過圖像導入模塊l處理的圖片，首先生成記錄標記，記錄査詢器21查詢 該記錄標記，如果已經存在數據，則結朿操作；如果沒有讀取到已存在數據， 則執行操作，添加操作記錄項到數據存儲單元20，也就是本發明實施例中的 XML數據庫，同時，通過記錄生成器22生成本次操作的記錄項，為下次記錄 査詢器21查詢時査詢。
圖6為本發明的文件頭信息生成單元生成的海量圖像中間數據格xl由于 需要大量的內存與硬盤緩存操作，本發明采用游禾呈編碼用于保存圖像分割后的 結果，來減少對硬盤緩沖的需求。文件格式包括兩個部分，頭文件信息和游程 編碼，為了更好的記錄病人信息，頭文件信息包括病人ID、掃描ID、文件名、 創建日期、作者、程序、模塊、圖像尺寸、和圖像空間信息等。
所述的游程編碼用于保存圖像分割后的結果通過分割結果硬盤緩存6完成， 其包括依次連接的文件頭信息生成單元、游程編碼壓縮單元、硬盤緩存器和游 程編碼解壓單元。由于分割后的結果均為二值圖像，即只包含前景色和背景色。 在這里以0，1表示，因此，可以僅對l進行游程編碼。并改進原始游程編碼，加 入相關DICOM頭信息，以保存在后續數據處理中能引用相關DICOM頭信息。
其具體的步驟為分為壓縮流程和解壓流程，圖像經過分割后，首先通過頭文件頭信息生成單元生成圖像的頭信息，包括病人ID、掃描ID、文件名、創 建日期、作者、程序、模塊、圖像尺寸、和圖像空間信息等。然后游程編碼壓 縮單元遍歷圖像像素值，當遇到1則記錄當前圖像下標(x，y，z)，并歩進至遇 到0值，記錄過程中出現l的個數作為游程，記為r.并寫(x， y， z， r)寫入到 硬盤緩存器中。
解壓縮時，游程編碼解壓單元首先讀入硬盤緩存器中的壓縮文件頭信息， 生成相應圖像大小，接著依次讀入之前保存的(x， y, z，r)值，把圖像下標為(x， y, z) 及其后r個像素的值設為l。
權利要求
1. 一種海量醫學圖像三維可視化處理系統，包括依次連接的圖片導入模塊(1)、數據庫、圖像三維可視化處理模塊(24)和三維模型顯示模塊(9)；所述圖像三維可視化處理模塊(24)包括客戶端(25)、服務端(26)和硬盤緩存器(27)，所述客戶端(25)通過服務端(26)與硬盤緩存器(27)連接，所述硬盤緩沖器(27)與客戶端和三維模型顯示模塊(9)連接。
2. 根據權利要求1所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，其特征在于 所述服務端(26)包括圖像平滑模塊(3)、圖像分割模塊(5)、三維重建模塊(7);所述硬盤緩存器(27)包括平滑結果硬盤緩存(4)、分割結果硬盤緩存 (6)和三維重建結果硬盤緩存(8);所述圖像平滑模塊(3)、平滑結果硬盤緩存圖像分判模塊(5)、分割結果硬盤緩存(6)、三維重建模塊':7:\ -三維重建結果硬盤緩存(8)依次連接。
3. 根據權利要求2所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，j^〕 liE在于 所述分割結果硬盤緩存(6)包括依次連接的文件頭信息生成單元、游程編碼壓 縮單元、硬盤緩存器和游程編碼解壓單元。
4. 根據權利要求3所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，其特征在于 所述圖片導入模塊(1)包括依次連接的文件頭信息讀入單元(14)和圖片排序 單元(15)。
5. 根據權利要求4所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，其特征在于 所述圖像導入模塊(1)包括圖像尺寸縮放選擇單元(16)。
6. 根據權利要求5所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，其特征在于: 所述圖像尺寸縮放選擇單元(16)包括依次連接的縮放命令執行器(17)和文件信息修改器(18)。
7. 根據權利要求6所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，其特征在于:所述的數據庫包括依次連接的數據管理單元(19)和數據存儲單元(20)。
8. 根據權利要求7所述的海量醫學圖像三維可視化處理系統，其特征在于: 數據管理單元(19)包括記錄査詢器(21)，與記錄査詢器(21)連接的記錄生成 器(22)，所述的記錄生成器(22)與數據存儲單元(20)連接。
全文摘要
一種海量醫學圖像三維可視化處理系統，包括依次連接的醫學圖片導入模塊數據庫、醫學圖像三維可視化處理模塊和三維模型顯示模塊；所述醫學圖像三維可視化處理模塊包括客戶端、服務端和硬盤緩存器，所述客戶端通過服務端與硬盤緩存器連接，所述硬盤緩沖器與客戶端和三維模型顯示模塊連接。本發明利用硬盤緩存器，把每個數據處理器通過硬盤緩存器來相連，這樣就可以使得在流水線中存在活動的圖像數據為最低。本發明能夠解決當前無法處理的醫學海量圖像數據三維可視化問題，使得一般圖像處理算法在不需要改動的情況下能夠支持達上GB以上的DICOM圖像處理。對于當前普遍僅能處理部分臟器的小數據處理是創新的突破。
文檔編號G06T1/60GK101520817SQ200810199009
公開日2009年9月2日 申請日期2008年10月7日 優先權日2008年10月7日
發明者丘文峰, 彭豐平, 方馳華, 鮑蘇蘇, 黃燕鵬 申請人:華南師范大學;南方醫科大學珠江醫院