一种海量医学图像三维可视化处理系统的制作方法

专利名称：一种海量医学图像三维可视化处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海量图像的可视化处理系统，特别涉及一种海量医学图像 三维可视化处理系统。
背景技术：
随着数字图像技术及多媒体信息技术的发展,海量图像数据的应用越来越 普遍，比如说医学图像领域已经普遍运用了海量图像数据，并且随着医学数字 图像采集设备的改进，原始图像数据的精细程度的提高，需要处理的数据量也 越来越大。然而，与此相对应的是硬件方面计算机内存的增加速度永远赶不上 数据量的增长速度；软件方面计算机系统的设计使得32位软件最多拥有3GB数 据处理能力。即使采用64位设计软件，要将海鼂医学图像的全部数据读入至内 存中处理也是不现实的。
在医学图像处理领域，将医学图像中具有特殊含义的感兴趣区域提取，并 进行三维重建，这在医学应用中具有特殊的重要意义。在上述各种不同的图像 处理中都会直接或间接对海量医学图像数据进行处理，并会生成相应中间结果， 因此如何科学有效地表示和存储医学图像数据使之适于医学图像处理操作便成 为解决海量医学图像处理的关键。
实现海量图像处理的关键就在于如何解决内存与硬盘之间数据通信，以大 的硬盘空间来弥补内存空间的不足，同时又要保证在大量的数据通信下软件仍 能满足用户需求。目前主要有以下四种方法
4方法一使得程序可以访问超过3GB的内存地址。例如现有技术中的，医疗 三维重建研究软VG Studio Max,采用处理模型是开发基于64位处理器的软件， 在64位处理器下，程序可以访问的地址几十GB。
方法二采用内存图像数据分块处理，并进行结果汇总的方法。广东威创
曰新电子有限公司提出一种海量图像数据压縮，存储和显示方法。专利申请号:
200710027386.5。此方案将海量图像数据分块，将分块数据读取并存放在内存 缓存，经压缩生成各种分辨率级别的分层数据，并保存为中间图像文件，然后 释放该内存缓存；在对海量图像进行显示时，将存储在磁盘中的中间图像文件 读取到内存缓冲中，然后拷贝到显示缓冲区，将该显示区域范围内的图像显示 出来。
方法三采用每次处理立即释放内存空间的方法；
力法四采用图像尺、丄縮小方法来减少要处理数据量。
以上方法都存在如下不足方法1要针对不同操作系统进行自主内存管理， 方法不便于移植，复杂，而且不能充分利用已有操作系统高效的内存管埋。特 别是医疗三维重建研究软VG Studio Max对处理器，内存等硬件和操作系统都 有要求，而当前主流仍以32位处理器为主，VG Studio Max在32位处理器上不 能进行海量图像数据处理。
方法2要针对现有不同的图像处理算法进行相应的分块，合并操作，而不 同的图像处理算法各不相同，工作量大，同时有些图像处理算法不能进行分块 处理，这就意味着采用这种方式就不能进行某些不支持图像分块的数据处理。 专利申请号为200710027386. 5,名称为一种海量图像数据压縮，存储和显示方 法的专利申请主要用于图像显示，并不涉及数字图像处理，如平滑、分割、三维重建等。同时采用分块的方式，正如前面所述，对于类似医学图像处理中涉 及到三维体数据处理中部分算法不能进行。
方法3仅是通过临时释放数据的方法来腾出空间，并不是真正解决问题， 而且动态释放内存会降低处理的效率。
方法4为最常用方法，但縮小意味着图像有不同程序的失真，而医学图像 往往要求精细度很高，这种方法不能达到医学图像精细的要求。

发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术不足，设计一种能对海量医学图像进 行三维可视化处理，并能有效利用内存空间，以求在内存空间和内存处理效率 中取得最佳平衡点的海量医学图像三维可视化处理系统。
为了解决上述技术问题，本发明包括如下技术方案 一种海量医学图像三 维可视化处理系统，包括依次连接的图片导入模块、数据库、图像二维可视化 处理模块和三维模型显示模块；所述图像三维可视化处理模块包括客户端、服 务端和硬盘缓存器，所述客户端通过服务端与硬盘缓存器连接，所述硬盘缓冲 器与客户端和三维模型显示模块连接。
所述服务端包括图像平滑模块、图像分割模块、三维重建模块；所述硬盘 缓存器包括平滑结果硬盘缓存、分割结果硬盘缓存和三维重建结果硬盘缓存； 所述图像平滑模块、平滑结果硬盘缓存、图像分割模块、分割结果硬盘缓存、 三维重建模块、三维重建结果硬盘缓存依次连接。
由于需要大量的内存与硬盘缓存操作，本发明采用游程编码用于压縮图像 分割后的结果，来减少对硬盘缓存的需求，所述分割结果硬盘缓存包括依次连 接的文件头信息生成单元、游程编码压縮单元、硬盘缓存器和游程编码解压单元。
为方便后续处理，把同一系列的断层图像合并成3维体数据以单个DICOM 文件格式保存，所述图片导入模块包括依次连接的文件头信息读入单元和图片 排序单元。
为了让用户选择是否应该縮小图像尺寸使得处理结果和效率都能满足用户 要求，所述图像导入模块包括图像尺寸縮放选择单元。
所述图像尺寸縮放选择单元包括依次连接的縮放命令执行器和文件信息修 改器。
为了支持数据管理，避免重复处理，所述的数据库包括依次连接的数据管 理单元和数据存储单元。
所述数据管理单元包括记录查询器，与记录查询器连接的记录生成器，所 述的记录生成器与数据存储单元连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点通过本发明，能够解决当前无法 处理的医学海量图像数据三维可视化问题。使得一般图像处理算法在不需要改 动的情况下能够支持达上GB以上的DICOM图像处理。对于当前普遍仅能处理 部分脏器的小数据处理是创新的突破。


图1现有技术对海量图像数据处理的流程示意图； 图2为本发明的海量图像数据处理模型意图； 图3为本发明的海量图像处理流程图； 图4为本发明的海量医学图像数据导入流程图； 图5为本发明的数据库管理流程图；图6为本发明的文件头信息生成单元生成的海量图像中间数据格式。
具体实施例方式
本发明基于图像数据处理流水线的原理，即各种不同的图像数据处理都可 以抽象看作是一数据处理器，数据传入，并通过以结果的方式流出。这样，我 们就要以把图像数据处理的任务看作把数据送入流水线，把不同的处理以输入 输出的方法连接，最终即可得到我们想要的结果。
图1是现有技术对海量图像数据处理的流程示意图，为了满足对医学图片 处理的需求，需要进行DICOM原始采集数据，然后通过数据导入模块得到'本数 据，将体数据依次通过图像去噪平滑模块、图像分割模块和三维重建模块的处 理，得到的结果进入三维模型处理模块，所述三维模型处理模块处理的结果送 到模型库或者到显示模块进行显示。但是，假设原始采集DICOM数据为600 张，每张图M大小为512*512，则大约为400MB左右,若缘纯采用内存保i'十iufe进 行处理，设每个模块至少生成一个中间结果，则所需要的空间接近2GB，而一般32 位程序无法支持如此大的内存操作限于内存无^^一次性载入多个海量图像数 据，因此，通过把硬盘缓存器，把每个数据处理器的连接通过硬盘缓冲来相连， 这样就可以使得在流水线中存在活动的图像数据为最低。使得海量图像数据处 理成为可能。
图2为本发明的海量图像数据处理模型意图。医学图像三维可视化处理模 块24包括客户端25、服务端26和硬盘缓存器27，所述客户端25通过服务端 26与硬盘缓存器27连接，所述硬盘缓冲器27与客户端和三维模型显示模块9 连接。本发明主要采用类似提供服务的方式细化每个图像处理执行流程
(1)把不同的图像处理作为服务端26，每次处理由程序发送命令给相应服务端26;
(2) 服务端26收到命令，执行相应图像处理请求；
(3) 命令完成，服务端26把结果进行压縮写入硬盘缓存器27，并生成相 应记录，返回客户端25;
(4) 客户端25查询服务端26返回记录，进行处理结果管理，并执行后续 图像处理操作。
其中，客户端25主要工作是负责管理导入的数据及由服务端26生成的操 作结果。服务端26主要是细化和完成图像处理流程.。
图3为本发明的海量图像处理流程图。其中，数据库中的图片经过依次连 接的图像平滑模块3、平滑结果硬盘缓存4、图像分割模块5、分割结果硬盘缓 存6、三维重建模块7、三维重建结果硬盘缓存8以及三维模型显示模块9最终 得到处理结果。因此，不同于一般的图像处理流程，这里使用内存仅是不同处 理模块的所需内存最大值，而不是所有模块需要内存之和。这里主要通过硬盘 缓存来解决有限内存寻址的问题目。例如， 一般图像处理流程假设包含图像平 滑，分割及三维重建模块，5见有原始采集DICOM数据为600张，每张图片大小 为512*512,则大约为400MB左右，则内存为能进行图像处理一般要求包含原始 数据，平滑后数据，分割结果，及三维重建模，其内存需求大于^400MB，接 近2GB，操作系统无法承受如此大的内存访问。而通过采用硬盘缓存及模块划 分，每个模块独立，均可寻址2GB，这样，每个模块所需内存仅为数据输入和 数据输出，若上述倒子，仅2t400MB，这样就间接提高内存能处理数据的效率。
图4为本发明的海量医学图像数据导入流程图。本发明通过图像导入模块1 实现海量医学图像数据的导入，所述的医学图片导入模块1包括依次连接的文件头信息读入单元14、图片排序单元15和图像尺寸縮放选择单元16，所述图 像尺寸縮放选择单元16包括依次连接的縮放命令执行器17和文件信息修改器 18。
图像数据导入是进行数据处理的第一步，由于医学图像数据以DICOM格式 保存， 一个个体一般包含上至几百张断层图像，为方便后续处理，数据导入完 成的主要任务就是把同一系列的断层图像合并成三维体数据以单个DICOM文 件格式保存。每张DICOM文件头都包含相关的信息，例如病人名，系列ID，图 像空间位置，图像精确度等。本发明利用DICOM头信息解决自动划分系列和排 序断层文件的问题。同时能由用户选择让程序是否应该縮小图像尺寸使得处理 结果和效率都能满足用户要求，而縮减的过程应该同时修改DICOM头文件的空 间信息使得数据不会因图像尺寸改变而不可读。
其中，文件头信息读入单元14读入并分析DICOM头文件倍息(例如病人 名，系列ID，图像空间位置，图像精确度等)，图片排序单元15利用DICOM头 信息解决自动划分系列和排序断层文件的问题。
根据用户的需求，图像尺寸縮放选择单元16根据用户的选择对图片进行縮 放操作，当接受到用户选择縮放图片的命令时，縮放命令执行器17根据用户要 求对图片进行縮放，文件信息修改器18同时修改DICOM头文件的空间信息， 使得图片不会因图像的尺寸改变而不可读。经过排序和縮放选择处理的图片， 生成DICOM体数据并被导入数据库。
图5为本发明的数据库管理流程图。 一般来说，海量数据的导入和处理是 十分耗时的，而用户对同一个体的数据操作又是频繁的，因此，如何有效管理 数据就是海量数据处理首要解决的问题。本发明釆用XML文件作为简易的数据库，记录当前所有海量医学图像数据的位置及处理结果，使得处理能够持久化， 即程序能够自动记录用户的以往操作，避免重复处理。为支持数据管理，需提 供相关接口，自动生成记录标记，查询记录项，插入记录项，删除记录项。
所述的数据库包括依次连接的数据管理单元19和数据存储单元20。所述数 据管理单元19包括记录查询器21，与记录査询器21连接的记录生成器22，所 述的记录生成器22与数据存储单元20连接。
经过图像导入模块l处理的图片，首先生成记录标记，记录査询器21查询 该记录标记，如果已经存在数据，则结朿操作；如果没有读取到已存在数据， 则执行操作，添加操作记录项到数据存储单元20，也就是本发明实施例中的 XML数据库，同时，通过记录生成器22生成本次操作的记录项，为下次记录 査询器21查询时査询。
图6为本发明的文件头信息生成单元生成的海量图像中间数据格xl由于 需要大量的内存与硬盘缓存操作，本发明采用游禾呈编码用于保存图像分割后的 结果，来减少对硬盘缓冲的需求。文件格式包括两个部分，头文件信息和游程 编码，为了更好的记录病人信息，头文件信息包括病人ID、扫描ID、文件名、 创建日期、作者、程序、模块、图像尺寸、和图像空间信息等。
所述的游程编码用于保存图像分割后的结果通过分割结果硬盘缓存6完成， 其包括依次连接的文件头信息生成单元、游程编码压縮单元、硬盘缓存器和游 程编码解压单元。由于分割后的结果均为二值图像，即只包含前景色和背景色。 在这里以0，1表示，因此，可以仅对l进行游程编码。并改进原始游程编码，加 入相关DICOM头信息，以保存在后续数据处理中能引用相关DICOM头信息。
其具体的步骤为分为压縮流程和解压流程，图像经过分割后，首先通过头文件头信息生成单元生成图像的头信息，包括病人ID、扫描ID、文件名、创 建日期、作者、程序、模块、图像尺寸、和图像空间信息等。然后游程编码压 縮单元遍历图像像素值，当遇到1则记录当前图像下标(x，y，z)，并歩进至遇 到0值，记录过程中出现l的个数作为游程，记为r.并写(x， y， z， r)写入到 硬盘缓存器中。
解压縮时，游程编码解压单元首先读入硬盘缓存器中的压縮文件头信息， 生成相应图像大小，接着依次读入之前保存的(x， y, z，r)值，把图像下标为(x， y, z) 及其后r个像素的值设为l。
权利要求
1. 一种海量医学图像三维可视化处理系统，包括依次连接的图片导入模块(1)、数据库、图像三维可视化处理模块(24)和三维模型显示模块(9)；所述图像三维可视化处理模块(24)包括客户端(25)、服务端(26)和硬盘缓存器(27)，所述客户端(25)通过服务端(26)与硬盘缓存器(27)连接，所述硬盘缓冲器(27)与客户端和三维模型显示模块(9)连接。
2. 根据权利要求1所述的海量医学图像三维可视化处理系统，其特征在于 所述服务端(26)包括图像平滑模块(3)、图像分割模块(5)、三维重建模块(7);所述硬盘缓存器(27)包括平滑结果硬盘缓存(4)、分割结果硬盘缓存 (6)和三维重建结果硬盘缓存(8);所述图像平滑模块(3)、平滑结果硬盘缓存图像分判模块(5)、分割结果硬盘缓存(6)、三维重建模块':7:\ -三维重建结果硬盘缓存(8)依次连接。
3. 根据权利要求2所述的海量医学图像三维可视化处理系统，j^〕 liE在于 所述分割结果硬盘缓存(6)包括依次连接的文件头信息生成单元、游程编码压 縮单元、硬盘缓存器和游程编码解压单元。
4. 根据权利要求3所述的海量医学图像三维可视化处理系统，其特征在于 所述图片导入模块(1)包括依次连接的文件头信息读入单元(14)和图片排序 单元(15)。
5. 根据权利要求4所述的海量医学图像三维可视化处理系统，其特征在于 所述图像导入模块(1)包括图像尺寸縮放选择单元(16)。
6. 根据权利要求5所述的海量医学图像三维可视化处理系统，其特征在于: 所述图像尺寸縮放选择单元(16)包括依次连接的縮放命令执行器(17)和文件信息修改器(18)。
7. 根据权利要求6所述的海量医学图像三维可视化处理系统，其特征在于:所述的数据库包括依次连接的数据管理单元(19)和数据存储单元(20)。
8. 根据权利要求7所述的海量医学图像三维可视化处理系统，其特征在于: 数据管理单元(19)包括记录査询器(21)，与记录査询器(21)连接的记录生成 器(22)，所述的记录生成器(22)与数据存储单元(20)连接。
全文摘要
一种海量医学图像三维可视化处理系统，包括依次连接的医学图片导入模块数据库、医学图像三维可视化处理模块和三维模型显示模块；所述医学图像三维可视化处理模块包括客户端、服务端和硬盘缓存器，所述客户端通过服务端与硬盘缓存器连接，所述硬盘缓冲器与客户端和三维模型显示模块连接。本发明利用硬盘缓存器，把每个数据处理器通过硬盘缓存器来相连，这样就可以使得在流水线中存在活动的图像数据为最低。本发明能够解决当前无法处理的医学海量图像数据三维可视化问题，使得一般图像处理算法在不需要改动的情况下能够支持达上GB以上的DICOM图像处理。对于当前普遍仅能处理部分脏器的小数据处理是创新的突破。
文档编号G06T1/60GK101520817SQ200810199009
公开日2009年9月2日 申请日期2008年10月7日 优先权日2008年10月7日
发明者丘文峰, 彭丰平, 方驰华, 鲍苏苏, 黄燕鹏 申请人:华南师范大学;南方医科大学珠江医院