CN101350923B - 一种交互式医学图像通信与显示方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示方法，它利用JPEG2000压缩算法的优良特性，对医学图像采用基于分区的方式进行JPEG2000压缩处理，在客户/服务器环境下只传输客户端感兴趣的图像窗口所对应的部分数据包，而不必传输整个图像数据，客户端可按需求对医学图像进行基于图像内容的交互式地提取与显示。本发明能在带宽受限的广域网络中高效、快速、实时地传输与显示高分辨率DICOM医学图像，使医学图像信息在不同地区、不同医院PACS***之间实现快速共享，有效地利用医疗资源，提高远程会诊等临床活动的医疗诊治水平、质量与效率。
Description
技术领域：
本发明涉及信息通讯、计算机图像处理技术，特别是指一种基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示方法。
背景技术：
随着各种医疗信息数字化的实现，以及互联网及相关技术的广泛使用，区域协同医疗和双向转诊在逐渐推行和实践。对病人基于数字医疗信息的医疗诊治活动已超出一个医院范围，需要在某个区域内(或医院集团内)多家医院间相互调用病人的各种医疗信息，从而向病人提供连续、一致的协同医疗服务，以提高医疗诊治水平、减少可能的医疗事故、减少重复检查，减轻病人就医负担、身体伤害和减少医院数字化的重复投入，提高医疗资源的利用效率。为建立广域网区域协同医疗***，当前正在逐步开展不同医院PACS(PictureArchiving and Communication System)***进行集成的研究，使病人的医疗信息(包括图像)可从不同医院的PACS***进行调阅和提取。
实现病人的医疗图像数据在不同医院的PACS***之间快速共享交换的主要瓶颈在于：医学图像具有高分辨率(≥2000x2000，如CR、DR、Mammography等)、大容积(≥60～400MB，如MR、CT、US Series等)的特点，而广域网络的数据传输速率有限，因此在保证医学诊断质量的前提下，对这些高分辨率医学图像进行高效快速实时地的传输、显示和处理很难完善地实现。目前已有一些***的解决方案，如远程放射学临床咨询、会诊***大都采用预先传送图像、约定会诊的方式进行，图像在会诊前需要花4～24小时进行预先传输，这种方式的局限性是不能在线、实时地访问远程PACS***中的图像，诊断过程复杂、效率较低；《中国医疗器械杂志》(2006年30卷第4期，第299-301页)杂志发表的《基于JPIP协议的高分辨率DICOM医学图像的无线传输与显示》中提出了一种采用JPEG2000拼接块(Tiles)数据传输的方式来访问高分辨率医学图像，这种方式由于采用拼接块划分图像，并对每个拼接块独立压缩编码，在网络中需要传输客户端感兴趣区域所覆盖的所有拼接块数据，传输的数据量较大，对图像数据的访问不够灵活，效率不高，在客户端仅能显示局部的图像数据。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***，解决在带宽受限的网络上对高分辨率医学图像进行高效、快速、实时地传输与显示的技术问题。
本发明充分利用JPEG2000压缩算法的优良特性，对医学图像采用基于分区(Precincts-based)的方式进行JPEG2000压缩，在客户/服务器环境下只传输客户端感兴趣的图像窗口所对应的部分数据包(Packets)，而不必传输整个图像数据，客户端可按需求交互式地提取与显示医学图像，与已有技术相比，本发明对图像的访问粒度更为精细和灵活，在网络中传输的数据量更少，在带宽受限的网络之间能更为高效和快速地传输与显示高分辨率医学图像，从而促进区域协同医疗***的构建，提高远程会诊等临床活动的医疗诊治水平、质量与效率。
本发明的技术方案如下：
本发明采用基于分区的方式对医学图像进行JPEG2000压缩处理，对图像不进行拼接块分割的预处理，整个图像作为一个拼接块进行压缩，对每个图像分量的每个分辨率级的小波子带采用分区进行划分，每个分辨率级上的分区大小相同，一个分区包含三个编码块以利于获得高的空间访问精细度。所得图像压缩码流中包含码流主标头和一个拼接块数据部分，该拼接块数据部分包含一系列的数据包。服务器根据客户端对图像的感兴趣窗口(Window OfInterest，简称WOI，是指感兴趣的空间区域、分辨率级别、分量和质量层)向客户端传输目标图像压缩码流中相关的数据包，客户端交互式的访问图像的步骤包括：
(1)低分辨率图像预览：客户端根据所需图像的分辨率级别向服务器发送请求，服务器根据请求从目标压缩图像码流中提取与客户端请求的分辨率级别相关的数据包响应客户端。客户端接收数据，重组JPEG2000码流并解压显示低分辨率图像。
(2)感兴趣区域的高分辨率显示：有了图像的低分辨率版本后，客户端根据用户的感兴趣区域(如病灶区域)向服务器发送感兴趣区域的高分辨率请求。服务器从目标压缩图像码流中提取与请求相应的数据包，生成响应消息返回给客户端。客户端接收数据，重组JPEG2000码流并解压显示感兴趣区域的高分辨率图像。
本发明提出的一种基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***，其***包括PACS服务器、与其相连的一个JPIP服务器和多个JPIP客户端三部分。PACS服务器和JPIP服务器之间采用高速局域网连接，JPIP服务器和多个JPIP客户端之间可用低速广域网(如Internet、GPRS和3G等)连接。
本发明提出的一种基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***，其***工作流程如下：JPIP客户端根据用户对图像的感兴趣窗口生成JPIP请求发送给JPIP服务器；接收到客户端的请求后，JPIP服务器根据请求图像的唯一标识符，通过WADO通信协议(或其它基于TCP/IP通信协议)从PACS服务器下载该图像到本地，对该图像进行基于分区的JPEG2000压缩，并根据JPIP请求从图像压缩码流中提取相应的数据包，生成JPIP消息响应JPIP客户端；JPIP客户端接收到来自JPIP服务器的JPIP响应消息后，解析JPIP消息，采用空包填充小波高频子带分区的方式重组JPEG2000码流，解压码流数据并显示出来。
JPIP服务器采用数据库管理和内存管理技术，在响应JPIP客户端之前，将从PACS服务器下载的DICOM图像保存到本地数据库，对图像采用基于分区的压缩方式进行JPEG2000压缩，然后将压缩图像码流载入到内存中，再生成JPP-stream类型的JPIP响应消息返回给JPIP客户端，当JPIP客户端再次请求同一幅图像数据时，JPIP服务器可直接从内存中读取该图像的压缩码流数据，从而大大提高了响应速度，每个图像对象在内存中都有一个生命期(最后一次访问时间到现在所经历的时间)，当生命期超出某一给定限度时，该图像对象将被从内存中删除，从而有效使用内存；JPIP客户端采用缓冲区存储之前从JPIP服务器接收到的码流数据，包括DICOM头信息、码流主头部、拼接块头部和数据包，其中每个数据包由分辨率、质量层、分量和分区这四个参数标识，在绘制图像时从缓冲区中提取所需的码流数据，当JPIP客户端再次请求图像数据时，将在JPIP请求中包含缓冲区模型字段，用来描述上次从JPIP服务器接收到的码流数据；JPIP服务器为每个会话都维护一个缓冲区模型，用来描述JPIP客户端的缓冲区状态，当所接收到的JPIP请求中包含缓冲区模型字段时，先用缓冲区模型字段值更新该会话的缓冲区模型，再发送响应消息，对于JPIP客户端缓冲区中已有的码流数据，JPIP服务器不会重复传输，从而避免了网络中冗余数据的传输；JPIP客户端重建JPEG2000码流时，采用一系列零长度的空包来填充各个分辨率级别上的高频子带中感兴趣区域之外的分区，在显示图像时，以全分辨率显示感兴趣区域，以低分辨率显示感兴趣区域之外的图像区域，从而可提供感兴趣区域在图像中的上下文信息。
本发明***具有标准化和开放性。它可以应用到任何支持基于DICOMWADO协议(或其它基于TCP/IP通信协议)的图像查询服务的第三方PACS***中。
本发明***中的JPIP客户端可以集成到诊断工作站，通过低速连接的Internet访问远程PACS***中的高分辨率医学图像，也可以应用于资源有限的无线手持设备(如无线PDA等)，通过无线网络(如WLAN、GPRS或3G等)访问高分辨率医学图像。
本发明的效果：
本发明充分利用了JPEG2000码流数据包的随机访问特性，JPEG2000压缩算法的高压缩率和分辨率可伸缩性，在网络中只需传输少量的数据即可满足医生对图像的诊断要求，如一幅原始大小为9.76MB的CR图像，分辨率为2048×2500，经JPEG2000无损压缩后大小为5.18MB，请求该图像256×313的低分辨率版本，在网络中只需传输113KB，数据量仅为整个压缩图像的2.13％，请求该图像全分辨率的512×512大小的感兴趣区域，在网络中只需传输362KB，数据量仅为整个压缩图像的6.82％。
附图说明：
图1为本发明的基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***结构图。
图2为本发明实施实例的基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***的软件结构和数据流程简图。
图3为本发明实施实例的基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***的JPIP服务器的工作流程图。
图4为本发明实施实例的基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***的JPIP客户端的工作流程图
具体实施方式：
下面结合图1-图4给出本发明的一个较好实施例，进一步对本发明作详细阐述，使能更易于了解本发明的结构特征和功能特点。
本发明的基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***，其***包括PACS服务器，与其相连的一个JPIP服务器和多个JPIP客户端三部分，其结构图如图1所示。PACS服务器与JPIP服务器通过高速局域网连接，并通过WADO协议(或其它基于TCP/IP通信协议)进行通信；JPIP服务器与多个JPIP客户端通过带宽受限的广域网连接，并通过JPIP协议进行通信。所说的多个JPIP客户端可以是PACS显示工作站，也可以是无线PDA。
本实施例中对DICOM图像进行JPEG2000压缩采用的分区大小为32×32；本实施例中PACS服务器采用Web Service实现DICOM WADO(或其它基于TCP/IP通信协议)图像查询服务，JPIP服务器通过调用PACS服务器的Web服务查询图像；本实施例将JPIP协议实现于HTTP协议之上，JPIP客户端将JPIP请求嵌入到HTTP GET请求中，JPIP服务器将JPIP响应消息包含在HTTP响应消息体中；本实施例采用SSL技术对JPIP服务器和JPIP客户端之间传输的数据进行加密，以保证病人的医疗数据在广域网传输的安全性。
各部分组成分别描述如下：
第一部分JPIP服务器：
本实施例的JPIP服务器作为网络中间件连接PACS服务器和多个远程的JPIP客户端，JPIP服务器接收来自JPIP客户端的基于图像内容的查询请求，从PACS服务器查询提取图像并从图像压缩码流中提取相应的包数据发送回JPIP客户端。JPIP服务器采用数据库和内存管理技术提高JPIP服务器的响应性能，采用缓冲区模型和会话管理机制管理和存储包数据，以减少网络中的数据传输量。
本实施例的基于JPEG2000压缩数据包传输的交互式医学图像通信与显示***其软件结构简图如图2所示。JPIP服务器由以下模块组成：JPIP模块、JPEG2000码流模块、数据库管理模块、内存管理模块、图像格式转换模块、图像查询模块、图像接收模块、网络功能模块、日志模块和本地资源管理模块。其中JPIP模块的功能包括解析客户端的JPIP请求和生成JPIP响应消息；JPEG2000码流模块的功能包括解析JPEG2000图像压缩码流和从JPEG2000图像压缩码流中提取与JPIP请求相应的码流数据包；数据库管理模块负责图像信息的***和查询；内存管理模块的功能包括图像对象管理、会话管理和缓冲模型管理；图像格式转换模块对由图像接收模块接收到的DICOM图像进行基于分区的JPEG2000压缩；图像查询模块根据请求图像的唯一标识符从PACS服务器查询提取图像；图像接收模块根据WADO/HTTP协议(或其它基于TCP/IP通信协议)接收由PACS服务器返回的DICOM图像并保存到本地硬盘；网络功能模块负责监听JPIP客户端的请求，若有客户端连接，则启动一个线程处理客户端的请求，并将JPIP模块所生成的JPIP响应消息发送给客户端，传输的数据采用SSL技术进行加密；日志模块记录***安全日志和错误日志；本地资源管理模块定期检查本地硬盘的使用情况，若硬盘空间使用率过高，则对硬盘中存储的图像进行清理。
本实施例的JPIP服务器的工作流程如下：
本实施例的JPIP服务器包括JPIP服务进程和本地资源管理进程。JPIP服务进程的工作流程如图3所示：步骤10，服务启动；步骤11，监听JPIP客户端的连接请求，若接收到客户端的连接请求，则执行步骤12，否则循环监听；步骤12，当接收到客户端的连接请求，启动一个新的线程处理该请求；步骤13，解析客户端的JPIP请求；步骤14，在内存中查找请求的图像对象，首先在内存中查找请求中的会话标识符字段，若有则获得该会话标识符对应的图像对象，执行步骤111，否则为该JPIP客户端分配一个新的会话标识符，并在内存中查找请求的图像对象是否已经存在，如果存在则执行步骤111，如果不存在则执行步骤15；步骤15，在本地数据库中查找请求的图像，若图像在本地数据库中存在，则执行步骤19，否则执行步骤16；步骤16，调用PACS服务器的Web图像查询服务，下载请求的图像；步骤17，对从PACS服务器下载的DICOM图像进行基于分区的JPEG2000压缩处理；步骤18，将图像信息存储在本地数据库中；步骤19，将DICOM头信息和压缩图像码流从硬盘载入到内存中；步骤110，对由步骤19载入到内存中的JPEG2000压缩码流进行解析，获得JPEG2000压缩参数和码流中各个包的信息；步骤111，更新缓冲模型，如果请求中包含缓冲区模型字段，则用该字段值更新当前会话的缓冲模型；步骤112，从图像对象的压缩码流中提取与JPIP请求相应的数据包；步骤113，根据步骤112提取出来的数据包生成JPIP响应消息；步骤114，记录此次连接的日志信息；步骤115，将步骤113生成的JPIP响应消息发送给客户端。本地资源管理进程定期检查本地硬盘的使用情况，若硬盘空间使用率过高，则对硬盘中存储的图像进行清理。
本实施例的JPIP服务器软件分为Linux版本和Windows版本。在Linux平台上采用C++语言和GCC编译器进行开发，数据库采用MySQL；在Windows平台上采用Visual Studio6.0开发的ISAPI扩展实现服务器功能，网络模块的功能采用IIS实现，数据库采用SQL Server。
第二部分JPIP客户端：
本实施例的JPIP客户端根据用户对图像的感兴趣窗口通过多线程从JPIP服务器交互式地提取图像的部分压缩码流数据，对图像压缩码流数据重组后解压显示。JPIP客户端采用缓冲区存储接收到的图像码流数据，包括DICOM头信息、码流主头部、拼接块头部和数据包，其中每个数据包由分辨率、质量层、分量和分区这四个参数标识。JPIP客户端采用一系列零长度的空包来重建JPEG2000码流，从而提供感兴趣窗口之外的图像信息。
本实施例的JPIP客户端由以下模块组成：图像查询模块、图像接收模块、JPIP消息解析模块、缓冲区管理模块、码流重组模块、JPEG2000解压缩模块、图像显示处理模块。其中图像查询模块根据用户设置的图像感兴趣窗口生成JPIP请求通过多通道向JPIP服务器查询图像码流；图像接收模块负责接收JPIP服务器返回的JPIP响应消息；JPIP消息解析模块对图像接收模块接收到的JPIP响应消息进行解析；缓冲区管理模块将解析得到的图像码流数据存储到缓冲区中；码流重组模块的功能是根据所要显示的图像窗口从缓冲区中提取所需的数据包重组成JPEG2000码流；JPEG2000解压缩模块对重组的JPEG2000码流进行解压缩；图像显示处理模块对解压后的图像数据显示处理。
本实施例的JPIP客户端的工作流程如下：
JPIP客户端的工作流程如图4所示：步骤20，程序启动；步骤21，根据用户对图像的感兴趣窗口设置WOI；步骤22，判断缓冲区中是否已经包含所需要的码流，如果是则执行步骤27，否则执行步骤23；步骤23，向JPIP服务器发送JPIP请求，提取所需要的图像码流数据，在JPIP请求中包含会话标识符字段，其值为JPIP服务器为本次会话所分配的会话标识符，如果JPIP客户端是第一次请求，则设该值为“new”，如果JPIP客户端在上次请求中接收到JPIP服务器返回的图像码流数据，则需在JPIP请求中包含缓冲区模型字段，其值描述上次请求接收到的码流信息；步骤24，接收来自JPIP服务器的JPIP响应消息；步骤25，解析JPIP响应消息；步骤26，将由步骤25解析得到的DICOM头信息和JPEG2000码流(包括主头部、分割块头部和包)存储到缓冲区中；步骤27，从缓冲区中提取所需要的码流数据，重组JPEG2000码流；步骤28，调用JPEG2000解压缩模块解压重组的JPEG2000码流；步骤29，显示解压后的图像。其中步骤24，25、26，27、28、29可分别用三个线程同时执行，图像可采用分辨率→质量→分量→位置或者质量→分辨率→分量→位置的渐进模式进行显示，以加快图像的显示速度。
本实施例的JPIP客户端可以应用于PACS显示工作站，也可以应用于无线PDA。PACS显示工作站上的JPIP客户端软件由Visual Studio6.0开发；无线PDA上的JPIP客户端软件采用Visual Studio2005开发。
第三部分PACS服务器：
PACS服务器是PACS***的影像中心存储单元，接收来自各个采集网关的各种医学DICOM图像，并进行统一存储、归档和备份。PACS服务器中的数据库保存着与病人有关的所有数字图像，用户可以通过病人编号、病人姓名、检查类别、检查时间等方式快速查询和提取病人的图像资料。本发明给PACS服务器添加了基于WADO协议(或其它基于TCP/IP通信协议)的WEB图像查询提取接口如图2所示，可选择Apache或IIS作为WEB服务器，WEB服务作为连接JPIP服务器和PACS服务器的中间件，使JPIP服务器能够通过WADO/HTTP协议根据图像UID查询/提取图像。
Claims (1)
1.一种交互式医学图像通信与显示方法，它是在由之间采用高速局域网连接的一个PACS服务器和一个JPIP服务器以及采用低速广域网与JPIP服务器连接的多个JPIP客户端组成的***上实现的，其特征在于：
A.所说的医学图像用JPEG2000进行压缩处理，整个图像作为单一拼接块进行压缩，对每个图像分量的每个分辨率级的小波子带采用分区进行划分，每个分辨率级上的分区大小相同，一个分区包含三个编码块，所得图像压缩码流中包含码流主标头和一个拼接块数据部分，该拼接块数据部分包含一系列的数据包；
B.低分辨率图像预览：JPIP客户端根据所需图像的分辨率级别向JPIP服务器发送请求，JPIP服务器根据请求从目标压缩图像码流中提取与JPIP客户端请求的分辨率级别相关的数据包响应JPIP客户端，JPIP客户端接收数据，重组JPEG2000码流并解压显示低分辨率图像；
C.感兴趣区域的高分辨率显示：有了图像的低分辨率版本后，JPIP客户端根据用户的感兴趣区域向JPIP服务器发送感兴趣区域的高分辨率请求；JPIP服务器从目标压缩图像码流中提取与请求相应的数据包，生成响应消息返回给客户端；JPIP客户端接收数据，重组JPEG2000码流并解压显示感兴趣区域的高分辨率图像。
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