JPEG2000圖像壓縮的核醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究.pdf

1、圖像壓縮可以節(jié)省圖像的存儲(chǔ)空間和傳輸時(shí)間，在日常醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)中都有較高的應(yīng)用價(jià)值。圖像壓縮分為無(wú)損壓縮和有損壓縮。無(wú)損壓縮不會(huì)造成圖像數(shù)據(jù)的損失，但通常壓縮比不高。有損壓縮可以獲得更高的壓縮比，因而應(yīng)用價(jià)值更大。JPEG2000是一種基于離散小波變換的新型圖像壓縮方法，與基于離散余弦變換的JPEG壓縮方法相比較，具有多分辨率表達(dá)、更好的去相關(guān)能力、高壓縮比、按視覺(jué)模型量化等優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)提供無(wú)損和有損壓縮算法，其在醫(yī)學(xué)圖像存

2、儲(chǔ)和傳輸中的應(yīng)用已被納入DICOM標(biāo)準(zhǔn)，在醫(yī)學(xué)圖像中有較好應(yīng)用前景。 核醫(yī)學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，其圖像能反映體內(nèi)器官和組織的功能，稱(chēng)為功能圖像，但圖像噪聲高、分辨率低。本文根據(jù)核醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)，研究JPEG2000圖像壓縮在核醫(yī)學(xué)圖像中的應(yīng)用規(guī)律。 首先進(jìn)行了兩項(xiàng)基礎(chǔ)性的研究工作。一是對(duì)測(cè)量γ照相機(jī)像素尺寸的方法作了研究，提出了優(yōu)化方案，實(shí)驗(yàn)表明其在更寬松的測(cè)量條件下，大大提高了像素尺寸測(cè)量的精確性和準(zhǔn)確性，其中測(cè)量精度從7

3、.07±6.35mm提高到3.01±0.00mm，測(cè)量均值與參考值的差異從>100[％]變?yōu)?1[％]。為合成真實(shí)準(zhǔn)確的病變圖像準(zhǔn)備了基礎(chǔ)條件，也保證了本文各項(xiàng)相關(guān)研究的準(zhǔn)確可靠。二是分析了建立圖像質(zhì)量研究金標(biāo)準(zhǔn)的各種方法和所面臨的困難，認(rèn)識(shí)到其中的核心問(wèn)題是圖像的真實(shí)性與資料的準(zhǔn)確性之間的矛盾，提出了用實(shí)際采集的真實(shí)圖像結(jié)合數(shù)學(xué)模型來(lái)合成真實(shí)準(zhǔn)確的病變圖像的方案，并根據(jù)本文研究工作的實(shí)際需要和可能條件，將合成病變數(shù)學(xué)模型實(shí)用化，建立了

4、一個(gè)由30幅正常圖像和30幅病變圖像構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，作為研究圖像診斷質(zhì)量的金標(biāo)準(zhǔn)。 然后，分三個(gè)部分對(duì)圖像質(zhì)量作了實(shí)驗(yàn)研究。 第一部分，借鑒成熟的核醫(yī)學(xué)儀器質(zhì)量控制原理和方法研究圖像質(zhì)量。以實(shí)際的分辨率模型圖像和均勻性圖像以及模擬的不同噪聲水平的分辨率模型圖像為材料，研究不同壓縮比和噪聲水平下空間分辨率和均勻性的改變。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮比的增加，分辨率模型圖像上可分辨出的條紋逐漸減少，圖像質(zhì)量逐步下降。還發(fā)現(xiàn)，在同

5、樣的壓縮比下，圖像的噪聲水平越高，可分辨出的條紋減少得越多，圖像質(zhì)量越差。可接受的最大壓縮比為10：l。在實(shí)驗(yàn)中還有兩點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，第一，在某些情況下，圖像質(zhì)量的改變可以是跳躍式的，即在圖像中分辨率最高的部分，分辨率降低較少；而分辨率較低的部分，分辨率明顯降低。第二、壓縮比增加時(shí)圖像的某些性能指標(biāo)不一定是變差，也可能是變好，例如出現(xiàn)了總體均勻性隨著壓縮比增加而改善的情況。而質(zhì)控原理本身不能解釋這兩個(gè)現(xiàn)象。 第二部分，對(duì)圖像的診斷質(zhì)量作

6、了研究。以建立的標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)為金標(biāo)準(zhǔn)，在常規(guī)讀片條件下，由三名有經(jīng)驗(yàn)的核醫(yī)學(xué)醫(yī)生分別依據(jù)圖像進(jìn)行診斷，圖像診斷質(zhì)量由兩個(gè)因素確定，一是醫(yī)生根據(jù)圖像作出的診斷的準(zhǔn)確性，二是醫(yī)生對(duì)診斷的自信程度。綜合這兩個(gè)因素，采用ROC分析方法到ROC曲線，以ROC曲線下的面積大小評(píng)價(jià)圖像診斷質(zhì)量，面積越大，表明圖像質(zhì)量越好。并將原始圖像組的ROC曲線面積與各有損壓縮圖像組的ROC曲線面積作配對(duì)t檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓縮比越大，ROC曲線面積越小，即圖像質(zhì)

7、量隨著壓縮比的增大而降低。原始圖像與壓縮圖像比較，壓縮比為10：1時(shí)沒(méi)有顯著性差異，壓縮比更大時(shí)則有顯著性差異。表明壓縮比不大于10：l時(shí)，核醫(yī)學(xué)圖像的診斷質(zhì)量得以保留。利用標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無(wú)損壓縮實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)JPEG2000無(wú)損壓縮的圖像壓縮比僅為(1.34±0.05)：l，應(yīng)用意義不大。 第三部分，借鑒光學(xué)信息處理的基本概念和分析方法，從頻率域和空間域兩個(gè)角度研究了圖像質(zhì)量。利用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)、線源擴(kuò)展函數(shù)的半高寬以及線源擴(kuò)

8、展函數(shù)的峰．總計(jì)數(shù)比，研究壓縮對(duì)圖像質(zhì)量的影響規(guī)律和機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噪聲水平和壓縮比越高，調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)的低頻段下降越多，而頻率越高的成份，下降反而相對(duì)越小，即存在高頻優(yōu)先的機(jī)理。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)和線源擴(kuò)展函數(shù)的半高寬不是評(píng)價(jià)壓縮圖像質(zhì)量的敏感參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)峰-總計(jì)數(shù)比的變化與前述研究中發(fā)現(xiàn)的壓縮圖像的質(zhì)量改變規(guī)律一致，說(shuō)明峰一總計(jì)數(shù)比可能是較好的圖像質(zhì)量參數(shù)。同時(shí)根據(jù)峰-總計(jì)數(shù)比的變化規(guī)律，從空間域探討JPEG20

9、00有損壓縮造成圖像質(zhì)量變化的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)圖像質(zhì)量的改變是圖像壓縮將原計(jì)數(shù)分布向其四周搬運(yùn)的結(jié)果。這種搬運(yùn)會(huì)造成兩個(gè)后果，一是使圖像變模糊；二是造成偽影。用JPEG2000的高頻優(yōu)先機(jī)理和計(jì)數(shù)搬運(yùn)機(jī)理可解釋在第一部分實(shí)驗(yàn)研究中觀察到的圖像質(zhì)量跳躍式改變和總體均勻性隨著壓縮比增加而改善的現(xiàn)象。 最后，分析了以ROC曲線面積為代表的圖像診斷質(zhì)量與以峰-總計(jì)數(shù)比為代表的客觀質(zhì)量的關(guān)系。首先，發(fā)現(xiàn)兩者顯著相關(guān)，表明客觀質(zhì)量可以用來(lái)預(yù)測(cè)主觀

10、圖像質(zhì)量。然后，將峰．總計(jì)數(shù)比的意義推廣，使其成為可用于各種醫(yī)學(xué)圖像的峰-總比。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比JPEG2000用于其它醫(yī)學(xué)圖像的效果，發(fā)現(xiàn)可能存在一個(gè)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像普遍適用的峰．總比數(shù)值，低于這個(gè)數(shù)值，醫(yī)學(xué)圖像的客觀質(zhì)量和診斷質(zhì)量都不可接受。最后，對(duì)兩者變化的不同步現(xiàn)象作了分析，認(rèn)為應(yīng)該進(jìn)一步深入和細(xì)化研究壓縮比從10:1變化到20:1時(shí)圖像診斷質(zhì)量的變化規(guī)律，而沒(méi)有必要研究壓縮比大于20:l的圖像。 綜上所述，應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)圖像時(shí)

11、，JPEG2000無(wú)損壓縮的圖像壓縮比僅為(1.34±0.05):l，應(yīng)用意義不大。而JPEG2000有損壓縮的圖像質(zhì)量隨著壓縮比和噪聲水平的增高而降低，有損壓縮對(duì)圖像質(zhì)量的影響機(jī)理在頻率域表現(xiàn)為高頻優(yōu)先，在空間域表現(xiàn)為計(jì)數(shù)搬運(yùn)。在壓縮比不大于10:l時(shí)，對(duì)核醫(yī)學(xué)圖像的診斷質(zhì)量不造成損害。有必要深入和細(xì)化研究壓縮比從10:1變化到20:1時(shí)圖像診斷質(zhì)量的變化規(guī)律。而峰。總比對(duì)醫(yī)學(xué)圖像可能普遍適用，作為圖像質(zhì)量客觀參數(shù)有進(jìn)一步研究的意義。