摘要：针对某些PACS系统中存在医学图像存储管理效率不高的问题，给出一种基于DICOM标准的医学图像存储管理设计方案。为了更好地实现用户与医学图像库之间的交互访问，采用层次细节的思想，对图像库划分层次，分别存储原始图像、调整比例后的小图标和利用JPEG2000实现保留感兴趣区域压缩其他区域生成的多分辨率图像。方案可以在一定程度上提高系统的存储、传输效率，满足不同要求下对图像的快速访问。
关键词： DICOM；图像存储管理；LOD；JPEG2000
中图分类号：TP392文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10635-02
1 引言
近年来，数字成像技术、多媒体技术和网络通讯技术飞速发展推进了PACS(Picture Archiving & Communication System)系统[1]在医院的广泛应用。通常，PACS系统由影像采集系统、影像存储管理系统[2-3]、影像工作站系统、影像硬拷贝输出系统、网络及通讯系统五部分组成。其中，影像存储管理系统是影响医学图像数据的存储访问和应用研究的关键。随着数字化医疗设备在临床医学诊断中的大量采用，基于DICOM(Digital Imaging and Commu-nications in Medicine)标准[4]的医学图像海量增长，传统的图像数据存储管理方式已不能满足要求。因此，如何实现实时、快速、有效地存储和管理医学图像在PACS系统研究中具有一定的实际意义。
医学图像存储主要分为文件方式和数据库方式两种。一些历史PACS系统受当时数据库技术的局限（不支持大对象二进制数据），图像存储都采用文件形式，虽然现在PACS系统多采用数据库形式，但其操作和处理大都是“表＋实体”的方法，并未摆脱传统数据库的束缚。这种模式使系统总体存储效率不高、数据冗余度大、占用过多网络带宽资源，影响图像传输，给系统管理和维护带来一定的困难。
为了实现医学图像的快速访问，满足各种不同的图像访问需求，本文提出一种存储解决方案，即在不考虑存储介质的前提下，以DICOM医学图像数据为基础建立医学图像数据库[5]。在将图像库划分为：原始图像库、Thumbnail（一种拇指指甲大小的低分辨率的小图像）图标库、标注图像库、LOD图像库四个不同层次，分别存储原始图像、Thumbnail图标、标记病变区域图像、JPEG2000[6]压缩图像的基础上实现分层存储。
2 分层次存储的原理与方法
2.1 分层次存储的思想
图像数据与文本数据相比，具有海量性、规律性强、相关性强的特点。而医学图像数据的特殊性又表现在：灰度分辨率高、空间分辨率高、相似性高、对比度不强、边界不明显等。通常，感兴趣区域在整幅图像中所占的比例很小，自动分割医学图像困难很大。鉴于此，本文建立的图像库在整体上采用LOD细节层次[7]的思想对图像数据中的不同部分采用不同的表达分辨率，即对于每幅图像中病变区域进行高保真的无损压缩，同时高效压缩非病变区域，这样的简化措施，既可以保持图像的整体完整性，又可以突出图像的重点区域。
DICOM 图像数据源具有“两高一大”即高分辨率、高精度和大数据量的特点，所以整个PACS系统的存储量非常巨大，因而存储空间的管理、图像存取速度和数据可靠性成为需要重点考虑的问题，针对这些问题，提出一种基于LOD层次细节的分层存储的构想，建立一套完整的图像库，即在将医学图像存入数据库时划分层次，将图像库划分为原始图像库、Thumbnail图标库、标注图像库以及LOD图像库四个库以分别存储高分辨率的DICOM中原始的图像数据、低分辨率的缩略图像、标注病变区域的图像和多分辨率表示的图像。
2.2 具体流程
图1 分层存储具体流程图
2.2.1 原始图像库
一般的医护人员可操作的，从医学成像设备上采集到的DICOM图像经过解析后，将其中的图像数据部分存入数据库中，从而建立起原始图像数据库，这样的图像存在很多种格式，所以在后面的JPEG2000图像库中会先对原始图像进行处理然后生成统一格式的压缩图像。
2.2.2 Thumbnail图标库
医学图像文件信息量很大，打开和传输的速度很慢，建立缩略预览图方便用户在查看所需的图像前快速定位是提高访问效率的一种策略。Thumbnail是一种拇指指甲大小的低分辨率的小图像，是对实际图像进行处理后的微缩图像。采用Thumbnail图像作为缩略图比JPEG图像传输时间更少，在对原始图像进行模糊处理、重采样、锐化并转化为每个像素点有8bit表示后得到的图像组织入Thumbnail图标库。
2.2.3 标注图像库
影像医生标注出病变区域和疑似病变区域，然后存储到标记图像库中。
2.2.4 LOD图像库
医学图像的海量性决定了存储策略的选择，对图像进行压缩处理是解决存储空间问题的一个重要方法。在DICOM标准中图像数据的传输目前只支持JPEG压缩算法，我们在LOD图像库存储的对象是经过JPEG2000压缩编码的医学图像，JPEG2000是对JPEG的改进后的压缩算法。在医学图像中，病变部分的图像对保真度的要求非常高，任何细节上的损伤都是不允许的。为了保证医学诊断的可靠性, 病变部分的医学图像压缩大多采用无损压缩，而作为JPEG2000中关键性技术的感兴趣编码则正好满足了这一要求，它允许图像中的感兴趣区域可以更好的质量被编码，实际上就是无损压缩，但是压缩比例可以达到1:2至1:4。通常，病变部分在整幅医学图像中所占的比例很小，其他区域在整幅图像中所占的比例很大，对其他区域进行有损压缩，压缩比将会更高。从而大幅度地减小了图像文件的大小，JPEG2000所具有的无损压缩、高效有损压缩和感兴趣区域编码(region of interest ROI)可以像望远镜一样以不同的分辨率看清远近不同景物一样放大任意细节，满足实际需要。
针对原始图像库中的各种格式的原始图像，在先生成统一格式的文件的基础上，采用不同的分辨率表示不同的区域，并将处理后的JPEG图像再次存入到LOD图像库中，在保持图像整体完整性的基础上突出感兴趣区域。这种措施可在很大程度上减小图像的冗余度，节省存储空间，提高系统效率。
3 医学图像数据管理系统设计
根据以上分析，得出医学图像数据存储管理系统的设计方案，该方案包括：用户界面子系统、图像预处理子系统、数据库管理子系统和查询子系统四个组成部分。其中数据库管理子系统是核心部分，建立图像库又是其中的主要部分，在建立分层图像库时候，同时考虑到建立相关文件与图像数据的映射以及DICOM数据源中病人文本数据以及医生诊断信息与图像数据的关联。其中，相关文件包括特征提取模块和索引生成模块。前者完成图像库中图像特定特征的提取，并生成相应的特征文件。后者则处理得到的特征文件，根据相似检索原理生成相应的特征索引树和特征索引文件，供检索使用。此外，建库相关模块还包括一些维护图像库的工具，例如：完成图像格式转换[8]、生成Icon等。
整个系统的设计框图可用图2来表示：
图2 DICOM医学图像存储管理系统结构框图
3.1 系统各模块功能
3.1.1 用户界面子系统
实现各种用户与DICOM医学图像数据库系统之间的交互，用户可以进行数据处理、浏览查询结果、控制各子系统。
3.1.2 图像处理子系统
从采集到的原始DICOM文件中解析出图像数据部分，并对其进行图像压缩、图像比例调整，并抽取图像视觉特征后存储到数据库管理子系统相应的数据库中。
3.1.3 数据库管理子系统
包括对图像数据库和特征数据库系统的维护以及对图像数据和特征数据的维护。如添加、删除图像库和特征库，在图像库和特征库中添加、删除图像数据和特征数据，完成图像库和图像特征库的备份和恢复，以及数据库运行状况监视。其中，数据库及数据的备份包括：数据库整体备份、部分或全部库表的备份，库表备份同时包括带数据和不带数据的空表等多种备份模式。数据库运行状况监视，是对数据库运行情况、用户访问情况、数据库数据变化情况等进行监视，也就是对数据库运行日志的查询。
3.1.4 查询子系统
用户通过输入查询条件，如病号、病理、入院时间等进行基于关键字的检索，也可以通过特征匹配实现基于图像内容的低层语义的检索，同时可以基于关键字和图像内容进行联合检索，从而快速查询出所需的医学图像。
3.2 系统的安全性和可靠性
保证系统的可靠性和信息的安全性也是DICOM图像存储和管理中一个不容忽视的方面。本方案主要通过SQLServer数据库管理系统自身所拥有的安全机制,如帐户控制、权限控制来抵挡可能出现的各种图像攻击。首先，设置安全等级，赋予不同用户相应使用权限，分别完成文件的阅读者、创建者、维护者等各种角色，从另一个角度来划分就是病人、医护人员、影像医生、诊断医生四种角色。为避免知识性的误操作，一般的医护人员只拥有保存原图的权限，不可任意修改原图；专业的影像医生利用优势标注病变区域或疑似病变区域以供诊断医生做辅助诊断；诊断医生则可对病变区域进行JPEG2000压缩处理，生成LOD图像库。
4 实例分析
图3展示的就是分层次图像库中所存储的各类医学图像。
图3 医学图像的四种格式
在图3中，可以看到病变区域只占整副图像的极小一部分，用户关心的是病变区域。感兴趣区域的高保真显示就显得尤为重要。(1)是从DICOM数据源中解析出的原始的高分辨率图像；(2)是影像医师标记过病变区域后的标记医学图像；(3)是通过JPEG2000压缩编码对病变区域采取高保真的无损压缩，对其他区域进行有损压缩后，以多分辨率表示的医学图像；(4)是Thumbnail低分辨率图像。通过Thumbnail小图标使用户可以很快地辨识出查找的大概是什么方面的图像，然后通过LOD图像库调出匹配图像，那么可以看到具体的图像，如果再想看原始图像，就通过映射由JPEG2000图像查找定位原始图像。与传统的一个层次的存储系统相比，这种分层存储，查找定位图像的速度和效率比较快。
5 结束语
本文针对DICOM医学图像批量入库以及存储访问效率不高的问题，提出了一种分层存储的思想，并给出了分层存储的具体思路，并在此基础上设计了一种DICOM医学图像的存储管理数据库系统的方案，并介绍了系统的各个模块的功能，其中，重点介绍了如何实现海量医学图像的分层次存储以及快速查找定位医学图像，最后结合实例，对一幅CT医学图像进行了多种处理，并分析了分层存储在用户对图像的访问控制和满足不同用户的各种访问需求等方面的改进效果。文中提出的系统设计方案能在一定程度上解决医学图像存储和访问控制效率的问题，具有一定的实际意义。
参考文献：
[1]杨伟峰．PACS系统的存储技术研究与实现[J]. 小型微型计算机系统,2006,27(6):187-190.
[2]Stephen T. C. Wong, H. K. Huang．Design methods and architectural issues of integrated medical image data base systems[J]. Computerized Medical Imaging and Graphics，1996,20(4):285-299.
[3]舒韵宏，张冬，钱晓平．支持数据仓库技术的PACS系统数据存储与检索[J]. 计算机应用研究，2000,(6):26-29.
[4]ACR-NEMA Committee, Digital Imaging and Communications in Medicine(DICOM):version 3.0.2001[EB/OL]. .cn/qkpdf/zsjs/zsjs200705/zsjs20070524-1.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文