通过互联网的虚拟超声检查:体积压缩问题

简介

用于医学图像的图像通信系统有带宽(数据传输容量)和图像大小的限制，这导致未压缩原始图像数据的连接非常耗时。图像压缩是提高传输速度和存储的关键因素，但它有丢失相关医疗信息的风险。

放射学标准DICOM3(医学数字成像和通信，3.0版)[1]提供了使用无损JPEG(联合摄影专家组)方法压缩的规则。然而，在医学成像中没有接受有损压缩的规则——这是一个非常主观的决定。可接受的压缩水平不应牺牲诊断信息。

超声成像由于图像尺寸小，动态范围为8位，一直被认为是最简单的远程医疗应用之一[2］．使用体绘制技术对有噪声的超声图像进行三维重建，有望进入一个日常病人护理的新时代，即使是在偏远的地方。

三种最常见的放射重建技术是:阴影表面显示、x射线模拟的最大强度投影[3.]，以及实体三维重建的三维体绘制[4］．在3-D体绘制中，体数据管理包括特殊的采集技术(在我们的案例中，用手移动超声探头)、重新采样(由于它实现了压缩，因此特别详细)和通过“飞越”、“绕飞”、多视图显示、模糊结构和阴影深度线索或动力学和立体深度线索编辑数据集[5］．

在三维重建中，最初的超声“移动帧”由500到550个512像素x 512像素空间分辨率的单帧组成，最终图像的大小(100到120 mb)太大，无法通过互联网发送。本文介绍了我们团队在3d超声方面的经验，重点是通过互联网进行远程会诊的数据简化技术。

方法

这项试验使用了1999年和2000年在西班牙加那利群岛特内里费市拉古纳大学医院妇产科超声科进行的超声检查。

超声设备为Aloka-SSD 680超声设备，连接PC机。通过手动移动超声探头进行采集。探头是一个5mhz曲线腹部探头换能器，连接到一个磁场定位装置。探针位置，具有6个自由度，通过ISA(工业标准架构)PC-Bird板传输到计算机。猎鹰数字化板捕获帧与8位动态范围。

我们的个人电脑是一台450兆赫的双奔腾II电脑，使用Windows NT操作系统，有256兆的RAM。

体绘制和显示使用MedCom™商业化的TeleInVivo™体可视化软件(德国达姆施塔特的Fraunhofer计算机图形研究中心)进行。我们测试了软件3.3版的三个版本:build 1400、build 1500和build 1510。

PC通过标准的100bT(也称为100BaseT) LAN(局域网)板连接到Internet。图像通过互联网使用TCP/IP(传输控制协议/互联网协议)传输到其他国家(如葡萄牙的科英布拉)或较小的岛屿(如拉帕尔马，加那利群岛)。

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对采集到的8位动态范围的原始运动帧进行重采样，然后将其转换为体积数据集，将帧及其位置和方向组合成一幅三维图像，系统精度小于1mm。

重采样是基于跟踪测量的超声像素到三维体素(体积元)空间的几何变换。重新采样将二维连续图像转换为单个体积数据集，并在TeleInVivo™软件中使用金字塔铸造技术[6，7］．金字塔投射技术是光线投射的一种改进，通过减少距离采样和平均金字塔体素来提高渲染速度(图1，源自[7])，以生成三维超声图像的“云”形。

数据编辑使用了著名的最大强度和最小强度投影，x射线吸收，以及金字塔铸造算法中应用的梯度或云的表面可视化。“飞来飞去”的技术，可以用视频记录，目前用于展示。TeleInVivo™软件包允许我们看到三维重建体的二维正交切面，并允许我们从该体中获得斜切面，允许在传输后进行虚拟超声检查，甚至在远程站点也可以使用。

为了说明该软件获得的图像质量和压缩技术，我们选择了一个有脑膨出的胎儿的505帧数字化帧(切片)。在结果中，我们展示了4组正交平面(切片86，相当于二维超声图像视图)以及三维体积重建。用最大强度投影算法显示体积。所选参数为:对比度为-0.34，强度为1.03;表面混合45%的半透明表面算法具有平均灰度值157和公差169;深度权值为0;对比-0.36;强度是1.13。表面显示质量高，平滑度中等。

结果

用超声波设备记录的移动帧的原始大小为100到120 MB(从500到550单帧)。这种规模必须大幅缩小。缩径过程如图所示图2，以及以储存前的原始大小为126 MB和储存后的原始大小为106 MB为例计算的中间文件大小。

第一步:ROI(感兴趣的区域)选择

删除运动帧中没有相关临床信息的部分，如背景和/或不感兴趣的部分。在这一步中，原来的106 MB和505帧的图像减少到40 MB(减少62%)。

第二步:体绘制(分辨率/采样部分)图2）

体绘制将原始数据转换为来自3d对象的可见原语(基本形状)的集合，可以从空间的任何方向观看。采用金字塔铸造技术进行重采样，该技术根据采样质量选择可视化所需的分辨率和插值程度。

分辨率可通过2种算法选择:

• 算法1考虑了几何缓冲区的内存空间，并选择了它所需的“距离采样”，结果是数据集为16mb(约256^3.)， 4mb(约160^3.)，以及2mb(约128^3.)．
• 算法2考虑被平均的体素的大小，使用“金字塔体积”方法进行采样。在100%分辨率下，尺寸达到系统分辨率(1mm^3.）;较低的百分比导致较大的体素，在正交平面图像上引入在体积数据上不可见的间隙。中显示了使用75%体素大小的间隙的细节图3而且图4．当选择较低百分比时，这些间隙的大小和频率增加，导致正交图像不能产生正确的诊断。

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算法2产生较大的最终文件大小和较低质量的图像(图3，图4)，由于体素平均技术。算法1生成更小的最终文件大小和更高质量的图像(图5，图6，图7，图8)．

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采样质量基于算法3提供的插值度和锐度。它通过对算法1和算法2获得的采样数据进行分层插值来产生可视化表示，从而在预览采样时不进行插值(图4而且图5)和高品质采样的高清晰度(图3而且图6)．

第三步:霍夫曼编码

存储卷数据时，使用无损的霍夫曼编码技术压缩，压缩比约为1:3 (表1)．显示图像的大小和用于远程会诊的存储图像的最终大小显示在表1．列出了可用呈现算法提供的所有可能组合。压缩比可以根据图像的不同而不同;在图2压缩比为1:4。

第四步:传输前压缩

在传输图像之前，使用了两种压缩技术。有损小波算法产生，在最后的文件，一个1:3压缩没有显著的视觉图像质量损失。然而，在目前的试验中，图像传输是用无损技术进行的。在此阶段实现的压缩对于4 mb分辨率的图像可以忽略不计(图2)．对于16mb的图像，这个阶段的压缩为1:2。

为了比较我们使用的软件提供的无损压缩与常规无损压缩技术(如WinZip压缩)，我们对原始帧图像应用了无损JPEG算法。压缩比为1:4至1:5。

使用网络咨询的有101例。其中只有3例在16mb分辨率下进行了重新采样。其余病例采用算法1在4 mb分辨率下重新采样。这样做是因为视觉图像质量没有表现出主观差异(图7而且图8)．

在协商期间，电信线路发生了17次故障。每张图像的平均传输时间为6.8分钟，平均数据吞吐量为每秒6.6 Kbytes。

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在101张传输图像中，有94张可以进行远程诊断。传输的不允许远程诊断的图像是质量较差的图像，这是由于与手动移动探针相关的获取困难[9］．

体绘制技术使得在各个方向上切割体图像成为可能。该技术允许“离线”虚拟超声检查，包括局部和远距离，不需要患者在场。软件设施允许在短视频中记录音量运动，有助于可视化(图9而且图10)．

二维正交平面是医生用于诊断目的的平面。在101例病例中，斜切术仅对2例有帮助:1例为发育不全的子宫玉米异位妊娠，2例为治疗目的将大脑松果体母细胞瘤腹腔植入。

讨论

目前的工作总结了一年的经验与三维超声图像采集和处理，使用一个设备，可以提供虚拟超声检查和远程会诊。该手术是在西班牙加那利群岛特内里费大学医院妇产科超声诊疗科的现有2-D超声设备上使用外部附加系统完成的。

廉价的3d采集系统(如本文介绍的系统)提供的临床期望很高，特别是因为它们可以用于“噪声”图像，如超声图像，而且还因为它们提供远程会诊设施。此外，在所有空间方向切割体积数据的能力，产生远程和本地虚拟超声[8改进了诊断程序。在目前的试验中，远程会诊是可能的，因为通过体绘制技术获得的最终3-D文件很小。

我们的研究结果表明，基本的压缩过程与体绘制技术相关，并且非常有效，因此不需要进一步的压缩(例如传输前的压缩)。

虽然最终的4mb文件为诊断提供了足够的医疗视觉质量，但它们不再包含单个像素数据;相反，他们拥有在特定采样频率的金字塔铸造渲染技术中获得的“体积原语”。因此，该文件针对冗余进行了高度优化(也就是说，由于所存储数据的类型，不可能有任何冗余值)。

我们仅对16mb质量的图像使用了高达1:2的传输前压缩值，但这些图像并没有显著改善视觉感知，而且文件大小增加了。

这些结果有两个主要后果:

• 实现的压缩程度非常高(1:25，分辨率4 mb)，允许使用3d超声重建图像进行互联网远程会诊。
• 应用于医学图像的确切压缩技术尚不清楚，因此从医学角度难以评估是否丢失了相关信息。无论是MedCom™的技术手册，还是研究团队的出版物[6，7，9]阐明了使用金字塔铸造技术通过体渲染实现的压缩如何影响单个医学图像。

根据我们之前的结果[8]，算法1提供的重采样允许远距离超声诊断，因为重建图像具有“吸引力属性”，因此医生对图像的美学成分感到满意[2］．

算法2提供的重采样在二维正交平面上造成了间隙，而二维正交平面是诊断的基本图像(因为101例远诊病例中只有2例使用了三维重建)，因此不具有吸引力属性。虽然100%体素采样提供了高质量的图像，但最终体积的大小对于有效的远程会诊来说太大了。

另外的问题是:查找:算法-1图像是否满足其余属性，如保真度和信息量(基于可见性和可检测性的图像属性)[2]用于原始超声图像，这些图像通过定义和确定渲染有损压缩如何修改特定病理的可见性和可检测性而具有噪声。

在目前的经验中，相对较小的最终文件大小(1.5至2 MB)有利于3d -超声远程会诊，即使是通过低带宽网络，如互联网。与远距离接收静态体积有关的限制[3.)的缺陷被虚拟超声技术所克服，该技术允许在所有空间方向上进行二维切割，并可以“正弦循环”移动视频文件。

综上所述，应用于超声写意图像采集的体绘制技术实现了一定程度的压缩，使得通过互联网进行远程会诊成为可能，但目前尚不清楚该绘制技术是否能改变特定病理的可见性和可检测性。