李 靜游敏娟岳淑娟趙傳華王世剛**

一種醫(yī)學(xué)圖像不同區(qū)域的編解碼算法*

李 靜①游敏娟②岳淑娟①趙傳華①王世剛**①

目的：探討一種實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像不同區(qū)域的編解碼算法，以便能夠節(jié)約存儲(chǔ)空間和傳輸時(shí)間，方便醫(yī)學(xué)圖像的管理和運(yùn)用。方法：分析嵌入式零樹小波編碼算法的原理，并編程實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像不同區(qū)域的不同編碼。結(jié)果：此方法實(shí)現(xiàn)了具有感興趣區(qū)域的醫(yī)學(xué)圖像壓縮編碼。結(jié)論：該算法得到了較低的均方誤差和較高的峰值信噪比，能夠滿足診斷要求，是一種有效的醫(yī)學(xué)圖像編解碼算法。

醫(yī)學(xué)圖像；感興趣區(qū)域；嵌入式零樹小波

為了實(shí)現(xiàn)圖像的高效壓縮與信息良好保持之間的矛盾，感興趣區(qū)域(Region of Interest, ROI)與背景區(qū)域(Background area, BG)往往實(shí)行不同的編碼方法。感興趣區(qū)域采用無損壓縮或近似無損壓縮；背景區(qū)域采用有損壓縮，很多文獻(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)不同區(qū)域編碼方法進(jìn)行了研究[1-3]。本文提出一種將感興趣區(qū)域采用近似無損壓縮的方法——映射，而背景區(qū)域根據(jù)診斷需要采用具有可以隨時(shí)結(jié)束編解碼的嵌入式零樹小波編碼（Embedded Zerotree Wavelets Encoding，EZW）算法[4]。

1 材料與方法

1.1 材料

勝利油田中心醫(yī)院SIEMENS Sensation 16CT DICOM圖像；GE Gemsow MRI DICOM圖像；計(jì)算機(jī)為聯(lián)想Intel Pentium(R)4×2 1.9 GHz CPU 2 G內(nèi)存 Windows XP操作系統(tǒng)；所用軟件工具為Matlab 7.5。

1.2 方法

1.2.1 感興趣區(qū)域編碼

由于醫(yī)學(xué)圖像灰階深度較大（一般為12位、16位、24位），若進(jìn)行不失真直接傳輸或存儲(chǔ)則需要大量空間，有文獻(xiàn)[5,6]采用感興趣區(qū)域圖像無損壓縮和近似無損壓縮。本文采用線性映射方法，將感興趣區(qū)域像素?cái)?shù)據(jù)映射到[0,2N-1]，則實(shí)現(xiàn)了較少位數(shù)N表示近似較大數(shù)據(jù)，當(dāng)然N不要太小，否則恢復(fù)數(shù)據(jù)誤差過大。為此，選出感興趣區(qū)域圖像像素?cái)?shù)據(jù)的最大值Xmax若編碼為每個(gè)像素用Nbits表示，則公式為：

其中Xi表示原像素?cái)?shù)據(jù)，Yi表示編碼數(shù)據(jù)，round ()表示四舍五入。

解碼時(shí)的像素?cái)?shù)據(jù)公式（1）的逆運(yùn)算，公式為：

1.2.2 背景區(qū)域編碼

1992年，Lewis和Knowles[7]首次提出了零樹編碼思想，但實(shí)際應(yīng)用是Shapiro1993年提出的嵌入式零樹小波編碼算法，該算法很好的利用了圖像小波變換能量集中在少數(shù)部分的小波系數(shù)上和不同分辨率小波系數(shù)的自相似性的特點(diǎn)，使得輸出的碼流具有嵌入特性，既實(shí)現(xiàn)了很高的壓縮比，又保證了重建圖像的質(zhì)量。

內(nèi)嵌編碼是指編碼器將待編碼的比特流按重要性的不同進(jìn)行排序，根據(jù)目標(biāo)碼率或失真度大小要求隨時(shí)結(jié)束編碼；同樣，對(duì)于給定碼流解碼器也能隨時(shí)結(jié)束解碼，并可以得到相應(yīng)碼流階段處的目標(biāo)碼率的恢復(fù)圖像。因此，內(nèi)嵌編碼首先要傳輸?shù)氖亲钪匾男畔?，然后傳輸不重要的信息，直到達(dá)到所需碼率時(shí)停止。所以，內(nèi)嵌編碼算法中排序算法的優(yōu)劣和排序信息的處理決定了整個(gè)編碼算法的效率。小波系數(shù)的分布特點(diǎn)非常適合于內(nèi)嵌編碼，因?yàn)閳D像小波變換后越往低頻子帶系數(shù)越大，包含的圖像信息越多；而越往高頻子帶系數(shù)值越小，包含的圖像信息越少。這樣對(duì)相同數(shù)值的系數(shù)選擇先傳遞低頻帶的系數(shù)的重要比特，后傳輸較高頻系數(shù)的重要比特，就可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌編碼。

小波系數(shù)按“Z”形進(jìn)行掃描，零樹的預(yù)測(cè)與編碼如圖1所示，對(duì)于給定的閾值T，如果本次量化的該節(jié)點(diǎn)小波系數(shù)以及其所有子節(jié)點(diǎn)小波系數(shù)均小于T而且該節(jié)點(diǎn)不是處于最高頻率上，則稱該節(jié)點(diǎn)為零樹根，編碼為ZTR；如果該節(jié)點(diǎn)小波系數(shù)小于閾值T，但其子節(jié)點(diǎn)中有小波系數(shù)大于閾值T，則該節(jié)點(diǎn)定義為孤立零，編碼為IZ。如果該節(jié)點(diǎn)小波系數(shù)大于閾值T，則稱為重要系數(shù)，正值編碼為POS，負(fù)值編碼為NEG。零樹能夠成功地預(yù)測(cè)小波系數(shù)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)小波系數(shù)被編碼為ZTR時(shí)，其所有子節(jié)點(diǎn)系數(shù)根本無需傳送，而每層的子節(jié)點(diǎn)都在成倍數(shù)地增長(zhǎng)，所以這非常有利于壓縮。

為了完成嵌入式編碼，使用逐次逼近量化（Successive Approximation Quantization，SAQ）。量化過程中，依次形成主表和副表，對(duì)于每一個(gè)給定的閾值T，首先進(jìn)行一遍主掃描，由ZTR、IZ、POS、NEG生成主表。主表中包含的是以Ti為閾值的有效映射，幅度加到副表中。

圖1 小波系數(shù)零樹判斷流程

1.2.3 算法流程

感興趣區(qū)域優(yōu)先編碼。首先確定感興趣區(qū)域，方法是確定感興趣區(qū)域的左上角像素坐標(biāo)和右下角的像素坐標(biāo)，從而確定了感興趣區(qū)域，該區(qū)域進(jìn)行映射變換，將剩余區(qū)域即背景區(qū)域進(jìn)行零樹小波編碼；解碼是編碼過程的逆過程，將感興趣區(qū)域編碼進(jìn)行反變換，背景區(qū)域進(jìn)行零樹小波解碼從而得到解壓縮圖像。算法的流程圖如圖2所示：

圖2 編解碼流程圖

2 結(jié)果

圖3是胸部CT解壓縮圖像，圖4是頭部MR解壓縮圖像，其中（a）、（b）（c）的壓縮比為8：1、24：1、40：1，它們的編碼結(jié)果見表1。

圖3 CT解壓縮圖像

圖4 MR解壓縮圖像

表1 圖像壓縮的結(jié)果

3 討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，本文所提出的將感興趣區(qū)域與背景區(qū)域不同編碼的算法，既保證了感興趣區(qū)域圖像的重建質(zhì)量，又兼顧了背景區(qū)域圖像的相對(duì)效果，同時(shí)具有較低的均方誤差和較高的峰值信噪比，有效地提高了壓縮效率，是一種有效的醫(yī)學(xué)圖像壓縮方法。

[1]郭文勇,孫怡,濮懷宇. 一種圖像不同區(qū)域的編解碼壓縮算[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009,19(8):127-132.

[2]李景超,羅建書.一種實(shí)現(xiàn)圖像感興趣區(qū)域嵌入式編碼的改進(jìn)算法[J].空間電子技術(shù)，2007(4):58-62.

[3]王圓妹,陳琳,許勁.基于感興趣區(qū)域半自動(dòng)提取的圖像壓縮的研究[J].電腦與信息技術(shù),2008,16(5):11-13.

[4]J. Shapiro. Embedded image coding using zerotrees of wavelet coefficients. IEEE Trans. Signal Processing,1993,41:3445-3462.

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[11]秦安,馮前進(jìn),陳武凡.醫(yī)學(xué)圖像感興趣區(qū)的內(nèi)嵌小波編碼新方法計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究[J].2008(2).

[12]卓力,沈蘭蓀,LAM Kin-man.基于感興趣區(qū)的圖像編碼與漸進(jìn)傳輸[J].電子學(xué)報(bào), 2004(3).

[13]李繼良,方向忠.一種新的感興趣區(qū)域編碼方法[J].計(jì)算機(jī)工程, 2008(4).

A medical image voding slgorithm in different regions

LI Jing, YOU Minjuan, YUE Shu-juan,et al

Objective: The coding and decoding algorithm of different medica l image regions is presented in order to save storage space and transmission time to facilitate the management and use of medical images. Methods: The embedded zero tree wavelet coding algorithm theory was analyzed and programmed in different regions of different medical image coding. Results This method could compress the medical image of a region of interest. Conclusion: This algorithm has a lower mean square error and a higher peak signal to noise ratio, and can meet the diagnostic requirements. It is an efficient decoding algorithm for medical images.

Medical image; Region of interest; Embedded zero tree wavelet

1672-8270(2010)06-0001-03

TH774

A

李靜,女,(1988- ),泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院2006級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程本科2班學(xué)生。

2010-04-16

山東省泰安市大學(xué)生科技創(chuàng)新課題，（2008D2037）

①泰山醫(yī)學(xué)院 山東 泰安 271016

②山東醫(yī)藥技師學(xué)院 山東 泰安 271016

**通訊作者：王世剛，泰山醫(yī)學(xué)院放射學(xué)院電工與電子技術(shù)教研室，講師，碩士，研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理。

China Medical Equipment, 2010, 7(6):1-3.

[First-author's address]Taishan Medical College, Taian 271016, China.

醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用，使得醫(yī)學(xué)影像診斷對(duì)于醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)的依賴性越來越強(qiáng)。醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像必須滿足診斷要求，所以數(shù)據(jù)量很大，例如一幅512×512×12的磁共振（Magnetic Resonance，MR）圖像的大小為0.75 MB，如此巨大的圖像數(shù)據(jù)量因受到網(wǎng)絡(luò)寬帶的限制，無法快速的在放射科室和臨床科室間傳輸，對(duì)它們的存儲(chǔ)也需要大量的空間。所以，圖像壓縮是一個(gè)很有前途的研究領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的突破對(duì)于圖像存檔與傳輸系統(tǒng)（Picture Achieving and Communication System，PACS）、數(shù)字化醫(yī)院、遠(yuǎn)程醫(yī)療放射學(xué)具有深遠(yuǎn)的影響。