一种医学图像数据传输与三维可视化系统及实现方法

摘要

本发明公开一种医学图像数据传输与三维可视化系统及实现方法，本发明将单机、单人操作的影像学诊断系统进行拓展，采用面向医院科室终端的影像数据传输技术，将放射科或影像科工作站上的影像数据处理功能扩展到医院各科室计算机终端上，使医生在自己科室的终端上直接获取病人影像数据，并进行三维显示等交互操作，使用十分方便快捷，提高了影像数据的使用效率和使用效果，有助于辅助医生进行诊断和治疗；实现医学影像数据存储、使用的无胶片化，节省了大量人力物力。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种基于网络的三维影像计算机辅助诊断系统及实现方法，特别涉及其中的医学图像数据传输与三维可视化系统及医学图像数据传输与三维可视化实现方法。

【背景技术】

随着医疗技术与医疗设备的发展，特别是医学影像技术的进步，医学影像在临床诊断，治疗和术后检查中所起的作用越来越大，检查图像的重要性越来越明显。而与此同时，目前国内绝大多数医院的医学图像数据是以胶片的形式进行存储与管理的，这种医学图像存档方式存在着明显的弊端：①、成本高，一张14mm×17mm的激光胶片15元左右，一张头颅医学图像的收费约200-300元，所占患者医疗费用的比例比较高；②、图像数据占用的空间较大，大多数医院都专门需专门配备一到二个房间用于存放病人的影像胶片；③、不便于影像数据的管理和查找，由于胶片需要人工查找，比较繁琐、费时；同时，由于胶片在借阅过程中有可能会遗失或污损，或者归还不及时，都会造成影像数据的不完整；④、不利于对病人的影像数据进行统计、分析与研究，由于影像学胶片是人工管理，对于疾病的统计和分析也非常繁琐、费时费力。鉴于上述种种原因，一般医院对于存档胶片的利用率都不高，一部分医院干脆不再存档胶片，特别是对于CT胶片几乎都不存档。

针对这一问题，目前在高端医学影像设备市场上已开始出现一些医学影像数据采集设备产品，这类系统以全数字化、无胶片化方式采集、阅读、存储、管理。目前在一些资金实力较强的医院都配备CT、MRI等大型医疗设备，这些设备附带的工作站中也会根据医院方面的要求配备三维显示功能，但在二维交互操作方面一般功能较弱，仅提供图像窗宽、窗位调整等一些用以改善图像显示质量的简单功能模块，其根本作用还是在于在打印影像胶片前对图像进行简单的亮度、对比度的调整。现有医院影像科中的工作站只是单机操作，其影像数据处理功能很弱，影像处理方式存在缺陷，大部分影像检查和诊断过程仅限于在医院的放射科或影像科工作站上进行，而主治医生往往无法直接看到三维影像，更不可能在三维影像上进行交互操作，只能采用传统的胶片形式的二维显示，在医生的大脑中“重构”三维图像。一方面在医院的放射科或影像科工作站上已经能够实现无胶片化影像数据管理，另一方面主治医生还在使用胶片，二者显然不相称。

【发明内容】

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种医学图像数据传输与可视化系统及医学图像数据传输与可视化实现方法，以实现医学图像数据的共享，可方便、快捷应用于临床诊断中，提高使用效率和使用效果。

为实现上述目的，本发明提出一种医学图像数据传输与三维可视化系统，包括医学图像数据采集系统、图像数据管理服务器、图像数据库、科室终端；所述医学图像数据采集系统、图像数据库、科室终端分别与所述图像数据管理服务器连接；所述医学图像数据采集系统采集医学影像、生成图像数据，由所述图像数据管理服务器对所述图像数据进行处理，并存储于所述图像数据库中；所述科室终端向所述图像数据管理服务器发出数据共享请求时，由所述图像数据管理服务器从所述图像数据库调取图像数据，下传给所述科室终端；所述科室终端对下传的所述图像数据进行二维或三维可视化处理和显示。

上述的系统，所述医学图像数据采集系统包括医学影像数据采集设备、图像数据采集卡，所述图像数据采集卡输入端连接于所述医学图像数据采集设备信号输出端，所述图像数据采集卡输出端连接于所述图像数据管理服务器；所述图像数据采集卡用于将所述医学图像数据采集设备输出的图像、视频信号转换为所述图像数据管理服务器约定的数据格式。所述医学图像数据采集系统包括医学影像数据采集设备，所述医学影像数据采集设备与所述图像数据管理服务器连接，所述图像数据管理服务器直接其采集医学影像所生成图像数据。所述图像数据管理服务器设置有医学成像及通信标准(DICOM)数据转换模块，用于将医学图像数据采集系统采集的各类不同标准的数据转换为医学成像及通信标准(DICOM)数据。

同时本发明提出了一种医学图像数据传输与三维可视化的实现方法，包含以下步骤：

A)数据采集：由医学影像数据采集系统采集医学图像、生成图像数据；

B)数据存储：将图像数据存储于图像数据库；或将所述图像数据转换为约定的标准格式，存储于图像数据库；

C)数据传输：图像数据管理服务器端监控来自科室终端的数据传输请求，科室终端通过身份验证后，图像数据管理服务器端开通数据传输服务，将图像数据下传至科室终端；

D)数据可视化处理及显示：科室终端对由图像数据管理服务器获取的图像数据进行二维或三维可视化处理，显示在科室终端屏幕上。

上述的实现方法，其特征是：所述步骤B)中，数据存储的方法：将图像数据存放在计算机硬盘，在数据库中存放病人的基本信息，对应数据库中一个属性专门存放相应的图像数据存放在计算机硬盘上的路径。在所述步骤C)的数据传输中，系统首先通过检索数据库中病人的基本信息，从基本信息查找到该病人影像数据的存放路径，然后再进一步读取病人的影像学数据。

上述的实现方法，所述数据传输采用Winsocket进行，过程如下：

(1)接受端科室终端启动一个Socket服务器线程，提出数据共享的请求，发送端图像数据管理服务器不间断的监听各端口；

(2)发送端监听到接受端的数据共享请求后，启动一个Socket客户线程，并发出连接请求；

(3)接受方同意或否决数据传送，同意则双方开始通讯，图像数据管理服务器向科室终端下传医学图像数据；

(4)接受方把接受到数据暂存于系统内存缓冲区中，或同时把缓冲区中的内容进行归档存入硬盘等存储介质中。

上述的实现方法，所述数据传输过程中图像数据管理服务器与科室终端双方约定使用的端口、数据结构、对异常的处理等内容；其中数据结构主要包括数据接受方的IP地址、端口，需要传输的文件类型，数据长度。

上述的实现方法，所述步骤(2)中的连接请求是指由图像数据管理服务器端向本机操作系统发送的连接请求指令，由操作系统借助于应用程序编程接口(Windows API)连接到远程计算机终端，请求连接发送数据。所述数据传输过程采用多线程，一个线程包括一个主线程和若干个辅助线程，主线程执和辅助线程可以被同时执行，辅助线程包含一个或多个服务器线程以及一个客户线程。

本发明将单机、单人操作的影像学诊断系统进行拓展，采用面向医院科室终端的影像数据传输技术，将放射科或影像科工作站上的影像数据处理功能扩展到医院各科室计算机终端上，使医生在自己科室的终端上直接获取病人影像数据，并进行三维显示等交互操作，使用十分方便快捷，提高了影像数据的使用效率和使用效果，有助于辅助医生进行诊断和治疗；实现医学影像数据存储、使用的无胶片化，节省了大量人力物力。

本发明把医学图像三维显示技术借助于本发明构建的系统，实现远程计算机辅助诊断和治疗，以数据共享的方式扩展至各科室医生的计算机终端上，使临床医生也能够直接参与影像诊断过程，而不再局限于现有技术，由医院影像科出具影像学诊断报告，临床医生凭此报告确定治疗方案，因此可以提高医学影像的使用效果，帮助医生提高诊断、治疗的效率和准确性。

医学图像数据传输与三维可视化系统至少还可以在以下几个方面改善传统的医学影像资料管理和使用方式的不足：释放保存胶片需要的很大的存储空间；节约胶片开支及其管理费用，从而进入无胶片化医院时代；可在医学影像数据库中方便地整理出典型病例，以便于研究、交流和教学；可以提供传统的医疗诊断手段无法具备的辅助诊断功能，如图像对比度、窗宽窗位、明暗度的动态调整、图像伪彩色设置、病变区自动测量、图像移动和旋转、医疗信息统计、三维重建、剖面显示、高效管理与检索、图像通讯与远程会诊等功能。对于就诊病人而言，可以缩短检查时间和和检查次数，尽快得到检查结果，赢得诊治时间。可通过网络得到专家会诊，同时可以长期保存病人病历资料，便于日后可能的复诊和查询。

【附图说明】

图1为本发明医学图像数据传输和三维可视化系统网络拓扑结构示意图；

图2为本发明医学图像数据传输流程示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

由于本发明的目的是实现一个能在某一医院全院范围内或医院单科范围内的医学图像数据采集和数据分发系统，该系统应具备的主要功能是：实现医学影像的无胶片化，图像电子数据的远程传输，二维医学图像数据的后处理，以及图像数据的三维可视化；便于远程诊疗，提高诊断效率和准确性。

如图1所示，根据系统的拓扑结构，将系统划分为：数据采集、数据转换、数据存储、数据传输、数据处理等几个模块。

目前，医疗系统比较常见的医学影像数据模态主要有：计算机层析成像(CT Computed Tomography)、核磁共振(MRI Magnetic Resonance Imaging)、数字减影血管造影(DSA Digital Subtraction Angiography)、传统X线影像及X线数字影像、PET(正电子发射断层扫描)(Positron EmissionTomography)、单光子发射断层扫描(SPECT Single Photon EmissionTomography)、B超(B-Mode Ultrasound)、彩色超声、内窥镜图像(Endoscopy)、显微图像(Microscopy)，以及最近几年兴起的CR(Computed Radiography)、DR(Digital Radiography)数字图像等等。这些图像模态成像机理不尽相同，成像的诊断目的也各不相同，如CT和MRI侧重于对人体脏器的结构成像，而PET、SPECT等则侧重于人体的代谢和功能成像，也因此使得医学影像的空间分辨率和灰度分辨率存在差别。影像数据采集设备众多，其数据规格大多不同，成像目的和应用场合也不同，对于配有符合DICOM3.0标准数据接口的模态数据设备，可直接在此基础上进行医学图像数据的二次开发；而对其它没有DICOM3.0标准接口的设备，通过附加视频数据采集卡，进行A/D转换后，再通过DICOM3.0标准数据转换软件模块可以得到DICOM格式图像数据。

对于其它的一些医学图像数据来源，如影像学胶片，通过与图像数据服务器相连的扫描仪对胶片进行数字化采集，将胶片数字化为位图格式数据后再转换为DICOM3.0标准格式图像数据。对于JPEG以及TIFF格式图像同样通过DICOM3.0标准转换为统一的DICOM格式图像数据。

对于医学图像数据的存放方式，一般可采用两种方式：一种是将图像数据以大二进制形式存放在数据库中。另外一种方式是：在数据库中存放的是病人的基本信息，如病人的姓名、性别、就诊日期等，对应数据库中一个属性专门存放相应的病人数据存放在计算机硬盘上的路径，这样，我们就可以通过检索数据库中病人的基本信息，从基本信息可以查找到该病人影像数据的存放路径，然后再进一步读取病人的影像学数据。

对于图像数据的传输问题，解决方法是运用Windows Sockets API提供的接口函数实现，具体流程如图2所示。服务器端应用程序统一负责影像数据的集中存储和管理，通过监控来自客户端的数据传输请求，待客户端IP地址和端口号以及由服务器端应用程序预先商定的用户密码通过验证后，服务器端应用程序即开通数据传输服务，数据传输结束后再断开连接关系。数据被传输到科室终端后，即可进行进一步的医学图像数据的二维和三维处理，为医生的临床诊断提供辅助手段，从而提高临床诊断的效率和准确性，诊断结束后，客户端应用程序自动将传输到本机的影像数据删除，从而结束一次数据传输请求和计算机辅助诊断过程。

图像数据(包括其他数据文件)传输的基本过程包含以下几个方面：数据采集、数据传输、数据接受以及数据显示等。用Winsocket进行数据传输的过程如下：

(1)接受端启动一个Socket服务器线程，监听某个特定端口，准备接受数据；(发送端不间断的监听各端口，接受端提出数据共享的请求，)；

(2)发送端打开文件并串行化(把文件读入系统内存)显示；

(3)发送端启动一个Socket客户线程，并发出连接请求，这里的请求是指由数据服务器端程序向本机操作系统发送的连接请求指令，由计算机操作系统借助于应用程序编程接口(Windows API)连接到远程计算机终端，请求连接发送数据；

(4)接受方同意或否决数据传送，同意则双方开始通讯，完成数据传输；

(5)接受方把接受到的系统内存缓冲区中的内容显示出来并把缓冲区中的内容进行归档存入硬盘等存储介质中；

(6)数据传送完毕通知接受/发送方该数据传送操作成功完成，如有异常发生按照事先的定义处理异常。

图像传输过程中双方要约定使用的端口、数据结构等内容。其中数据结构主要包括数据接受方的IP地址、端口，需要传输的文件类型，数据长度，以及对异常的处理等。

图像传输过程采用多线程技术。在系统不支持多线程时，在异步方式下使用多线程，也就是说在数据传输过程中应用程序和系统还可以响应其他请求，以免造成系统死锁和系统阻塞。如果是使用同步方式，则在数据传输完成(传输函数返回)以前，程序和系统将不响应其他系统请求。在Win32系统(Win98、WinNT、Win2K)中引入了多线程的概念，这样一个进程(一个应用程序可以包含多个进程)可以包含多个线程，其中包括一个主线程和若干个辅助线程，这样在主线程执行的同时辅助线程也可以被执行，这样就简化了系统的设计。在多线程实现过程中需要注意的问题就是线程间的通信，在图像实时传输应用系统中，辅助线程包含一个或多个服务器线程以及一个客户线程。首先服务器端开始监听固定端口，然后科室终端可以发出连接请求，当系统收到请求后即开始一个新的服务器线程，并与请求客户完成Sockets连接，此时双方即可传输数据和控制命令，同时原线程继续监听固定端口，当有新的科室终端请求时重复此步骤。因此，在同一时刻可以存在多个连接，即多个科室终端可以同时和服务器通信，当通信结束线程也随之结束。并且由于服务器线程也是辅助线程，因而在通信过程中用户可以完全控制程序的行为，以决定是继续传输还是终止传输。而科室终端则比较简单，只需要完成初始化套接字、请求连接、数据传输、关闭套接字等几个功能，而且在线程中也不必再开新的线程，也就是说一个客户端不能同时和服务器自动建立多个Socket连接。但是一个程序可以同时打开多个客户端，完成和不同服务器端的连接。

医学图像数据的处理主要包括对图像数据的二维处理和三维显示功能，对于二维处理则指图像的窗宽/窗位(或亮度/对比度)调整、图像旋转、图像缩放、测量、标注、二维剖切显示等辅助医生进行准确和快速诊断的功能；图像数据三维显示则指对医学图像的体数据场进行三维重建，其主要方法包括表面造影显示方法(SSD Surface Shaded Display)和最大密度投影法(MIPMaximum Intensity Projection)，SSD又包括切片级表面显示和体素级表面显示。MIP又包括光线跟踪(Ray Tracing/Ray Tracking)和光线投射(RayCasting)算法。还可以采用另一种三维显示方法：将前述两种方法结合起来的混合显示方法，可以对医学图像空间体数据场进行三维剖切混合显示。所有这些功能都能够对医生进行准确和快速诊断提供有效的辅助作用，医学图像的二维数据处理和三维显示功能各具特色，无法相互替代，二者在辅助诊断方面的作用都是不可或缺的。