使用JPEG2000压缩医学图像的应用研究

1、申请代码 受理部门 收件日期 受理编号 检查保护 国家自然科学基金 申 请 书 (2011 版 资助类别： 您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作： 您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作： 档或打印文档 亚类说明： 1如果您是 Word2000,word XP, word 2003 或以上版本用户， 如果您是 或以上版本用户， 请把 Word 附注说明： 宏的安全性设为:"中 宏的安全性设为 中" 方法: 菜单->工具 工具->宏 安全性 安全级,设置为 安全性->安全级 设置为"中 方法 Word 菜单 工

2、具 宏->安全性 安全级 设置为 中" 项目名称： (如果您是 Word97 用户，继续执行以下步骤 用户，继续执行以下步骤 如果您是 申 请 人： 电话： (如果您是 Office2007 用户，点击 word 左上角 安全警告 处"选项 用户， 左上角"安全警告 安全警告"处 选项 选项" 如果您是 依托单位： 中的"启用此内容 启用此内容" 中的 启用此内容 通讯地址： 2关闭本文档，重新打开本文档 单位电话： 关闭本文档， 关闭本文档 邮政编码： 3点击 启用宏"按钮，即可开始填写本文档或打印了 点击

3、"启用宏 按钮 点击 启用宏 按钮， 电子邮箱： 申报日期： 2011年2月25日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 2011 版 基本信息 1 申 请 人 信 息 1 10 12 学 0 国 1 1 信 国 学 第 0 1 01 国 1 依 托 单 位 信 息 合 作 研 究 单 位 信 息 国 第 0 010 0 2000 学 项 目 基 本 信 息 申请 基 1 2 科学 学 学 2012 1 201 12 基 00 摘 学 学 学 学 要 学 学 2000 第2页 版本 1.000.000 国家自然科学基金申请书 2011 版 项目组主要参与者 项目组主要参与者

4、 （注: 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 姓 名 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 在此录入修改 项目组主要参与者不包括项目申请人） 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮箱 项目分工 每年工 作时间 （月） 出生年月 总人数 1 高级 1 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人） ，总人数由各分项自动加和产生。 第3页 版本 1.000.000 国家自然科学基金申请书 2011 版 经费申请表 科目 一.研究经费 1.科研

5、业务费 （1）测试/计算/分析费 （2）能源/动力费 （3）会议费/差旅费 （4）出版物/文献/信息传播费 （5）其他 2.实验材料费 （1）原材料/试剂/药品购置费 （2）其他 3.仪器设备费 （1）购置 （2）试制 4.实验室改装费 5.协作费 二.国际合作与交流费 1.项目组成员出国合 作交流 2.境外专家来华合作交流 三.劳务费 四.管理费 合 计 （金额单位：万元） 申请经费 25.5000 5.5000 备注（计算依据与说明） 2.5 3.0000 参加放射医学年会等专业会议，合作单位项目研讨 出差费用等 用于文献检索、查新，专利申报、论文出版等 10.0000 10 10.000

6、0 10 大容量存储设备 用于购买处理数据用的高性能工作站 0.0000 5.0000 5 参加国际会议与外国专家学术交流等 10.0000 编写软件 支付项目负责单位管理费，按 5%计算 40.5000 国家其他计划资助经费 与本项目相关的 其他经费来源 其他经费资助（含部门匹配） 其他经费来源合计 0.0000 第4页 版本 1.000.000 国家自然科学基金申请书 2011 版 申请者在撰写报告正文时，请遵照以下要求： 1、 请先选定"项目基本信息"中的"资助类别"，再填写报告正文； 2、 在撰写过程中，不得删除系统已生成的撰写提纲（如误删可点击

7、“查 看报告正文撰写提纲”按钮，通过"复制/粘贴"恢复） ； 3、 请将每部分内容填写在提纲下留出的空白区域处； 4、 本要求将作为申请书正文撰写是否规范的评判依据，请遵照要求填写。 查看报告正文撰写提纲 报告正文 面上项目申请书撰写提纲 ： （一）立项依据与研究内容（4000-8000 字） 立项依据与研究内容 1. 项目的立项依据 项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需 结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发 展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考 文献目录） 医学图像是临床医生用来诊断疾病的重要依据，大致可以

8、分类如下：计算机电子扫 描成像(Computed Tomography， CT、磁共振成像(Magnetic Resonance Image ，MRI 、 超声扫描(Ultrasound， US、数字 X 线图像(Digital Radiography, DR、单光子扫描 计算机成像(Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT、以及正电子扫 描计算机断层(Positron Emission Tomography，PET等等。 随着计算机技术的日渐成熟，PACS(Picture archiving and communication syst

9、em 作为医学图像的存储与传输系统的日渐普及。绝大多数医学图像信号已经由传统的模拟 格式发展到了数字格式。据资料统计，医院产生的数字化资料每年以指数级速度增长。 而这些资料大部分都必须进行储存。 此外，近年来远程医疗发展迅速，而医学资料的传输是远程医学的前提。在当前有 限的网络带宽下要传输如此巨大的医学资料，将会是很大的负担。由此可见，将生物医 学信号进行压缩势在必行。压缩后不但可以减少其存储量，而且可以降低网络负担，提 高网络速度。 资料经过压缩程序之后根据资料失真与否将压缩程序分 为两大类：无损压缩和有损 第5页 国家自然科学基金申请书 2011 版 压缩。无损压缩程序以降低资料中的冗余度

10、来达到减少数据量的目的，不会造成信号丢 失，因此压缩前与压缩后还原的资料完全一致；有损压缩除了减少资料的冗余性外，还 在一定信息质量下将较不重要的信息舍弃而达到更高的压缩效果。一般生物医学信号压 缩都希望采用无损压缩的方法，因为如果利用有损压缩，虽然可以有较高的压缩效果， 但却无法知道所舍弃的信息是否会造成误诊，从而影响病人诊断的结果。因此，一个优 秀的压缩技术除了能尽量减少资料的储存量之外，还要能够保持医学信号的诊断特征。 一般而言，有损与无损压缩法的设计与做法通常有很大的出入，因此如何在单一算 法的结构下，寻找出一种高效且适用于有损到无损的医学图像压缩算法，是一个极具挑 战性的研究课题。

11、参考文献 1 Y. Kim and W. A. Pearlman, “Stripe-Based SPIHT Lossy Compression of Volumetric Medical Images for Low Memory Usage and Uniform Reconstruction Quality,” Proc. of Int. Conf. on Image Processing, Vol. 3, pp. 652-655, 2000. 2 Jian-Hong Hu; Yao Wang; Cahill, P.T, “Multispectral Code Excited Linear

12、 Prediction Coding and Its Application in Magnetic Resonance Images,“ IEEE Trans. Image Processing., Vol. 6, No. 11, pp. 1555-1566, Nov. 1997. 3 Midtvik, M. and I. Hovig, “Reversible Compression of MR Images,” IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 18, No. 9, pp. 795- 800, Sept. 1999. 4 Kosmas Karadimitriou,

13、John M. Tyler, “Centroid Method for Compressing Sets of Similar Images,” Pattern Recognition Letters, Vol. 19, no. 7, pp. 585-593, 1998. 5 S. H. Tai, Y. G. Wu, and C. W. Lin, “An adaptive 3-D Discrete Cosine Transform Coder for Medical Image Compression,” IEEE Trans. Inform. Technol. Biomed., Vol. 4

14、, No. 3, pp. 259263, Sept. 2000. 6 D. Ho, D. Feng, and K. Chen, “Dynamic Image Data Compression in Spatial and Temporal Domains: Theory and Algorithm,” IEEE Trans.Inform. Technol. Biomed., Vol. 1, pp. 219-228, Dec. 1997. 7 Y. L. Chan and W. C. S, “Variable Temporal-length 3-D Discrete Cosine Transfo

15、rm Coding,” IEEE Trans. Image Processing, Vol. 6, no. 5, pp. 758-763, May 1997. 8 A. Ramaswamy and W. B. Mikhael, “A Mixed Transform Approach for Efficient Compression of Medical Images,” IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 12, no. 4, pp. 803-811, 1996. 9 H. Lee, Y. Kim, A. H. Rowberg, and E. A. Riskin, “S

16、tatistical Distributions of DCT Coefficients and Their Applications to an Interframe Compression Algorithm for 3-D Medical Images,” IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 12, pp. 478-485, Sept. 1993. 10 J. D. Villasenor, “Alternatives to The Discrete Cosine Transform for Irreversible Tomographic Image Compres

17、sion,” IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 12, pp. 803-811, Dec. 1993. 11 Y. G. Wu and S. C. Tai, “Medi cal Image Compression Using 2×2 Discrete Cosine Transform,” Opt. Eng., Vol. 37, no. 5, pp. 1539-1546, May 1998. 12 J. Oh and S. I. Woolley, “Diagnostic Quality Test For Wavelet-Compressed Digital 第6

18、页 国家自然科学基金申请书 2011 版 Angiogram Images,” Proc. of the 7th Int. Conf. on Image Processing and Its Applications, Vol. 2, pp. 512-516, 1999. 13 V. Vlahakis, R. I. Kitney, “Wavelet-Based, Inhomogeneous, Near-Lossless Compression of Ultrasound Images of the Heart,” Proc. of Computers in Cardiology, Vol. 2

19、4, pp. 549-552, 1997. 14 Z. Xiong, X. Wu, D. Y. Yun, and W. A. Pearlman, “Progressive Coding of Medical Volumetric Data Using Three-Dimensional Integer Wavelet Packet Transform,” Proc. of the IEEE Second Workshop on Multimedia Signal Processing, pp. 553-558, 1998. 15 Y. Kim and W. A. Pearlman, “Stri

20、pe-Based SPIHT Lossy Compression of Volumetric Medical Images for Low Memory Usage and Uniform Reconstruction Quality,” Proc. of Int. Conf. on Image Processing, Vol. 3, pp. 652-655, 2000. 16 X. Hang, N. L. Greenberg, J. D. Thomas, “Compression of Echocardiographic Data Using the Wavelet Packet Trans

21、form,” Proc. Of Computers in Cardiology, Vol. 25, pp. 329-331, 1998. 17 V. Vlahakis and R. I. Kitney, “ROI Approach to Wavelet-Based, Hybrid Compression of MR Images,” Proc. of the 6th Int. Conf. on Image Processing and Its Applications, Vol. 2, pp. 833-837, July 1997. 18 A. Cziho, G. Cazuguel, B. S

22、olaiman, and C. Roux, “Medical Image Compression Using Region-of-Interest Vector Quantization,” Proc. of the 20th Annual Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 20, pp. 1277-1280, 1998. 19 R. M. Gray, P. C. Cosman, and E. A. Riskin, “Image Compression and Tree-struct

23、ure Vector Quantization,” in Image and Text Compression, J.Storer, Ed., Norwell, MA: Kluwer, 1992, pp. 3-34. 20 J. K. Han and H. M. Kim, “A Different Index Assignment Scheme for Tree-structured Vector Quantization,” IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 18, pp.442-447, May 1999. 21 X. Li, D. Feng, and K. Che

24、n, “Optimal Image Sampling Schedule: A New Effective Way to Reduce Dynamic Image Storage Space and Functional Image Processing Time,” IEEE Trans. Med. Imag., Vol. 15, pp. 710-718,Oct. 1996. 2. 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。 （此部分 为重点阐述内容） 鉴于医学影像数据量巨大， PACS 系统中又必须对医学影像进行存取， 远程医学

25、中也 有对医学影像进行远距离传输的需求，然而当前的网络带宽又无法满足日益增长的需 求，因而将庞大的医学影像数据进行压缩是势在必行的。 本文研究了国际标准组织最新的以离散小波变换为基础的 JPEG2000 压缩算法，并 将其应用于临床医学影像的压缩，压缩算法将采用 WINDOWS2000 环境下可视化语言 Visual C+ 6.0 编程实现。 JPEG2000 压缩法则 国际标准组织为了要完成对静态影像的编码及压缩，于 1988 年提出了以离散余弦 第7页 国家自然科学基金申请书 2011 版 转换(DCT为基础的 JPEG 压缩标准。但因为网络多媒体在应用上及发展迅速，为了解决 网络带宽的不

26、足，国际标准组织仍持续邀请学者提出新的算法以制定新的标准，而后便 发展出了以离散小波转换(DWT为基础新的静态影像压缩标准 JPEG2000。 该标准是为了要建立一个能够处理不同格式静态影像的影像编译码系统，并可运用 在各种不同的领域如自然影像、医学影像等等，此系统的特点为能达到较低的压缩位率 并同时保留较高的压缩质量。 JPEG2000 可分为以下几个部分： Part-1：JPEG2000 图像编码系统，是 JPEG2000 标准的核心。是说明基本的编译码 器和压缩比特流(coded stream的格式，使其可在各种格式间转换，并能在所有输出设 备中输出。 Part-2：扩展系统，在 PAR

27、T1 的基础上扩展功能，以利于应用于某些少见的数据 保式，并且能加强压缩的效能，此部份是可选择性的；要注意的是，Part-1 的译码器 并不能对 Part-2 编码出来的比特流进行译码。 Part-3：运动 JPEG2000。针对运动图像提出解决方案。 Part-4：兼容性的解决方案。 Part-5：是参考软件部份，包含了以 Java 程序语言撰写的 JJ2000 及以 C 语言撰 写的 Jasper 等。 Part-6：复合图像文件格式，为根据复合文件所做的延伸。主要针对印刷和传真应 用 Part-7： 技术报告。介绍实现所需要的最少支持环境，现在已经放弃。 Part-8： JPSEC，有关

28、安全方面的支持。 Part-9： JPIP，交互协议和 API。 Part-10： JP3D，三维成像。 Part-11： JPVVL，无线应用。 3. 拟采取的研究方案及可行性分析。 拟采取的研究方案及可行性分析。 （包括有关方法、技术路线、实验 手段、关键技术等说明） 我们在本研究所使用的 JPEG2000 压缩法则是指 JPEG2000 Part-1 的部分，其方框 图如图 1.1 所示： 第8页 国家自然科学基金申请书 2011 版 原始图象 正向分 量变换 正向小 波变换 量化 第一阶 段编码 第二阶 段编码 存储或传输 重建图象 反向分 量变换 反向小 波变换 反量化 第一阶 段解

29、码 第二阶 段解码 图 1.1 JPEG2000 压缩算法框图 在编码的过程，又可以细分为三个阶段： 预处理、核心处理和构成比特流，每一 阶段又可再分成若干步骤，如图 1.2 所示 图像 图像分块 正向 DC 电平移位 预处理 分量变换 小波变换 核心处理 量化 第一阶段编码 组成码流 第二阶段编码 码流 图 1.2 JPEG2000 的编码流程 第9页 国家自然科学基金申请书 2011 版 本项目的特色与创新之处。 4. 本项目的特色与创新 之处。 本研究拟采用新一代的静止图象压缩编码算法 JPEG2000，将其应用于医学图像的 压缩，并将压缩结果与其他压缩算法进行了比较。使用 Visual

30、 C+ 6.0 语言编程将该 算法在 WINDOWS2000 操作系统下得到了实现。 JPEG2000 作为一种基于离散小波变换的全新的图像压缩编码算法，在压缩医学图 像时具有较高的压缩比，较强的峰值信噪比，非常适用于医学图像的压缩，为医学图像 的远程传输创造了良好的条件。当今 PACS 系统在医院中已经有了很高的普及度，但是 受网络带宽的限制，医学图像无法快速的在检查科室和临床科室之间传输。而临床医生 和放射科诊断医生对图像的要求是不一样的，放射科诊断医生可以选择较低的压缩比以 保证图像的高质量，而临床医生则可以在满足诊断的前提下选择较高的压缩比以降低网 络流量。 综上所属使用 JPEG20

31、00 压缩医学图像有以下优点：1、在较高的压缩比下可以保 持好的图像质量。2、具备有损压缩和无损压缩的可选择性，可以同时满足各种临床需 求。因而 JPEG2000 压缩方法非常值得临床推广应用 年度研究计划及预期研究结果。 （包括拟组织的重要学术交流活动、 5. 年度研究计划及预期研究结果。 国际合作与交流计划等） 年度研究计划： 年度研究计划： 项目实施年限：2012 年 1 月2015 年 12 月 2012.12012.12 年度 研究压缩算法，建立压缩模型。 2013.12014.12 年度 软件编程，实现算法。 2015.12015.12 年度 分析资料，撰写相关论文，参加国际国内学

32、术交流，申报成果； 临床验证并积极推广相关经验 项目结题 第 10 页 国家自然科学基金申请书 2011 版 预期研究结果： 预期研究结果： 一般而言，有损与无损压缩法的设计与做法通常有很大的出入，本研究拟在单一 算法的结构下，寻找出一种高效且适用于有损到无损的医学图像压缩算法。 （二）研究基础与工作条件 1、 工作基础 （与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩） 已在核心期刊发表相关论文 2 篇。 2、工作条件 工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的 工作条件 途径，包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验室等研究基 地的计划与落实情况） 科室拥有 64

33、 排螺旋、3.0T、 1.5T 磁共振、DSA 血管成像机、数字化 X 线机、数 字胃肠机、数字化乳腺机等高端设备，可以为研究提供丰富多样的数据源。 缺少数据压缩用的高性能影像工作站及大容量存储设备，拟向公司购买。 3、申请人简介 申请人简介（包括申请人和项目组主要参与者的学历和研究工作简 申请人简介 历，近期已发表与本项目 有关的主要论著目录和获得学术奖励情况及在本 项目中承担的任务。论著目录要求详细列出所有作者、论著题目、期刊名 或出版社名、年、卷（期） 、起止页码等；奖励情况也须详细列出全部受奖 人员、奖励名称等级、授奖年等） 申请者：张宝性 申请者：张宝性，副主任技师，工学硕士。申请者从事影像设备维修工作 16 年， 有丰富的科研经验和较高的学术水平，紧跟影像技术的发展动态。参与编写专著 4 部。 在国内核心期刊以第一作者发表 3 篇论著， 第 11 页 国家自然科学基金申请书 2011 版 4、承担科研项目情况 承担科研项目情况（申请人和项目组主要参与者正在承担的科研项 承担科研项目情况 目情况，包括自然科学基金的项目，要注明项目的名称和编号、经费来源、 起止年月、与本项目的关系及负责的内