一種基于Web的CT/MR圖像序列定位線繪制的方法

謝勤嵐，夏 超，苑金龍

(1 中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 ，武漢 430074；2 深圳藍(lán)韻實(shí)業(yè)有限公司 藍(lán)韻網(wǎng)絡(luò)研發(fā)中心，深圳 518108)

計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和核磁共振成像(MR)技術(shù)發(fā)展成熟，廣泛應(yīng)用于臨床診斷.通過分析一個(gè)CT/MR序列的人體組織器官二維切片圖像，醫(yī)生能夠得到病灶的大小及形狀，方便診斷.但CT/MR序列中的切片數(shù)量很多，醫(yī)生對(duì)病灶位的確診需要多組不同視點(diǎn)角度，而CT切片圖像的定位，MR不同切片間的相互定位是一個(gè)難題，針對(duì)某一幅圖像，醫(yī)生并不知道該切片圖像在組織器官上對(duì)應(yīng)的精確位置[1].

現(xiàn)有技術(shù)基于PC客戶端在醫(yī)學(xué)影像上繪制定位線正是用來解決這個(gè)問題，但由于PC端的移動(dòng)性能較差，無法適應(yīng)于現(xiàn)在遠(yuǎn)程醫(yī)療中醫(yī)生精確定位病人病灶的需求.而目前存在的基于Web的定位線繪制大多數(shù)依賴JavaApplet來實(shí)現(xiàn)，它要求用戶在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行操作時(shí)安裝基于Java的圖像處理插件，同樣有著安裝繁瑣、推廣應(yīng)用不便的弊端.

因此，本文提出了一種基于Web的CT/MR圖像序列定位線繪制的方法.該方法采取了高效準(zhǔn)確的定位線算法、瀏覽器與Web服務(wù)器之間的異步請(qǐng)求、以及HTML5(Hypertext Markup Language)的畫布屬性等技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)了CT/MR圖像序列定位線在瀏覽器上的顯示.該實(shí)現(xiàn)可以在不安裝任何插件的瀏覽器上完成醫(yī)學(xué)影像的定位線繪制，可以使醫(yī)生利用任何移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地登陸瀏覽器，通過網(wǎng)址訪問醫(yī)院內(nèi)部的醫(yī)學(xué)影像服務(wù)器，為區(qū)域醫(yī)療和遠(yuǎn)程會(huì)診的精確診斷提供重要輔助工具.

1 技術(shù)背景

1.1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)及WADO協(xié)議

DICOM即數(shù)字影像和通信標(biāo)準(zhǔn)，是為了統(tǒng)一醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)和傳輸格式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息自由交換而產(chǎn)生的.其中WADO協(xié)議是用來規(guī)定Web醫(yī)學(xué)圖像信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，根據(jù)客戶端的請(qǐng)求，可以返回相應(yīng)的影像、報(bào)告、DICOM文件、JPG文件等.WADO規(guī)定了Web中請(qǐng)求不同的對(duì)象以及影像信息的參數(shù)設(shè)置方式和相關(guān)的相應(yīng)的機(jī)制，為在Web中檢索患者信息、影像、教學(xué)提供匿名DICOM文件等提供了便利.標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其請(qǐng)求規(guī)則為：<通信協(xié)議>://服務(wù)器地址/路徑文件?請(qǐng)求參數(shù).具體實(shí)例如圖1.

圖1 基于WADO協(xié)議的url請(qǐng)求模板Fig.1 Request template of the url based on WADO agreement

Web客戶端的請(qǐng)求參數(shù)以如圖1中url的形式傳給服務(wù)器.根據(jù)DICOM中的WADO標(biāo)準(zhǔn)，RequestType=WADO是請(qǐng)求參數(shù)中的必選參數(shù)，該參數(shù)為服務(wù)器的請(qǐng)求標(biāo)識(shí)，表明請(qǐng)求來自WEB，請(qǐng)求符合WADO標(biāo)準(zhǔn)；3個(gè)UID(StudyUID、SeriesUID、ObjectUID)分別為檢查唯一標(biāo)識(shí)、對(duì)象序列唯一標(biāo)識(shí)、對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)，這些參數(shù)用來指定請(qǐng)求的DICOM對(duì)象.其他的可選參數(shù)如Rows、Columns、WindowCenter、WindowWidth、ImageQuality等分別表示圖像高度、圖像寬度、窗位、窗寬、圖像質(zhì)量等.

1.2 數(shù)據(jù)信息

標(biāo)準(zhǔn)的DICOM文件由文件頭和數(shù)據(jù)信息構(gòu)成.DICOM 文件頭包含了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)集合的相關(guān)信息.數(shù)據(jù)信息是DICOM數(shù)據(jù)元素Tag的組號(hào)從0x0008開始的數(shù)據(jù)元素構(gòu)成的數(shù)據(jù)集.數(shù)據(jù)信息按內(nèi)容可分為圖像文件數(shù)據(jù)信息和非圖像文件數(shù)據(jù)信息.圖像文件數(shù)據(jù)信息是多個(gè)信息對(duì)象的復(fù)合體，包括病人(Patient)、檢查(Study)、系列(Series)和圖像(Image)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)元素；非圖像文件數(shù)據(jù)信息由目錄管理、病人管理、檢查管理、就診管理、結(jié)果管理等管理信息和其它信息構(gòu)成[2].數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu)見表1.

表1 數(shù)據(jù)元素結(jié)構(gòu)

元素標(biāo)識(shí)Tag是DICOM數(shù)據(jù)元素的標(biāo)記號(hào)，它由組號(hào)和元素號(hào)構(gòu)成，是與每個(gè)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)的標(biāo)記，如0002、0003就是組號(hào)為0x0002，元素號(hào)為0x0003的介質(zhì)存儲(chǔ)服務(wù)類實(shí)例UID數(shù)據(jù)元素的Tag號(hào).值表示VR(value representation)是DICOM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)字符、整型和浮點(diǎn)型等數(shù)據(jù)類型的特定表示方法.多值性VM(Value Multiplity)是用于表示數(shù)據(jù)元素中包含的元素值的個(gè)數(shù)[3].

本文中CT/MR的定位線繪制的服務(wù)端算法就用到了數(shù)據(jù)信息中的Patient Position (0018,5100)、ImageType(0008,0008)、ImagePositionPatient(0020,0032)、Rows(0028,0010)、IamgeOrientationPatient (0020,0037)、PixelSpacing(0028,0030)、Columns(0028,0011)和Frame of Reference UID(0x20,0x52) 等屬性.

2 基于WEB的定位線繪制原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

CT和MR的Web定位線繪制涉及到兩幅圖像:定位圖像和當(dāng)前圖像.

首先將定位圖像和當(dāng)前圖像的唯一標(biāo)識(shí)3個(gè)UID通過TCP/IP協(xié)議以URL的形式傳遞給Web服務(wù)器，然后再由FastCGI(FastCGI是一個(gè)常駐型的CGI(Common Gateway Interface))將請(qǐng)求傳送給WADO服務(wù)，WADO服務(wù)解析WADO協(xié)議串，根據(jù)協(xié)議串中的DICOM文件的UIDS從數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)服務(wù)中請(qǐng)求DICOM文件流，同時(shí)將DICOM文件流存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)交換區(qū)域.WADO服務(wù)根據(jù)接收到協(xié)議串的參數(shù)，處理DICOM文件流得到需要的內(nèi)容，最后FastCGI將WADO服務(wù)的處理結(jié)果通過Web服務(wù)器返回給瀏覽器客戶端，前端獲得返回的數(shù)據(jù)結(jié)果，畫出基于Web的CT/MR圖像序列定位線[4，5].Web定位線繪制總體框架如圖2.

圖2 基于WEB的定位線繪制框架圖Fig.2 Positioning line drawing frame based on WEB

2.2 服務(wù)端定位線繪制算法

2.2.1 確定定位圖

CT圖像定位圖的判斷：通過WADO協(xié)議傳入的StudyUID信息，遍歷該StudyUID下病人的所有CT序列，由DICOM文件數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)元素的Image Type屬性來判斷是否是定位圖片，若是LOCALIZER表示該圖像為定位圖像，若是AXIAL則表示為切片圖像[1].

MR圖像定位圖的判斷：MR圖像的定位線是個(gè)斷層，有多幅定位圖，成像方式復(fù)雜，無法通過ImageType屬性判斷.而Frame of Reference UID屬性基本上都指向了一幅不存在的圖像，也無法進(jìn)行有效判斷.實(shí)際上MR定位圖像是一個(gè)相對(duì)、相互的概念，只要兩張圖像間存在交線，那么MR中任何一張圖像都可能成為另一張圖像的定位圖[6].

2.2.2 定位線算法模型

首先我們將定位圖像第一行、第一列方向矢量叉乘，得到圖像平面的法向量，如式(1)：

(yr1zc1-yc1zr1,zr1xc1-xr1zc1,xr1yc1-xc1yr1).

(1)

(x-x1)dx+(y-y1)dy+(z-z1)dz=0.

(2)

對(duì)于切片圖像(記為Plane2)：

(1)取出Tag(0020,0032)值即Image Position Patient屬性，確定圖像首個(gè)像素(即圖像左上角點(diǎn))在所述統(tǒng)一坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值O2(x2,y2,z2)；

(3)取出Tag(0028,0030) 值即pixel spacing屬性，確定圖像的每個(gè)像素代表的實(shí)際物理寬度和代表的實(shí)際物理高度Spacingx,Spacingy；

(4)取出Tag(0028,0010) 值即Rows屬性，確定圖像的高度SrcHeight；

(5)取出Tag(0028,0011) 值即Columns屬性，確定圖像的寬度SrcWight.

如此可以得到切片圖像4個(gè)端點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將其記為P1(x,y,z)，P2(x,y,z)，P3(x,y,z)，P4(x,y,z)(設(shè)P1點(diǎn)即是O2點(diǎn)，P2點(diǎn)是切片右上角點(diǎn)，P3點(diǎn)是右下角點(diǎn)，P4點(diǎn)是左下角點(diǎn))，如式(3)～(5)：

(3)

(4)

(5)

然后將4個(gè)已知的端點(diǎn)與定位圖像面片算出其矢量位移，將其記為dv1，dv2，dv3，dv4，如式(6)：

dv1=(P1x-O1x)×dx+(P1y-O1y)×dy+

(P1z-O1z)×dz.

.(6)

同理可得dv2，dv3，dv4，如此得到以下4個(gè)判斷式子：

IsCross12=

(dv1>0&&dv2<0)‖(dv1<0&&dv2>0),

(7)

IsCross23=

(dv2>0&&dv3<0)‖(dv2<0&&dv3>0),

(8)

IsCross34=

(dv3>0&&dv4<0)‖(dv3<0&&dv4>0),

(9)

IsCross41=

(dv4>0&&dv1<0)‖(dv4<0&&dv1>0).

(10)

假設(shè)此圖像的4條邊界為P1P2，P2P3，P3P4，P4P1，那么根據(jù)(7)～(10)式的邏輯判斷可以得知，如果點(diǎn)P1和P2分別位于已知平面的兩側(cè)，那么IsCross12 為真，表明P1P2線段與平面有交點(diǎn)，同理如果IsCross23為真，表明P2P3線段與平面有交點(diǎn)，以此類推可以判斷出哪些線段是與平面有交點(diǎn)，同時(shí)可知如果4條線段與平面都沒有交點(diǎn)，那么這兩張圖像就是平行的，則不存在定位線.

通過以上的判斷和計(jì)算，就可以找到線段與已知平面的交點(diǎn)，有且只會(huì)有2個(gè)交點(diǎn)，將其記為CrossPoint1(x,y,z),CrossPoint2(x,y,z).計(jì)算公式如下(假設(shè)IsCross12 為真)：

CrossPoint1,x=P1x+(P2x-P1x)×

|dv1/(dv1-dv2) ，

(11)

CrossPoint1,y=P1y+(P2y-P1y)×

|dv1/(dv1-dv2) ，

(12)

CrossPoint1,z=P1z+(P2z-P1z)×

|dv1/(dv1-dv2) .

(13)

同理可以得到CrossPoint2.得到CrossPoint1,CrossPoint2兩個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)值后，將其轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)點(diǎn)CrossPoint1(x,y),CrossPoint2，也就是三維空間點(diǎn)在平面上投影點(diǎn)的位置，最后再通過Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)返回給瀏覽器客戶端.算法流程見圖3.

圖3 服務(wù)端定位線算法流程圖Fig.3 Positioning line algorithm flow chart on the service side

2.3 Web客戶端定位線繪制算法

服務(wù)端處理完并返回?cái)?shù)據(jù)后，Web客戶端首先接收到2個(gè)二維坐標(biāo)點(diǎn)值LocalizerStartPoint(x,y)、LocalizerEndPoint(x,y)，分別表示起點(diǎn)值和終點(diǎn)值.然后根據(jù)頁面圖像顯示的大小、原圖像的大小和相對(duì)顯示框圖像位移等將其轉(zhuǎn)換為Web頁面坐標(biāo).

假設(shè)圖像的原始大小寬和高分別為srcWidth、srcHeight，由基于WADO協(xié)議的url可選參數(shù)Rows、Columns向服務(wù)器請(qǐng)求返回 .假設(shè)Web頁面顯示框大小為ShowFramewidth、ShowFrameheight，得到寬和高的分別比例如式(14)、(15)：

ratioW=ShowFramewidth/srcWidth,

(14)

ratioH=ShowFrameheigth/srcHeight.

(15)

原始圖像內(nèi)適應(yīng)顯示框后，寬和高必定按同一比例縮放，圖像才不會(huì)失真，而寬或高多余的部分稱之為非圖像區(qū)域，用黑色填充，縮放比例計(jì)算方法為：

(1)如果ratioW

(2)如果ratioW>ratioH,ratio=rationW.

得到縮放比例后，然后算出圖像寬和高上不是圖像數(shù)據(jù)的部分，有且只有一個(gè)方向上是有非圖像區(qū)域的，如式(16)、(17)：

offwetW=(ShowFranmewidth-ratio×

srcWidth)/2,

(16)

offwetH=(ShowFranmeeight-ratio×

srcHeight)/2.

(17)

同時(shí)還要注意的是，圖像在顯示框內(nèi)，放大縮小或者移動(dòng)后會(huì)有相對(duì)顯示框的偏移，這個(gè)偏移相對(duì)于顯示框的左頂點(diǎn)將其記為offsetLeft、offsetTop.

如此通過以上的數(shù)據(jù)，可以最終算出轉(zhuǎn)化為Web頁面上的坐標(biāo)值，如式(18)、(19)：

TransStartPoint.x=LocalizerStartPoint.x×

offsetW+offsetLeft,

(18)

TransStartPoint.y=LocalizerStartPoint.y×

offsetW+offsetTop.

(19)

同理可以獲得終點(diǎn)的坐標(biāo)TransEndPoint(x,y).算法流程見圖4.

圖4 Web客戶端定位線算法流程圖Fig.4 Positioning line algorithm flow chart on the client side

3 具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)兩種掃描各自的特征，CT和MR的Web定位線繪制采取不同的顯示布局：CT的定位圖像通常只在一個(gè)序列中，而且數(shù)量較少，所以采取一個(gè)顯示框內(nèi)存放定位圖像，其他顯示框內(nèi)存放切片圖像，來相對(duì)定位圖像畫定位線的布局結(jié)構(gòu).MR則是任何圖片都可能是切片圖像或是定位圖像，注重的是相互定位，除了當(dāng)前圖像，在每個(gè)顯示框內(nèi)的圖像上都要畫上定位線.

基于以上框架流程，在Web客戶端根據(jù)WADO協(xié)議，客戶端請(qǐng)求定位線信息的url如下模式.

(1)3個(gè)UID參數(shù)(StudyUID、SeriesUID、SopUID)傳入當(dāng)前圖像的3個(gè)UID.

(2)添加LocalizerlineUIDS參數(shù)(自行定義參數(shù)名)，用于存放定位圖像3個(gè)UID.

(3)其他窗寬窗位，圖像高，寬等參數(shù)可選傳入.

服務(wù)端收到url請(qǐng)求信息后，通過WADO服務(wù)解析，經(jīng)過DICOM文件信息讀取和算法流程后，再通過Web服務(wù)器返回計(jì)算結(jié)果，得到相對(duì)于原始圖像定位線的兩個(gè)二維交點(diǎn)坐標(biāo).

最后根據(jù)前端算法得到兩個(gè)頁面顯示坐標(biāo)點(diǎn)，在瀏覽器上創(chuàng)建HTML5的畫布，用虛線連接兩個(gè)點(diǎn)，就實(shí)現(xiàn)了基于Web的CT/MR圖像序列中定位線的繪制.CT和MR定位線繪制效果見圖5和圖6.

圖5 基于Web的CT圖像序列定位線繪制Fig.5 Drawing positioning line of CT image sequence based on Web

圖6 基于Web的MR圖像序列定位線繪制Fig.6 Drawing positioning line of MR image sequence based on Web

4 結(jié)語

基于Web的定位線是未來遠(yuǎn)程醫(yī)療不可缺少的一部分，本文針對(duì)遵循DIOCM3.0標(biāo)準(zhǔn)組織的醫(yī)學(xué)影像，實(shí)現(xiàn)了一種適用于CT/MR的圖像序列定位線的繪制方法.該方法一方面繼承了傳統(tǒng)客戶端PACS的定位線繪制的精準(zhǔn)和算法的高效，同時(shí)克服了PC端的移動(dòng)性能較差的缺點(diǎn)；另一方面基于WADO協(xié)議和異步請(qǐng)求技術(shù)的總體框架，相較于基于Java插件的Web繪制，在數(shù)據(jù)傳輸速度和顯示流暢性上也有了很大的改進(jìn).

參 考 文 獻(xiàn)

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