基于Java Web的DSA信息管理與圖像分析系統(tǒng)的研制

孫超，孟慶民，王力，姚吉進，宗寶良，郭永新，焦青 山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）醫(yī)學信息工程學院，泰安市，706 泰安市中心醫(yī)院介入放射科，泰安市，7000 山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）放射學院，泰安市，706

0 引言

數字減影血管造影技術（Digital Subtraction Angiography, DSA）是常規(guī)血管造影術與電子計算機圖像處理技術相結合的產物，是冠狀動脈疾病診斷的金標準[1]，在頭頸部及中樞神經系統(tǒng)疾病、心臟大血管疾病、腫瘤和外周血管疾病的診斷與治療中都發(fā)揮著重要作用，有助于患者病情的及時控制。

在臨床與科研實踐中，DSA檢查會積累大量數據，包括患者個人信息、實驗室檢查以及影像學信息。一般情況下，這些信息均分散地保存在計算機中，在信息的存儲及檢索等方面，會存在一些問題，如圖像存儲介質所占的空間不斷增加，各種不同檢查信息分別存儲，不便于數據的存放和查找，同時傳統(tǒng)圖像存儲和管理只在本院進行，難以進行異地會診等[2]?；谂R床及科研實踐的實際需求，該研究構建了一個DSA信息管理與圖像分析系統(tǒng)，可實現患者多種檢查信息的分類管理及DSA圖像信息的處理，并可實現多地域信息的共享，有效地彌補了傳統(tǒng)醫(yī)學影像系統(tǒng)的不足。

該研究在Windows 環(huán)境下，以Eclipse 作為開發(fā)工具，以MySQL為數據庫開發(fā)平臺，Tomcat 網絡信息服務作為應用服務器，以Java作為開發(fā)語言，并利用Java內部嵌入Matlab代碼將其強大的計算能力融入到系統(tǒng)當中，構建了一個DSA信息管理及圖像分析系統(tǒng)，該文對系統(tǒng)結構及建立過程進行詳細介紹。

1 系統(tǒng)結構

該系統(tǒng)基于Browser/Server（瀏覽器/服務器模式）[3]，分為四大模塊，即信息管理、圖像處理與分析、高級檢索及臨床數據管理（圖1）。信息管理部分實現DSA的DICOM文件的上傳、刪除及查看；圖像處理與分析部分實現對DSA視頻圖像的亮度與對比度調節(jié)、直方圖均衡化、色彩變換、測量以及圖像的邊緣檢測與分割等操作；高級檢索部分實現對數據庫信息的單項及多項查詢；臨床數據管理部分實現患者臨床檢查信息的存儲、刪除及修改等操作。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System framework

2 系統(tǒng)的功能實現

2.1 DSA信息管理

信息管理模塊可實現患者基本信息及X線機參數信息的上傳、刪除及查看（圖2）。患者基本信息包括姓名、年齡、性別及出生日期等；造影X線機參數信息包括體位、劑量、電壓、曝光時間及光柵角度等。

圖2 信息管理Fig.2 Information management

實現上傳功能時，首先利用JavaScript獲取文件路徑，使用ajax上傳到Web服務器；然后將Matlab中的dicominfo函數導出為jar包，并導入至Eclipse，通過Java語言調用dicominfo函數讀取DICOM文件信息；最后借助SQL語句將DICOM文件信息存儲至MySQL數據庫。刪除及查看文件時，通過ajax將選定的文件名信息傳送到后臺，借助SQL語句進行刪除及查詢操作，并刷新前端數據。

2.2 圖像處理與分析

在進行圖像處理與分析時，首先選取獲取視頻信息（圖3）。用戶直接拖拽視頻文件到視頻播放區(qū)域，即可實現上傳文件到WEB服務器，點擊獲取視頻信息按鈕即可獲取視頻文件的幀數、幀高度、幀寬度及時長等信息。拖拽視頻上傳功能的實現是通過JavaScript的事件監(jiān)聽函數ondragover與ondragleave捕獲視頻文件，并阻止瀏覽器彈出新的標簽頁，再利用ondrop函數調用ajax上傳函數將文件傳送到后臺[4-5]。在后臺利用Java語言將視頻文件上傳到WEB服務器中的upload文件夾。獲取視頻信息時，通過ajax將文件路徑信息傳遞給后臺，后臺調用Matlab生成的jar包讀取指定路徑的視頻文件信息，并將信息返回至前端。

圖3 獲取視頻信息Fig.3 Video information obtaining

系統(tǒng)在實現DSA原始圖像（圖4(a)）的直方圖均衡化（圖4(b)）時，將Matlab中的histeq函數封裝為一個自定義函數，其輸入參數為原圖像及變換后圖像的保存路徑，第三方jar包在Eclipse上調用該自定義函數。系統(tǒng)利用JavaScript在前端直接實現對圖像的亮度調節(jié)（圖4(c)）與對比度調節(jié)（圖4(d)）。亮度調節(jié)是利用線性運算的方法，將每一個像素加上一個增強系數，使圖像整體變亮或變暗。在實現對比度調節(jié)時，首先提取圖像中每個RGB像素值，然后利用Crgb=RGB/255將像素值范圍縮小為0～1，最后利用公式 [(Crgb-0.5)×contrast+0.5]×255計算出改變對比度后每一點新的像素值。

圖像邊緣檢測（圖4(e)）可大幅度減少數據量并保留圖像的結構屬性。系統(tǒng)采用Sobel邊緣檢測算法，該算法比較簡單，實際應用效率高于canny邊緣檢測算法[6]。邊緣提取分為濾波、增強和檢測三個步驟，使用Matlab語言編寫各主要功能函數。首先使用fspecial函數和imfilter函數對圖像進行高斯濾波，然后采用中心為5的8鄰域拉普拉斯算子和圖像卷積達到銳化圖像的目的，最后調用edge（I，Sobel）函數進行邊緣檢測。

圖4 圖像處理與分析Fig.4 Image process and analysis

圖像分割是將圖像中的血管與背景進行分割。該系統(tǒng)采用基于閾值的分割方法[7]，首先使用fspecial('gaussian', HSIZE, sigma1)函數分別生成像素矩陣A和B。生成矩陣A的函數中HSIZE參數值較大（1 000），因此濾波后圖像接近于原圖像的背景，生成矩陣B的函數中HSIZE參數值較小（10），起到去噪的作用，兩個矩陣相減即可將血管從背景中分割出來（圖4(f)）。

系統(tǒng)可對圖像進行長度與面積的測量（圖5）。測量長度時，首先使用canvas.onmousemove函數對Canvas畫板對象設置鼠標監(jiān)聽事件，獲取起點坐標（x1，y1）和終點坐標（x2，y2），然后使用stroke函數在兩點間繪制直線，利用公式求出兩點間距。面積測量包括任意形狀、矩形和圓形面積測量，首先在Canvas畫板上設置監(jiān)聽事件，繪制圖形后將畫板保存為img對象，對圖像內部的連通區(qū)域進行掃描，統(tǒng)計連通區(qū)域內部像素個數，得到的結果與特定比例的乘積即為區(qū)域面積。

2.3 高級檢索

高級檢索模塊（圖6）可供用戶查詢數據庫內的所有信息，包括單項查詢和多項查詢。默認檢索方式是按照文件名進行檢索，在主界面輸入要查詢的文件名，點擊搜索按鈕即可進行檢索。高級搜索條件包括姓名、文件名、年齡區(qū)間、體位區(qū)間及病變位置等。

圖5 圖像測量Fig.5 Image measurement

在MySql數據庫中，通過SELECT語句完成檢索查詢操作，為了優(yōu)化數據庫的性能，本系統(tǒng)采用C3P0數據庫連接池負責分配、管理和釋放數據庫連接[5]。使用SELECT * FROM WHERE語句查詢滿足條件的字段信息，WHERE后輸入邏輯運算符AND進行多項查詢，輸入關鍵字BETWEEN AND進行范圍查詢，輸入的信息由前端通過ajax傳遞到后臺。在前端界面仍應用緩沖池技術，將查詢條件信息保存在Cookie域中，這樣即使刷新系統(tǒng)，輸入的信息也不會丟失。

圖6 高級檢索Fig.6 Advanced search

2.4 臨床數據管理

為了防范醫(yī)療風險，保障手術安全，在進行血管造影手術前，需要對患者進行常規(guī)檢查，包括血常規(guī)、尿常規(guī)、腎功能及超聲檢查等。該系統(tǒng)將患者的臨床檢查數據按檢查類型保存在數據庫中，用戶可按照單項查詢或多項查詢的方式對信息進行檢索。系統(tǒng)還可統(tǒng)計數據庫中各個年齡段患者的人數并以柱狀圖的形式顯示。

在主界面（圖7），用戶通過點擊菜單欄的檢查類型和NEXT按鈕，滑動切換不同的填寫模塊?；瑒有Ч遣捎胏ss中的animate方法改變模塊的位置來實現。當用戶填寫完所有信息后，點擊提交按鈕，系統(tǒng)將信息以json格式提交到WEB服務器，在后臺利用java語言接收數據，然后執(zhí)行INSERT INTO 語句將信息保存至數據庫。用戶點擊查詢按鈕，選擇查詢條件，系統(tǒng)執(zhí)行SELECT * FROM WHERE 語句來查詢指定信息，并將信息返回到用戶界面。系統(tǒng)使用JavaScript導入可視化包echarts.js，對查詢到的各個年齡段信息進行統(tǒng)計分析，并制作柱狀圖顯示。

圖7 臨床數據管理Fig.7 Clinical data management

3 總結

隨著信息技術迅速發(fā)展，互聯網已成為集信息采集、處理、傳播、開發(fā)與利用等多種功能于一體的平臺。該系統(tǒng)采用的Browser/Server（瀏覽器/服務器模式）結構簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，其最大的優(yōu)點是可以跨平臺操作而無需安裝任何專門軟件，可實現客戶端零維護[8]。系統(tǒng)采用的MySQL關系數據庫是目前運行速度最快的SQL語言數據庫，大大提高了系統(tǒng)的運行效率[9]。

該系統(tǒng)采用JavaScript、ImageJ和Matlab三種方式結合進行圖像處理，JavaScript可減少網絡數據傳輸，便于操縱HTML對象，可提高系統(tǒng)的運行效率[10]，適用于簡單的圖像處理；ImageJ是一種開源的圖像處理利器，程序小，運行快，借助其中的工具包可進行復雜的圖像處理[11]；Matlab具有高性能數據運算與可視化的優(yōu)勢，適用于算法復雜度高的圖像處理[12]。該系統(tǒng)整合了上述三種方法的優(yōu)勢，針對不同的圖像處理操作需求采用合適的語言，不僅增強了圖像處理效果，而且提高了系統(tǒng)的運行效率。

該系統(tǒng)可進行圖像的邊緣檢測與分割，是感興趣血管部分提取的基礎，后續(xù)可進行DSA圖像中血管骨架及血管中心線的提取，以實現對冠狀動脈血管夾角與直徑的測量，對于判斷某段血管是否病變，病變程度及病變位置具有重要意義。

該研究依據臨床與科研實際需求，運用模塊化的開發(fā)思想，基于Java Web開發(fā)了DSA信息管理與圖像分析系統(tǒng)，實現了對圖像數據的高效管理與分析。該系統(tǒng)可供一線臨床科研人員回顧及分析DSA相關數據，也可作為教學工具為學生展示DSA檢查原理及圖像信息，界面簡約友好，易于操作，具有一定的實用價值。