基于混合現(xiàn)實(shí)手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

涂鐵

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖，241002）

0 引言

混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)作為一種新興技術(shù)，能夠?qū)?shù)字對象和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行有效融合，從而使用戶可以構(gòu)建成虛擬與現(xiàn)實(shí)交互反饋回路，達(dá)到虛擬與現(xiàn)實(shí)的有效互動。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其實(shí)時交互和精準(zhǔn)匹配的特點(diǎn)在醫(yī)療場景中有著廣闊的發(fā)展情景。其在外科手術(shù)、醫(yī)學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程會診等方面都能夠發(fā)揮重要的作用?；诨旌犀F(xiàn)實(shí)手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)（圖1）是借助三維建模技術(shù)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等將患者身體三維化呈現(xiàn)在相關(guān)設(shè)備中，使手術(shù)醫(yī)生可以借助相關(guān)數(shù)字模擬工具在患者的三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行手術(shù)模擬，從而制定手術(shù)方案，降低手術(shù)風(fēng)險。同時相關(guān)手術(shù)醫(yī)生在手術(shù)過程中還可以通過混合現(xiàn)實(shí)眼鏡方便的查閱相關(guān)圖像資料并可以將病人的3d模型投影在患者身體上，從而可以幫助醫(yī)生進(jìn)行精確定位。

圖1 系統(tǒng)基本流程圖

對于數(shù)據(jù)中心來說來說其主要用來存儲相關(guān)病例資料和大量的來自不同設(shè)備（CT、X-Ray、MRI等）的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)每天可能以幾GB到幾十GB進(jìn)行增長，如何有效地進(jìn)行存儲設(shè)計，直接影響到整個模擬系統(tǒng)的有效性和工作效率。本文提出一種醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)存儲的設(shè)計方案，該方案采取分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)+分層存儲的思路，能夠提高圖像數(shù)據(jù)的傳輸效率，符合終端各種設(shè)備的需求。

1 分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

在本模擬系統(tǒng)當(dāng)中，隨著用戶可預(yù)見性的增長，對云端數(shù)據(jù)的讀取、寫入等操作頻率會持續(xù)增加，當(dāng)多個用戶并發(fā)訪問特定數(shù)據(jù)時，傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常使用事務(wù)和鎖來保證數(shù)據(jù)的完整性，這樣會大大導(dǎo)致響應(yīng)延遲，降低用戶體驗(yàn)。

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲在不同數(shù)據(jù)點(diǎn)中，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)物理上分布于不同的位置并用高速網(wǎng)絡(luò)將其連接從而可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和調(diào)度，同時每個數(shù)據(jù)點(diǎn)都有獨(dú)立處理事務(wù)的能力。這種特點(diǎn)可以使整個系統(tǒng)在硬件成本增加相對較低的基礎(chǔ)上可以大幅提高數(shù)據(jù)庫的并發(fā)訪問能力，符合商業(yè)邏輯[1]。MySQL作為一種常用的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其免費(fèi)靈活、動態(tài)可擴(kuò)展等特性，使其適合搭建分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

MySQL分布式集群作為一種分布式節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的存儲方案，其具有高性能、低成本、提供容錯性等特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用在各種存儲系統(tǒng)中，如京東公司的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)就是基于MySQL分布式集群為主體框架。本模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲亦可以使用此方案予以搭建。本模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于醫(yī)院信息系統(tǒng)（HIS）、醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)（PACS）等醫(yī)院信息化系統(tǒng)中的若干種，其可以分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（字符、數(shù)值等）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（圖像、DICOM圖像數(shù)據(jù)）兩大類。其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以直接轉(zhuǎn)換成關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的各種表，而對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換的時候要保證其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容完整。本文重點(diǎn)論述DICOM圖像數(shù)據(jù)這一非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲設(shè)計思路。

圖2 分解示意圖

2 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

對于本系統(tǒng)來說，DICOM醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的存儲至關(guān)重要。一方面，它是三維重建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，另一方面各種終端設(shè)備也需要調(diào)取它進(jìn)行查閱分析，所以如何準(zhǔn)確快速的讀取醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)成為本方案需要重點(diǎn)考慮的問題。

DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信，是醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 12052），相對于其它類型數(shù)據(jù)而言，DICOM圖像數(shù)據(jù)具有高分辨率、高精度和大數(shù)據(jù)量的特點(diǎn),其數(shù)據(jù)之間存儲在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和規(guī)律性[2]。同時在DICOM醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)中醫(yī)生通常感興趣的可能只是病癥部分的信息，而其它部分的則很少注意。針對上述特點(diǎn)可以采取分層存儲的思路去存儲相關(guān)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)。所謂分層存儲就是根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的任務(wù)用途來分別建立不同的圖像數(shù)據(jù)庫，從而提高整個模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取效率。

2.1 原始圖像數(shù)據(jù)庫

在本模擬系統(tǒng)中，使用三維建模工具使用患者的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模是其中一個重要環(huán)節(jié)，這些圖像數(shù)據(jù)的來源就是原始圖像數(shù)據(jù)庫。當(dāng)DICOM醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)從PACS中傳輸過來后，首先要經(jīng)過解析然后將DICOM 格式的信息部分和圖像數(shù)據(jù)部分進(jìn)行分離并將它們存儲到數(shù)據(jù)庫中，從而建立成原始圖像數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫可以設(shè)計如下幾個數(shù)據(jù)表：Patients(患者表 )、Studies（檢查表）、Series（序列表）、Images（圖像表）、linktable（連接表）這些表通過外鍵相互關(guān)聯(lián)，其中在linktable表是用來提高查詢效率的。

表1 原始圖像數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.2 標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫

通常情況下，當(dāng)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)生成后，相關(guān)的醫(yī)生可能會在圖像上對相關(guān)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，將病變部分和疑似病變部分和其他部分區(qū)分開從而有利于制定手術(shù)方案。原始圖像數(shù)據(jù)庫中的圖像數(shù)據(jù)可以通過格式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式的醫(yī)學(xué)圖像，這些轉(zhuǎn)換后的醫(yī)學(xué)圖像就可以按照下面的表結(jié)構(gòu)存儲到標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫中。標(biāo)注圖像數(shù)據(jù)庫除Patients表、Studies表、Series表、Images表、linktable表外還應(yīng)加上 Mark（標(biāo)注表）。其表結(jié)構(gòu)為 Mark（PatientID、ImageID、Position、Information、Doctor）。其中 PatientID列對應(yīng)的病人的ID，ImageID列對應(yīng)圖像的圖像號，Position列表示標(biāo)注在圖像上顯示的位置，Information表示標(biāo)注的內(nèi)容，Doctor指明增加該標(biāo)注的醫(yī)生。Mark表同對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)在物理上是獨(dú)立的，從而保證了圖像數(shù)據(jù)的完整性。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.3 標(biāo)準(zhǔn)圖像數(shù)據(jù)庫

醫(yī)學(xué)圖像通常包含更多的紋理信息，常見的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)所需的存儲空間較大，故數(shù)據(jù)傳輸在即時移動端的各個應(yīng)用場景下都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文提出一種采用經(jīng)典的RLE無損壓縮方法對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮的思路。RLE算法的主要思想是：用一個表示塊數(shù)的屬性加上一個數(shù)據(jù)塊代表原來連續(xù)的若干塊數(shù)據(jù)，達(dá)到縮小存儲空間的效果。本文采用一個真實(shí)影像數(shù)據(jù)來解釋RLE算法的壓縮步驟。首先關(guān)注到原圖相鄰的局部區(qū)域內(nèi)存在像素值相同的像素點(diǎn)，故RLE對同一行連續(xù)相同的像素塊進(jìn)行分解，I1中記錄某一像素值連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)，I2中記錄同一行連續(xù)出現(xiàn)的像素值，I3中記錄每一行存在的不同像素值總個數(shù)。由此將原圖分解為I1、I2、I3三個矩陣，在實(shí)際操作中本文利用png格式進(jìn)行無壓縮矩陣存儲?？梢杂^察到由于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)存在大量相同數(shù)據(jù)塊的特殊性，RLE無損壓縮算法能夠極大的對其進(jìn)行壓縮，則能夠有效解決影像數(shù)據(jù)在即時移動端的應(yīng)用場景中完成高速傳輸?shù)哪康摹?/p>

3 結(jié)語

本文針對基于混合現(xiàn)實(shí)手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的存儲需要， 提出了以MySQL分布式集群作為整體存儲架構(gòu)，并根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了分層存儲的思路。對于本模擬系統(tǒng)來說，MySQL分布式集群這一分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)，而采用分層存儲的圖像數(shù)據(jù)庫的設(shè)計思路，又可以提高醫(yī)學(xué)圖像文件的傳輸效率，從而能夠匹配移動端APP和微信小程序的實(shí)時訪問需求。