醫(yī)學圖像信號變換與壓縮

　　本書從信號的最基本概念開始，在討論了信號的時域變換、頻域變換＼z變換、離散變換、隨機信號處理、小波變換和信號的濾波、調(diào)制的基礎上，重點闡述了二維圖像信號變換及其應用、信號壓縮及信號壓縮編碼的實現(xiàn)。本書一方面在敘述上盡量避免繁復的數(shù)學推導，而在那些必需的關鍵之處，又能做到不省略中間步驟，給出全部的推導過程；另一方面雖然以信號壓縮為信號變換的具體運用作主線，但在信號變換妁敘述中充分預留了其他應用上的“接口”（如醫(yī)學信號重建、醫(yī)學圖像增強與復原、醫(yī)學信息分析等）。本書既是醫(yī)學圖像信號變換及應用方面最新技術成果的綜合性論著，也可作為高等院校相關專業(yè)課程的教材，同時還兼顧了醫(yī)療機構、醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)或業(yè)務相關的研究單位以及從事相關的市場定位、研究開發(fā)等方面的從業(yè)人員提高業(yè)務的需要。前言撰寫這部《醫(yī)學圖像信號變換與壓縮》用了作者近4年的時間，而醞釀它則長達1年之久為什么撰寫本書計算機和網(wǎng)絡技術與臨床醫(yī)學的結合／應用主要表現(xiàn)在如下兩個方面：其一是將計算機技術撞人儀器、設備和裝置，用于人體信息檢／監(jiān)測（如臨床醫(yī)學檢驗儀器、ICU／CCU監(jiān)控儀器），或用于過程控制（如輔助治療）；其二是通過網(wǎng)絡的欹／硬件平臺進行信息集成（如HIS、RIS和PACS）和信息交流（如E-mail、信息搜索與發(fā)布）。而前述第一方面的最典型、最成功的結合又當數(shù)人類基于投影重建圖像數(shù)學理論發(fā)明的X射線計算機體層成像技術（X-raycomputedtomo—graphy，X-CT）。2世紀初，奧地利數(shù)學家Radon提出了圖像重建理論的數(shù)學公式，并證明：一個二維或三維物體能通過其不同方向上的投影單一地重建起來。1963年9月及1964年1月，美國教授A．M．Cormack在《應用物理雜志（JournalofAppliedPhysics）上發(fā)表了2篇題為《用線性積分表示一函數(shù)的方法及其在放射學上的應用》的文章，并將這一圖像重建的數(shù)學方法成功地用于簡單的模型裝置，從而奠定了CT圖像的精確重建。2世紀6年代末，英國工程師G．N．Hounsfield將“如果一束X線從各個方向穿過人體，并且測量到它們的透射值，那么就可以得到物體內(nèi)部結．構的信息，且能以圖像的形式呈現(xiàn)出來”的想法付諸行動，并在Ambrose醫(yī)生指導下進行了臨床實驗，成功地開發(fā)出世界第一臺X線計算機體層成像設備。如果從信號的角度說，究其實質(zhì)，X-CT不外是將檢測到的信息或記錄在某種媒體上的信息，而這些信息中有的是含有有用信息的信號（signal），有的是需要處理掉噪音（noise）后的信號——通過信號變換的方式，以便抽取其中有用的信息，最后將其以人的感觀可以感覺到的形式呈現(xiàn)出來的過程。CT的發(fā)明使得醫(yī)學與工程技術的結合極受社會所推崇。稍后，應用X-CT圖像信號成像的原理，人們相繼開發(fā)成功了核磁共振CT（nuclearmagneticresonancecomputedtomography，NMR-CT）和發(fā)射型計算機斷層掃描成像技術（emissioncomputedtomo—graphy，ECT）①。為此，Hounsfield和Cormack于1979年共同獲得了諾貝爾生理學醫(yī)學獎。23年的諾貝爾生理學醫(yī)學獎授予了美國的物理學家PaulCLauterbur和英國的物理學家PeterMansfield。這兩位科學家通過對磁共振信號的研究奠定了NMR-CT的基礎框架。網(wǎng)絡在臨床醫(yī)學方面應用的歷史雖不長，但其表現(xiàn)卻很引人矚目：在診治現(xiàn)場，在醫(yī)療部門內(nèi)部，及與其他醫(yī)療部門、機構之間，無縫地傳遞、分享醫(yī)學信息；建立與醫(yī)療計劃工作流程相適應的連續(xù)而一體化的放射學數(shù)據(jù)；患者信息識別為身份不明患者（如在外傷急救場合）提供其放射診斷圖像與接納、診治歷史的匹配方法；因放射圖像一致性顯示而對一系列通信作出的規(guī)定，以保持灰度圖像及其顯示狀態(tài)的顯示一致性；分群程序顯示應付一些關聯(lián)的研究課題；放射信息訪問為訪問放射信息規(guī)定一系列問訊通信；關鍵圖像標注——為使用者標志一個或一批圖像而規(guī)定一個通信標準；為簡單圖像與數(shù)字報告便利應用而日漸普遍的數(shù)字化聽寫、語音識別，以及規(guī)定報告集。自2年起，由北美放射學會RSNA和醫(yī)療住處管理與系統(tǒng)學會HIMSS（Health—carelnformationManagementandSystemsSociety）聯(lián)合組成了集成醫(yī)療機構（Integra—tingtheHealthcareEnterprise，IHE），專門用以解決醫(yī)生、醫(yī)院管理部門和其他醫(yī)療專業(yè)人士的一個困惑的問題：醫(yī)院計算機系統(tǒng)之間不能共享信息——從信號的角度說，是網(wǎng)絡醫(yī)學中不可避免的對信號的壓縮和解壓問題，編制、并在每年的初春發(fā)布稱之為"IHE技術體制（1HEtechnicalframework）”的文獻，以在DICOM和HL7基礎上，由此作為協(xié)調(diào)實施醫(yī)療信息標準的藍圖。本書內(nèi)容本書論述醫(yī)學圖像信號變換與壓縮及其相關內(nèi)容。最初，用模擬方法對模擬信號予以處理時，因信號處理和信息抽取是一個整體，所以對“信號變換”技術并沒有太深刻的認識。是香農(nóng)（Shannon）采樣定理架起了從模擬信號處理通向以計算機擅長的數(shù)字信號處理的橋梁，并由此衍生出支撐現(xiàn)代社會的、豐富多彩的信息技術。在模擬處理時代，從物理角度看，信號處理受到很大限制，當用計算機進行數(shù)字處理時，經(jīng)常會遇到不受物理條件制約的數(shù)學加工，即算法（algorithm），也就是數(shù)字信號處理（digitalsignalprocessing，DSP）領域各種信號變換技術的統(tǒng)稱。DSP的歷史可以追溯到1936年PCM（pulsecodemodulation）技術的發(fā)明和Dudley發(fā)明聲音編碼器（voicecoder）時期。1942年，當因數(shù)學難度麗聞名的Wiener預測理論用于天氣預報時，人們就感到必須將連續(xù)時間函數(shù)改進為離散時間函數(shù)。從理論上來講，Levinson雖然給出了由連續(xù)時間域向離散時間域轉(zhuǎn)換的可能性，但因當時計算機技術尚不完善，Levinson的算法未能得到實際的應用。2世紀5年代，計算機技術開始普及。2世紀6年代，露變換成為描述線性離散時間系統(tǒng)的基本工具，并指導了數(shù)字濾波器的設計。：2世紀7年代，VLSP芯片兩大成功的范例使數(shù)字信號處理引起了社會的廣泛關注：第一是以；Levinson算法為中心的聲音的線性預測編碼（1inearpredictivecoding，LPC）的問世1978年美國、德州儀器公司（T1）將該算法作為濾波器開發(fā)出LSI芯片；第二是貝爾實驗室開發(fā)的，用于在長途電話中消除回聲現(xiàn)象的回聲消除器（echocanceled）?；芈曄鞯暮诵氖且环N應‘用LSM算法后的自適應濾波器，該濾波器解決了長話系統(tǒng)中，雖然信號統(tǒng)計量是未知的，但可由數(shù)據(jù)推出最佳濾波系數(shù)。今天，自適應濾波器還用作通信線路均衡器、電視圖像重影（ghost）的消除器以及抑制有源噪聲等方面。DSP的男一大支柱理論是快·速傅里葉變換（fastFduriertransform；FFT）。FFT最初由Cooley和Tukey發(fā)表①，也正是由于計算機技術的應用，F(xiàn)FT不但沒被作為一個純數(shù)學上的發(fā)現(xiàn)而埋沒，反而在MIT林肯實驗室中更成熟，并最終被廣泛應用在信號流程圖解釋、bit位變換分析、定位計算和NlegN的計算量研究上。信號變換的基本組？態(tài)是通過時間、空間或者頻率在不同坐標軸上進行變換，以便更容易地掌握其特征與性質(zhì)。然而；實際上大部分信號都是不確定的，需要采用概率與數(shù)理統(tǒng)計的方法予以處理；大部分物理事件的發(fā)生過程都是動態(tài)的而不是靜態(tài)或恒定不變的，而且，在其生成階段也大多是非線性的變換②；本書的信號變換的內(nèi)容涉及到：（1）最基本的拉普拉斯變換和傅里葉變換，在數(shù)學、控制論或自動控制等其他領域也會涉及到。（2）z變換，把時間連續(xù)信號經(jīng)過取樣變換為離散的時間信號的操作，是DSP處理的第一步。（3）由離散傅里葉變換（discreteFouriertransform，DFT）所推導出的FFT算法，同時FFT也是DSP中使用最頻繁的算法。（4）由實驗取得的信號數(shù)據(jù)在多數(shù)情況下是伴隨概率變化的，且以隨機變化更為常見，通過建立信號模型則較易把握對象的特征，同時可進一步通過研究模型來描述對象。（5）對于時變信號的處理方式，目前主要是依靠柯根和小波變換來進行（后者進一步衍化出了子帶濾波），而這些又是通過濾波器來實現(xiàn)的。（6）醫(yī)學圖像信號處理，一方面屬于多維信號處理的范疇（圖像重建），另一方面又離不開信號判別（圖像后處理）。信息高速公路、數(shù)字地球概念的提出以及Internet的廣泛使用，又提出了如何在節(jié)省通信帶寬的前提下，盡可能地保證有用信息的可靠傳輸問題。（7）從信號的濾波、調(diào)制到信號的壓縮。（8）信號變換的算法通過編碼實現(xiàn)。撰寫思路全書的編寫思路是：（1）圍繞醫(yī)學信號，特別是大型醫(yī)學影像設備中信號的變換這一目前凝聚最先進信號變換技術載體的主線展開，但又不僅僅拘泥于醫(yī)學信號變換理論和技術，而是將信號變換理論技術推廣到非電類。（2）考慮到讀者對象的特點，特別安排了第2章信號變換的數(shù)學基礎，以幫助其對信號變換所涉及到的數(shù)學知識有個充分的準備。（3）雖然以信號壓縮作為信號變換的具體運用進行重點介紹，但在信號變換的敘述中充分預留了其他應用上的“接口”，如信號重建、信息理解等。（4）內(nèi)容敘述強調(diào)整體性，著重原理和關鍵機制，代碼細節(jié)從簡（因它們最占篇幅）。（5）取材現(xiàn)代化，盡量囊括信號變換的最先進的實現(xiàn)技術。（6）將“通信交換原理與技術”和“傳感器原理與技術”以附錄的形式綴于書末，以保證全書在科學上的整體性。使用本書時應注意什么DSP既是digitalsignalprocessing的縮寫，也是digitalsignalprocessor的縮寫。前者是指數(shù)字信號處理的理論和方法；后者則是指用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器。DSP技術基于兩個領域的高速發(fā)展，一是數(shù)字信號處理的理論和方法的發(fā)展，各種快速算法（如聲音與圖像的壓縮編碼、識別與鑒別、加密解密、調(diào)制解調(diào)、信道辨識與均衡、智能天線、頻譜分析等算法）都成為研究的熱點，并在這些領域有長足的進步，為各種信號的實時處理提供了算法基礎；二是隨著微電子科學與技術的進步，數(shù)字信號處理器的性能迅速提高。在性能大幅度提高的同時，體積、功耗和成本卻大幅度下降，以滿足低成本便攜式電池供電應用系統(tǒng)的要求。本書所涉及的僅是上述第一個領域的部分內(nèi)容。將一個信號處理算法從其研究時使用的通用計算環(huán)境移植到實時應用領域的方法有兩個基本的特征：一個是處理速度要能跟上輸入，另一個是這樣的處理能在一個小的而且經(jīng)濟可靠的系統(tǒng)上實現(xiàn)。它所涉及的帶有普遍性的問題是軟硬件實現(xiàn)、時間空間的折衷、現(xiàn)成的元件和用戶定制元件等。實際上，算法移植過程是將研究中的算法移植到一個系統(tǒng)的過程。這個系統(tǒng)受到處理時間、系統(tǒng)大小和系統(tǒng)成本三個方面的約束。進一步說，要使一個算法滿足實際應用的需求，就要在算法、硬件、軟件等多個領域內(nèi)應用折衷和集成技術。如通常需要同時改變算法的結構和執(zhí)行算法的硬件與軟件的體系結構；可以引入更多的計算步驟，以獲取計算的均勻分布，也可以把一個算法分解到特殊的硬件結構上（可以由多個處理器組成），還可以是設計一個特殊的硬件結構，使之更適合于算法在用戶硬件上的實現(xiàn)。從微觀層次上看，必須確定算法是用硬件來實現(xiàn)還是用軟件來實現(xiàn)，這就要在靈活性和速度之間進行折衷。從宏觀層次上看，要降低系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的成本，是在開發(fā)、制造、維護各個階段都采取降低成本的優(yōu)化措施，還是只選擇一個階段使其成本得到優(yōu)化，比如說優(yōu)化開發(fā)階段的成本。與那些數(shù)字信號處理算法基礎相比，數(shù)字信號處理的實現(xiàn)不像前者那樣，是任何一個信號處理解決方案的起點，而是處在設計周期的后期。關于這方面更詳細的信息，需要讀者去查閱其他資料。致謝出版一本書是集體努力的結果。許多人為此書的內(nèi)容、評閱和出版貢獻了他們的寶貴時間和精力。作者要感謝為此書貢獻力量，給作者鼓勵的人們。作者的工作曾得到過羅沛霖院士、俞夢孫院士、吳咸中院士、鐘南山院士、陳太一院士、劉玉清院士、王威琪院士、郝希山院士、何丕廉教授、吳恩惠教授、陳星榮教授、婁建石教授、趙堪興教授、劉瑞挺教授、吳功宜教授、胡宗泰高級工程師、蔣大宗教授和朱麗蘭研究員的大力扶持和指導，他們嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度令人感佩；東軟集團劉積仁教授、安科公司陶篤純研究員、中華醫(yī)學會醫(yī)學圖像分會羅述謙教授和總后衛(wèi)生部傅征教授曾對作者的工作給予關注和期望，作者對他們的支持銘記在心；在本書寫作過程中，清華大學出版社蔡鴻程總編、醫(yī)學與生物科技編輯室張建平主任和羅健編輯都提出過許多寶貴的建議，使作者受益頗多；另外，作者還要感謝張新榮教授、董甫南教授、卜綺成教授、秦世才教授、張金鐘教授、姚智教授、顧漢卿教授、譚建輝教授和時季成教授，以及其他許多前輩、同仁的理解和幫助。作者還特別感謝醫(yī)學影像界和醫(yī)藥衛(wèi)生工程學界的著名前輩學者，中國工程院院士、中國醫(yī)學科學院阜外醫(yī)院博士生導師劉玉清教授和中國工程院院士、復旦大學生物醫(yī)學工程中心博士生導師王威琪教授的關心和鼓勵，感謝他們兩位巨擘于百忙之中為本書賜序題詞。也感謝作者文稿的長期的第一讀者——南開大學副教授饒友玲博士，她曾犧牲了許多寶貴的時間為作者斟字酌句，并直至閱讀完本手稿的最后一個字方飛赴海外。最后，書中所有的錯誤和缺點都是作者自己造成的，因而，也更誠懇地希望各位讀者，各位研究和從事相關工作的學者專家提出寶貴意見.

　　z變換