CN1820706B - 具有用于压缩图像数据的装置的医学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种医学成像系统，其具有产生前后接续的检查图像的连续图像数据的产生装置(5)；图像数据编码装置(9，10)，用于根据预测方法进行压缩；用于确定生理周期数据重复速率的生理周期数据分析装置(12-1 5)；以及用于存储压缩图像数据的存储装置(11)，其中，编码装置(9，10)与分析装置(12-15)连接，该分析装置(12-15)这样控制该编码装置(9，10)，将该预测动态地与生理数据的周期长度进行匹配。通过使用从EKG信号中得到的信息来压缩输出资料，可以获得动态的帧速率以及这样控制对预测的依赖性的可能，即在不丢失数据的情况下实现最小的存储需求。

Description

具有用于压缩图像数据的装置的医学成像系统
技术领域
本发明涉及一种具有产生前后接续的检查图像的连续的图像数据的产生装置的医学成像系统，其具有生理周期数据的分析装置以及用于存储图像数据的存储装置。
背景技术
在US4709385中描述了一种这样的X射线诊断装置，其中，在图像存储器中将一个完整的心脏周期的图像作为掩模图案由EKG控制地读入。由此在透视运行中属于同一心脏阶段的当前视频信号与存储的血管系统的视频信号相叠加。这样的装置应用于线路图技术中。
在心脏病学中经常借助X射线放射来对跳动的心脏进行成像，并以电子形式作为图像序列进行存储。在此所累积的数据量非常大。对于常见的1024×1024个图像点的位置分辨率和12位的位长(相应于4096个灰度级的亮度分辨率)来说，每幅图像至少需要1.5MB。对于心脏病学中达到每秒最大30幅图像的图像重复频率，或在儿童心脏病学中达到每秒最大60幅图像的图像重复频率以及一个序列的拍摄持续时间为10s的情况，很快就可达到450MB或900MB的数据量。只要该数据量被认为是“暂时的”、即仅在X射线设备本身上临时存储，则对这样的数据量利用当前的技术尚可应付。但如果要考虑20年或更长时间的长期存储和归档则很快会产生由于心脏病学拍摄的数据量造成的储备和供应问题。
在图像处理中已知有用于压缩图像的方法并被广泛使用。在此有“无损”和“有损”压缩的区别。对于无损压缩，随时可由压缩的资料再现完整的、位相同的图像信息，而在有损压缩中，仅能再现大致相同的图像。对于医学图像的处理和传输“DICOM”标准应用得很广，并被领先的成像医疗产品的制造商所接受，对于心脏病学的图像序列的传输和存储也是如此。DICOM标准除了允许以原始格式编码以及由此带来的高数据量外，还允许以“JPEG lossless(无损)”方法无损地压缩。该方法对序列中的每个图像进行单独的压缩。在典型的应用中“JPEG lossless”可达到2∶1至3∶1的压缩率，因此压缩的数组所需的空间少于原始空间需求的一半。由于调节器的原因目前尚不能将有损压缩方法用于医学图像资料。可以期盼在不久的将来也能采用特定的有损方法。
其它的应用是利用常规的视频记录器记录透视序列或拍摄序列，传统地是通过模拟记录PAL或NTSC转换的和欠扫描的图像信号。在该方法中已接受了质量的降低，并且已不再可能精确到位地再现输出资料。因此具有可再现结果的数字记录优于模拟记录。
传统地，将视频序列划分为各个“帧”，其中每个帧包含对于一个特定时刻的实际图像信息。将这些帧加以排列并以特定的预先给出的或动态的帧速率进行播放就可以在眼睛中产生运动图像的印象。现在可以不同的方式进行帧编码。在最简单的情况下，对每个帧存储完整的图像信息，即每个帧本身可以单独显示。这种编码相对耗费存储器。人们很快发现，对于运动图像在一帧和紧接其后的下一帧之间仅有较少的区别。因此仅存储差别信息可以大大降低数据率而不会丢失信息。因此例如在标准的“MPEG”方法中除了包含全部图像信息的I帧(内部编码)外，还采用仅包含差别信息的P帧(预测帧，帧间编码)，从而完整的图像信息只能与I帧一起再现。该方法通常用在电影工业中。在还在采用的借助MPEG的电影编码中，以预定义的规则的间隔采用I帧，如图1所示。在I帧之间采用非常节省空间的P帧或如图2所示的，采用具有双向预测的B帧。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种医学成像系统和本文开始所述类型的方法，以为了压缩而优化预测。
本发明的系统的技术问题是这样解决的，生理周期数据的分析装置确定生理周期数据的重复速率，其中该医学成像系统具有图像数据编码装置，用于根据预测方法进行压缩，并且该编码装置与分析装置连接，分析装置这样控制编码装置，使得预测动态地与生理数据的周期长度相匹配。通过采用例如来自EKG信号的信息来压缩输出资料，得到动态帧速率以及根据预测进行控制以在不丢失数据的情况下使存储器需求最小的可能性。
当分析装置如下控制编码装置时被证明是具有优点的：在编码装置的起振状态中，
·借助由直接前一帧对后一帧的预测对生理数据第一周期中的图像以及
·借助由生理数据的前一周期的对应帧对下一帧的预测来对生理数据的后续周期中的图像进行压缩。
在优选方式中，编码装置具有用于存储检查图像的存储器，其容量至少为生理数据的一个周期的长度，该存储器例如是环形缓存器。
分析装置还可以是EKG分析装置，其借助心电图电极确定心脏跳动周期或与采集呼吸周期的呼吸传感器连接。
本发明的技术问题还通过一种根据预测方法压缩前后接续的检查图像的连续的图像数据的方法来解决，该预测可基于生理数据这样来被控制，使得产生取决于生理数据的周期长度的动态帧速率。
在优选方式中，生理数据由EKG信号和/或由呼吸导出。
以下被证明是具有优点的：对
·借助由直接前一帧对后一帧的预测来对第一心脏跳动周期中的图像以及
·借助由前一心脏跳动周期的对应帧对下一帧的预测来对编码装置的起振状态中的图像进行压缩。
附图说明
以下借助附图所示实施例对本发明进行详述。图中示出：
图1示出借助IPPP帧来解释MPEG编码；
图2示出借助IBPBP帧来解释MPEG编码；
图3示出根据本发明的X射线诊断设备的电路图；
图4示出带有周期长度和所属帧号的EKG信号变化过程；
图5示出EKG周期的理想变化过程；
图6示出关于图4中信号的所确定的周期长度；以及
图7示出利用心脏跳动的周期长度进行预测的例子。
具体实施方式
图3示出根据本发明的具有高压发生器1的X射线诊断设备，高压发生器1为X射线管2供电，患者4位于X射线管2的射线路径3中。在射线路径3中随后设置了X射线检测器5，其输出信号通过预处理级6输入数字/模拟转换器(D/A转换器)7，D/A转换器7的模拟输出信号被作为当前X射线图像显示在监视器8上。
预处理级6的输出信号还被读入图像存储器9，图像存储器9具有多个单幅图像的存储器容量。视频编码器10作为编码装置连接在该图像存储器9上，其根据以下所述的方法利用预测对视频信号进行压缩，以在存储装置11中进行长期存储。
在患者4身上设置了与EKG电路13连接的EKG电极12。EKG电路13的EKG信号输入鉴别器14以鉴别EKG信号的振幅和相位。鉴别器14与控制装置15连接，控制装置15控制图像存储器9中的存储过程以及视频编码器10中的压缩。EKG电路13、鉴别器14和控制装置15例如可以具有US4433428所描述的结构。
在接通透视装置后，位于X射线检测器5的输出端上的关于至少一个心脏周期的数字视频信号被读入图像存储器9的一个存储位置。
在出现EKG的识别特征(例如R齿)后，将相互接续、属于一个心脏周期的不同心脏阶段的图像存储到图像存储器9中。在存储结束后，将图像存储器9中存储的单幅图像与当前视频信号心脏阶段同步地读出并在视频编码器10中进行编码。
为简化描述以下将采用术语MPEG编码。
对于这种心脏病学X射线序列的编码利用输出资料的周期性。理想情况下，由心脏跳动造成的图像信息的变化是周期性的，即在一定的时间之后图像中的可见对象又采取几乎相同的位置。换言之，就是当前帧与恰好在一个心脏跳动周期之前拍摄的帧之间的差别非常小。小的差别使得能够紧凑地和节省空间地进行编码。由此实现高的压缩率。
因此与电影的编码不同，不采用针对I帧的预先给定的固定间隔，而是采用关于患者心脏跳动周期的信息。关于心脏跳动的信息从在检查中记录的心电图(EKG)获得，从心电图中可以很好地读取周期。图4举例示出EKG信号和所属的帧号，此外还示出周期长度。
EKG的分析自动进行。为了确定周期长度，采用确定EKG信号特征最显著的时刻(即QRS复数)的检测方法。在此，首先从一个QRS复数到下一个QRS复数的时间跨度恰好描述了一个心脏跳动周期，如图5所示。迄今在文献中已公知有多种不同的确定心脏频率、即相继的QRS复数的距离的方法。这样的方法可以在本发明中使用。
由于所记录的EKG信号和X射线图像序列相互同步，因此可以使EKG的每个时刻唯一地对应一帧。图6示出所计算的周期长度并示出每帧与恰好一个周期之前记录的帧的距离。对于第一个不完整的周期，心脏频率尚不可知，故用值0表示。
本发明的核心基于这样的观察，一帧与恰好一次心脏跳动之前的一帧的图像信息差最小。在两个时刻观察心肌的运动，在这些时刻肌肉分别占据相同的位置和相同的空间。因此，在理想情况下该图像信息差应小于一帧与其直接前一帧的差。
现在，通过EKG分析装置12-15确定的用帧表示的周期长度值被输入视频编码器10，该视频编码器10除了直接前一帧外还将上一个心脏跳动周期的相应帧用于预测下一个P帧。在图7中直至帧号18都只采用各前一帧用于预测Pr。在帧号18之后可以采用心脏频率的信息，以及将各前一周期的帧作为参考帧用于预测Pz。
MPEG-4/AVC标准已允许根据多个在先的帧进行预测(“多参考帧”技术)，但其中仅考虑直接前一帧。通过每个附加的参考帧也增加了计算开销。在此所描述的方法中出于计算时间的原因首先仅采用两个帧进行预测，即直接前一帧和上一周期的相应帧。当然还可以考虑将更多的候选帧作为参考帧，如前一周期帧的相邻帧，等等。
尤其是，决定对I帧还是P帧进行编码不是在一开始就确定的，而是在编码过程中根据数据资料来确定的。
按照本发明的方法与资料的图像重复频率无关。在压缩中不采用如每秒30帧(fps)的技术重复率，而是采用“生理重复率”，其是通过心脏跳动的周期性给出的并由EKG记录。
为实现本发明的方法，优选采用图像存储器9，其可以记录至少一个周期长度和图像数据，即便是仅预测一帧。该图像存储器9例如可以实现为环形缓存器，其中对于每个新到来的帧都将舍弃最老的帧。
在本发明的第一种实现中，本发明方法的结果甚至符合现有的H.264/AVC标准，也就是说在此压缩的序列可由任何兼容H.265/AVC的播放器显示。
因此，本发明的重要之处在于利用来自EKG信号的信息来压缩输出资料。
在本发明方法的另一种应用中还可以采用呼吸的周期性。呼吸造成在X射线序列中胸部和肋部的可见运动。因此呼吸频率的同步可取得与心脏频率同步类似的效果，但在此为了确定和使用周期长度需要相对长得多的拍摄持续时间。呼吸的周期长度例如可由EKG信号的包络曲线来估计，或通过其它呼吸测量器与X射线序列同步的记录。
此外，还可确定两个运动的重合并将其用于确定参考帧。由于心肌和呼吸的收缩都是周期性的，因此参考帧的最佳候选者甚至是那些其EKG “相位”和呼吸相位都与正在观察的帧的相位重合的帧。但实践中对于这种特殊的应用须观察很长的时间，并须投入比较多的计算时间和存储器开销。
通过本发明的方法可以在图像信息相同的情况下较之迄今使用的方法得到更高的压缩比。对所涉及的系统可得到不同的利处。
·心脏病学X射线系统产生输出资料。在提高压缩的情况下可相应降低所需的数据速率和数据量。因此对于数据存储器大小预先给定的情况在需要传输至归档系统之前可相应地检查更多的患者。通过降低数据速率使得对X射线系统数据通路的要求较低，由此使得拍摄系统的制造费用降低。
·诊所的归档系统须用于检查结果的长时间归档。随着检查数目的增加归档的范围也在增长。当更好地压缩数据时，增长的幅度减小，即归档系统的下一次扩建较之不压缩存储的情况可以在更晚的时间进行。
·数据传输将加速，例如从拍摄系统传至归档系统或从归档系统传至诊断站的数据传输。当更好地压缩数据时，则对于诊所网络的预定带宽来说将使传输时间减少。对于诊所用户通过快速反应得到改善的工作流。更短的反应时间提高了用户的接受程度。

Claims (9)

1.一种具有产生前后接续的检查图像的连续图像数据的产生装置(5)的医学成像系统，具有图像数据的编码装置(9，10)，用于根据预测方法进行压缩；用于确定重复速率的生理周期数据分析装置(12-15)；以及用于压缩的图像数据的存储装置，其中，编码装置(9，10)与分析装置(12-15)连接，该分析装置(12-15)这样控制该编码装置(9，10)，使得该预测动态地与生理数据的周期长度相匹配，其中，所述分析装置(12-15)这样控制该编码装置(9，10)，使得
·借助由直接前一帧对后一帧的预测来对生理数据第一周期中的图像进行压缩，以及
·除了直接前一帧之外还将生理数据的上一周期的相应帧用于预测下一帧来对生理数据的后续周期中的图像进行压缩。
2.根据权利要求1所述的医学成像系统，其特征在于，所述编码装置(9，10)具有用于存储检查图像的存储器(9)，其容量至少为生理数据一个周期的长度。
3.根据权利要求2所述的医学成像系统，其特征在于，所述存储器(9)是环形缓存器。
4.根据权利要求1所述的医学成像系统，其特征在于，所述分析装置(12-15)是心电图分析装置。
5.根据权利要求4所述的医学成像系统，其特征在于，所述分析装置(12-15)借助心电图电极(12)确定心脏跳动周期。
6.根据权利要求1所述的医学成像系统，其特征在于，所述分析装置(12-15)与呼吸传感器连接。
7.一种用于根据预测方法压缩前后接续的检查图像的连续的图像数据的方法，该预测基于生理数据这样被控制，使得产生取决于生理数据周期长度的动态帧速率，其中，
·借助由直接前一帧对后一帧的预测来对第一心脏跳动周期中的图像进行压缩，以及
·除了直接前一帧之外还将生理数据的上一周期的相应帧用于预测下一帧来对心脏跳动的后续周期中的图像进行压缩。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述生理数据由心电图信号导出。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述生理数据通过呼吸确定。
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