《信息与通信工程专业科技英语》课文翻译
XX. Telediagnosis in the Context of Digital Image Analysis
基于数字图像分析的远程诊断
利用通信技术辅助实施医疗保健是提高其普及程度的一种解决方法,尤其是当那些乡间居民在 寻求医疗保健方面遇到问题时更是如此.多数人认为远程医疗或医疗远程信息服务是偏远地区或医 疗水平较低地区医保问题的一种解决办法. 昂贵的方法 远程医疗的意图是确保为所有人提供医保服务而无需考虑他身处何地.能否享用医疗服务可能 会受到地理,气候,通信,交通和经济条件的限制,也受到训练有素人员缺乏的限制.远程医疗已 经被证明可以有效应对灾难(比如 1988 年在前苏联亚美尼亚发生的地震) ,可以为第三世界提供帮 助(如建立在加拿大,肯尼亚和乌干达之间的远程医疗连接) ,以及在家中照顾老年人(如可提供安 全警报)和那些住在家里的慢性病患者(如对胆囊纤维化病人在家中进行肺功能监测) ,同时还能为 偏远或孤立地区提供医疗保健服务. 实际方法 在很大程度上远程医疗对于大量的医疗保健问题还是一种现实经济的解决方案.在很多领域我 们缺少医学专家,例如病理学和放射学.而且更进一步,在一些小医院提供大量高级的医疗检查服 务也是不经济的.利用远程诊断而不是依靠专家或病人长途跋涉,这样既省钱又省时.这种方法还 有助于减少农村医疗保健专业人员缺乏与同行进行交流的情况,而且能提供持续医学教育和培训的 机会.远程医疗带来的利益是巨大的,应用的领域也是很广的. 远程病理学 远程病理学就是个很好的实例.病理学是研究组织和器官疾病的科学,病理学家依据细胞和组 织切片的显微镜检查结果给出诊断.因此,远程病理学也提供相同的服务,只不过是通过远程发送 过来,呈现在屏幕上的组织样本的显微镜图像来进行分析.只有最大的医院才提供病理服务.小医 院和诊所通常会将手术活体切片和细胞样本送到这些医院或者是商用的实验室去检查和诊断. 因此, 许多情况下患者不得不开两次刀,第一次为了获得活体切片做显微镜检查,第二次才是做治疗手术. 病理科的重要诊断功能之一是冷冻切片服务,这是在新鲜组织上进行的一种快速诊断.组织要在 20 分钟内被冷冻,切割,染色和检查,重要的是要在手术进行的同时完成组织分析.后续的外科治疗 在某些情况下要依赖这种病理学服务,而不具备冷冻切片技术的医院就不能治疗这种病人,必须转 院.这些是远程医疗大大有利于病人同时又能减少开支,避免占用医疗资源的典型情况. 一个旧概念 远程医疗的概念并不新.历史上,远程医疗早在 1935 年随着罗马国际放射医疗中心的成立就在 意大利奠定了基础.在 20 世纪
  60~70 年代美国和加拿大启动了不少先驱性的远程医疗项目,在过 去的 20 年内已经发表了 100 多篇有关远程医疗在医疗保健和诊断中应用的论文. 现在医学图像和其 它数据可在本地医务人员,咨询医师和世界各地主要医疗机构之间实现在线实时传输.
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现实的挑战 Emory 大学医院和 Grady 纪念医院的病理学家们通过一个连接双方的全双向点对点微波通信系 统彼此交流.他们以每秒 30 幅图像的速度传输高分辨率全彩色图像,这一传输速率可实现整幅图像 以最高质量实时观看.他们可以操作另一家医院的显微镜,而在自己的实验室监视器上观察显微镜 幻灯片. 一幅高分辨率全彩显微镜图像(例如一个 1024×1024 像素大小,每像素每彩色 8 比特分辨率) 要大约
  3.1 M 字节数据.因此以非压缩格式 1 秒种传输 30 幅这样的图像需要的容量为 750 M 比特, 代价十分可观(相对于收效来说是太昂贵了) .在一个 384kbps 的传输线路上,传输一幅图像(非压 缩格式)要一分多种,因此以高分辨率和全彩色来传输图像是不可能的. 病理学(以及其他学科)中需要的远程诊断技术已经完全可用了.真正的挑战是使这样的系统 尽可能按标准方案工作,使用普通电信系统,具有可接受的通信质量和价格. 不同的策略 可以遵循两种策略,或者在不增加成本的前提下增加传输容量,或者通过减少要传输的数据量 来提高传输速度.如果近期内 750M 比特的线路不能成为公众能使用的电信系统,那么后一种方法 看来较为可行.数据压缩可用以下几种方法实现: - 降低图像分辨率 - 减小图像尺寸 - 压缩(打包)数据 - 使用(计算机)处理器控制的传输方案(例如只传输两幅图像中不同的像素) 尽管这些方法都能减少传输时间,但图像传输质量的损失也是不可避免的.传输时间的越减少, 图像质量损失越严重.某些应用可以接受相当程度的图像降质,但另一些应用却不行. 不同的应用-不同的图像 不同的应用不仅对图像损伤的接受程度不同,而且在初始分辨率,图像尺寸,彩色与黑白,以 及静态与实况图像的要求也不同.有一些不同的特征可能对于一个对象具有重要性,并且对一定的 应用需要给予特别关注: 活动性 结构 形态 色彩 密度 强度 纹理
活动性显然需要实况图像,实时传输在诸如内窥镜检查(用摄像机检查体内的腔穴)这类应用 中十分重要.另外在远程病理检查中实时传输也是重要的,例如在挑选组织样本中假定的诊断区域 时,但如果已经对那些区域定位好了,传输静态图像就足以进行仔细的检查了.对于这种用标准方 法制备的标本进行检查,高分辨率和全彩色是重要的,但对于冷冻切片的检查,分辨率和彩色均可 降低,因为这些样品的细节较少,而且要分析的主要是增长模式.X 射线图像显然不需要实时传送, 但却极大地依赖于高分辨率的大尺寸图像以便进行分布和密度的灰阶分析.典型地,X 射线图像由
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4096×3584 像素组成,每个像素 12 比特分辨率.这意味着大约 22M 字节的数据(
  1.76×108 比特) , 在一根 64kbps 的电话线上传输大约需要 46 分钟.因此,即使是静态图像也需要大容量远程网络和 (或者)先进的压缩算法.由于功能和高质量需求一样因应用不同而不同,对这些不同的图像分别 进行处理是有利的.对于某些应用如冷冻切片而言,形态和结构是最重要的特征,而对其他应用如 X 射线,灰阶分布和密度最重要.图像需要逐一处理,这对于方法提出了很高的要求,而不同应用 中有不同的重要特征这一事实也为数据压缩提供了新的可能性. 作为不同数据压缩算法的补充,可以在传输前后寻找增强图像有效性的方法.这里图像有效性 是指图像中那些特别让人感兴趣的区域.简言之,如果目的是估计细胞中核的大小,就可以在传输 以前将核分割出来,这样显微镜图像就可以简化为一幅二值图像.更现实的一个例子是增强对比度 或者降低噪声以便在压缩中维持图像有效性. 数字图像分析 图像分析是一组标准技术,它广泛应用于科学技术的各个领域.除了对一幅图像的视觉检测, 还有很多进一步分析图像的方法.我们的目标是提取尽可能多的结构信息,而图像分析为此提供了 评定图像损伤和图像分辨率的定量方法.基于这些分析可将结构性信息和非结构性信息(噪声)分 离以给出一幅增强的图像,将感兴趣的对象结构显示得更加清晰.显然,如果能够做到这一点就可 以容忍更多的因压缩而引起的图像损伤,仍然维持最终视觉检测(或质量分析)所必须的质量.相 应地,可以对解码后的图像进行图像处理来补偿由诸如压缩之类的处理引起的分辨率损失.更进一 步,定量图像分析可以通过提取图像中新的目标特征来减轻远程诊断的压力. 图像捕获 第一步是将图像转换为适合数字处理和存储的电子信号.图像是能量的二维分布,典型的是可 见电磁辐射(光)能量,但也可能是 X 光,紫外线,红外线或其他辐射,例如电子,声波,甚至核 子.大多数远程诊断的目的是处理那些电视摄像机捕获的可见光图像.图像捕获处理的任务是使图 像在空间和色调上离散化.空间上,图像被分割为图形元素的方形或矩形的网格,即所谓像素.色 调上,图像被分为亮度等级,比如 8 比特分辨率中有 256 种亮度级. 图像增强 下一步是图像增强,代表性的技术有对比度增强,去噪和其他滤波处理.他们被分为线性处理 和非线性处理,也可以分为帧运算和窗口运算,像素运算和矩阵运算.对于线性处理,所有的像素 都用同样的算法,而非线性处理指那些根据本地色调信息对像素实施不同的操作和算法.帧和窗口 运算是运行于整幅图像或窗口的全局函数,而色调值不随这些运算改变.在像素运算中,所有的像 素都分别进行数学运算而不受临近像素信息的影响.对应的是矩阵运算,这里每个像素都根据其邻 域的灰度值信息来计算,邻域由给定的距离或某一矩阵确定. 分割 分割是一种将图像的感兴趣区(ROI)从背景中分离出来的功能,ROI 或对象可根据灰阶,色 彩,边缘或纹理来分隔. 有三种主要的分割方法:i)阈值处理;ii)边缘搜寻;iii)区域增长.通过阈值或区分能力来分 割是最简单和最普通的办法.最简单的是将全部低于所选灰度的色调都当做感兴趣区,而所有高于
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该灰度的均当做背景.可以使用一个以上的阈值,允许几个灰阶色调或颜色成为感兴趣区域.当全 部场景的照明都可以很好地控制在一个水平时,阈值处理效果很好,例如显微镜.另一种更适用的 技术是边缘搜寻,即检测图像中色调变化率大的区域,因为这些区域可能表示目标或感兴趣区的边 缘.第三种方法是搜寻临近的像素,如果它们足够接近就将它们归为一组. 分割过程生成一个二值图像,用作进一步处理原图像时的模板. 测量 有了一个数字化的增强图像,确定了其中的感兴趣区,就可以进行对象的定量分析或测量.这 样的测量可用来加强或改善主观诊断,可以加入一些新的特征例如超声图像中的体积估计,X 光图 像中的亚视觉对象,以及癌细胞中的 DNA 内容等. 预传输方法 如上所述,有几种方法可以改进图像的质量,方法的选择很大程度依赖于图像的类型和应用. 如果我们仍然以远程病理学和光显微镜图像为例,有四种方法特别有效. 对比度增强 明暗校正 降噪 除雾 对比度增强函数是基于像素运算的,其主要应用是通过对比度运算在一定的色调范围内达到更 好的结构能见度. 明暗校正主要用于背景(有时对象中也有)的不均匀性降低图像清晰度的情况.在光学显微镜 检查中,可能是由分布不匀的光通过物体,或者由照相机或镜头上的灰尘引起的.修正这种明暗效 应最简单的办法是用一个空图像(它只包括明暗效果)作为参考图,从实际图像中去除图像内容. 如果没有可用的空图,可以对原始图像进行低通滤波(用最大矩阵尺寸,如 100 像素)得到一个人 为的空图. 大部分图像会被来自照相机或光源等的不同噪声影响而变得模糊.可以用模拟或数字图像处理 来去噪.最通用的数字去噪滤波器是中值滤波器或 sigma 滤波器.因为噪声是统计事件,sigma 滤波 器计算矩阵的标准差,对那些偏离平均色调值的像素进行平滑. 对显微镜图像的最大改善由共焦技术获得.由显微镜观察得到的图像包括聚焦部分以及高于或 低于焦平面的非聚焦成分.由聚焦不良而产生的薄雾或模糊不清是光学显微镜的自然结果,但却可 用所谓的去卷积算法去除.这些算法与激光扫描共焦显微镜中的光圈具有同样的功能,可以去除图 像中的非聚焦部分.最常用的是最近邻点算法,这是一种非常快速的方法,既可以用于图像传输前 也可以用于传输后. 传输后方法 对比度增强和降噪声也可以用于经过远程网络传输后的图像.传输过程将产生新的可消除的噪 声,由压缩和解压缩算法引起的反差损失可通过数字后处理在一定程度上给予补偿.在对 X 光图像 进行读片时灰度值处理最有价值,为了减少传输时间这些图像的分辨率已被减少.
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旧方法-新服务 由于显而易见的原因,迄今为止与远程诊断相关的各种不同项目仅限于传统诊断,即这里所述 对样本或图像的主观观察.在过去几十年中,已经研究出大量新的诊断或预测方法.对于病理学尤 其如此,许多与传统病理学结合的技术如分子生物学,免疫学和(或)
 

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