应用网格和水印技术对基于内容的肝脏CT图像检索的研究

论文摘要

随着医院数字化的发展和PACS的普及,医学影像数据急剧膨胀。人们对基于内容的图像检索（Content Based Image Retrieval, CBIR）技术开展了大量研究以解决日益增长的医学影像数据的检索问题。然而,时至今日CBIR技术尚未在临床上广泛应用,这与CBIR技术尚有许多有待完善之处有很大关系。本文提出了应用网格和水印的肝脏CT图像基于内容检索（Content Based Hepatic-CT Image Retrieval using Grid and Watermarking, CBHIRuGW）系统,旨在提升CBIR在查准率、信息安全、检索效率和数据管理等方面的性能,从而提高医学图像信息的利用率,服务于临床、研究和教学。CBHIRuGW系统由存储子系统和检索子系统两部分组成;每个子系统分别由三大模块组成:即图像特征提取/CBIR检索模块、数字水印编码/解码模块、数据网格/计算网格模块。本文围绕这三组模块进行了相关研究:在CBIR模块组,本文提出了基于查询图像分类的图像检索方案以提高系统检索准确率;在水印模块组,利用无损水印技术,提升了系统信息安全和检索效率;在网格模块组,利用网格平台,进一步提升了系统检索效率,并简化了医学数据管理。关于这三组模块的详细叙述,即本文的主要研究内容如下:第一,本文对提升检索系统的查准率进行了研究。在CBIR模块组,本文提出基于查询图像分类的图像检索方案以提高检索准确率。在根据查询图像检索相似图像时,采用某种图像分类方法,将查询图像和数据库中的图像组合在一起进行分类,并将数据库中与查询图像属于同一个类别的图像组成简化数据库;然后,采用CBIR检索方法,从该简化数据库（而不是原始数据库）检索图像。实验表明,通过增加分类处理这一环节,可以在一定程度上提高系统的检索准确率。本文首先采用了支持向量机分类方法用于肝脏CT图像检索,实验表明检索准确率有所提升。随后,根据肝脏CT图像的特点,本文提出了三级阈值分类方法,并将其用于肝脏CT图像检索,实验表明检索准确率获得了进一步提升。第二,本文对检索系统的信息安全和检索效率进行了研究。在水印模块组,将数字水印技术应用于检索系统,以解决图像完整性验证、敏感信息加密等安全性问题以及提升图像相关信息检索效率问题。利用数字水印技术,将各种相关信息（包括患者隐秘信息、肝脏CT图像的Hash值、肝脏和病灶的形态特征,以及病灶区域的位置和纹理信息）以及其它诊断信息等作为水印负载嵌入图像,可以为检索系统带来一系列的好处:首先,水印特殊的编码以及密码保护方式可以为图像信息提供完整性验证以及设置多级读取权限,从而在一定程度上确保了医学数据及其相关信息的安全性,扩展了医学图像的应用范围;其次,由于图像的各种相关信息作为水印嵌入图像,在检索的过程中,一方面可以省去相关信息检索的操作,节约手工操作时间以及额外的系统响应时间,另一方面可以降低网络传输的负载,减少网络传输时间,从而提升图像相关信息的检索效率,这在网络拥塞情况下效果尤其明显;再次,ROI指示性水印（可见水印）可以为检索用户提供一个读片参考;最后,由于图像的各种相关信息作为水印嵌入图像,不再作为单独文件另外存储,在一定程度上简化了图像及其相关信息的管理。针对当前一些水印技术的不足之处,本文分别提出了基于分块排序和基于阈值控制的可扩展差值添加水印方法,从而提高了不同负载情况下的水印性能,降低了含水印图像的失真度。第三,本文对检索系统的检索效率和图像管理进行了研究。在网格模块组,将网格计算技术应用于检索系统,以改善图像数据管理工作和提升系统检索效率。通过整合实验室闲置计算机,构建实验室网格平台对此方案进行了模拟实验:在数据管理方面,通过数据网格的功能模块,系统实现了对PACS系统进行无缝备份和恢复功能;在计算能力方面,利用网格提供的虚拟计算平台,系统对检索过程的最后一个环节（图像刚性配准）进行并行计算,从而大大提升了系统的检索效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号和缩略语说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 基于内容的医学图像检索的研究现状
• 1.2.1 CBIR研究现状
• 1.2.2 医学CBIR研究现状
• 1.3 数字水印技术研究现状
• 1.3.1 数字水印技术概述及研究现状
• 1.3.2 数字水印在医学领域中的应用
• 1.4 网格计算技术及应用研究现状
• 1.4.1 网格技术概述及研究现状
• 1.4.2 医学图像网格应用研究概述
• 1.5 本论文的研究工作和内容安排
• 1.6 本文的创新之处
• 第2章 应用网格和水印的肝脏CT图像基于内容检索系统
• 2.1 前言
• 2.2 系统流程图
• 2.2.1 图像存储
• 2.2.2 图像检索
• 2.3 系统涉及的一些关键技术
• 2.3.1 图像分割
• 2.3.2 感兴趣区域提取
• 2.3.3 特征提取
• 2.3.4 距离度量
• 2.3.5 检索结果评价
• 2.4 基于分水岭的肝脏区域分割
• 2.4.1 分水岭算法概述
• 2.4.2 肝脏CT图像的分水岭分割结果
• 2.5 基于有限混合器模型的肝脏病灶区域提取
• 2.5.1 有限混合器模型及其在肝脏像素分类中的应用
• 2.5.2 肝脏CT图像的像素分类结果
• 2.6 描述肝脏的形态特征和纹理特征
• 2.6.1 形态特征
• 2.6.1.1 肝脏的大小
• 2.6.1.2 形状规则性
• 2.6.1.3 肝裂特征
• 2.6.1.4 病灶位置
• 2.6.2 Gabor特征
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于内容的肝脏CT图像检索系统的研究
• 3.1 前言
• 3.2 基于支持向量机分类的肝脏CT图像检索
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 支持向量机分类方法
• 3.2.3 基于支持向量机分类的肝脏CT图像检索算法
• 3.3 基于三级阈值分类的肝脏CT图像检索
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 基于三级阈值分类方法
• 3.3.2.1 训练部分
• 3.3.2.2 预测部分
• 3.3.3 基于三级阈值分类的肝脏CT图像检索算法
• 3.4 实验结果及讨论
• 3.4.1 基于支持向量机分类的肝脏CT图像检索实验结果及讨论
• 3.4.2 基于三级阈值分类的肝脏CT图像检索实验结果及讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 应用水印对系统信息安全和检索效率的研究
• 4.1 前言
• 4.2 基于整数变换的无损水印技术概述
• 4.2.1 无损数字水印技术
• 4.2.2 可逆整数变换
• 4.2.3 采用差值扩展的无损水印技术
• 4.2.3.1 可扩展差值和可改变差值
• 4.2.3.2 编码算法
• 4.2.3.3 解码算法
• 4.2.4 采用直方图偏移的无损水印技术
• 4.2.4.1 编码算法
• 4.2.4.2 解码算法
• 4.2.5 采用低频分量排序的无损水印技术
• 4.2.5.1 编码算法
• 4.2.5.2 解码算法
• 4.3 CBHIRuGW检索系统的图像完整性认证
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 杂凑函数
• 4.3.3 基于图像分块排序的差值扩展水印
• 4.3.3.1 概述
• 4.3.3.2 编码算法
• 4.3.3.3 解码算法
• 4.3.4 肝脏CT图像完整性认证算法
• 4.3.4.1 嵌入认证信息
• 4.3.4.2 图像完整性认证
• 4.4 基于数字水印的肝脏CT图像检索
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 基于阈值控制的差值扩展数字水印方法
• 4.4.2.1 概述
• 4.4.2.2 编码算法
• 4.4.2.3 解码算法
• 4.4.3 基于数字水印的肝脏CT图像检索算法
• 4.4.3.1 嵌入信息（图像存储阶段）
• 4.4.3.2 提取信息（图像检索阶段）
• 4.5 实验及讨论
• 4.5.1 基于图像分块排序的差值扩展水印方法的实验结果及讨论
• 4.5.2 肝脏CT图像完整性认证的实验结果及讨论
• 4.5.3 基于阈值控制的差值扩展水印方法的实验结果及讨论
• 4.5.4 基于数字水印的肝脏CT图像检索的实验结果及讨论
• 4.6 本章小结
• 第5章 应用网格对系统检索效率和图像管理的研究
• 5.1 前言
• 5.2 网格计算及其在医学图像方面的应用概述
• 5.2.1 网格及其特征
• 5.2.2 网格的体系结构
• 5.2.3 网格的工具包软件--Globus Toolkit
• 5.2.4 医学图像网格应用研究概述
• 5.2.4.1 分布式医学图像数据库
• 5.2.4.2 实时图像分析处理系统
• 5.2.4.3 基于医学图像的交互式远程医疗诊断系统[182, 183]
• 5.2.4.4 基于医学图像的病理资料库[184]
• 5.3 基于网格计算技术的PACS数据备份和恢复
• 5.3.1 系统概述
• 5.3.2 网格子系统的总体结构
• 5.3.2.1 数据备份
• 5.3.2.2 数据恢复
• 5.3.3 网格子系统功能模块
• 5.3.3.1 用户管理模块设计
• 5.3.3.2 节点管理模块设计
• 5.3.3.3 数据管理模块设计
• 5.4 基于网格计算技术的肝脏CT图像检索
• 5.4.1 概述
• 5.4.2 图像配准及时间复杂度
• 5.4.3 系统实现
• 5.4.3.1 Globus资源管理服务
• 5.4.3.2 MPICH-G2
• 5.5 实验结果及讨论
• 5.5.1 实验网格平台
• 5.5.2 基于网格的PACS数据备份和恢复的实验结果及讨论
• 5.5.3 基于网格的肝脏CT图像检索实验结果及讨论
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表或录用的学术论文