1引言

　　在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著醫(yī)院數(shù)字化的不斷推進(jìn)，各類醫(yī)學(xué)成像(CT、MRI等)技術(shù)得到了普及，醫(yī)院影像數(shù)據(jù)量也飛速增長(zhǎng)，然而影像數(shù)據(jù)中所包含的信息并沒(méi)有得到充分的利用，因此基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中。基于內(nèi)容的醫(yī)學(xué)圖像檢索系統(tǒng)可以充分挖掘醫(yī)學(xué)影像信息，提高醫(yī)生診斷效率。

　　本文以提高醫(yī)院圖像檢索系統(tǒng)檢索速度為出發(fā)點(diǎn)，使用VA-Trie索引結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套基于內(nèi)容的醫(yī)學(xué)圖像檢索高維數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

　　2研究背景

　　基于內(nèi)容的圖像檢索系統(tǒng)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域以提高臨床決策是目前的研究熱點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的CBIR系統(tǒng)相比，醫(yī)學(xué)圖像灰度值以及紋理特征差異性較小，特征提取難度更大。因此為了更加精確的表達(dá)圖像特性，需要提取更多的特征，特征向量的維數(shù)可以達(dá)到幾百甚至上千維。而圖像特征數(shù)量的增加，會(huì)導(dǎo)致檢索時(shí)出現(xiàn)“維度災(zāi)難”問(wèn)題，即系統(tǒng)的檢索響應(yīng)時(shí)間隨著特征維數(shù)的增加而急劇增長(zhǎng)。一些研究人員針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了一些高維索引結(jié)構(gòu)，如R*-Tree，VA-File等，但是面對(duì)超高維數(shù)特征時(shí)，效果并不理想。

　　3病灶分割及特征提取

　　研究的目的在于引入VA-Trie索引結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于內(nèi)容的圖像檢索高維數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以提高檢索速度。因此，我們首先需要對(duì)病灶區(qū)域進(jìn)行特征提取。

　　在系統(tǒng)中，通過(guò)基于Web的醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)對(duì)ROI（感興趣區(qū)域）進(jìn)行勾畫。例如，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生從一系列中選擇關(guān)鍵圖像，然后利用繪圖工具繪制ROI的輪廓。當(dāng)繪圖完成時(shí)，醫(yī)生按下保存按鈕，ROI的坐標(biāo)將以Dicom文件格式保存到PACS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)使用這些坐標(biāo)和原始圖像數(shù)據(jù)，得到一個(gè)只有ROI區(qū)域中包含像素?cái)?shù)據(jù)的新圖像，而ROI之外的像素均被置為0。至此，得到了ROI區(qū)域的粗略范圍，為了提高ROI的準(zhǔn)確性，使用由哥倫比亞大學(xué)開發(fā)和許可的模式識(shí)別自動(dòng)分割算法，根據(jù)醫(yī)生勾勒出的區(qū)域精確繪制病灶的輪廓，從而提高系統(tǒng)的檢索精度。

　　文中使用肺結(jié)節(jié)CT圖像進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。根據(jù)提取出的精確區(qū)域，對(duì)圖像進(jìn)行特征的提取。提取的特征可以分為三類：（i）病灶強(qiáng)度特征，（ii）形狀特征，（iii）紋理特征。

　　根據(jù)肺結(jié)節(jié)的特性提取了114個(gè)特征。其中包括6個(gè)強(qiáng)度特征，3個(gè)形狀特征以及105個(gè)圖像紋理特征。紋理特征中包含30個(gè)Gabor特征，10個(gè)Hurst特征。5個(gè)馬爾科夫隨機(jī)域特征及60個(gè)灰度共生矩陣特征。

　　4高維特征數(shù)據(jù)庫(kù)

　　基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)或樹狀索引結(jié)構(gòu)化文件系統(tǒng)的查詢性能將隨著維數(shù)的增加而急劇減少。這就是所謂的“維度災(zāi)難”，并且在許多結(jié)構(gòu)化文件系統(tǒng)如R-Tree，X-Tree和SS-Tree中均會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象。同時(shí)，研究人員提出了許多其他方法來(lái)解決“維度災(zāi)難”，諸如引入VA-File通過(guò)近似特征向量來(lái)減少磁盤讀寫成本。在本文中，我們使用一個(gè)新的索引結(jié)構(gòu)VA-Trie。VA-Trie的主要思想是結(jié)合VA-File和A-Tree來(lái)對(duì)向量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，同時(shí)引入Trie數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織和管理近似向量。圖1為VA-Trie的結(jié)構(gòu)。

　　VA-Trie由兩層組成：Trie層和VA層。Trie層由VA-Trie的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)組成。Trie層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：（internal，pointer），“internal”是節(jié)點(diǎn)的量化區(qū)間;“pointer”是指向下一層節(jié)點(diǎn)的指針。VA層由保存所有近似矢量數(shù)據(jù)的葉節(jié)點(diǎn)組成。VA層的結(jié)構(gòu)是：（va，oid-list），“va”是特征向量的近似向量;“oid-list”是該近似向量的id序列。在PACS中，每個(gè)DICOM圖像具有唯一的標(biāo)識(shí)符SOPInstanceUID。為了識(shí)別同一圖像中的不同ROI，我們給每個(gè)ROI分配一個(gè)唯一的ID，ROIUID。因此在VA層中，每個(gè)向量的oid-list標(biāo)識(shí)符都是由SOPInstanceUID和ROIUID組成。

　　5討論

　　首先，通過(guò)語(yǔ)義搜索功能從上海華東醫(yī)院的臨床RIS數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇了158例具有肺結(jié)節(jié)病灶的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。這些病例均由有豐富經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生對(duì)病灶進(jìn)行勾畫，并由自動(dòng)分割算法進(jìn)行精確分割。

　　然后，對(duì)這些肺結(jié)節(jié)CT的圖像提取了114維特征。為了比較CBIR檢索使用VA-Trie索引結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的性能提升，我們從114個(gè)特征中使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法選擇了57個(gè)特征，這個(gè)57維的特征向量即為114維特征的最優(yōu)特征子向量。同時(shí)使用R*-Tree索引結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢索響應(yīng)時(shí)間的比較。

　　從這158個(gè)病例中，選擇1568幅包含不同大小和形狀的病變圖像。從這些1568幅圖像中選擇100,400,1000,1568幅圖像，以測(cè)試CBIR系統(tǒng)的檢索性能。為了測(cè)試系統(tǒng)處理大量圖像數(shù)據(jù)的檢索性能，將CT圖像的數(shù)量增加到25088，所增加的圖像為這158個(gè)病例中不包含病灶的圖像。隨著圖像的數(shù)量增加，檢索的響應(yīng)時(shí)間將連續(xù)改變。

　　圖2即為該次的測(cè)試結(jié)果，可以看到114維特征向量檢索所消耗的時(shí)間比57個(gè)維的特征向量消耗的時(shí)間更長(zhǎng)。因此特征向量維數(shù)越高，檢索所需的時(shí)間越長(zhǎng)。所以減少圖像特征維數(shù)是提高CBIR檢索性能的關(guān)鍵。

　　同時(shí)從圖2可以看到，基于VA-Trie的高維數(shù)據(jù)庫(kù)索引結(jié)構(gòu)檢索響應(yīng)時(shí)間在57維特征向量和114維特征向量均在毫秒量級(jí)，而且隨著數(shù)據(jù)庫(kù)中圖像數(shù)量的增加，檢索響應(yīng)時(shí)間幾乎沒(méi)有改變，保持在了一個(gè)十分穩(wěn)定的狀態(tài)，性能表現(xiàn)非常優(yōu)異；而R*-Tree索引結(jié)構(gòu)則隨著數(shù)據(jù)維度以及檢索圖像的增加，檢索響應(yīng)時(shí)間也在增長(zhǎng)。因此，對(duì)于CBIR系統(tǒng)VA-Trie索引可以在高維度圖像特征數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中提供更好的檢索性能。

　　在研究中提出了在集成RIS/PACS環(huán)境中使用VA-Trie索引結(jié)構(gòu)為CBIR設(shè)計(jì)高維圖像特征數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)。選擇158例肺結(jié)節(jié)CT研究病例對(duì)該基于內(nèi)容的圖像檢索高維數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)索引和檢索的性能進(jìn)行了測(cè)試，并與R*-Tree索引結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能比較。初步結(jié)果表明，CBIR高維特征數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有出色的檢索性能。下一步的任務(wù)是對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的特征提取做更深入的研究，使得提取出的特征能夠更加全面精確的描述圖像特性，同時(shí)，進(jìn)一步研究高維數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)，以提升系統(tǒng)檢索性能，為醫(yī)生提供更多的幫助。