Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
https://t.me/med1917
12.5.1.2.2. Индексированный цвет
Как правило, изображение будет содержать лишь небольшое количество
из 16 миллионов (224) возможных цветов в 24-битной палитре RGB.
Распространенным методом использования этого преимущества является
использование индексированного цвета. Вместо сохранения цвета в каждом
пикселе сохраняется значение индекса. Как правило, индекс составляет 8 бит,
что позволяет указать 256 цветов. В случае, когда используется более 256 цветов,
часто можно приблизить цветовой спектр, используя подмножество цветов.
Иногда комбинация цветов в соседних пикселях помогает приблизить более
широкий спектр. Алгоритмы преобразования изображений с полным спектром
RGB в ограниченную палитру на удивление хороши. Часто требуется очень
тщательный осмотр увеличенной части изображения, чтобы выявить какие-либо
различия.
Для индексированного цвета цветовая палитра сохраняется вместе с
изображениями. Цветовая палитра содержит 256 цветовых значений,
соответствующих цветам на изображении. 8-битное значение индекса,
сохраненное в пикселе, используется для определения фактического 24-битного
цвета в цветовой палитре, и этот цвет отображается в пикселе. Для хранения
индекса каждому пикселю требуется всего 8 бит, в отличие от 24 бит для
хранения фактического цвета. Цветовая палитра накладывает 8 бит на каждый из
256 цветов, но поскольку большинство изображений содержат десятки тысяч или
сотни тысяч пикселей, эти накладные расходы невелики.
12.5.1.2.3. Сжатие
Информационное содержание изображения часто намного меньше, чем
информационная емкость формата изображения. Например, изображения часто
содержат большие пустые области или области, которые все имеют одинаковое
значение цвета. Таким образом, можно кодировать изображение, используя
меньше места. Повышение эффективности для одного класса изображений
приводит к снижению эффективности для другого типа изображений. Хитрость
заключается в выборе кодировки, которая хорошо соответствует диапазону
изображений, типичных для конкретного приложения.
Одним из самых простых и понятных способов кодирования является
кодирование по длине пробега. Этот метод хорошо работает для изображений,
где все большие области имеют одинаковое значение, например, логотипы.
Вместо перечисления значения каждого пикселя указывается значение и
количество повторений. Если в строке 50 желтых пикселей, то вместо того,
чтобы указывать значение для желтого цвета 50 раз, за значением «50» следует
значение для желтого. Необходимо указать два значения вместо 50 значений.
Другая распространенная кодировка называется Lempel-Ziv-Welch (LZW)
в честь ее разработчиков. Первоначально она была запатентована, но срок
действия патента истек 20 июня 2003 года, и теперь ее можно использовать
свободно. Алгоритм LZW относительно прост, но хорошо работает с
427
https://t.me/med1917
удивительно большим классом данных. Он хорошо работает с большинством
изображений и особенно хорошо работает с изображениями с низким
содержанием информации, логотипами и линейными рисунками. Он
используется в нескольких форматах файлов, описанных ниже.
Как кодирование по длине цикла, так и кодирование LZW являются
неразрушающим, обратимым или при отсутствии потерь кодированием;
исходное изображение может быть точно восстановлено из закодированного
изображения. После разрушающего, необратимого или с потерями
кодирования исходное изображение не может быть точно восстановлено из
закодированного изображения. Однако гораздо более эффективное
кодирование может быть выполнено с помощью деструктивного кодирования.
Когда неразрушающее кодирование приводит к уменьшению размера
изображения в 2–3 раза, деструктивное кодирование часто приводит к
уменьшению размера изображения в 15–25 раз. Хитрость заключается в том,
чтобы выбрать систему кодирования, в которой артефакты, вносимые
кодированием, относительно незначительны.
Зрительная система человека обладает пониженной чувствительностью
к изменениям низкой контрастности при очень высоком разрешении. Детали,
изменения высокого разрешения, заметны только при высокой контрастности.
Кодирование с дискретным косинусным преобразованием (DCT) использует
это свойство зрительной системы. Кодирование DCT соответствует стандарту
Joint Photographic Experts Group (JPEG). Содержимое изображения с низким
пространственным разрешением кодируется с высокой точностью, а
содержимое с высоким пространственным разрешением кодируется с низкой
точностью. Представленные артефакты, как правило, отличаются низкой
контрастностью деталей. Высококонтрастные детали, а также как
низкоконтрастные, так и высококонтрастные элементы при низком
разрешении воспроизводятся точно. Хотя при кодировании присутствуют
артефакты, они относительно незаметны для естественных сцен. Для
изображений ядерной медицины артефакты более заметны на увеличенных
изображениях текста.
Вейвлеты представляют собой обобщенную форму синусоид. Некоторое
улучшение коэффициентов сжатия при том же уровне видимого шума может
быть получено с помощью кодирования с вейвлет-преобразованием. «Блочные»
артефакты, ухудшающие качество изображений DCT, не видны на изображениях
с вейвлет-преобразованием. Стандарт JPEG 2000 использует кодирование с
вейвлет-преобразованием.
Системы неразрушающего кодирования часто используют тот факт, что
соседние пиксели равны. Статистический шум в изображениях ядерной
медицины уменьшает сходство соседних пикселей, тем самым снижая
полезность неразрушающего кодирования. Деструктивное кодирование может
преодолеть это ограничение, и поскольку статистические отклонения, как
правило, не несут какой-либо существенной информации, качество изображения
может не сильно ухудшиться.
428
https://t.me/med1917
12.5.2. Распространенные форматы файлов изображений
Для некоторых или всех необработанных данных изображений ядерной
медицины могут использоваться распространенные форматы файлов
изображений. На самом деле, они редко используются для этой цели. Однако
вторичные изображения, особенно когда они используются для
распространения информации об изображениях, обычно используют эти
стандартные форматы файлов. В этом разделе будет описан формат этих
файлов, преимущества и недостатки форматов, а также типичное
использование этих форматов
12.5.2.1. Растровое изображение
Растровое изображение (BMP) – это общий термин, который может
относиться к ряду различных типов данных. При использовании в отношении
графических форматов он может использоваться для обозначения растровой
графики в отличие от формата векторной графики, но часто относится к
формату изображений Windows. Формат файла Windows на самом деле
называется не зависящим от устройства растровым изображением (DIB).
Внешний формат файла DIB отличается от различных зависящих от
устройства внутренних файлов Windows BMP. Расширения имен файлов .bmp
и .dib используются для формата файла изображения BMP. BMP может
использоваться для обозначения несжатого формата, но формат DIB
определяет несколько типов сжатия.
12.5.2.2. Формат файла изображения с тегами
Корпорация Aldus создала формат файлов изображений с тегами
(TIFF). Adobe Systems Inc., которая объединилась с Aldus, теперь владеет
авторскими правами. Формат TIFF можно использовать бесплатно. Формат
TIFF включает в себя множество типов изображений. Чаще всего он
используется для 8-битных изображений в оттенках серого, 8-битных
цветных индексированных изображений или 24-битных цветных
изображений RBG. Изображения обычно сжимаются с помощью
неразрушающего алгоритма LZW.
Формат TIFF часто используется для получения высококачественных
одиночных изображений, которые сжимаются отсутствии разрушения. Хотя
возможно множество других применений, это приложение часто
рассматривается как преимущество формата TIFF. Большое разнообразие опций,
предоставляемых форматом TIFF, является как сильной, так и слабой стороной.
Немногие программы поддерживают все эти опции, поэтому изображение в
формате TIFF, созданное одной программой, может быть недоступно для чтения
другой программой. Особым недостатком данных ядерной медицины является
то, что редко поддерживается многокадровый режим.
429
https://t.me/med1917
12.5.2.3. Формат обмена графикой
CompuServe, в настоящее время дочерняя компания AOL, разработала формат
обмена графикой (GIF). GIF– относительно простой индексированный формат,
содержащий до 8 бит на элемент. Из 24-битной палитры RGB можно выбрать до 256
цветов. Пиксели могут быть прозрачными, и в этом случае отображается цвет фона.
Спецификация 89a включала несколько изображений, которые могут отображаться
в виде кинофильма. Сжатие выполняется с помощью алгоритма LZW.
Поскольку формат GIF относительно прост, но при этом весьма полезен,
он поддерживается очень широко. Все веб-браузеры поддерживают этот формат.
Он особенно хорош для хранения изображений с низким информационным
содержанием, таких как логотипы и клипарты. Он также хорош для
изображений, таких как изображения ядерной медицины. Широко
поддерживаются возможности Cine, поэтому он очень удобен для отображения
динамических, закрытых и трехмерных данных.
12.5.2.4. Объединенная группа экспертов по фотографии
Объединенная группа экспертов по фотографии разработала формат
JPEG в 1992 году. Формат JPEG был одобрен в 1994 году Международной
организацией по стандартизации как ISO 10918-1. Стандарт JPEG оставляет
некоторые вопросы неустановленными. Формат обмена файлами JPEG (JFIF)
разъясняет эти проблемы. Чтобы указать, что изображение JPEG также
соответствует этому стандарту, его иногда называют изображением
JPEG/JFIF, но обычно предполагается JFIF. Стандарт JPEG – это достаточно
простой, неиндексированный формат изображений в оттенках серого и
цветных изображениях, который допускает регулируемое разрушающее
сжатие.
Кодирование в формате JPEG пытается привести кодировку в соответствие
с человеческим зрением. В нем используется большая точность для яркости, чем
для оттенка. В нем используется большая точность для низкочастотных данных,
чем для высокочастотных деталей. Формат JPEG особенно хорош для сжатия
изображений естественных сцен, которые используются в обычной фотографии.
Все веб-браузеры поддерживают этот формат, и он очень широко используется
в обычных фотографических продуктах. Это не особенно хороший формат для
линейных рисунков и логотипов; формат GIF лучше подходит для этих типов
изображений.
12.5.3. Форматы фильмов
Многодорожечные форматы фильмов позволяют смешивать аудио и
видео. Часто существует множество звуковых дорожек и множество
видеодорожек, где сам фильм представляет собой смесь этих источников
информации. Ключевой частью многодорожечного формата является
временная дорожка, которая содержит информацию о том, как дорожки
430
https://t.me/med1917
упорядочены и смешаны в окончательной презентации. Однако в ядерной
медицине редко возникает необходимость во всех этих возможностях. Часто
все, что требуется, это простая последовательность изображений. Для этого
типа данных можно использовать более сложный формат видеофайла, но
часто проще реализовать более простой формат.
12.5.3.1. Форматы последовательности изображений
Из описанных до сих пор форматов изображений для определения
последовательности изображений можно использовать BMP, TIFF и GIF.
Расширение формата JPEG, JPEG 2000, также допускает последовательности
изображений. Как и в случае с многокадровой версией форматов BMP и TIFF,
JPEG 2000 поддерживается относительно слабо. Однако широко
поддерживается многокадровая версия формата GIF, 89a. Он поддерживается
всеми веб-браузерами и почти всеми программами обработки изображений и
отображения на экране. Формат GIF является логичным выбором для
распространения киноизображений.
12.5.3.2. Многодорожечные форматы
Доступно несколько многодорожечных форматов фильмов. Поскольку
новые форматы все еще находятся в стадии разработки, они, как правило,
контролируются конкретными поставщиками. Формат AVI контролируется
«Майкрософт», формат «КуикТайм» контролируется «Эппл», формат «РеалВидео»
контролируется «РеалНетворкс», а формат «Флэш» контролируется «Эдоуби».
12.5.4. Требования к данным ядерной медицины
В исследовании ядерной медицины используется два типа информации —
информация об изображении и информация, не связанная с изображением. Как
описано в предыдущем разделе, существует несколько форматов изображений и
видеороликов общего назначения. Часто этим форматам не хватает возможностей,
которые были бы оптимальными для медицинской визуализации. Однако
некоторые форматы, например, TIFF, являются достаточно общими, чтобы их
можно было использовать для изображения части данных исследования.
Преимущество использования широко распространенного формата заключается в
том, что он позволяет адаптировать большое разнообразие программных средств,
доступных для общей визуализации, к медицинской визуализации.
12.5.4.1. Информация, не связанная с изображением
Существует уникальная информация по ядерной медицине, которая
должна надежно сопровождаться изображениями. Эта информация включает в
себя: идентификационные данные, например, имя, номер медицинской карты
(MRN); данные исследования, например, тип исследования, фармацевтический
431
https://t.me/med1917
препарат; как было получено изображение, например, дата исследования,
просмотр; и т. д. Эту информацию иногда называют метаинформацией.
Большинство распространенных графических форматов недостаточно гибки,
чтобы переносить эту информацию вместе с изображением.
12.5.4.1.1. Американский стандартный код для обмена информацией
Текстовая информация обычно и наиболее эффективно кодируется в
терминах кодов символов. Каждый символ, включая знаки препинания и
интервалы, кодируется в виде числа битов. Первоначально использовалось 7
бит; 7 бит позволяли использовать 27 = 128 кодов, которых было достаточно
для 26 строчных и 26 заглавных букв, плюс довольно большое количество
символов и управляющих кодов. Использование 1 байта (8 бит) для каждого
символа означало, что дополнительный бит можно было использовать для
проверки ошибок с использованием схемы, называемой четностью. Проверка
на ошибки каждого символа стала более сложной задачей, поэтому
американский стандартный код для обмена информацией (ASCII) был
расширен до 8 бит, что позволило добавить 128 новых кодов. Символы на
многих латинских языках могут быть закодированы с использованием 8битного ASCII.
12.5.4.1.2. Юникод
Использование компьютеров перешагнуло национальные границы; теперь
общаться с другой стороной Земли так же просто, как и внутри одного здания.
Интернационализация означает, что один сервер или клиент должен быть
многоязычным. Многоязычное программирование в настоящее время широко
распространено. Код ASCII не подходит для этой задачи, поэтому его заменил
многоязычный код Unicode. Например, язык программирования Java определяет,
что программы должны быть написаны в Unicode. В Unicode используется 32
бита, и существует более 100 000 кодов символов, включая все
распространенные языки и множество необычных языков.
Существуют различные способы реализации Unicode, называемые
кодировками формата преобразования Unicode (UTF). Одной из наиболее
распространенных является система под названием UTF-8, которая использует
систему кодирования переменной длины. Для разных кодов символов используется
разное количество байтов от одного до четырех. Если первый байт в коде имеет
ноль в старшем бите, то используется 1 байт. Если первый байт в коде имеет
единицу в старшем бите, то используются последующие байты. Однобайтовые
коды идентичны 7-разрядным кодам ASCII. Для документа, который содержит
только символы в 7-разрядной системе ASCII, кодировка в ASCII и UTF-8
идентична. Это приводит к эффективному кодированию латинских языков. Кроме
того, любой другой символ Юникода — греческий, японский или символьный —
может время от времени включаться в текст, состоящий преимущественно из
латиницы, сохраняя при этом среднюю эффективность кодирования.
432
https://t.me/med1917
12.5.4.1.3. Язык разметки
Разница между текстовыми редакторами и текстовыми процессорами
заключается в том, что первые в основном редактируют символы, в то время как
вторые определяют, как будет выглядеть документ — размер текста, интервалы,
отступы и т. д. В текстовом редакторе макет документа при его вводе совпадает
с макетом при печати. На компьютерном жаргоне «что вы видите, то и
получаете» (WYSIWYG).
Преимущество разметки в том, что она может быть прочитана человеком
и отредактирована любым текстовым редактором. Язык гипертекстовой
разметки (HTML), язык, используемый Всемирной паутиной, изначально был
языком разметки. Когда HTML был впервые разработан, для его написания
использовались текстовые редакторы. Были добавлены возможности верстки
страниц, и теперь обычно используются редакторы WYSIWYG. Язык разметки
позволяет включать другие типы информации. Например, одной из ключевых
особенностей HTML является то, что он включает гиперссылки на другие
HTML-страницы в Интернете.
12.5.4.1.4. Расширяемый язык разметки
В настоящее время очень популярным и все чаще используемым методом
кодирования текстовой информации является стандарт, называемый
расширяемым языком разметки (XML). Он предоставляет метод создания
машиночитаемых текстовых данных. Например, стандарт Real Simple
Syndication (RSS) кодируется с помощью XML. Стандарт RSS широко
используется для веб-публикаций. Почти все газетные веб-сайты используют
RSS для связи с подписчиками.
XML сам по себе не является языком разметки, а скорее общим форматом
для определения языков разметки. Он определяет, как пишется разметка.
Считается, что документ «хорошо сформирован», если он соответствует
стандарту XML. Если она правильно сформирована, то разметку можно отделить
от остального текста. Дополнительная информация, предоставляемая схемой
XML, определяет конкретный язык разметки. Самая последняя версия HTML,
XHTML, полностью совместима со стандартом XML.
Для форматов файлов ядерной медицины одним из ключевых свойств
XML является то, что его можно использовать для машинного чтения текстовой
информации. Например, рассмотрим следующий раздел XML-документа:
<patient>
<name>
<last>Parker</last>
<first>Tony</fist>
</name>
<medical_record_number>10256892</medical_record_number>
</patient>
433
https://t.me/med1917
Компьютеру было бы несложно однозначно определить название и MRN
из этого документа. Удобство чтения человеком и обработка XML текстовым
редактором делают его в высшей степени самодокументируемым. Благодаря
своему широкому распространению в компьютерном мире XML является
наиболее подходящим на сегодняшний день форматом для хранения
информации о ядерной медицине, не связанной с визуализацией.
XML может использоваться для хранения числовых данных в виде
символов, например <число>12,56</число>. Масштабируемым форматом
векторной графики для векторной графики является язык XML. Однако XML
слишком неэффективен для кодирования информации об изображениях
растровой графики.
12.5.4.2. Информация, не содержащая изображений, в общих форматах
a) JPEG 2000: Расширение формата JPEG, JPEG 20001, обладает
несколькими очень интересными возможностями. Стандарт JPEG 2000
является форматом изображений общего назначения; однако он был
разработан с учетом медицинской визуализации в качестве потенциального
приложения. Поскольку в нем используется сжатие с помощью вейвлетпреобразования, качество изображения при высоких степенях сжатия
значительно лучше, чем при DCT-сжатии. Формат JPEG 2000 допускает
несколько кадров, поэтому его можно использовать для кино; он имеет
преимущество перед GIF в осуществлении хорошего сжатия изображений,
богатых информацией, таких как естественные сцены. Однако причина, по
которой он включен в этот раздел, заключается в его способности переносить
значительную метаинформацию в тесной связи с данными изображения. Хотя
этот формат был определен почти десять лет назад, он не нашел широкого
распространения. Кодирование с вейвлет-преобразованием JPEG 2000
разрешено в стандарте Digital Imaging and Communications in Medicine
(DICOM), но программные средства массового рынка, такие как браузеры,
обычно не поддерживает этот стандарт. Он был включен не как решение,
которое в настоящее время является практичным, а скорее, как пример
немедицинского стандарта, обладающего возможностями, которые могут
быть применены к конкретным требованиям ядерной медицины.
b) Формат переносимых документов (PDF): PDF не получил широкого
распространения в медицине, но обладает множеством полезных
возможностей. Он предназначен для верстки страниц. Он может содержать
текст, аудио, изображения и фильмы. Он очень широко поддерживается,
включая поддержку всеми веб-браузерами. Несмотря на то, что он редко
используется в медицине, он обладает многими свойствами, которые сделали
бы его отличным форматом для распространения изображений или
киноинформации.
1
http://www.jpeg.org/jpeg2000/
434
https://t.me/med1917
12.5.4.3. Информация об изображении
Часть изображения в исследовании ядерной медицины может
представлять собой последовательность статических изображений,
динамический ряд, закрытый ряд, множественный динамический ряд,
необработанные данные из томографической коллекции, восстановленные
изображения, динамический ряд томографических коллекций, динамический
ряд закрытых томографических коллекций, связанные наборы
томографических данных, кривые из регионов представляют интерес
функциональные наборы данных, полученные на основе вычислений по другим
наборам данных и т. д. Таким образом, должно быть ясно, что необходим
довольно общий формат данных. В этом разделе будут представлены
предложения по общим принципам формата изображений.
12.5.4.3.1. Типы данных
Типы данных в последнем абзаце не только длинные, но и неполные; легко
придумать другие варианты. Другой формат данных для каждого типа данных
добавил бы сложности отсутствии функциональности. Поэтому логично
отделить интерпретацию данных от самих данных. Независимо от того,
представляют ли данные динамический ряд или набор статических плоских
изображений, не обязательно представлять их в наборе данных. Нет
необходимости иметь два формата набора данных — один для изображения
размером 128 × 128, а другой для набора из 128 кривых со 128 точками.
Интерпретация данных должна быть частью информации, не связанной
с изображением, а не частью самих данных. Тип данных должен определяться
форматом элементов данных. Отделение интерпретации от формата данных
упростит обработку данных. Добавление двух изображений размером 128 ×
128 и двух наборов из 128 кривых со 128 точками – это точно такая же
операция; функция добавления не должна заниматься интерпретацией
данных.
12.5.4.3.2. Элемент данных
Требуется несколько различных элементов данных. Ячейки для сбора
необработанных данных обычно могут быть 8- или 16-разрядными целыми
числами отсутствии знака, в зависимости от того, требуется ли максимум 255
или 65 535 отсчетов на пиксель. Поскольку для обработки данных может
потребоваться больший динамический диапазон, во многих случаях могут
подойти данные с плавающей запятой или сложные данные. Для некоторого
анализа наиболее подходящими могут быть целые числа со знаком.
Интересующая область может быть представлена в виде однобитового растра
или векторной графики.
Выбор небольшого числа форматов элементов данных упростил бы
задачу программирования. Хитрость заключается в том, чтобы ограничить
435
https://t.me/med1917
количество форматов при сохранении всей функциональности. Было бы
логично выбрать некоторый стандартный набор форматов элементов данных,
особенно набор форматов, связанных с широко принятым стандартом
данных. Однако неясно, существует ли такой стандарт. Как минимум,
требуются 16-разрядные целые форматы и форматы с плавающей запятой.
Вероятно, следует включить 8- и 16-разрядные форматы со знаком и
отсутствии знака. Неясно, стоит ли увеличение сложности за счет включения
формата векторной графики дополнительной функциональности.
12.5.4.3.3. Организация
Логическим первым уровнем организации данных изображения является
то, что будет называться «набором данных». Набор данных – это n-мерный набор
данных, в котором каждый из элементов данных имеет одинаковый формат,
например, 8-разрядное целое число отсутствии знака, 16-разрядное целое число
со знаком и 32-разрядные данные IEEE с плавающей запятой. Ключевой
характеристикой является то, что набор данных представляет собой
последовательность идентичных элементов. Размеры не обязательно должны
быть одинаковыми; 7 наборов из 100 кривых с 256 точками – это набор данных
размером 7 × 100 × 256.
Набор данных должен быть «атомом» данных; не должно быть более
низкого уровня организации. Более низкие уровни организации будут зависеть
от типа данных и измерений. Например, томографический объем размером 256
× 256 × 256 можно рассматривать как 256 аксиальных срезов размером 256 ×
256, но было бы одинаково справедливо рассматривать этот набор данных как
256 корональных срезов размером 256 × 256. Организация набора данных,
состоящего из 4‑мерных линий отклика ПЭТ, будет полностью зависеть от
алгоритма реконструкции. Нижние уровни организации зависят от
информации, не относящейся к изображениям, и не должны быть частью
формата графических данных.
12.5.5. Распространенные форматы хранения данных в области ядерной
медицины
12.5.5.1. Межфайловый доступ
Формат Interfile использовался преимущественно в ядерной медицине.
Окончательная версия Interfile, версия 3, была определена в 1992 году. Хотя
Infertile был в значительной степени заменен DICOM, он обладает некоторыми
интересными свойствами. Метаданные, закодированные в ASCII, доступны для
чтения и редактирования любым текстовым редактором. Лексическая
структура метаданных была четко определена, так что они удобочитаемы для
компьютера.
436
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана