ArchivDÄ-TitelSupplement: PRAXiSPraxis Computer 5/2000Adaptive LZW-JPEG-Komprimierung: Kompressionsverfahren für medizinische Bilder

Supplement: Praxis Computer

Adaptive LZW-JPEG-Komprimierung: Kompressionsverfahren für medizinische Bilder

Dtsch Arztebl 2000; 97(40): [20]

Meinel, Christoph; Khludov, Sergey

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LNSLNS Bilddatenaustausch und
Bildübertragung spielen für
Diagnostik und Therapie in der Medizin eine wichtig Rolle,
insbesondere vor dem
Hintergrund zunehmender
Vernetzung. Das vorgestellte
Bildkompressionsverfahren ist vor allem für Internet-Anwendungen gut geeignet.
Fast jedes Krankenhaus ist heute mit einem modernen Intranet-/Internet-orientierten Radiologie-Informations-System (RIS) für die Bearbeitung und Übertragung medizinischer Bilder ausgerüstet. Beim Internet-basierten Austausch medizinischer Bilddaten entstehen jedoch zwei schwerwiegende Probleme: Das erste besteht in der unzumutbar langen Dauer der Übertragung medizinischer Bilder. Beispielsweise benötigt ein DR-(Digitale Radiographie-)Bild eine Speicherkapazität von zehn bis 40 MB, MT-(Magnet-Tomographie-)Bildfolgen benötigen bis zu 150 MB. Bei einer Übertragung über eine ISDN-Leitung ergeben sich damit Übertragungszeiten zwischen zwei und drei Stunden. Für die meisten medizinischen Anwendungen ist dies vollkommen inakzeptabel. Das zweite Problem ist mit der vorgeschriebenen Archivierung verbunden. So werden im Krankenhaus täglich Bilddaten mit einem Speicheraufwand von bis zu 1 GB produziert. Den gesetzlichen Vorschriften zur Archivierung medizinischer Daten zufolge müssen die meisten dieser Datenmengen in entsprechenden Datenbanken aufbewahrt werden – nach heutigem technologischen Stand eine kaum lösbare Aufgabe.
Adaptive Bildkomprimierung
Eine Lösung beider Probleme besteht in der Komprimierung der medizinischen Bilder. Dabei ist es wichtig, einerseits einen möglichst großen Komprimierungsfaktor zu erzielen und andererseits eventuelle Verluste an (Bild-)Information vollkommen unsichtbar zu halten.
Eine interessante neue Entwicklung im Bereich der medizinischen Bildkomprimierung ist die Idee der adaptiven Kompression, bei der die jeweiligen Vorteile verschiedener herkömmlicher Verfahren ausgenutzt werden. Adaptive Kompressionsalgorithmen kombinieren verlustfreie mit verlustbehafteten Verfahren in einer jeweils durch die Eigenschaften des zu verarbeitenden Originalbildes bzw. Bildausschnitts bestimmten und auf diese jeweils zugeschnittenen Art.
Die besonderen Anforderungen an adaptive Internet-taugliche Kompressionsalgorithmen für medizinische Bilder:
m Der ausgewählte Komprimierungsalgorithmus muss bei gleicher Qualität des rekonstruierten Bildes einen höheren Kompressionsfaktor als andere Komprimierungsalgorithmen ermöglichen,
m der jeweils ausgewählte Algorithmus darf keine sichtbaren Verzerrungen zum Originalbild erzeugen;
m die Zeit für Kompression und insbesondere für Dekompression muss unter zwei bis fünf Sekunden liegen.
Ein Schwerpunkt der wissenschaftlichen Forschung am Institut für Telematik, Trier, auf dem Gebiet digitaler Bildverarbeitung liegt auf der Entwicklung von adaptiven Kompressionsalgorithmen für medizinische Bilder, die diesen Anforderungen genügen.
Die adaptive LZW-JPEG Kompression – eine Neuentwicklung
Das vom Institut für Telematik entwickelte Verfahren der adaptiven Bildkompression gliedert sich in vier Schritte (Abbildung 1):
1. Zuerst wird das Originalbild in zwei Bilder aufgeteilt. Das erste Bild besteht aus den höchsten Bit-Ebenen des Originalbildes, das zweite Bild besteht aus den niedrigsten Bit-Ebenen des Originalbildes. Die Einteilung der Bit-Ebenen in die zwei Klassen erfolgt aufgrund der Analyse des Mittelwertes der Segmentparameter für jede Bit-Ebene.
2. Im zweiten Schritt wird das erste Bild analysiert und daraus eine Einteilung des zweiten Bildes in zwei Bereiche abgeleitet, wobei der erste Bereich das eigentliche Untersuchungsobjekt (Region des Interesses) beinhaltet und der zweite Bereich ohne jedes Interesse für die Diagnose ist, da er keinerlei wichtige Bildinformationen beinhaltet.
3. Im dritten Schritt wird das erste Bild mittels des LZW-Verfahrens (GIF), das heißt verlustfrei komprimiert. Das zweite Bild wird vermittels des JPEG-Verfahrens kodiert. Dabei wird der erste Bereich des zweiten Bildes verlustfrei (und folglich mit einem kleineren Kompressionsfaktor) komprimiert, wogegen der zweite Bereich mit der uninteressanten Information mit einem großen Kompressionsfaktor komprimiert wird.
4. Anschließend werden die bei der Kompression erzeugten LZW- und JPEG-Daten zu einer Datei kombiniert, die dann sämtliche komprimierten Bilddaten beinhaltet.
Leistungsmerkmale
Die Effektivität des beschriebenen Algorithmus wurde mittels einer statistischen Modellierung bewertet. Hierfür wurden DICOM-Bilder verschiedener Hersteller radiologischer Geräte (Siemens, Philips, ...) mit jeweils verschiedenen Modalitäten verwendet. Die Tabelle zeigt die Kompressionsverhältnisse für die verschiedenen Kompressionsalgorithmen und für die verschiedenen Bildmodalitäten.
Keine sichtbaren Verzerrungen
Der Vergleich zwischen den Kompressionsverfahren belegt den Vorteil des neuentwickelten adaptiven GIF-JPEG-Kompressionsverfahrens gegenüber den herkömmlichen verlustbehafteten und verlustfreien Verfahren bei Beibehaltung der Qualität des rekonstruierten Bildes. Letzteres ist daran erkennbar, dass keine sichtbare Verzerrung zum Originalbild vorliegt. Dies bedeutet: Dem Peak-Signal-to-Noise-Ratio(PSNR)-Kriterium zufolge müssen für die acht höherwertigen Bit-Ebenen des Originalbildes und des dekodierten Bildes Werte größer als 40dB gelten. Der LZW-JPEG Algorithmus liefert die höchsten Werte.
Als standardisierte, in jedem herkömmlichen Internet-Browser verfügbare Verfahren eigenen sich das entwickelte GIF- bzw. JPEG-Verfahren besonders gut für Internet-Anwendungen wie der am Institut für Telematik entwickelte GIF-JPEG-Kompressor beweist. Dabei benötigt das entwickelte LZW-JPEG-Dekodierungs-Applet lediglich 600 Byte und eine Dekodierungszeit von weniger als fünf Sekunden.
Sergey Khludov, Christoph Meinel

Informationen: Institut für Telematik, Bahnhofstraße 30-32, 54292 Trier, Telefon: 06 51/97 55 10, Fax: 06 51/9 75 51 12, Internet: www.ti.fhg.de


Informationen: H+BEDV Datentechnik GmbH, Lindauer Straße 21, 88069 Tettnang, Telefon: 0 75 42/9 30 40, Fax 0 75 42/5 25 10, www.antivir.de

Tabelle: Kompressionsraten (PSNR > 40dB)
Verfahren CT1 MR2 US3 NUK4 CR5 DS6
LZW 1.3 : 1 1.5 : 1 1.8 : 1 1.5 : 1 1.4 : 1 1.4 : 1
Huffman 1.4 : 1 1.7 : 1 1.6 : 1 1.5 : 1 1.7 : 1 1.7 : 1
Arithmetik 1.4 : 1 1.6 : 1 1.5 : 1 1.4 : 1 1.6 : 1 1.6 : 1
JPEG 4 : 1 4 : 1 5 : 1 3 : 1 5 : 1 5 : 1
Wavelet 5 : 1 4 : 1 6 : 1 3 : 1 6 : 1 6 : 1
Fraktal 5 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 5 : 1 5 : 1
Vektorquantisierung 4 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1 4 : 1
LZW-JPEG 7 : 1 7 : 1 20 : 1 6 : 1 12 : 1 12 : 1


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