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一种针对WSI的无损压缩算法—SZM

SZM压缩算法是一种专门用于压缩WSI(Whole Slide Image)的无损压缩算法。

概述

WSI(Whole-Slide-Image)的介绍

数字病理学是病理学的一个子领域,专注于基于数字化标本载玻片生成的信息的数据管理。通过使用基于计算机的技术,玻璃载玻片被转换为可以在计算机显示器上查看、管理、共享和分析的数字载玻片[21]。医学病理图像的成像方式称为全切片数字化图像 ( whole slide image,WSI) [22],美国 FDA 批准 WSI 可用于初级外科病理诊断后,使其在日常实践中得到更广泛的接受和应用开辟了道路[23]。虽然 WSI 目前被广泛用于病理学的教学、科研及诊断工作中,但其仍具有一定的应用局限性和挑战性[24]。

WSI发展遇到的挑战

处理 WSI 时的一个巨大挑战是它们的图像规模庞大。以 40 倍放大倍率扫描的 15×15 毫米样本为例,需要 60000×60000、24 位 RGB 彩色图像,从而产生超过 10 GB 的原始数据。即使在较低、更常见的 0.5 μm 分辨率下,图像的尺寸也达到 30000 × 30000 和 2.5 GB 的未压缩数据[15][16]。

此外,每个案例通常会产生多个 WSI(有时超过 35 个[17])。因此,单个 WSI 扫描仪每年会产生数百 TB 的数据[17][18]。这些海量数据阻碍了虚拟病理学的采用。过多的带宽需求可能会阻碍 WSI 的远程可视化,而严格的存储需求(包括归档和备份系统)可能会降低数字病理工作流程的成本效益[11]。在这种情况下,图像压缩对于缓解这些存储和传输问题至关重要。

国内研究现状

国内对于WSI的研究多处于应用层面,集中在运用人工智能深度学习算法和大模型技对WSI切片进行分析处理的研究上,比如曹莉凌等在EfficientNet网络的基础上结合CA注意力机制,利用WSI切片判断甲状腺结节的良恶性级别[25];陈金令等为实现乳腺病理 WSI 图像的精准分类,提出了一种基于混合连接的门控卷积神经网络分类方法[26];祝闯等提出了一种对甲状腺细胞病理学 WSI 进行高效滤泡分割的新方法[27]等等。

然而,对于WSI压缩方法的研究较少,比如王耀威等提出了一种名为压缩 WSI 分类(CWC-Transformer)的两阶段框架,以有效解决 WSI 分类中的特征提取和空间信息丢失问题,但不是对于WSI本身的压缩方法。

国际研究现状

国际上对于WSI的压缩方法的研究较多,比较有影响力的有Maximilian Fischer等提出的一种针对病理图像量身定制的新型基于深度学习(DL)的压缩方法[29];Henrik Helin等针对WSI对JPEG2000压缩方法的参数做专门优化,提出了JP2-WSI格式[2];S Faghani等开发了一种图像处理算法来去除 WSI 中不需要的背景[3]等等。

算法原理

经过了解数字病理切片的制作步骤,发现数字病理切片具有颜色种类单调,图像基本颜色色度由染色材料所决定的自然性质。根据此性质,我们可以把WSI的色度和亮度分离,针对单调的色度种类就行编码压缩。

第一步 将RGB转换为YCbCr色彩空间;

第二步 使用K-Means聚类算法挑选出图像中最主要的几种颜色,并作为标准色;

第三步 针对图像的所有像素点进行差值编码和熵编码。

扩展(可继续针对已有编码进行哈夫曼编码或lzw编码)

实验

未完待续...

压缩效果

About

a compression algorithm for WSI

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