行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
應用下一代網際網路於遠距醫學影像研究之國內暨
國際合作— 應用寬頻網路之醫學影像中心
計畫編號：NSC90-2314-B002-415Y 執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 主持人：陳慶餘教授 國立台灣大學醫學院家庭醫學科 共同主持人： 葉俊雄研究員 國家高速電腦中心 許玉珠研究員 國家高速電腦中心 丁綺萍研究員 國家高速電腦中心 郭斐然主治醫師 國立台灣大學醫學院家庭醫學科 林一鵬教授 國立台灣大學計算機及資訊網路中心 陳恆順講師 國立台灣大學醫學院醫學系 賴金鑫教授 國立台灣大學醫學院復健科 蔡育秀副教授 中原大學醫學工程學系 計畫參與人員：林慶波研究員 國立台灣大學電機工程學系 一、中文摘要
近年來，由於 MRI 的硬體與成像技術 不斷進步，使得這方面的資料快速並大量 的累積，另外，由 MRI 進一步擷取大腦在 接受外界刺激、進行認知活動時的腦功能 動態反應，經過分析處理後便能探索人類 大腦的活動，或定位出腦功能障礙的區 域，此即為功能性磁振造影（fMRI）。為 了達到資訊分享的目的，統合這些快速成 長的資訊並利用它們是本研究的重要目 標，本研究希望能提供一套符合 fMRI 資料 特性和現今網路架構的資料庫應用系統， 透過網際網路服務(Web Service)的分散式 物件概念，並規劃易於操作以及實用的使 用者功能，利用網際網路技術來實現整體 的架構，期望能夠讓不同的使用者都能夠 在這套系統中取得適當的資訊。 關鍵詞：功能性磁振造影、網際網路服務 Abstr actThere are accumulating a huge mass of data fast since equipments and technology of MRI made great progress recently. Besides
In order to be the goal for information
sharing,use and make an overall plan for these data is importmant objective of our research. Our research hope to provide for a database application system that fit in with fMRI data property and network architecture in the world. By the conception of Web Services, Planning graphic user interface (GUI) that be handled easily. We hope that different level users could conveniently obtian suitable information they need.
Keywor ds: functional Magnetic Resonance
Imaging (fMRI)、Web Services
二、
緣由與目的
具有統計、查詢並且符合全球網際網 路(World Wild Web,www)應用的 fMRI 資料 庫系統，目前臺灣大學核磁共振影像中心 所開發的功能性核磁共振影像資料庫系統 提供 fMRI 分析結果的資料並有分析統計以 及查詢比對的功能，由於 fMRI 資料所需的 儲存容量很大，因此其硬體設備是使用大 儲存容量的磁碟陣列設備，將 RawData 影 像以檔案格式獨立儲存於資料庫外，而軟 體 架 構 的 資 料 庫 管 理 系 統 (DBMS) 是 使 用 Microsoft 的 SQL Server，不過系統起始 設定的使用範圍是供給特定實驗人員(心
理系)來做統計分析所用，因此此資料庫系 統的主從式架構是選擇比較符合小型區域 網 路 特 性 的 二 層 式 的 模 型 (Two-Tier Model)，客戶端應用程式是使用 Visual Basic 此程式語言配合 VC++來開發，在應 用上會受到客戶端所使用的不同作業系統 (只能在 Window 95 作業系統下操作)而有 所限制。 本研究目的是要提供使用者一套功能 性核磁共振影像資料庫應用系統，以三層 式模型(The Three-Tier Model)為此資料 庫系統的主從式架構模型，前端部分採用 JAVA Language 開 發 應 用 程 式 ， 並 以 Microsoft SQL Server 2000 為資料庫管理 系統主體，使用者能夠透過各式作業平台 (Windows 、 Linux 、 Unix… ) 的 瀏 覽 器 (Browser)快速直接的對 fMRI 進行統計分 析、查詢以及影像比對的動作，達成即時 化、網路化以及普遍化的目的。 研究的主題包括： 1.跨平台使用者介面及功能設計：利用到 資料庫的使用者最直接接觸到的就是客 戶端應用程式介面，本研究提供跨平台 Web-based 的操作介面，並以 MRI 研究人 員的觀點來設計使用者功能，研究人員 最需要的資訊是什麼?有什麼輔助的資 訊需包含在內? 2.資料傳送機制：依據資料庫所儲存的資 料特性，因此在軟體或硬體內進行規 劃，增進大量醫學影像的存取效能，以 幫助使用者便於資料的查詢以及有效率 的瀏覽到所需獲得的資訊。 3.網路軟硬體架構的規劃：規劃網路的主 從式架構，不但要考慮到後端資料庫的 資料特性，還要視前端所使用的開發軟 體的應用機制，配合上目前嶄新的網路 技術，設計出合適的整體應用架構。 4.分散式工作平台運算模式的建立：由於 包含了一些特殊的運算，因此複雜的運 算將分配在伺服器端(Server)執行，客 戶端電腦只做影像以及 fMRI 運算結果的 呈現。 因此，本研究完成這套資料庫系統所 欲達成幾項目標： 1.建立了一個具整合性並符合 fMRI 特性的 網路影像資料庫架構。 2.在資料呈現方面提供橫跨各種平台的使 用者應用介面，並達到網路資訊及時快 速的效率。 3.在功能方面提供基本的 fMRI 個案搜尋、 比對及交叉統計的功能。4.具有標準資 訊交換格式的軟體架構，達到未來資料 庫擴充結合的便利性。 圖一為研究主題關聯圖，說明資料庫 前後端所有牽涉到的主題。 圖一、研究主題關聯圖
三、
研究成果
網路資料庫的整體構成要素包含後端 資料庫的表格建立以及資料來源、中間層 資料傳送網路的機制及技術、前端應用程 式對資料的應用方法以及使用者介面的功 能。以下一一列出說明： 1. 後端資料庫的建立 資料來源是由台灣大學核磁共振影像 實驗室所提供的 MRI 以及 fMRI 資料，影像 資料獨立於資料庫管理系統(DBMS)以外來 儲存，這樣才不會讓大容量的影像資料影 響到資料庫管理系統的存取效能，而資料 庫管理系統是使用 Microsoft SQL Server 2000，它簡單的存取方式適合本系統對資 料存取的規劃，而資料庫管理系統內的表 格應該包含有以下四類資訊：受試者特徵屬性表及實驗資訊、服務、解剖學應用、 fMRI 影像資訊。 而下列為目前實際存放在資料庫管理系統 的表格(相關細部資料請參照附錄一)： (一)受試者特徵屬性表和實驗資訊 UserAtrb 記錄受試者的許多屬性資料，包含基 本資料、實驗前狀況、實驗後狀況、用手 習慣調查、神經學方面病史調查等。 Imnd（MR 影像掃描參數） 將自 MRI 主機上取得之掃描設定參數 記錄下來，便於將來做為比對分析結果時 參考，同時也記錄由主機下載原始 RAW Data 的存放位置。 Reco（MR 影像重建參數） 將自 MRI 主機上取得之影像重建參數記 錄下來，便於將來做為比對分析結果時參 考，同時也記錄由主機下載 fMRI RAW Data 2dseq 的存放位置。 (二)服務 Request（實驗申請記錄） 合作單位使用機器前需填寫此表，以 便作為 MRI 實驗室管理人掌握時程排定的 工作，內容包含計劃聯絡人、實驗主題、 實驗目的簡述、實驗範圍、建議事項等資 訊。 User（使用者名稱對照） 記錄使用者、密碼、權限等資訊。 Unit（合作單位對照） 記錄與 MRI 實驗室有合作關係的各單 位名稱資料。 UserAcc 使用者帳號。 (三)解剖學應用 AnatomyM（腦部區域標示說明檔-主檔） 解剖名稱對照資料主檔，內容為解剖 學名稱及其說明內含大腦各區域解剖學名 稱及 Brodman Area 編號等內容。 AnatomyD（腦部區域標示說明檔-明細檔） 為 AnatomyM 之明細檔，主要記錄大腦 區域名稱對應的三度空間位置。 AnatomyL 具有五層解剖學名稱的 pixel，具有細 部的功能以及說明，紀錄在此檔案之中， 不同的 Brodmann area 都有細部說明。 (四)fMRI 影像資訊 AnalyM（分析結果-影像資料檔） 由 AnalyM 記錄其存放位置，本身為獨 立於 DBMS 外的影像資料檔，記錄格式為常 用的標準 Image 格式，也儲存一些如影像 維度，資料型態等資訊。 2. 前端應用程式即使用者介面功能 功能規格的規劃為以 Java-based 為開 發重點，包含資料處理、顯示，其中的規 格重點表列於下： 一、全瀏覽器操作環境 二、資料交換 XML 格式 三、使用標準的樣板記錄實驗結果 四、可自行設定 P 值查詢 五、由反應區查詢解剖名稱與大腦功能 六、比較不同實驗的重疊百分比 七、提供受試者特徵及 3D ROI（Region of interesting）圈選查詢 以下為使用者介面實際執行的結果 (一)大腦解剖名稱資料庫(見圖二) 為使研究人員能更方便地查詢大腦各 區域的名稱，利用滑鼠在畫面上點選想查 詢的區域，或直接在畫面上選擇要查詢的 區域，電腦就會自動顯示該區域的範圍以 及功能說明等資訊。 系統目前已內建由 Talairach Deamon Database 所取得到大腦解剖區域資料庫， 並內建 Brodmann area 對應的座標，對於 三度空間中大腦解剖名稱的查詢相當有 利。
圖二、大腦解剖名稱資料庫介面 (二)ROI 與實驗主題的搜尋 大腦依功能的區分可以概分為十個區 域，我們將這十個區域當做搜尋的鍵值， 讓使用者可任意決定要由那一個主題做為 搜尋的條件，同時也可以運用左側的 ROI 圈選特定範圍做條件搜尋。 ROI 圈選功能是三度空間的範圍，在 每一個平面選取適當的面積，重疊起來就 能成為球形或各種三度空間的形狀，當然 也可以重覆複製到不同的平面，重疊之後 就形成柱狀的 ROI 範圍，圈選的部份會和 右側過濾後的結果再做比對，反應區有落 在圈選範圍內的分析結果才是符合條件。 在顯示結果的畫面中，我們也會將 ROI 圈 選範圍以綠色點一併標示於影像上，在畫 面中亦可以滑鼠點選影像任意點，參考所 對應的另外兩個平面所顯示的結果。(見圖 三及圖四) 圖三、ROI 圈選功能(左圖不透明 右圖為透 明) 圖四、搜尋結果顯示程式執行介面 (三)ROI 與多組實驗間共同反應百分比的 搜尋 這 個 查詢 功能主要是想提供研究人 員，對不同實驗間具有相同反應位置的資 訊，將搜尋到的實驗結果重疊在一起之 後，把有反應的區域加在一起，得到結果 百分比值以不同的顏色來顯示。(見圖五) 圖五、不同實驗間具有相同反應位置搜尋 結果
四、未來研究目標
目前系統已完成影像顯示的部分，而 資 料 庫 管 理 系 統 內 的 文 字 資 料 資 料 列 (rows)以及欄位的建立也準備完成，接下 來在顯示方面將加強的功能包含 3 維 fMRI 影像的呈現，JGL 是一個以 Java 程式語言 所 撰 寫 的 三 維 圖 學 資 料 庫 ， 其 API 與 OpenGL 相似並且可於 Java 最新版本的平 台上執行，另外再配合目前 Java 所完成的 3D 圖形 API，運用這項技術的優點也在於 在細部影像復原的方法中，有些利用到 Java 處理 2D 的優勢來自動化進行，以減少 發展顯示功能的複雜度，而在影像顯示部 分還有一個重點就是網路傳輸影像的效率 以及即時運算的能力，除了使用 RMI 來加 強效率的問題。另外在文字資料建立以及 顯示的部分，跨文件化的 XML 資料格式部 分，將使用 JSP 來完成使用者輸入及自動 完成 XML 資料的建立，將來可以達到一份 文件到處使用的目標，提供給實驗單位 XML 資料，各實驗單位利用不同的應用程式以 自己想要的方式來解讀 XML 資料並呈現內 容。五、
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