基于PyRadiomics的醫(yī)療影像紋理獲取原型系統(tǒng)集成

董建民 劉建新

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)輔助診斷中醫(yī)學(xué)影像紋理計(jì)算相對(duì)復(fù)雜、商業(yè)分析軟件功能相對(duì)固定和成本較高等問題，以目前主流的Python語言為開發(fā)工具，將其對(duì)應(yīng)的PyRadiomics模塊、SimpleITK模塊與Pydicom模塊相結(jié)合，給出了符合Dicom 3.0格式的醫(yī)療影像數(shù)據(jù)紋理分析軟件設(shè)計(jì)流程，開發(fā)了紋理計(jì)算過程和數(shù)據(jù)可視化原型系統(tǒng)。系統(tǒng)集成為影像醫(yī)師診斷提供了一種低成本、交互友好的紋理特征數(shù)據(jù)獲取與分析手段，為醫(yī)學(xué)影像中的人工智能、深度學(xué)習(xí)應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PyRadiomics;醫(yī)療影像;紋理獲取

DOI：10. 11907/rjdk. 201074 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）007-0223-04

Integration of Medical Image Texture Acquisition Prototype System

Based on PyRadiomics

DONG Jian-min，LIU Jian-xin

（School of Information Engineering，Xizang Minzu University， Xianyang 712082，China）

Abstract：In order to solve the problems of relatively complex texture calculation， relatively fixed function and high cost of commercial analysis software in computer-aided diagnosis through? medical image，after the design flow of texture analysis of medical image data been given， a prototype system of texture calculation is integrated by Python with its corresponding pyradiomics module， simpleITK module and pydicom module. The system could process all DICOM （digital imaging and communications in medicine） 3.0 format files of medicine images and texture calculation and visualization model are developed and a low-cost， interactive and friendly method of texture feature data display and analysis for imaging doctors diagnosis is provided. It lays a solid foundation for the fields of artificial intelligence and deep learning based on medical image.

Key Words：PyRadiomics;medical imaging;texture acquisition

0 引言

隨著醫(yī)療設(shè)備數(shù)字化的不斷深入，從數(shù)據(jù)管理技術(shù)上看，以影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）為依托，將計(jì)算機(jī)斷層（Computed Tomography，CT）、核磁共振（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、超聲（Ultrasound，US）成像等各種醫(yī)療影像設(shè)備形成以Dicom（Digital Imaging and Communications in Medicine） 3.0為標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療影像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換和管理模式[1]。從已有醫(yī)療影像采集設(shè)備看，圖像質(zhì)量從空間上越來越精細(xì)，采集所需時(shí)間越來越短，圖像重建速度也越來越快，并且整個(gè)過程對(duì)被檢查對(duì)象幾乎沒有任何損害，這為醫(yī)療影像應(yīng)用從傳統(tǒng)個(gè)案診斷走向海量數(shù)據(jù)分析打下了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，正逐漸為當(dāng)前醫(yī)療人工智能分析、特征深度學(xué)習(xí)等研究提供應(yīng)用前提和可能[2-3]。從臨床診斷角度看，醫(yī)療影像紋理分析是影響診斷結(jié)論的重要方面，根據(jù)已有的紋理信息診斷應(yīng)用可知，對(duì)醫(yī)療影像中感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI ）的紋理分析包括如下方面：一階距、形狀特征、以灰度共生矩陣為基礎(chǔ)的度量、以灰度游程矩陣為基礎(chǔ)的度量，以及灰度區(qū)域大小矩陣等，共包含100多個(gè)特征數(shù)值[4-9]，獲取這些數(shù)值對(duì)于影像分析意義重大。Python語言程序由于具有開源的特點(diǎn)以及程序設(shè)計(jì)入門相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于各特定的圖像處理領(lǐng)域[10-16]。PyRadiomics[17]是一個(gè)開源的Python[18]軟件包，用于從醫(yī)學(xué)成像中提取放射組學(xué)特征。其模塊已經(jīng)集成了目前所有的影像紋理分析算法，可便捷地為臨床影像診斷醫(yī)師提供各種紋理數(shù)據(jù)。同時(shí)，鑒于目前醫(yī)療均采用Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)此類格式的影像數(shù)據(jù)，利用特定專業(yè)的開源模塊，對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解碼和數(shù)據(jù)獲取。

然而，從臨床醫(yī)療影像紋理分析應(yīng)用看，已有的紋理分析理論涉及較為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，不利于影像診斷醫(yī)師集中精力進(jìn)行診斷判定，同時(shí)也不利于大量醫(yī)療影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和分析。目前，商業(yè)醫(yī)療影像分析軟件由于涉及諸多專利和數(shù)據(jù)授權(quán)等問題，其高昂的商業(yè)成本不僅限制了其進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，而且阻礙了非醫(yī)科等其他工程技術(shù)人員與一線醫(yī)療影像診斷醫(yī)師的合作。這樣，要實(shí)現(xiàn)醫(yī)療影像數(shù)據(jù)紋理分析的大范圍應(yīng)用，首先必須避免醫(yī)療影像診斷師陷入復(fù)雜紋理分析的數(shù)學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算，其次采用一切手段降低數(shù)據(jù)處理難度和成本，最終形成功能相對(duì)齊全、界面友好、交互簡(jiǎn)單的紋理數(shù)據(jù)獲取、顯示與數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)。本文正是針對(duì)上述要求，將運(yùn)行于Windows 7系統(tǒng)上的Python3.6作為開發(fā)工具，以符合Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入，利用與之對(duì)應(yīng)的SimpleITK模塊快速處理數(shù)據(jù)，通過Pydicom模塊解碼Dicom文件數(shù)據(jù)，用于人工或者系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定影像數(shù)據(jù)的ROI，然后將前兩者數(shù)據(jù)處理結(jié)果作為數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，結(jié)合PyRadiomics強(qiáng)大的紋理數(shù)據(jù)獲取功能，得到對(duì)應(yīng)的紋理數(shù)據(jù)后，利用可視化方式加以顯示。同時(shí)，為促進(jìn)紋理數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用，本文也設(shè)計(jì)了紋理數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能，從而為紋理數(shù)據(jù)的科學(xué)研究與分析奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程

在系統(tǒng)開發(fā)之前，首先需要正確安裝開發(fā)工具Python 語言解釋器以及對(duì)應(yīng)版本的PyRadiomics、Pydicom、SimpleITK、Numpy等主要模塊，并經(jīng)過測(cè)試確保各模塊可正常使用。參照如圖1所示流程設(shè)計(jì)各模塊功能。

2 紋理計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

由于Pyradiomics模塊在構(gòu)架時(shí)，其接收的影像分析數(shù)據(jù)和標(biāo)記數(shù)據(jù)輸入為nrrd格式，而這種格式的數(shù)據(jù)需要對(duì)已有的Dicom3.0數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和標(biāo)記后生成，因此首先需要設(shè)計(jì)并生成待處理數(shù)據(jù)，這由Python對(duì)應(yīng)的SimpleITK完成。需要注意的是，符合Dicom3.0標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療影像數(shù)據(jù)，在利用探測(cè)到的信號(hào)重建圖像時(shí)，采用不同的序列實(shí)例，而這些實(shí)例采用不同的重建參數(shù)而得到的紋理數(shù)據(jù)必然不同。因此在開發(fā)軟件時(shí)，必須利用Dicom文件的頭信息分別依次解析，按照不同實(shí)例序列依次處理。因此，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊分為待分析影像的nrrd格式數(shù)據(jù)生成和標(biāo)記數(shù)據(jù)生成，標(biāo)記數(shù)據(jù)最簡(jiǎn)單的方式就是利用掩模將圖像的ROI標(biāo)識(shí)為1、其它標(biāo)識(shí)為0。待分析數(shù)據(jù)關(guān)鍵代碼如下：設(shè)file_path為待分析的符合Dicom3.0的數(shù)據(jù)路徑，sitk為simpleITK模塊的簡(jiǎn)寫，DicomNrrdData是初始為空的列表，代碼結(jié)束后保存不同序列nrrd格式的待分析數(shù)據(jù)。

series_IDs = sitk.ImageSeriesReader.GetGDCMSeriesIDs（file_path）#獲取不同的序列標(biāo)識(shí)

for ss in series_IDs：

series_file_names= sitk.ImageSeriesReader.GetGDCMSeriesFileNames（file_path，ss）

#上面語句獲取屬于不同序列的文件列表

series_reader = sitk.ImageSeriesReader（）#實(shí)例化一個(gè)讀取序列

series_reader.SetFileNames（series_file_names）#設(shè)置讀取文件組名

D = series_reader.Execute（）#讀取該序列文件得到nrrd格式數(shù)據(jù)

DicomNrrdData.append（D）#將不同的序列的nrrd格式數(shù)據(jù)保存于列表

標(biāo)記數(shù)據(jù)通常需要通過人工交互完成圖像掩模而確定。取圖像中間部分作為感興趣區(qū)域，這里取圖像128～196行、128～196列的矩形區(qū)域作為測(cè)試，分別用變量hh0、hh1、ww0、ww1代替，即hh0=128、hh1=196、ww0=128、ww1=196。為了更好地利用已有代碼，只需將每個(gè)序列的圖像數(shù)據(jù)重新修改后保存，再利用上述代碼即可。設(shè)pydicom模塊簡(jiǎn)寫為dcm，變量kk為記錄標(biāo)識(shí)不同的Dicom文件，初始值為0，series_file_names為不同序列的文件名，OutPath為標(biāo)記數(shù)據(jù)要保存的路徑。sitk在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)將讀取到的數(shù)據(jù)利用式（1）集成到nrrd格式的數(shù)據(jù)中。

其中，S為數(shù)據(jù)斜率，一般取值為1，R為對(duì)應(yīng)的截距，通常為負(fù)值，在諸多情況下R的取值為-1024，d為文件直接讀取到的數(shù)值。因此，為了保證最終標(biāo)記數(shù)據(jù)仍為1，在修改對(duì)應(yīng)的標(biāo)記Dicom文件時(shí)，數(shù)據(jù)項(xiàng)不能直接賦值為1，也即要使最終的v=1，修改數(shù)據(jù)可以按照式（2）確定。

這里，v=1，S=1，因此修改的數(shù)據(jù)項(xiàng)d=1-R。關(guān)鍵代碼如下：

for FileName in series_file_names：

dcminfo_data=dcm.dcmread（FileName）#讀取dicom圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

R= dcminfo_data.RescaleIntercept #得到圖像數(shù)據(jù)的截距

Rows=dcminfo_data.Rows? ? #獲取圖像的行

Columns=dcminfo_data.Columns? #獲取圖像的列

newArray = np.zeros（[Rows， Columns]） #創(chuàng)建新的元素全為0的標(biāo)記矩陣

newArray[hh0：hh1，ww0：ww1]=1-R #將圖像對(duì)應(yīng)的掩模賦值為截距相反數(shù)加1

NewDcmdata16 = np.int16（newArray） #將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)

dcminfo_data.PixelData=NewDcmdata16.tobytes（） #將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的字節(jié)數(shù)

Path=OutPath+ks+‘.dcm #增加了標(biāo)識(shí)的新文件的保存路徑

dcminfo_data.save_as（Path） #保存文件

kk=kk+1? #標(biāo)識(shí)符增加1

標(biāo)記圖像處理完成后，將保存路徑利用關(guān)鍵代碼獲取對(duì)應(yīng)nrrd格式的標(biāo)記文件。

2.2 紋理特征獲取計(jì)算

實(shí)現(xiàn)PyRadiomics紋理分析的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備后，通過在Python開發(fā)平臺(tái)下使用PyRadiomics模塊，從而完成系統(tǒng)紋理特征數(shù)據(jù)獲取。Python開發(fā)平臺(tái)下使用PyRadiomics模塊時(shí)，除了要將待分析數(shù)據(jù)與標(biāo)記數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的nrrd格式數(shù)據(jù)作為參數(shù)輸入外，還需要利用一個(gè)yaml文件作為紋理獲取計(jì)算參數(shù)，內(nèi)容主要包括輸入數(shù)據(jù)位數(shù)、標(biāo)記數(shù)據(jù)信息以及需要計(jì)算的紋理數(shù)據(jù)類別等。該文件可以用普通文本編輯器打開進(jìn)行設(shè)置，具體使用可以參考PyRadiomics模塊的使用說明，最終紋理數(shù)據(jù)由PyRadiomics對(duì)應(yīng)的特征提取函數(shù)的返回值得到。設(shè)Pa_Path為對(duì)應(yīng)的yaml參數(shù)文件所在路徑，其關(guān)鍵代碼如下：

import radiomics? ?#導(dǎo)入radiomics模塊

import radiomics.featureextractor as F #導(dǎo)入紋理提取模塊，并簡(jiǎn)寫為F

ext = F.RadiomicsFeatureExtractor（Pa_Path） #設(shè)置紋理提取參數(shù)

r= ext.executeData（D，DL）#將帶分析數(shù)據(jù)D與對(duì)應(yīng)的標(biāo)記數(shù)據(jù)DL傳入到紋理函數(shù)

實(shí)際上，原來模塊的execute（）函數(shù)是利用sitk讀取對(duì)應(yīng)的nrrd數(shù)據(jù)和標(biāo)記數(shù)據(jù)，效率偏低。在紋理分析函數(shù)ext.execute（）基礎(chǔ)上，將其中調(diào)用自身的成員函數(shù)讀取數(shù)據(jù)部分直接更換為輸入數(shù)據(jù)即可完成，最后r向量保存的是紋理數(shù)據(jù)的字典類型數(shù)據(jù)?？衫萌缦麓a分別輸出形狀、一階距，以及由灰度游程矩陣、灰度區(qū)域大小矩陣、灰度共生矩陣、灰度差距共生矩陣所導(dǎo)出的紋理數(shù)據(jù)。

for key， value in r.items（）：

if key.find（‘shape）>=0：

Shapef.append（value）

if key.find（‘firstorder）>=0：

Firstorder.append（value）

if key.find（‘glrlm）>=0：

Glrlm.append（value）

if key.find（‘glszm）>=0：

Glszm.append（value）

if key.find（‘glcm）>=0：

Glcm.append（value）

if key.find（‘gldm）>=0：

Gldm.append（value）

2.3 特征數(shù)據(jù)可視化

獲取到的醫(yī)學(xué)影像紋理數(shù)據(jù)通常具有至少3個(gè)以上數(shù)值，要在電腦上將其可視化，需要采用高維數(shù)據(jù)顯示方法[19]。本文系統(tǒng)采用常見的平行坐標(biāo)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，系統(tǒng)輸入測(cè)試一套數(shù)據(jù)（含25張CT圖像）后，紋理數(shù)據(jù)可視化結(jié)果如圖2所示。系統(tǒng)輸入32個(gè)不同序列影像數(shù)據(jù)后得到的紋理數(shù)據(jù)可視化結(jié)果如圖3所示，該數(shù)據(jù)含有Dicom 3.0的5 108張影像。

2.4 紋理特征數(shù)據(jù)導(dǎo)出

成功獲取醫(yī)學(xué)影像紋理數(shù)據(jù)后，為保證數(shù)據(jù)后續(xù)使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊，導(dǎo)出為用逗號(hào)隔開的數(shù)據(jù)文件，這里使用csv格式的導(dǎo)出數(shù)據(jù)。設(shè)TextureFeatureCsvFileName為導(dǎo)出紋理數(shù)據(jù)文件路徑，SeriesTexture為保存各圖像序列的紋理數(shù)據(jù)列表，導(dǎo)入Python對(duì)應(yīng)的讀寫csv模塊后，其關(guān)鍵代碼如下：

csvFileSave=open（TextureFeatureCsvFileName，“a+”， newline=‘? ）#已追加寫方式打開文件

writer = csv.writer（csvFileSave）

for TextureIndex? in range（len（SeriesTexture））：#對(duì)所有列表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

OneLineDataList=[]

ImageTexture=SeriesTexture[TextureIndex]? ? #獲取一個(gè)序列的紋理數(shù)據(jù)

for data in ImageTexture：

OneLineDataList.append（data） #將紋理數(shù)據(jù)利用列表合并為一行

writer.writerow（OneLineDataList）? #寫入csv一行數(shù)據(jù)

csvFileSave.close（）? ? ?#數(shù)據(jù)寫入完成后關(guān)閉文件

3 結(jié)語

本文利用Python及對(duì)應(yīng)的開源模塊，開發(fā)了一個(gè)醫(yī)療影像紋理數(shù)據(jù)計(jì)算軟件原型系統(tǒng)平臺(tái)，為診斷醫(yī)師進(jìn)行醫(yī)療影像紋理數(shù)據(jù)獲取提供了一個(gè)低成本的簡(jiǎn)易軟件，同時(shí)可為其它領(lǐng)域的特征數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)挖掘，以及影像輔助診斷中的人工智能、深度學(xué)習(xí)應(yīng)用等研究提供借鑒。系統(tǒng)中對(duì)醫(yī)療影像ROI的選取僅僅采用矩形區(qū)域的簡(jiǎn)單方法，以此進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證，但在醫(yī)療診斷或者其它應(yīng)用領(lǐng)域，ROI的選取方式一般豐富多樣，包括手動(dòng)繪制多邊形、圓形區(qū)域、分割線等，而對(duì)于這些本文系統(tǒng)均未設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)模塊，后續(xù)研究中需進(jìn)一步完善。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）