徐令儀 孫 鈺 孔向暉 項 蕾 張 冰 萬遂人*#

1(東南大學醫(yī)學電子學實驗室，南京 210096)2(南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學影像科，南京 210008)

基于磁共振圖像與波譜的專家輔助診斷系統(tǒng)的設計

徐令儀1孫 鈺1孔向暉1項 蕾2張 冰2萬遂人1*#

1(東南大學醫(yī)學電子學實驗室，南京 210096)2(南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學影像科，南京 210008)

神經系統(tǒng)疾病是影響人類壽命和生存質量的常見疾病，磁共振圖像(MRI)和磁共振波譜(MRS)分別提供了病變結構像和代謝物含量改變信息。綜合分析MRI和MRS信息有助于醫(yī)生更好地診斷疾病和制定治療方案，因此磁共振數據共享與輔助診斷平臺的建設受到廣泛關注?；贛RI和MRS的專家輔助診斷系統(tǒng)以腦腫瘤、阿爾茨海默癥、輕度認知障礙為重點，以DICOM格式標準的MR圖像和LCModel量化后的MRS結果為數據基礎，使用MySQL建立后臺數據庫存儲和管理醫(yī)學數據，并采用Java進行系統(tǒng)的后臺和前端開發(fā)。該系統(tǒng)提供了病人信息查詢、MRI及其屬性標簽查看與下載、MRS量化結果顯示與下載、MRS與MRI的位置配準及其空間可視化等功能，為醫(yī)生、研究人員、管理員等提供不同權限的需要。該系統(tǒng)的建立為醫(yī)生的病情診斷和科研人員實施研究提供了極大幫助，推進了遠程資料共享和自動化診斷的進程，并促進臨床和科研的學術交流。

磁共振波譜(MRS)；磁共振圖像(MRI)；神經系統(tǒng)疾??；輔助診斷

引言

腦腫瘤、阿爾茨海默癥和輕度認知障礙等神經系統(tǒng)疾病對人類神經系統(tǒng)功能有很大危害，已經成為影響人類壽命和生存質量的主要疾病之一[1-3]。影像學方法是神經系統(tǒng)疾病診斷的重要手段之一，而對于腦腫瘤，還可能進行活體檢驗診斷。磁共振[4]相較于CT是一種無輻射、高分辨率的成像手段，并且其對腦組織成像有很好的對比度，所以成為目前神經系統(tǒng)疾病的主要影像診斷方法。磁共振圖像(magnetic resonance imaging, MRI)提供了結構信息，磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy, MRS)提供了活體代謝信息。MRS是目前唯一能無創(chuàng)性觀察活體組織代謝和生化變化的技術[5]，能為腦部疾病定性診斷提供更多、更準確的信息，為治療方案的擬定和治療效果提供可靠的理論依據。MRS以其無創(chuàng)檢測、先于結構像反映病變的優(yōu)勢日益受到人們的關注[6]。

目前，GE、Siemens、Philips等多家大型醫(yī)療器械制造商生產的磁共振設備均可進行MRS檢查，國內的許多大型醫(yī)療研究機構也收集了大量MRS數據。然而，波譜數據的質量控制與分析手段的欠缺成為制約MRS發(fā)揮作用的關鍵，且各醫(yī)療機構數據的不共享也限制了我國MRS研究的快速發(fā)展。目前國內外已建成各種醫(yī)學圖像管理系統(tǒng)，但國內目前尚未出現MRI與MRS相結合的醫(yī)學數據共享和輔助診斷系統(tǒng)。本文所介紹的醫(yī)學專家輔助診斷系統(tǒng)，在保護病人隱私的前提下整合并共享磁共振數據，直觀顯示MRI圖像及MRS分析結果，極大程度地便利了醫(yī)生的診斷和科研人員的研究工作。

1 材料和方法

1.1 材料

圖1 臨床數據的E-R模型Fig.1 E-R Model of System Clinical Data

本系統(tǒng)的醫(yī)學數據來源于南京市鼓樓醫(yī)院，所有MRI和MRS數據均采集自Philips Achieva TX 3.0T或Philips Ingenia 3.0T磁共振。系統(tǒng)采用MySQL 6.2作為后臺數據庫管理系統(tǒng)進行臨床及用戶數據管理，MySQL以其體積小、速度快、開放源碼、為多種語言提供應用程序編程接口(application programming interface, API)等優(yōu)勢，成為被廣泛使用的關系型數據庫管理系統(tǒng)之一。在Microsoft Windows 7 64位系統(tǒng)平臺上使用Java 1.8.0作為后臺服務器與前端客戶端的開發(fā)環(huán)境，使用Java的Swing組件進行用戶界面設計，使得系統(tǒng)具有運行速度快、可移植性強等特點。

1.2 方法

1.2.1 磁共振數據預處理

Philips的磁共振系統(tǒng)掃描得到的MRS文件包含了后綴為.sdat的數據文件和后綴為spar的頭文件，sdat文件存儲MRS掃描體素的自由感應衰減(free induction decay, FID)信號，spar文件包含視野(field of view, FOV)和感興趣區(qū)域(volumn of interest, VOI)等的空間位置信息。該種原始數據文件無法被直接查看，使用專業(yè)MRS量化軟件LCModel[7]對sdat和spar文件進行量化處理。處理后的數據包含一個命名為“spreadsheet.csv”的表格文件，其中存儲了VOI內所有體素的代謝物量化值、Cho的比值及該代謝物量化值標準差(standard deviation，SD)。另對于每一個體素，都將產生一個后綴為ps的文件，以存儲該體素代謝物的波譜譜線。.ps文件不屬于主流文件格式，研究中自行編寫Java程序將ps文件批量轉換成更通用的PDF格式，便于顯示和處理。

考慮到病人隱私的重要性，使用Java自行編寫數據匿名化程序，重寫需要隱去的信息，并在將數據存儲進系統(tǒng)前先進行匿名化處理。

1.2.2 數據庫設計

MRI和MRS文件按照“醫(yī)院-病人-檢查-序列-數據”的物理結構存儲在服務器硬盤上[8]，文件的存儲地址保存在數據庫中。MRI文件夾下為各個掃描序列的DICOM圖像，MRS文件夾下包括MRS原始文件和經LCModel量化并轉換成PDF格式的文件。這種層次性存儲結構的好處在于它符合現實中的存儲與查找邏輯，便于數據的編輯與管理。同時，按照統(tǒng)一的結構對數據進行存儲，不再需要把每一幅圖像或每一個波譜的物理地址全部存儲到數據庫中，只存儲相應檢查或序列對應的文件夾路徑，就可以進一步獲得更詳細的數據信息。

根據上述磁共振數據文件存儲結構，設計了如圖1所示的數據庫E-R模型，圖中省略了大部分的屬性特征。該E-R模型同樣按照“醫(yī)院-病人-檢查-序列-數據”的層次建立。數據庫中病人來自不同醫(yī)院，且擁有不同的受教育程度；病人患有不同類型疾病，可能接受認知臨床量表的檢查和病理檢查；每個病人均需接受磁共振檢查，除MRI掃描外在一次磁共振檢查中還可能對病人進行單體素和多體素的波譜掃描。

1.2.3 系統(tǒng)框架設計

基于MRI和MRS的專家輔助診斷系統(tǒng)由服務器端和客戶端組成，后臺服務器主要使用數據庫進行醫(yī)學數據的存儲、管理，并接收客戶端發(fā)來的指令進行數據傳輸、數據處理等工作；客戶端是系統(tǒng)和用戶直接進行交互的終端，用戶通過客戶端界面進行信息查詢、數據獲取等操作，圖形化界面的模式簡化了用戶的操作步驟，不需要用戶了解系統(tǒng)的內部結構和代碼組成就可以使用該系統(tǒng)[9-10]。圖2為系統(tǒng)的整體設計框圖，它表明了從數據庫到終端用戶的整體系統(tǒng)結構，也表示了系統(tǒng)的數據流向。

圖2 系統(tǒng)整體設計框圖Fig.2 Diagram of the System′s Design

該輔助診斷系統(tǒng)主要包括病人病歷查詢與管理、報告單顯示、MRI、MRS、醫(yī)學數據添加、用戶信息管理等6大模塊，實現病人基本信息查詢、MRI及其相關屬性值顯示、MRS波形及代謝物量化值顯示、MRS空間可視化、醫(yī)學數據添加等功能，醫(yī)生、研究人員和管理員等用戶具有不同的操作權限。一方面，各個模塊間獨立工作，另一方面，模塊又相互之間提供方法和取得數據。既增強了各模塊間的獨立性，便于模塊和程序的增刪與修改，又提供了必要的數據交換與方法的調用，方便管理。

1)病人病歷查詢與管理模塊。綜合分析一位病人在不同時間段的各項檢查結果，對病人病情的診斷與追蹤及疾病研究和治療方案確定都有積極意義。系統(tǒng)關聯同一病人的多次磁共振檢查及病理檢查數據，數據庫結構設計通過外鍵關聯病人編號的方式很好地滿足了該需求。Java數據庫連接(Java data base connectivity, JDBC)是一種用于進行SQL語句操作的Java API，本系統(tǒng)使用JDBC連接Java和MySQL，對MySQL進行操作。在該模塊中，用戶可使用病人編號、檢查日期、疾病類型等信息進行病歷篩選與查詢。所得到的病歷信息存儲于向量Vector中并在系統(tǒng)界面中以表格形式顯示。

2)報告單顯示模塊。報告單分為磁共振報告單和病理診斷報告單，但其基本結構相同，都包含了病人編號、年齡、檢查日期、檢查所見、診斷結果等部分。該模塊同樣使用JDBC將數據庫的查詢結果返回至系統(tǒng)客戶端。

3)MRI模塊。MRI以DICOM標準進行存儲。DICOM不僅包含圖像，還包括眾多屬性標簽信息[11]即tag信息，例如病人編號、檢查時間、回波時間、圖層位置、圖層方向、病人位置等重要數據。Java自身沒有API對DICOM格式的文件進行解析，本系統(tǒng)使用第三方開源工具包dcm4che 2.0.28進行文件解析[12]。其中主要涉及到DicomImageReadParam、DicomObject、tag等類與接口。通過迭代獲取解碼指定格式并獲得圖像文件的文件流，再使用reader.setInput(iis,true)和reader.read(0,param)函數讀取圖像，paintComponent(Graphics g)進行顯示。

4)MRS模塊。磁共振波譜模塊分為MRS波形顯示和MRS空間可視化兩部分。前文已經提到本系統(tǒng)中的波譜波形文件由.ps格式轉換成PDF格式，Java沒有解析PDF文件及使其以圖片形式顯示的接口，但開源工具包ICEpdf和pdfbox均可在Java環(huán)境下對PDF文件進行操作。經實際編程比較后發(fā)現，使用ICEpdf進行解析得到的顯示畫面更清晰，所以本文使用ICEpdf 5.1.1對PDF進行解析與顯示，使得波譜可直接顯示在系統(tǒng)界面。

對于多體素波譜掃描結果，波譜的空間可視化可以直觀看到不同體素內代謝物含量的空間分布，對確定病灶位置和性質有很大的輔助作用。所謂波譜的空間可視化，就是將MRS的掃描區(qū)域配準到磁共振圖像上進行顯示并利用偽彩色表示各個代謝物在不同體素內的含量。波譜的空間可視化可分為3個主要步驟：一是尋找MRS的定位圖層；二是波譜位置在磁共振圖像上的空間配準；三是代謝物含量的偽彩色顯示[13-14]。MRS的圖層定位和空間配準主要通過讀取波譜頭文件里VOI與FOV的位置信息，并與MRI文件內tag數據進行空間變換和配準實現。通過以下兩條語句可獲得tag中圖像位置信息：

double[] ipop=

dcmObj.getDoubles(Tag.ImagePositionPatient);

double[] iop=

dcmObj.getDoubles(Tag.ImageOrientationPatient);

之后尋找VOI位置與圖層是否相交及其相交點以確定定位層及圖層上FOV與VOI的位置[15]。

讀取每個點的特定代謝物含量值，對每個值進行拉伸轉換，再將轉換后值對應到灰度-RGB彩色映射表中，找到該值對應的顯示顏色，有

(1)

式中，M′為代謝物顯示值，M為代謝物含量值，Mmax和Mmin分別為VOI所有體素中M的最大值與最小值。

5)醫(yī)學數據添加。數據添加是指將客戶端的相應數據文件上傳到服務器上，更新后的數據可在系統(tǒng)中被成功檢索。由于網絡環(huán)境下的帶寬限制，大容量數據的傳輸受到挑戰(zhàn)，對MRI和MRS等大數據量文件進行傳輸，可先將其打包成壓縮文件，Java所提供的java.util.zip包可對zip文件進行讀取、創(chuàng)建與修改。

6)用戶信息管理模塊。用戶信息主要包括用戶基本信息與用戶權限，該系統(tǒng)用戶分為管理員、醫(yī)生和研究人員，用戶選擇性擁有病人數據查詢、下載、上傳等權限，以保證系統(tǒng)可用性與數據安全。醫(yī)生具有添加與修改檢查報告的權限，管理員可對系統(tǒng)中用戶信息進行修改、添加和刪除。擁有相應權限的用戶需登錄方能進入該系統(tǒng)，避免了醫(yī)學數據的泄露。該模塊主要涉及JDBC對數據庫的查詢、添加、刪除、修改等操作。

2 結果

圖3為MRI和MRS的顯示界面。圖3(a)為MRI的顯示界面，左側欄為一次MRI的掃描序列列表，右上側為DICOM圖像的顯示，右下側為tag信息的輸出。在左側欄選擇需要查看的序列，則該序列首張圖像顯示在右上側區(qū)域，通過鼠標點擊或滑動操作觸發(fā)動作監(jiān)聽切換到下一張圖像的顯示，右下側主要包括了當前圖像的回波時間、重復時間等需要關注的重要屬性值。圖3(b)為單個體素波譜顯示界面，與MRI顯示界面類似，左側為樹狀結構列出選中MR檢查的所有MRS序列，右側上方的sl、row和col下拉菜單分別表示需要顯示體素的層數、行、列值，選擇體素位置后點擊顯示按鈕，右側中間面板則顯示量化后MRS的代謝物波形，并在波形下方以表格形式顯示Cr、NAA、Cho、mI、Lac等重要代謝物的絕對含量與Cr的比值及其SD值。點擊右側下方相應按鈕，可查看MRS掃描的定位圖層、FOV與VOI、及選定代謝物的空間偽彩色分布。

圖3 磁共振顯示界面。(a)MRI界面；(b)MRS界面Fig.3 UI of MRI and MRS. (a) UI of MRI; (b)UI of MRS

MRS空間可視化結果如圖4所示，圖4(a)為MRS的定位圖層；圖4(b)為波譜定位的FOV與VOI顯示，其中紅色方格所示區(qū)域為整個FOV，其上疊加的藍色區(qū)域為VOI；圖4(c)表示膽堿與肌酸含量比值(Cho/Cr)的分布，其中紅色區(qū)域表示含量高，藍色區(qū)域表示含量低，另外還可通過圖3(b)的界面選擇其他需要顯示的代謝物如NAA/Cr、mI/Cr。圖4為一個腦腫瘤病人的MRS代謝物分布圖，腦腫瘤病灶區(qū)Cho/Cr值普遍高于正常組織，與MRS可視化圖4(c)結果一致，這也是判定腦腫瘤的重要依據之一[16-17]。

圖4 波譜定位與代謝物分布。(a)定位圖層；(b)VOI和FOV；(c)代謝物分布Fig.4 Positioning of MRS and distribution of metabolite. (a) Positioning image; (b) FOV and VOI; (c) The distribution of metabolites

3 結論

作為目前國內唯一的基于MRI和MRS的輔助診斷系統(tǒng)，相較于普通的醫(yī)院影像信息系統(tǒng)，本系統(tǒng)立足于MRI和MRS，針對神經系統(tǒng)疾病，關聯病人治療前后的各項醫(yī)療數據，更直觀查看到磁共振檢查相關參數等重要信息，并且直接根據專門的波譜后處理軟件的處理結果顯示波形和代謝物含量，分析與處理代謝物量化值，顯示其在VOI的含量的空間分布，輔助醫(yī)生進行診斷與研究。同時，隨著大健康和“互聯網+”概念的提出與深化以及醫(yī)療的逐步網絡化，醫(yī)療信息共享漸漸受到關注，該系統(tǒng)旨在建立神經系統(tǒng)疾病數據共享平臺，逐步與多家國內外醫(yī)療機構合作進行數據采集處理與上傳，合理匿名化病人基本信息，且逐步對各醫(yī)療研究機構開放權限，便于數據共享與學術交流，推動國內醫(yī)療診斷與研究的發(fā)展。

下一步，還將繼續(xù)該系統(tǒng)的完善。目前該系統(tǒng)采用LCModel軟件處理后的MRS結果，后續(xù)在系統(tǒng)中添加MRS量化模塊實現MRS在線量化[18-19]。添加來自不同機構的數據，整合基于SVM分類算法[20]和貝葉斯網絡算法的腦腫瘤分類與分級模塊，通過算法的自動分類提供分類結果，輔助醫(yī)生診斷。隨著系統(tǒng)的完善，該系統(tǒng)將實現病人的治療進程跟蹤、療效評估、輔助手術方案選擇等功能，對幫助臨床醫(yī)生追蹤病人病情與治療效果、選擇合適的治療方式都有重要意義。

(致謝：感謝孫曉夢和花蕊同學在數據采集與處理過程中的幫助，感謝劉任遠同學和武文博醫(yī)生在醫(yī)學診斷上的協助，感謝張月同學在文稿校對方面的幫助)

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Design of Diagnosis Support System Based on Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy

Xu Lingyi1Sun Yu1Kong Xianghui1Xiang Lei2Zhang Bing2Wan Suiren1*#

1(LabofMedicalElectronics,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)2(DepartmentofRadiology,DrumTowerHospitalAffiliatedtoNanjingUniversityMedicalSchool,Nanjing210008,China)

magnetic resonance image (MRI); magnetic resonance spectroscopy (MRS); neurological disease; support diagnosis

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 04.015

2016-01-13， 錄用日期:2016-04-07

TP311.1

D

0258-8021(2016) 04-0492-05

# 中國生物醫(yī)學工程學會高級會員(Senior member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: srwan@seu.edu.cn