趙衛(wèi)東　程茂軍

摘要：針對由于DICOM圖像的復(fù)雜性導(dǎo)致圖像目標(biāo)測量不準(zhǔn)確的問題，文章在三維圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的目標(biāo)定位和距離測量算法，設(shè)計(jì)了一種利用輪廓檢測和目標(biāo)定位的方法來分析和測量DICOM圖像。首先，通過CT設(shè)備獲取原始圖像數(shù)據(jù)，并分析原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征，使用開源圖像庫ITK解析DICOM圖像，將其讀取到系統(tǒng)軟件的內(nèi)存中，并在自主開發(fā)的軟件界面上顯示。其次，對DICOM圖像進(jìn)行輪廓檢測，確定目標(biāo)所在幀。然后，結(jié)合分水嶺算法和水平集分割算法，設(shè)計(jì)了定位模型，完成目標(biāo)的定位和測量，并輸出定位的圖像結(jié)果。最后，利用QT開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)了測量和定位算法以及相應(yīng)的軟件功能。測試結(jié)果表明：與當(dāng)前的DICOM圖像測量技術(shù)方案相比，文章所提方法具有更高的測量和定位準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：輪廓檢測，DICOM圖像，分水嶺，距離測量，ITK

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9545（2023）03-0058-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.012

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的不斷發(fā)展，DICOM圖像在醫(yī)學(xué)診斷和研究中被廣泛使用，它具有較高的分辨率和質(zhì)量，在醫(yī)學(xué)影像測量方面具有很大的潛力。在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像測量方法中，人工標(biāo)注和測量是一個極其復(fù)雜和耗時(shí)的過程，并且容易受到人為因素的影響。基于輪廓檢測和目標(biāo)定位的DICOM圖像測量方法利用了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過對圖像輪廓的檢測和目標(biāo)特征的定位，實(shí)現(xiàn)了圖像的自動測量。這種測量方法不僅可以為臨床診斷和治療提供科學(xué)依據(jù)，還可以為圖像測量領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路。

近年來，在DICOM圖像顯示與測量領(lǐng)域方面的研究，已經(jīng)取得了一些進(jìn)展和成果。比如，王陽^[1]對圖像脫敏處理，基于Python實(shí)現(xiàn)了CT圖像批處理系統(tǒng)，基于PyQt實(shí)現(xiàn)可視化界面效果，解決了一些測量問題，但是缺乏軟件工程可用性，往往不能應(yīng)用于實(shí)際工作場景中。吳志福^[2]等人，調(diào)研醫(yī)院科室工作流程后，結(jié)合醫(yī)院實(shí)際需求，采用C/S模式開發(fā)了一個數(shù)字化軟件，完成醫(yī)院影像數(shù)據(jù)的存儲、傳遞和顯示，在一般情況下測量效果較好，但是由于系統(tǒng)基于幾何測量算法，往往缺乏靈活性，且缺乏推廣性。吳鵑^[3]設(shè)計(jì)的DICOM圖像分析測量系統(tǒng)，通過對DICOM圖像進(jìn)行三維化處理，結(jié)合拉普拉斯增強(qiáng)算法與伽馬變換函數(shù)，設(shè)計(jì)定位模型，完成目標(biāo)定位與測量檢測，但是主要基于商業(yè)視覺庫實(shí)現(xiàn)，在項(xiàng)目高度定制化的情況下，往往不能達(dá)到較好的測量效果。

文章通過對圖像結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，采用軟件編碼技術(shù)提取DICOM格式的圖像信息，讓用戶有良好的圖像瀏覽體驗(yàn)，并可對DICOM圖像進(jìn)行顯示。同時(shí)，在軟件系統(tǒng)框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)了圖像測量功能，滿足了DICOM圖像測量業(yè)務(wù)需求。最后，通過對比實(shí)驗(yàn)來測試文章所提方法的有效性和優(yōu)勢。

1 DICOM圖像測量系統(tǒng)

針對CT設(shè)備采集的影像圖片，文章開發(fā)了一個DICOM圖像測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先實(shí)現(xiàn)了DICOM圖像的顯示功能，然后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了圖像幀的顯示功能。DICOM圖像測量的處理流程如圖1所示。在使用CT設(shè)備采集圖像后，首要任務(wù)是將原始數(shù)據(jù)（以.dcm為后綴的裸數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換為使用計(jì)算機(jī)可分析的圖像數(shù)據(jù)格式。該圖像測量系統(tǒng)按照功能順序分為圖像顯示、圖像處理、圖像測量和圖像數(shù)據(jù)保存。

該系統(tǒng)提供的測量服務(wù)，完全按照醫(yī)院內(nèi)部業(yè)務(wù)流程和醫(yī)生工作操作習(xí)慣，進(jìn)行全面深入的需求分析，以標(biāo)準(zhǔn)的軟件工程來開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)提供的功能有：各類圖像的導(dǎo)入顯示、圖像基本處理、圖像基本測量以及圖像目標(biāo)定位。如圖2（a）所示，為采集到原始數(shù)據(jù)，后續(xù)在本系統(tǒng)的處理基礎(chǔ)上，對其中間腹主動脈位置檢測和測量，系統(tǒng)在測量基礎(chǔ)上，提供了數(shù)據(jù)保存功能，醫(yī)生對待診斷圖像進(jìn)行診斷的同時(shí)，需要記錄病人信息，如姓名、年齡、性別等，診斷完畢，需要填寫診斷報(bào)告，保存處理后的診斷圖像，報(bào)告和圖像路徑需保存到數(shù)據(jù)庫病人所在記錄的字段中，以備下次提檔案時(shí)調(diào)出查看。如圖2（b）所示，基于MySQL實(shí)現(xiàn)對病人信息的增、刪、改、查，選中某個病人的記錄，打開病人處理后的圖像，即可打開保存好的診斷圖像予以顯示，打開診斷報(bào)告，即可打開保存好的診斷報(bào)告予以顯示。以上功能，主要基于查找數(shù)據(jù)庫中該病人所在記錄，提取“圖像路徑”“報(bào)告路徑”的字段信息，然后編程實(shí)現(xiàn)診斷圖像和診斷報(bào)告的顯示功能^[4-5]。

2 DICOM圖像的處理、標(biāo)注與測量

文章開發(fā)的測量系統(tǒng)提供了實(shí)用的圖像處理功能，在醫(yī)生查看圖像時(shí)，往往需要對圖像的某些特征進(jìn)行標(biāo)注，比如：角度測量、距離測量、面積測量、文本添加，并且將經(jīng)過標(biāo)注的圖像進(jìn)行保存，即作為診斷后（處理后）的圖像保存。該圖像文件存于本地某文件夾中，圖像保存路徑存于數(shù)據(jù)庫中該病人記錄所在的字段中。

如圖3所示為各種圖像標(biāo)注的主要原理。角度測量功能點(diǎn)測量圖像中某目標(biāo)的角度，在主界面待診斷圖像區(qū)域點(diǎn)擊3個點(diǎn)，第1、2點(diǎn)的連線與第2、3點(diǎn)的連線的夾角即為標(biāo)注的角度。距離測量功能點(diǎn)測量圖像中某目標(biāo)的距離長度，鼠標(biāo)兩次選中的點(diǎn)，前者為起點(diǎn)，后者為終點(diǎn)，所在坐標(biāo)相減，即為測量的距離，單位為像素點(diǎn)。如圖4所示，面積測量功能點(diǎn)測量圖像中某目標(biāo)的面積，鼠標(biāo)點(diǎn)擊2次，前者為所選區(qū)域左上角坐標(biāo)，后者為所選區(qū)域右下角坐標(biāo)，所圍區(qū)域的像素點(diǎn)即為測量區(qū)域的面積。

文章系統(tǒng)使用QT框架作為系統(tǒng)開發(fā)框架，使用C++語言作為編碼語言。在DICOM圖像的讀取與顯示方面，采用了DCMTK函數(shù)庫，圖像測量分析使用了ITK庫。如圖5所示，系統(tǒng)界面顯示了DICOM圖像，可以對腹主動脈進(jìn)行操作和顯示。通過與標(biāo)準(zhǔn)腹部參數(shù)進(jìn)行比較，該研究能夠快速定位問題病灶，即右上角的紅色矩形框標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)了顯示功能。

在顯示和測量功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像定位，在圖像分割的過程中，有可能會將噪聲或干擾物錯誤地識別為目標(biāo)，為了解決上述問題，該研究采用了背景標(biāo)記提取和極小值分水嶺的再分割處理方法^[6]。首先，計(jì)算二值圖像的歐式距離^[7-8]：

式（1）為二值圖像的歐式距離變換^[9-10]，生成圖像如下：

在二值圖像中，使用符號A表示白色區(qū)域，圖像G中每個坐標(biāo)上的像素值則表示到最近的非零區(qū)域的最小歐氏距離。

在對圖像G應(yīng)用分水嶺算法進(jìn)行分割后，得到了分水線，隨后，對分水線進(jìn)行形態(tài)學(xué)極小值處理：

分水嶺算法在I^ws上處理，最終得到理想分割結(jié)果：

其中，Watershed（）代表標(biāo)準(zhǔn)分水嶺運(yùn)算。

經(jīng)過分水嶺算法分割的集成，使該系統(tǒng)具有更強(qiáng)的可用性，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將進(jìn)一步驗(yàn)證定位效果。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

文章基于Intel i7處理器、8GB內(nèi)存，采用QT框架開發(fā)DICOM圖像處理測量系統(tǒng)，并針對性能進(jìn)行驗(yàn)證。文章設(shè)置了兩個對照組，分別為A和B系統(tǒng)，對應(yīng)于文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]。文章開發(fā)的系統(tǒng)界面如圖6所示，具備CT圖像采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、圖像處理、圖像測量和定位等多種功能。該系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)化的軟件開發(fā)流程，通過后臺軟件代碼處理，將復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)化為只需要通過簡單的操作系統(tǒng)界面接口即可完成的操作。盡管文中圖像測量系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程較為復(fù)雜，但其界面設(shè)計(jì)卻簡單易用。

以圖6中間視圖中顯示的圖像為CT設(shè)備采集的DICOM圖像。利用文章技術(shù)、A組與B組技術(shù)來測量圖6中的DICOM腹部圖像中的問題病灶區(qū)域，結(jié)果如圖7～圖9所示。文章采用免費(fèi)開源視覺庫ITK，深度結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程和DICOM數(shù)據(jù)格式，根據(jù)系統(tǒng)顯示的結(jié)果，可以準(zhǔn)確定位出腹部病灶區(qū)域^[11]，如圖7所示，以紅色矩形框準(zhǔn)確定位腹主動脈位置。A組技術(shù)對圖像脫敏處理，基于Python實(shí)現(xiàn)CT圖像批處理系統(tǒng)，基于PyQt實(shí)現(xiàn)可視化界面效果，解決了一些測量問題，但是缺乏軟件工程可用性，往往不能應(yīng)用于實(shí)際使用場景中，如圖8所示，定位測量未成功。B組技術(shù)，采用C/S模式開發(fā)了一個數(shù)字化軟件，完成醫(yī)院影像數(shù)據(jù)存儲、處理測量，在一般情況下測量效果較好，但是系統(tǒng)基于幾何測量算法，往往缺乏靈活性，且缺乏推廣性，如圖9所示，定位效果不突出，在不準(zhǔn)確的定位基礎(chǔ)上，測量結(jié)果當(dāng)然不正確。

4結(jié)語

為了提高CT設(shè)備采集的DICOM圖像測量的準(zhǔn)確性，以提供智能輔助診斷和檢測所需的基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)，文章設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種基于輪廓檢測和目標(biāo)定位的DICOM圖像測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將QT編程、DCMTK三維化顯示數(shù)據(jù)、DICOM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析和ITK圖像目標(biāo)定位等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，成功構(gòu)建了一個DICOM圖像顯示和測量系統(tǒng)。經(jīng)過詳細(xì)對比和驗(yàn)證，結(jié)果顯示，文章所開發(fā)的DICOM圖像測量系統(tǒng)在圖像測量方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的效果，顯著提高了DICOM圖像測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

文章將進(jìn)一步開展DICOM圖像智能輔助診斷研究工作，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)模型，對CT圖像的各類特征進(jìn)行分析，對腹部疾病的種類和病情嚴(yán)重程度進(jìn)行初步評估，為醫(yī)生對患者疾病的診斷提供輔助手段和幫助，提高腹部疾病診斷的準(zhǔn)確性和效率。通過此舉，使醫(yī)生將寶貴的時(shí)間和精力更多地專注于解決疑難雜癥的診斷，從而推動醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。

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DICOM Image Measurement System Based on

Contour Detection and Target Location

ZHAO Weidong¹，CHENG Maojun²

（1.Information Engineering College，chuzhou polytechnic；2.Department of Radiology，

The First Peoples Hospital of Chuzhou，Chuzhou， Anhui 239000，China）

ABSTRACT In response to the issue of inaccurate measurement of image targets due to the complexity of DICOM images， this paper had developed corresponding algorithms for target localization and distance measurement based on three-dimensional image data. This had led to the design of a method that utilizes contour detection and target localization to analyze and measure DICOM images.Firstly， the raw image data was obtained through a CT device， and the structural features of the raw data are analyzed. The open-source image library ITK was used to parse DICOM images， reading them into the memory of the system software and displaying them on a self-developed software interface.Next， contour detection was performed on the DICOM images to identify the frames containing the targets. Subsequently， a localization model was designed by combining the watershed algorithm and the level set segmentation algorithm to achieve target localization and measurement， with the output of localized image results.Finally， the measurement and localization algorithms， along with the corresponding software functionality，were implemented using the QT development platform. Test results demonstrated that the method proposed in this paper exhibited higher measurement and localization accuracy compared to current DICOM image measurement techniques.

KEY WORDS contour detection； DICOM image； watershed； distance measurement； ITK

（責(zé)任編輯 寧梵西）