【转】医学影像处理相关知识整理（一）

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Segmentation to RT structure

近日做医疗影像处理相关的内容，感慨于这方面资料不全、散碎，遂记录自己获得的一些资料以供日后查阅。

DICOM

DICOM 是医学图像和相关信息的国际标准，它定义了满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式，被广泛用于放射、成像的诊疗诊断设备。也就是说，在医院放射科使用的设备上读取的影像基本都是DICOM格式，包括CT、MRI、超声等。

DICOM格式的图像，每一张都带有除像素（体素）信息之外的大量信息。其信息组成主要有以下几部分：

Patient：病人信息
Study：诊疗信息，如检查时间、检查部位、ID等
Series：序列号、图像坐标信息等。图像坐标信息主要关注：
- SliceThickness：层厚，即每张切片之间的间距
- ImagePositionPatient：该张切片坐标原点（图像左上角，二维图中向下为y轴，向右为x轴）在空间中的坐标（x，y，z）
- ImageOritentationPatient：六元组，当前切片的x、y轴与解剖学坐标系间的关系。

此处涉及矢状面、冠状面、横断面
简单的记忆方式是：矢状面即一支箭射中人所形成的面，正中二分人体。
冠状面可想象古代官帽，从头顶向地面的切面。
横断面即腰斩平面。
在下图中，红色切面为矢状面，紫色切面为冠状面，绿色切面为横断面。

六元组所表示的，即是与这三个面的夹角关系，以余弦值呈现。
影像上，正方向为L、S、P。
用（x1，x2，x3，y1，y2，y3）来表示的话，x1、x2、x3分别表示x轴与L、P、S间的夹角余弦值，y1、y2、y3则表示y轴与L、P、S间的夹角余弦值。
使用这个六元组可以判断图像区域是否为矩形（两向量点乘为0），以及与解剖学坐标的关系。当这个六元组只含有0、1、-1时，代表切片一定与某解剖学平面平行。
更多内容可以参见此博客，讲解得很详细。
https://blog.csdn.net/zssureqh/article/details/61636150

Image：图像信息。主要关注：
- PixelSpacing：二元组。用来表示当前二维图像坐标上，xy轴的单位长度，在实际坐标系中所占据的长度。
- Rows、Columns：行列信息。
- Bits Allocated、Bits Stored：每个像素分配的位数、存储位数
- Window Center、Window Width：窗位、窗宽
- Rescale Slope、Rescale Intercept ：斜率、截距。主要用在图像可视化中。

除了上述四个部分 tag 信息外，就是 PixelData 信息。此处存储的既是该张切片的像素信息。

DICOM 文件可以使用 pydicom 库来进行读写，该库提供了非常全面的操作。

在 vscode 中搜索 dicom 有一个插件可以用来看 dicom 文件信息。

segmentation

segmentatiom 是对 DICOM 序列文件进行器官分割、靶区勾画后的结果，以 nifti 格式给出（也可以为其他格式，但存储形式基本都是裸数据，直接给出分割结果的数组）。其中的信息为三维数组形式，每个体素点存储该点对应图像的分割结果：

0：代表此点为background，或此次标注中不关注的区域
1~n：代表此点为对应的区域。
其中 1~n 所代表的器官、区域由分割程序定义

RT structure

RT structure 文件是导入到放疗系统中所需的 DICOM 文件，其中存储了每个结构区域的组成，以及相对应的原始 DICOM 序列标识和部分病人信息。其主要结构分为三个部分：

首先为头部信息，其中存储了诸如 patientname、patientid 一类的病人信息，以及 DICOM 信息。

第二部分为 reference 信息，即该 RT structure 文件参考的 dicom 序列文件。

第三部分即是结构信息，存储各个区域的构成点、参考dicom文件等。

若要解析 RT structure 文件可以从以上三部分入手

segmentation to RT structure

近期所做的工作主要是将已经生成的分割、勾画信息结合原始的 DICOM 序列文件，生成 RT structure 文件（后简称 RTs ），以供医生后续使用。

主要思路为：nifti->mha->RTs

nifti->mha

mha 是一种 metadata 格式，其中存储了头部信息和像素信息。与 mha 格式类似的是 mhd 格式，区别在于 mhd 将头部信息存储于一个单独的 .raw 文件中，本身只存储数据信息。

上图即为一个 mha 文件所存储的头部信息，可以看到，它存储了维度、原点、方向、像素间距等信息，这部分信息在后续构建 RTs 时是非常重要的。

那么，在初步了解 mha 文件的构成后，要将 nii 文件转换为 mha 文件就比较简单了。

思路为：

使用 SimpleITK 库读取 nii 文件中储存的体素信息。
使用 pydicom 库读取参考的 DICOM 序列文件信息。然后使用这里得到的信息用于构建 mha 头部信息。
最后再使用 SimpleITK 库写 mha 文件

一个简单的可执行示例代码如下：

import SimpleITK as sitk
import pydicom
reader=sitk.ReadImage("labels.nii")
referencect=pydicom.read_file("file_path.dcm")##输入参考的 dicom 文件，一个即可

ConstPixelSpacing =(float(referencect.PixelSpacing[0]), float(referencect.PixelSpacing[1]), float(referencect.SliceThickness))

Origin = referencect.ImagePositionPatient

img=sitk.GetArrayFromImage(reader) #z y x
img2=sitk.GetImageFromArray(img) #z y x
img2.SetSpacing(ConstPixelSpacing)
img2.SetOrigin(Origin)
sitk.WriteImage(img2,"testmha.mha")

上例代码仅显示如何构建一个 mha 文件，在 nii 转化 mha 中还有很多细节需要主要：

在一个 DICOM 序列中，你最终参考的 DICOM 文件将决定你构建的 mha 文件头部信息中 offset 项，该项将影响到构建 RTs 时切片的走向。例如若你选择的 DICOM 文件为切片中最顶部的一张，则你的整个结构由于层厚大于0，将向上生长，与真实结构相反。因此选择哪张切片作为参考，要结合层厚来确定。通常层厚大于0，因此选择最底部的切片作为参考。
SimpleITK 库在读入 nii 文件生成数组时，将以 (z,y,x) 形式生成数组，如果同样以 SimpleITK 库写文件，可以不用注意，但若还有其他诸如可视化等需求，应注意坐标对应。
写 mha 文件时，可能出现 PixelSpacing、Origin 由于浮点数精度而不完全等于元数据的问题。如下图所示，此问题我暂未想到解决方案，但由于在后续生成 RTs 并无影响，因此暂时忽略此问题。

mha->RTs

将 mha 转换为 RTs 文件是一个比较棘手的问题，一开始我预备在了解 RTs 文件的结构后，手动构造 RTs 文件，但考虑到可靠性（有可能信息转换不完全或兼容性不够好，毕竟医学的东西谨慎一点更好），最终没有采用手动构造的方法，而是使用了 plastimatch 这个比较成熟的软件来进行。但不排除后续使用自己写的代码来完成这个步骤的可能性。

plastimatch 提供了 DICOM RT 导出功能，支持从 mha 文件导出 RTs，同时也支持 nii 导出 RTs。

在我成功从 mha 导出 RTs 后，试图简化步骤直接从 nii 到 RTs，但经过尝试后发现 nii 到 RTs 的结果与 mha 到 RTs 并不相同（很奇怪），且并不正确，同时，从 nii 到 RTs 所需的时间非常久，在五分钟以上，而使用 nii->mha->RTs 耗时不到 30s
这个结果令人费解，mha 文件的信息都是从 nii 中解析得到，导出 RTs 所使用的参考 dicom 序列也都相同，却导向了不同的结果。我最初猜测是由于 nii 中数组方向可能有问题，但在我修改方向重写 nii 后结果依然不对。

那么在安装 plastimatch 后，使用如下三条指令即可使用 mha 生成 RTs：

plastimatch adjust --input testmha.mha --pw-linear "0,0,1,1,2,2,3,4,4,8,5,16" --output TEMP-1.mha
plastimatch convert --input TEMP-1.mha --output-img TEMP-2.mha --output-type uint32
plastimatch convert --input-ss-img TEMP-2.mha input-ss-list structure_ref.txt --referenced-ct renference_files/ --output-dicom DICOM-OUT

接下来解释一下上述三条指令：

第一条指令的目的是将 mha 文件存储的体素的信息做一个变换，遵循 0->0，1->1，2->2，3->4，4->8，依次类推。如果你的勾画结果并非是以位图方式存储（即第 0bit 为 1 表示该点为第 0 种结构，第 1bit 为 1 表示该点为第 1 种结构），那么你就需要这个操作将其转换为该格式，以方便后续处理。
第二条指令的目的是转换 mha 文件中的信息为 uint32 存储。
第三条指令生成 RTs 文件，其中input-ss-list structure_ref.txt 后续阐述。referenced-ct renference_files/ 指定要参考的 DICOM 序列所在的文件夹，最终将在 DICOM-OUT 目录下生成 RTs 文件。

structure_ref.txt

该文件遵循下述格式：

0|0 255 0|Bladder
1|0 0 255|Femoral_Head-L
2|255 0 255|Femoral_Head-R
3|0 255 255|Femur-L
4|255 255 0|Femur-R
5|122 122 122|Rectum

在未指定该文件时，生成的 RTs 文件中结构名是没有指定的，将以 unknown structure 的名字呈现，这对后续医生的操作是不利的，因此需要指定上述文件，以形成 value-color-structure_name 的对应关系。此处的 value，即 0、1、2...等值，是指对应 bit 位为 1。因此前述第一条指令的转换操作就是不可缺少的，将普通的值转换为对应的 bit 位为 1 的值，才能正确标识结构名字。