基本信息
- 项目名称：
- 困难肺结节容积定量分析系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 困难肺结节容积定量分析系统，是一种根据SPN （孤立肺结节）影像特征，实现对胸膜相连的SPN、与血管相连的SPN 和磨玻璃SPN 共三种类型SPN 的数据分割的医用软件，获取更为准确的肺结节定位与相关容积信息，为临床医生的诊断及确诊提供可靠的依据。
- 详细介绍：
- 困难肺结节分析系统简介 本系统是面向临床研究与诊断的，主要处理对象为肺部CT图像。旨在为医生提供一个肺结节辅助诊断平台，对于困难肺结节进行定量进而进行定性的分析。本系统实现了对肺部CT图像中，困难孤立性肺结节，如与血管粘连的肺结节、与胸膜粘连的肺结节、磨玻璃状的肺结节的分割，在此基础上计算出肺结节在不同层面的面积、其真实的体积以及肺结节的具体位置等，帮助临床医生根据对肺结节定量的分析，进而进行定性分析，判断肺结节的良恶性，同时，也为医学专家的研究和教学提供丰富的图文资料。另外本系统具有良好的平台无关性和可扩展性，可运行于各种操作系统，友好的人机交互方式分割方式让使用者无需教程便可掌握操作方法。 （一）系统开发条件 1.开发系统需要的硬件: (1)处理器：Intel （R） Core(TM)2 Duo CPU T7700 @ 2.40GHz (2)内存2GB (3)硬盘300GB (4)显卡：ATI mobility Radeon HD 2600 XT 2.开发系统需要的软件条件: (1)操作系统Windows XP /7 (2)Microsoft Visual Basic 6.0 中文版 （二）系统的组成基本组成模块及其功能介绍 1.系统的模块组成： 2.各模块功能介绍 模块一：登录界面，输入相应的用户名和密码，进入困难肺结节分析系统； 模块二：打开格式为DICOM的CT图像，进行图像预处理，确定肺结节类型；其中，图像预处理可以调用模块九，对图像进行放大、移动、运算、选择显示指定的图像帧数、多幅图的图像显示以及图像伪彩色显示等 模块三：将图像转换为BMP格式，利用肺结节分析工具，提取感兴趣区域，进行感兴趣区域的图像分割； 模块四：在感兴趣区域内标记出目标点和背景点，对肺结节进行分割； 首先，用户交互的输入种子点来获取目标和背景的空间位置信息。将输入的种子点作为结节中心点，计算所有像素点到各个种子点的关系，根据距离和灰度信息函数值的大小将图像中像素点进行分类，实现图像初始分割；为了保证结节区域的连续性，采用区域增长法，从目标种子点出发搜索相邻且具有目标标记的像素点，获得最终的图像分割结果。 模块五：显示版本信息； 模块六：显示肺结节的数据分析； 通过交互式分割算法提取的边缘及其像素个数，获得各个断层图像的边缘，得到各个断层图像的面积，利用一下体积计算公式得到肺结节体积： 结节体积=∑每个断层面积ⅹ层厚 =像素数ⅹ体素体积 模块七：显示病人的基本信息； 模块八：显示软件帮助信息； 模块九：高级工具箱，协助图像进行预处理，可以进行放大、移动、运算、选择显示指定的图像帧数、多幅图的图像显示以及图像伪彩色显示等 （三）模块界面介绍 模块一——登陆界面（如图1） 图1 登陆界面 模块二——图像预处理（如图2、图3） 图2 图像预处理界面 文件：用于浏览要打开文件所在的目录 病人信息显示：用于调用模块七，显示病人的详细信息 工具栏：用于对DICOM图像进行预处理，有移动、放大、放大镜等基本功能；高级处理工具为调用模块九，进行图像的放大、移动、运算、选择多幅图的图像显示以及图像伪彩色显示等高级的处理； 图3 图像预处理界面 帮助：用于调用模块八，对操作过程中的遇到的问题进行说明； 版本信息：显示本系统开发者的基本信息； 肺结节处理：用于选择对应的肺结节类型，将DICOM图像转换为BMP格式图像在模块六显示， 图像帧数：显示当前打开图像的总帧数和当前帧，且可以选择相应帧数 的图像显示出来； 模块三——感兴趣区域提取（如图4） 图4 感兴趣区域提取界面 帮助：调用模块八，对操作过程中遇到的问题进行说明； 缩略定位图：显示所截取的感兴趣区域位于原图中的具体位置；在对应的右边的图中通过拉伸滚动条进行图像移动 确认提取：当在右侧画出感兴趣区域后，截取感兴趣区域； 返回上一层：返回到模块二界面； 模块四——肺结节分割（如图5） 图5 肺结节分割界面 保存：用于保存感兴趣区域的图像； 帮助：用于调用模块八，提示操作者进行交互式操作； 回上一层：用于返回到模块三，重新进行感兴趣区域的截取等 略定位图：显示所截取的感兴趣区域位于原图中的具体位置； 放大：对截取后的感兴趣区域进行放大； 标记点点击提示：用于调用模块八，帮助操作者画出标记点； 图像分割：用于进行肺结节分割的处理； 模块五——版本信息显示（如图6）： 显示出本软件开发小组的人员成员、分工内容以及本小组的声明内容 图6 版本信息显示 模块六——肺结节分割结果和分析信息显示界面（如图7） 图7肺结节分割结果和分析信息显示界面 显示出肺结节发分割结果以及面积、体积以及结节所跨越的帧数 模块七——病人信息显示（如图8） 图8 病人信息显示 显示出病人的就诊ID号、病人姓名、性别、出生日期以及检查日期； 模块八——软件帮助信息（如图9） 与血管粘连的肺结节图例：用于提示肺结节的类型 与胸膜粘连的肺结节图例：用于提示肺结节的类型 磨玻璃状肺结节图例：用于提示肺结节的类型 标记点点击图例：用于提示操作者进场标记点的操作 返回：用于返回到本层操作界面 模块九——高级工具箱（如图10） 图9 软件帮助信息 图10高级工具箱 图像工具：用于对图像进行点的标记、文字标注、长度测量、面积测量等； 图像缩放：用于对图像进行放大、缩小（如图11）； 图11 高级工具箱之图像缩放 图12 高级工具箱之图像运算与变换 图像运算与变换：用于对图像进行旋转、平滑、降噪、线性过滤等操作（如图12）； 多幅图像分布：用于同时显示多幅相邻的图像（如图13）； 图像动态播放：用于以一定速度连续播放多帧的图像（如图14）； 图13 高级工具箱之多幅图像分布 图14 高级工具箱之图像动态播放 图像伪彩色：用于显示不同色调的图像效果（图15）； 图像信息图层：显示DICOM图像的图层信息（图16）； 图15 高级工具箱之图像伪彩色 图16 高级工具箱之图像信息图层 隐藏高级工具栏：将高级工具栏全部隐藏。 系统操作流程 图17系统操作流程图 首先，打开困难肺结节分析系统软件后，进入登陆界面；输入用户名和密码后便可正式进入本系统；通过菜单栏中的文件按钮，打开目录中的格式为DICOM的CT图像，其中登陆界面中的其他按钮在未打开任何图像之前为不可操作的状态；打开图像后，可以通过菜单栏内病人信息显示按钮察看病人的相关信息；可通过菜单栏中版本按钮查看本软件开发团队的相关信息；通过菜单栏的工具栏，可以对图像进行窗宽、窗位、放大、缩小、移动等处理；可以通过查看帧数知道当前图像的帧数，而且可以直接输入相应帧数，选择需要打开的图像；医生通过先验判断打开的图像为哪个类型，或者可以通过菜单栏上帮助文件，里面有各类结节的示例图，帮助医生进行判断；当选择其中的一种肺结节类型后，界面将跳转到感兴趣区域提取界面：医生通过拉动滚动条来移动图像，在感兴趣区域，通过鼠标的拉动，可选取感兴趣区域，在未画出感兴趣区域之前，确认按钮为不可操作状态；当点击了确认提取后，将跳转到肺结节的分割界面；在肺结节分割界面中，可放大感兴趣区域，通过菜单栏内的保存按钮可以将感兴趣区域保存；在提示框的指示下画出背景点和目标点，或者可以通过帮助文件的提示画出；通过点击图像分割按钮，可以将肺结节从感兴趣区域中提取出来。系统的流程图（如图17） 结果展示（如图18-21） 图18 与血管粘连的肺结节分割前的原图 图19 分割效果图 图18 与胸膜壁粘连的肺结节分割前的原图 图20 分割效果图 （图片请见论文）
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本软件设计发明的目的是：根据SPN 影像特征，建立交互式肺结节分割方法，实现对胸膜相连的SPN、与血管相连的SPN 和磨玻璃SPN 共三种类型SPN 的数据分割，获取更为准确的肺结节定位与相关容积信息，为临床医生的诊断及确诊提供可靠的依据。 基本思路：利用交互式分割算法对肺结节图像进行分割和容积测量，使用Visual Basic 语言实现程序设计实现。 创新点：首次利用Visual Basic 语言开发困难肺结节图像分割及体积测量。 技术关键：肺结节的密度值相对肺实质较高，但其边缘往往较为模糊，如同磨玻璃状，并且经常与血管、胸壁相连，而结节通常与血管、胸壁的CT密度值相近，仅考虑密度信息将无法准确分割。因此，精确地分割肺结节具有非常关键的重要意义，但又具有很大的难度。
科学性、先进性
- 交互式方法主要是通过用户简单的操作来帮助算法实现图像分割的作用，是图像处理技术中的一项关键技术，自20世纪70年代起一直受到人们的高度重视[11,12]，并应用于医学图像分割研究上[13-15]。交互式分割算法是从复杂背景中提取感兴趣目标的交互式图像分割算法，其分割准确度与算法执行效率较高，且交互操作量极少[16]。由于医生在观察SPN图像时使用了大量的先验医学知识，所以人机交互的分割方法可以实现更好的SPN分割效果。项目成员对交互式分割算法有比较详尽的研究，并有效的将交互式分割算法应用在医学，足迹检验等相关医学图像分析应用中[17-19]。结合诊断临床医生的经验知识以及交互式算法研究的前期工作对SPN进行分割研究，已取得了阶段性的进展。本项目将交互式分割算法作为SPN分割主要技术路线；对SPN进行分割、检测、容积测量等一系列图像处理、分析研究及其应用。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本软件的设计，目的是克服与血管、胸壁相连的SPN 和磨玻璃密度SPN 的数据分割的难点，分割出更加精确的肺结节边界，获取更为准确的肺结节定位与相关容积信息，为临床医生的诊断及确诊提供可靠的依据。这就体现出本软件的市场需求。我们的设计理念定位于肺结节与周围组织粘连分割不精确的热点问题，瞄准国际交互式分割算法研究的前沿，期望促进肺结节分割算法的基础研究，在应用上可以为肺部早期诊断提供有效的分析数据，该数据同样可以为肺癌发展研究提供科学依据。 本软件设计的亮点在于使用Visual Basic这种简单的程序语言来实现医学图像处理功能，打破了软件界不屑VB的气氛。VB易掌握，使用方便，尤其是其可视化的功能，使编程人员的想法能与软件功能实现很好的连接与实现。 我们立足于促进肺结节分割算法的基础研究，可以为肺部早期诊断提供有效的数据，该数据同样可以为肺癌发展研究提供科学依据。其次友好的界面设计能使操作的医生快速掌握使用技巧，发挥其强大的辅助功能，成为医生的好帮手。
同类课题研究水平概述
- 现有的医用计算机辅助诊断（Computer-Aided Diagnosis, CAD）软件已能对肺结节的分割和三维重建。在此基础上研发的结节容积定量和倍增时间预测技术，甚至对较小的SPN的诊断与鉴别诊断都显示出临床应用前景。这些进展表明，先进的MSCT具有对SPN进行自动识别、分析并鉴别其良、恶性的潜力。但现有技术仍存在着明显的不足：首先软件分割结节是全自动的，扫描参数一致，分割阈值固定，但肺结节的容积测量还会受结节大小、呼吸及心动周期所致的运动伪影、结节类型等因素的影响，使计算机辅助诊断软件不能准确得到肺结节的实际容积。肺结节的密度值相对肺实质较高，但其边缘往往较为模糊，如同磨玻璃状，并且经常与血管、胸壁相连，而结节通常与血管、胸壁的CT密度值相近，仅考虑密度信息将无法准确分割。因此，精确地分割肺结节 具有非常关键的重要意义，但又具有很大的难度。 目前医生对候选结节进行分析研究时，往往存在的以下问题：①与胸壁相连的结节。这种结节往往和胸壁连接紧密，当前医生工作站中的图像分析软件无法对其进行边缘检测和三维重建，工作站分割的边缘将胸壁也归在结节的轮廓中，得不到准确的结节容体测量数据。②与血管、支气管相连的结节。这种结节在临床应用中常见，由于血管、支气管与结节相连部分影像的特征与结节相似，在工作站中对其进行分割和三维重建时将血管、支气管的体积也算在结节容积中，增加了肺结节的容量，混淆肺结节检测。③磨玻璃状（Ground-Glass Opacity，GGO）结节或不规则的结节。该类结节的影像特征不明显，在工作站进行分割时结节内部被分割开，无法获得结节的正确容积测量数据。上述三种类型结节的分割成为目前国内外学者研究的热点。 本软件利用交互式分割方法对肺结节进行分割，利用分割的数据进行体积测量，该研究定位于肺结节与周围组织相连分割不精确的热点问题，瞄准国际交互式分割算法研究的前沿，期望促进肺结节分割算法的基础研究，在应用上可以为肺部早期诊断提供有效的分析数据，该数据同样可以为肺癌发展研究提供科学依据。
