基于Matlab GUI的腦膠質(zhì)瘤三維顯示輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計*

王錦程，郁蕓，2△，胡新華，楊坤

（1.南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，南京211166；2.南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京210000；3.南京醫(yī)科大學(xué)腦科醫(yī)院，南京210029）

1 引 言

腦腫瘤發(fā)病率較高，約占全身腫瘤的1.4%，且死亡比例超過2.6%［1］，是嚴重威脅人類健康的疾病。其中，腦膠質(zhì)瘤是因為大腦和脊髓膠質(zhì)細胞癌變所產(chǎn)生的最常見的顱腦腫瘤。腦膠質(zhì)瘤患者有臨床癥狀表現(xiàn)后，最常做的檢查是頭顱磁共振（MRI）［2］。通常，臨床醫(yī)生需要對二維腦部MRI圖像通過自己的想象建立起三維腦部立體結(jié)構(gòu)來判斷腦膠質(zhì)瘤的位置、形狀和大小。這種方法容易造成病變區(qū)域定位的失真與畸變，缺乏直觀性與準確性［3-5］。

為了彌補醫(yī)生主觀判斷腦MRI圖像造成的上述缺陷，本系統(tǒng)將基于在數(shù)值分析、矩陣運算和圖像處理等方面具有明顯優(yōu)勢的Matlab語言［6］，將腦部二維序列MRI圖像進行三維顯示，使得結(jié)果更加直觀與便捷，以輔助臨床醫(yī)生進行診斷與治療。同時，采用Matlab自帶的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）來開發(fā)可視化界面，通過該界面可以方便的進行一些特定控制的操作［7］。使用者無需知道代碼的具體內(nèi)容，只要了解具體的操作步驟，就能方便地操作界面［8］。

2 腦部MRI三維顯示方法

腦部MRI圖像的三維顯示就是指利用一系列的二維腦部MRI圖像重建三維圖像模型并進行定性定量分析的技術(shù)。通過三維重建可以科學(xué)、準確地重建出被檢物體，避免了傳統(tǒng)方法中的不確定因素［9］。腦部MRI的三維顯示包括對圖像的預(yù)處理、腦部腫瘤組織的提取與分割、模型構(gòu)建等主要步驟［10］。

2.1 圖像的預(yù)處理

腦MRI數(shù)據(jù)在獲取、傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中，圖像質(zhì)量會不可避免的下降，例如噪聲污染、頭部位置變動、細節(jié)缺失等。針對這些問題，主要采用這4種預(yù)處理技術(shù)改善圖像質(zhì)量：層間時間校正、頭動校正配準、圖像標準化和空間平滑。

2.2 圖像分割

圖像分割是三維顯示技術(shù)中關(guān)鍵的一步，目的就是將腦MRI圖像中感興趣的區(qū)域提取出來［11］。腦部MRI圖像具有模糊性和不均勻性特點，所以對其分割的數(shù)據(jù)量大，分割要求較高。當前比較通用的方法是閾值分割法，可以對不同成像機理的醫(yī)學(xué)圖像進行分割［12］。

2.3 基于體重建的三維顯示

傳統(tǒng)三維重建技術(shù)分為表面重建與體重建。表面重建是通過幾何單元拼接擬合物體表面來描述物體的三維結(jié)構(gòu)。體重建是將體像素以一定顏色和透明度投影到顯示平面的方法。基于體重建的三維顯示計算量不依賴于物體形狀的復(fù)雜程度，且不需要對斷層圖像進行輪廓提取與擬合，因此確保了重建物體的高保真性，便于顯示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［13］。

在所有的體重建算法中，光線投影法能較好地反映物質(zhì)邊界變化，較好地表示一些組織器官的性質(zhì)、形狀以及相互間的層次關(guān)系，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像三維重建中。此算法的基本思想是先對三維數(shù)據(jù)場中體數(shù)據(jù)進行分類，對每類數(shù)據(jù)給予不同的顏色和阻光度，接著從屏幕的像素點出發(fā)，根據(jù)設(shè)定的觀察方向射出一條光線，該光線穿過三維數(shù)據(jù)場，沿這條射線選擇等間距的采樣點，通過對采樣點的8個領(lǐng)域體素用三次線性插值的方法得到每個采樣點的顏色和阻光度并進行累積和合成，最后在像平面形成半透明的三維效果圖像［14］。

3 基于Matlab GUI的三維顯示軟件開發(fā)

本研究所介紹的腦膠質(zhì)瘤三維顯示輔助診斷系統(tǒng)軟件，采用Matlab進行編寫，實現(xiàn)了圖像預(yù)處理的四個算法、傳統(tǒng)的圖像插值算法、全局與局部閾值分割算法和體繪制三維重建算法。

利用預(yù)處理算法將腦部MRI圖像原始數(shù)據(jù)進行去噪、配準等處理。利用閾值分割算法將腦部輪廓區(qū)域與腫瘤區(qū)域進行提取。利用體重建算法將分割后的結(jié)果進行三維顯像，顯像結(jié)果可以在界面中進行旋轉(zhuǎn)和放大。圖1給出了腦膠質(zhì)瘤三維顯示輔助診斷系統(tǒng)軟件的流程。

圖1 軟件流程Fig 1 Work process of the software

3.1 軟件的界面

使用Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（matlab graphical user interface development environment，GUIDE）創(chuàng)建GUI圖形界面是常用的創(chuàng)建Matlab GUI的方法，該方法簡單易學(xué)，能方便實現(xiàn)圖形控件的各種功能。在創(chuàng)建GUI時，主要用到了uicontrol對象當中的 Push Button，Static Text，Edit Text，Axes等控件；uimenu對象中的label控件；預(yù)定義對話框中的uigetfile，uiputfile，uigetdir，inputdlg，questdlg等對話框。

3.1.1 軟件的主界面 運行軟件后，首先會出現(xiàn)啟動畫面；片刻后，就會出現(xiàn)軟件的主界面。點擊菜單欄中的“file”按鈕，會彈出四個菜單項：“Open”，“Save”，“Clear all”和“Exit”。點擊“Open”按鈕，會彈出文件選擇框，選取一個腦部MRI原始數(shù)據(jù)，便可將其讀入。一個腦部MRI原始數(shù)據(jù)包含30幅二維腦部斷層圖像。此時，主界面上會顯示30幅原始腦MRI圖像，見圖2。

點擊菜單欄中的“Pre-processing”按鈕，會彈出四個菜單項：“Slice timing”，“Registration”，“Normalize”和“Smooth”。分別點擊這4個按鈕，對這30幅圖像進行層間時間校正，頭動校正，標準化，平滑等操作。見圖3，預(yù)處理后的結(jié)果直接顯示在此界面上。

圖2 讀取腦MRI原始數(shù)據(jù)界面Fig 2 Interface of reading the brain MRI original data

圖3 腦MRI預(yù)處理界面Fig 3 Interface of preprocessing the brain MRI

點擊“Image zooming”按鈕，選擇已通過保存功能放入了30幅腦MRI圖像的文件夾，選好后會彈出設(shè)置放大倍數(shù)的對話框，見圖4。根據(jù)需要設(shè)置好放大倍數(shù)，但不宜放大太多，避免造成后期計算量過大產(chǎn)生的內(nèi)存不足現(xiàn)象。圖像放大采用具有高保真性的雙三次插值算法。放大后的圖像文件會存入指定的文件夾中。

3.1.2 軟件的圖像分割界面 點擊“Image segmentation”按鈕，會彈出圖像分割界面。在該界面中點擊“Open”按鈕，選擇已保存好待分割圖片的文件夾，30幅待分割圖片會全部顯示在界面上。點擊“Global threshholding”按鈕，將這30幅圖片進行全局閾值分割，提取出腦輪廓，分割結(jié)果將替換原有的待分割圖片，為后續(xù)的腦腫瘤三維顯示奠定基礎(chǔ)。見圖5，可以通過點擊“Save”按鈕保存至指定的文件夾。

3.1.3 軟件的三維重建結(jié)果界面 點擊主界面菜單欄中的“3D-reconstruction”按鈕，選取保存了已分割圖片的文件夾，可彈出三維重建結(jié)果，見圖6。在重建結(jié)果界面中，菜單欄存在相應(yīng)工具用來進行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，便于用戶觀察分析腦部腫瘤狀況。

圖4 設(shè)置放大倍數(shù)對話框Fig 4 Dialog box of setting up magnification times

4 軟件的使用與評價

腦膠質(zhì)瘤三維顯示輔助診斷系統(tǒng)軟件的Matlab文件編譯完畢后，生成的可執(zhí)行文件需要Matlab運行環(huán)境的支持，如果要將此軟件發(fā)布到其他沒有Matlab運行環(huán)境的機器，還需要安裝Matlab組件運行環(huán)境［15］（matlab component runtime，MCR）。

圖5 腦MRI全局閾值分割后的界面Fig 5 Interface after brain MRI global threshold segmentation

圖6 腦部三維重建結(jié)果界面Fig 6 Interface of brain 3D reconstruction results

MCR環(huán)境安裝完成后，點擊編譯的Matlab可執(zhí)行程序，即可運行腦膠質(zhì)瘤三維顯示輔助診斷系統(tǒng)軟件。經(jīng)部分臨床醫(yī)生使用證明，該軟件的預(yù)處理、分割與三維重建算法理論可靠，可以應(yīng)用于腦部MRI的圖像處理、信息提取和三維顯像，對于提高腦膠質(zhì)瘤診斷水平具有重要的應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

本研究采用Matlab GUI開發(fā)的腦膠質(zhì)瘤三維顯示輔助診斷系統(tǒng)軟件，能實現(xiàn)腦MRI圖像的預(yù)處理、分割、插值放大與三維重建等功能。該軟件界面簡潔，使用方便，應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤的三維顯示中，提供了腦膠質(zhì)瘤的位置、形狀和大小等參考信息，節(jié)省了臨床醫(yī)生的思考時間，具有一定的實用性。在后續(xù)的工作中，還將進一步改進分割算法［16-17］，從而更加高效、準確地提取腦膠質(zhì)瘤區(qū)域，提高腦腫瘤區(qū)域三維顯示的準確性。