基于醫(yī)學影像處理平臺的虛擬膀胱鏡系統(tǒng)開發(fā)*

石宇強　劉 巖△　徐 桓　張 曦　杜 鵬　盧虹冰　劉 洋　徐肖攀*

膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見且致死率最高的惡性腫瘤，美國癌癥協(xié)會最新發(fā)布的“癌癥統(tǒng)計，2018”[1]中，膀胱癌位居男性惡性腫瘤發(fā)病率第4位，病死率第8位，且隨著年齡增長，以及生活方式和環(huán)境條件的改變，罹患膀胱癌的風險明顯增高[2]。因此，膀胱癌早期診斷，對疾病的有效治療具有十分重要的意義。

光學膀胱鏡(optical cystoscopy，OCy)與經(jīng)尿道膀胱腫瘤切除術(shù)(transurethral resection，TUR)相結(jié)合是膀胱癌檢測和診斷的常規(guī)方式[1-2]。然而，OCy檢查存在視覺盲區(qū)，致使無法直接獲得腫瘤的浸潤深度(腫瘤分期)，且該檢查為有創(chuàng)檢查，會引起患者不適，并伴有醫(yī)源性損傷的風險[3]。隨著醫(yī)學影像設(shè)備及圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，虛擬膀胱鏡作為一種無創(chuàng)的管腔內(nèi)部腫瘤檢查方法得到了人們的廣泛關(guān)注，其主要利用先進的圖像處理及可視化技術(shù)從這些圖像中直接生成管腔內(nèi)部的立體影像，以供醫(yī)師對腔內(nèi)病變進行漫游觀測[4-5]。由于該方法具有無創(chuàng)、高效等特點，更適用于膀胱癌患者早期篩查與術(shù)后定期復查，有望作為光學內(nèi)窺鏡的補充，成為臨床上的有效普查手段。

目前，大部分虛擬膀胱鏡研究主要采用CT圖像，且在＞10 mm的膀胱腫瘤探測上，其精度與光學膀胱鏡已大致相當[4]。但X射線計算機斷層成像(computed tomography，CT)的成像過程中需要注射增強劑，會對患者造成不必要的輻射傷害。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)采取一種非侵入的檢查方式，避免了CT成像中X射線輻射的缺陷。此外，MRI能提供清晰的人體軟組織結(jié)構(gòu)信息和豐富的人體功能信息，可挖掘各類定量的影像信息用于膀胱腫瘤檢測[4]。因此，本研究擬基于MRI影像數(shù)據(jù)，采用醫(yī)學影像處理平臺(medical imaging interactive toolkit，MITK)開發(fā)一款全新的虛擬膀胱鏡系統(tǒng)，用于膀胱癌術(shù)前檢測與診斷。

1　軟件設(shè)計及開發(fā)工具

本研究擬在Visual Studio 2015的編譯環(huán)境下，結(jié)合算法平臺MITK，應用Qt開發(fā)框架編寫界面開發(fā)虛擬膀胱鏡系統(tǒng)。其中MITK采用MITK-2016.11版本。

MITK(http：//mitk.org/wiki/MITK)是用于醫(yī)學影像處理分析的C++類庫，具有強大的交互性，易于拓展開發(fā)。該軟件包含了分割和配準平臺(insight segmentation and registration toolkit，ITK)和可視化開發(fā)平臺(visualization toolkit，VTK)的工作特性，具有強大的圖像處理功能，并在實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化的基礎(chǔ)上強化了對用戶交互的支持[6]。MITK可對數(shù)據(jù)的多視圖進行同步顯示，如當研究要顯示一組醫(yī)學圖像的3項二維視圖(矢狀面、冠狀面和水平面)以及其三維視圖，并需要選中其中某部分區(qū)域，當用戶改變區(qū)域選取位置，該區(qū)域?qū)⒃谒械囊晥D中都實現(xiàn)更新。若用VTK來實現(xiàn)此功能，則需要對每個視圖分別調(diào)整所選的位置、角度和顏色等，而這些工作在MITK中均可自動完成[7]。Qt是一種C++應用程序開發(fā)框架，其主要面向?qū)ο?，可以靈活地開發(fā)圖形用戶界面(GUI)程序，給用戶帶來良好的交互體驗，靈活的封裝機制使其具備高度模塊化和可重用性，便于編程者開發(fā)。

2　虛擬膀胱鏡系統(tǒng)開發(fā)

虛擬膀胱鏡系統(tǒng)通過對患者MRI影像的多項處理，實現(xiàn)一種可視化的檢測手段。借鑒臨床檢查方法和思路，系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了患者信息管理、MRI的分割重建及圖像數(shù)據(jù)測量等三大部分功能，并具有良好的交互特性，輔助醫(yī)師完成膀胱腫瘤檢測工作。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1　虛擬膀胱鏡系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.1　患者信息管理

為解決部門信息分屬管理造成影像科室醫(yī)生無法直接綜合利用病案信息資源問題，根據(jù)影像科臨床疾病診療和研究的需求，系統(tǒng)在MITK平臺自帶患者數(shù)據(jù)庫管理功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計病案管理和數(shù)據(jù)導入兩個功能，主要實現(xiàn)對MRI影像的顯示和存儲，膀胱腫瘤患者多元信息的錄入、管理、篩選和檢索。醫(yī)師可以根據(jù)需要篩選當日、當月或特定時間段的病例信息，而這些信息主要包括患者的身高、體重、性別及年齡等基本信息，入院信息以及診斷信息，再通過影像數(shù)據(jù)信息導入，將患者MRI檢查得到的影像與患者基本信息對應起來，建立與患者數(shù)據(jù)對應的影像信息特征庫，提供臨床醫(yī)師進行膀胱檢查的MRI影像處理和病情診斷的工作環(huán)境，為下步膀胱腫瘤的治療提供依據(jù)和支持，如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)管理模塊界面圖

2.2　半自動分割

系統(tǒng)改進了MITK類庫中二維圖像分割功能作為虛擬膀胱鏡系統(tǒng)的半自動分割模塊，實現(xiàn)對MRI圖像中膀胱內(nèi)壁的半自動二維分割，其分割的基本方法是利用多層間的插值。MRI圖像組的各分層中，膀胱目標所在的層均有膀胱的切片，分割的目標是將每一層上的膀胱區(qū)域分割出來，而相鄰圖層之間的膀胱區(qū)域形狀有很大的相關(guān)性，因此僅需手動分割首層、末層及中間部分關(guān)鍵層，其余圖層的膀胱區(qū)域可以通過套取已分割圖層的插值進行自動分割。對于偏差較大的分割，可以手動調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3　半自動分割中的手動勾畫示圖

系統(tǒng)所使用的為膀胱MRI的T2序列加權(quán)成像，具有與周圍組織對比度高的特點。因此，系統(tǒng)采用醫(yī)學圖像處理中較成熟的基于水平集(level-set，LS)分割方法實現(xiàn)圖像中膀胱內(nèi)壁的分割。系統(tǒng)基于ITK實現(xiàn)水平集算法Fast Marching Segmentation，用以構(gòu)造初始的水平集函數(shù)，并利用圖像的梯度信息進行水平集演化，從而實現(xiàn)分割。編程過程中使用GradientMagnitudeRecursiveGaussianIm ageFilter實現(xiàn)圖像梯度的計算；使用ITK中的類SigmoidImageFilter來實現(xiàn)函數(shù)映射；使用ITK中提供的FastMarchingImageFilter類來實現(xiàn)快速行進算法；最后使用BinaryThresholdImageFilter在FastMarchingImageFilter的輸出圖像上進行二值閾值運算[8]。算法實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4　Fast Marching Segmentation算法實現(xiàn)流程圖

基于現(xiàn)已成熟的自動分割算法易造成輪廓偏移，從而難以得到準確分割結(jié)果的問題，在感興趣區(qū)域的勾畫過程中系統(tǒng)采用了典型的交互式分割算法-live-wire算法，實現(xiàn)了智能勾勒邊界的功能，可以精準快速地提取圖像中的目標物體。系統(tǒng)基于ITK來完成Live-Wire圖像的分割，計算2個像素點之間的最優(yōu)路徑，即Live-Wire輪廓。采用ShortestPathCostFunctionLiveWire類從圖像中提取2個像素點之間的梯度模值(gradient magnitude)、梯度方向(gradient direction)及拉普拉斯零交叉(Laplacian zero crossing)特征，并轉(zhuǎn)化為代價值[9]。在交互式分割過程中，每次更新分割邊界時都根據(jù)分割區(qū)域計算的代價值生成動態(tài)代價轉(zhuǎn)化映射圖，供下一次更新邊界時調(diào)用。

2.3　三維重建

三維重建功能可將自二維圖像分割出的膀胱部分轉(zhuǎn)化為三維立體模型以供觀察，其體現(xiàn)了醫(yī)學圖像處理技術(shù)在膀胱腫瘤檢查中發(fā)揮的巨大作用。經(jīng)半自動分割出感興趣區(qū)域之后，手動確認所有切片的分割插值，并生成膀胱的三維表面模型?？赏ㄟ^操作改變模型的透明度等特征。系統(tǒng)還可進行多平面重建，旋轉(zhuǎn)視圖中的紅綠藍標線來顯示任意方向切面的圖像，給醫(yī)師帶來更為直觀的視覺效果判斷(如圖5所示)。

在進行膀胱的三維重建后，通過編程添加實現(xiàn)了工具包中的模擬內(nèi)鏡功能，可在對分割結(jié)果執(zhí)行“生成三維表面模型”后執(zhí)行。啟動模擬內(nèi)鏡后，系統(tǒng)會生成2個新的三維視圖(如圖6所示)。

圖5　系統(tǒng)三維重建功能示圖

圖6　開啟模擬內(nèi)鏡功能后生成的三維視圖

當在三維視圖A進行旋轉(zhuǎn)、縮放及移動操作時，三維視圖B將實時顯示其視角的姿態(tài)，以此表示內(nèi)鏡所在的三維空間姿態(tài)。三維視圖B也可以旋轉(zhuǎn)、縮放及移動，來更形象地顯示內(nèi)鏡的姿態(tài)。模擬內(nèi)鏡可以給醫(yī)師一個觀察膀胱內(nèi)壁的清晰視角，有利于醫(yī)師對患者膀胱腫瘤的準確診斷。該系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)，提供患者的圖像信息處理結(jié)果，為進行膀胱腫瘤研究和分析提供基礎(chǔ)環(huán)境支持。

2.4　顯示及交互

該軟件系統(tǒng)中膀胱腫瘤影像特征的提取和分析，基于MRI的三維重建以及任意選擇二維剖面影像對比分析，病患部位測量記錄等功能，而系統(tǒng)良好的交互性決定了各項功能的具體實現(xiàn)。此系統(tǒng)中與用戶的交互技術(shù)繼承了MITK的交互特點，可以靈活處理復雜的交互機制，實現(xiàn)對用戶交互的撤銷和重做[10]。通過簡單快捷的操作即可實現(xiàn)不同的功能，適合臨床醫(yī)生等非計算機專業(yè)人員的使用。在圖像處理功能區(qū)域，可以通過用戶操作自由改變窗寬、窗位及模型角度，對重建生成的膀胱三維影像進行多方向觀察，對疑似患病區(qū)域檢測有良好的輔助效果。

2.5　圖像測量模塊

在得到患者膀胱組織的三維重建圖像后，系統(tǒng)可對疑似病患區(qū)域的數(shù)據(jù)特征進行測量。系統(tǒng)可實現(xiàn)的直接操作有線段、路徑、角度、夾角、圓形、橢圓、矩形和多邊形的有關(guān)數(shù)據(jù)測量，可得出影像中距離、角度、周長、面積等參量。圖像測量模塊可以讓醫(yī)師無創(chuàng)的條件下，給出對患者膀胱腫瘤的初期定量分析，有利于后續(xù)的診斷和治療，具有重要的醫(yī)學意義(如圖7所示)。

圖7　圖像數(shù)據(jù)測量示圖

3　結(jié)論

虛擬膀胱鏡系統(tǒng)將影像數(shù)據(jù)庫管理與醫(yī)學圖像處理整合到了MITK平臺上，提供了一系列功能，協(xié)助臨床醫(yī)師對患者的MRI影像進行可視化處理，提高影像信息的直觀性，輔助醫(yī)師完成對膀胱腫瘤患者的病情分析和早期診斷，極大提高了診療效果，可有效降低患者病情進一步惡化的可能性。本研究在后續(xù)的研究和開發(fā)中，還將會加入對MRI中膀胱外壁的提取，并計算層厚，輔助醫(yī)師給出對患者膀胱腫瘤的分期定性分析診斷。

隨著醫(yī)學影像技術(shù)的不斷發(fā)展，未來臨床將獲得質(zhì)量更好、模態(tài)更多的MRI影像，通過虛擬膀胱鏡系統(tǒng)可以更為準確的分割出膀胱的內(nèi)外壁，從而更為準確地分析腫瘤各項特征，為膀胱腫瘤的早期檢測提供了無創(chuàng)、快捷的新手段。