基于圖像分割軟件的氣胸診斷及圖像標(biāo)注方法

◆陳奕 董祥梅 朱險峰 田美娜 李永生通訊作者 蘇奎

基于圖像分割軟件的氣胸診斷及圖像標(biāo)注方法

◆陳奕1董祥梅2朱險峰1田美娜1李永生通訊作者1蘇奎1

（1.牡丹江醫(yī)學(xué)院 黑龍江 157011；2.牡丹江醫(yī)學(xué)院附屬紅旗醫(yī)院 黑龍江 157011）

X線是用于氣胸診斷的最常用的成像診斷方法。醫(yī)生根據(jù)氣胸組織的位置、形態(tài)和大小來診斷氣胸。帶標(biāo)注的氣胸診斷圖像可以為醫(yī)生的歸類和分析提供重要參考依據(jù)，如何對圖像進行恰當(dāng)?shù)臉?biāo)注至關(guān)重要。為此，本文討論了氣胸的臨床表現(xiàn)及X線判別方法，并使用itk-snap等圖像分割軟件對圖像進行分割和標(biāo)注。首先通過人工方法對X射線圖像進行分段，然后用改進的特殊方法標(biāo)注自動顯示區(qū)域來對圖像進行標(biāo)記。結(jié)果表明該軟件可以較好進行分割與標(biāo)注，為醫(yī)生的歸納與分析提供便利。

氣胸；X-Ray診斷；圖像標(biāo)注

計算機輔助診斷通過計算機將醫(yī)療影像數(shù)據(jù)進行讀取并給醫(yī)生的診斷帶來啟示和便利[1]。計算機輔助診斷解決了醫(yī)療行業(yè)的兩大棘手問題：患者多醫(yī)生少和醫(yī)生水平良莠不齊。首先對于醫(yī)生，計算機輔助診斷能降低醫(yī)生的誤診率，指導(dǎo)醫(yī)生給出更有效的方案[2]。同時可以提高初級醫(yī)師的診斷水平，促進分級診斷與治療從而減少醫(yī)療資源的浪費。其次對于院方，計算機輔助診斷在提高效率的同時節(jié)約了人力資源，提高準(zhǔn)確率的同時降低了誤診的風(fēng)險。因此在有成熟的技術(shù)支撐的情況下利用計算機軟件能夠解決醫(yī)療行業(yè)的很多問題，對醫(yī)院和醫(yī)生都提供了極大的便利。

圖像的分割與標(biāo)注可以借助于分割軟件對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進行分析，是實現(xiàn)測試最終得出結(jié)果的“金標(biāo)準(zhǔn)”，是實現(xiàn)計算機輔助診斷的契機[3]。氣胸、肋骨骨折在臨床上都具有一定的風(fēng)險性，如果發(fā)現(xiàn)及時并搶救及時對患者的意義非常重大。在研究中主要應(yīng)用影像學(xué)檢查，包括X線和CT。雖然CT的敏感性高于X線，但CT的價格昂貴，輻射的劑量又很大，所以不適用于常規(guī)檢查。因此臨床診斷多傾向于X線[4]。為此，本文探析了X線氣胸的發(fā)病機制和臨床表現(xiàn)，并探討在itk-snap圖像分割軟件下氣胸圖像進行標(biāo)注的方法。

1 氣胸的臨床表現(xiàn)及X線判別方法

空氣進入胸膜腔引起的胸腔積氣和肺萎縮稱氣胸[5-6]。由慢性支氣管炎、肺氣腫、慢性肺結(jié)核等疾病或者槍傷、肋骨骨折等外傷都可能導(dǎo)致肺組織、氣管或支氣管等破裂后空氣進入胸膜腔或者胸壁傷口穿破胸腔導(dǎo)致外界空氣進入胸膜腔從而引起氣胸。

氣胸的輕重程度取決于有無肺基礎(chǔ)性疾病及肺功能狀態(tài)、氣胸發(fā)生的速度、胸腔內(nèi)的積氣量及壓力等多種因素，其臨床癥狀主要包括以下幾點：（1）突感胸痛、氣急、憋氣、咳嗽、少痰；（2）與積氣量有關(guān)呼吸困難；（3）氣胸可出現(xiàn)嚴(yán)重的呼吸障礙，休克；（4）輕到中度刺激性咳嗽，因氣體刺激胸膜。

目前X線檢查是診斷氣胸最可靠的方法[6]，如圖1所示為氣胸患者的X光片圖像，從該圖像可以分析其影像表現(xiàn)主要包括：（1）胸腔內(nèi)氣體壓縮肺部，在壓縮的肺部和胸壁之間形成透明的氣體支撐區(qū)域；（2）見不到肺紋理；（3）壓縮肺的邊緣有一個細長的線性密集陰影（臟胸膜），呼氣時很清晰；（4）當(dāng)發(fā)生大量氣胸時，肺部有一個軟組織陰影，密度均勻，縱膈轉(zhuǎn)向健康側(cè)，受累側(cè)減少，肋間隙擴大；（5）縱膈可發(fā)生張力，對側(cè)肺可有代償性肺氣腫，可發(fā)生粘連，可見粘連帶。

圖1 氣胸的X線診斷

計算機在識別X光片時，雖然對絕大多數(shù)病灶的定位是非常準(zhǔn)確的，但是當(dāng)X射線圖像自身存在問題或病人出現(xiàn)鈣化灶時計算機定位也難免出現(xiàn)錯誤。針對X射線圖像對比度不完善、圖像偏暗或過亮、肺部邊緣模糊、骨骼鈣化等這些問題時利用圖像的標(biāo)注等計算機輔助診斷技術(shù)醫(yī)生可以進行更好的識別與判斷。例如如下情況：在判斷氣胸時，計算機識別肺外緣與胸壁之間的透亮區(qū)，此區(qū)域無肺紋理且被壓縮的肺邊緣呈現(xiàn)纖細的線狀致密影（臟胸膜），肋間隙變窄。當(dāng)病人存在某種其他的肺部疾病，肺紋理顯然異于常人，這時計算機很可能在識別上出現(xiàn)錯誤導(dǎo)致根本無法識別氣胸區(qū)。在判斷肋骨骨折時，由于無移位性骨折存在并且肋骨結(jié)構(gòu)單薄、對比缺乏，所以時常有誤診情況存在。如果在其中伴有別的嚴(yán)重疾病時，肋骨骨折容易被忽略。當(dāng)發(fā)生合并液氣胸、心臟損傷、鎖骨損傷、肩胛骨損傷、軟組織影等都可造成誤診。這就需要圖像標(biāo)注與體積測量計算。

2 氣胸的圖像標(biāo)注

圖像標(biāo)注技術(shù)就是在基于圖像分割軟件的基礎(chǔ)上，根據(jù)特定要求對特定區(qū)域進行重新定義，通過計算機的記憶功能向未標(biāo)記的圖像添加合理的注釋詞的過程[7]。利用在標(biāo)注過程中錄入的圖像的對比度、分辨率、形狀、大小等某些共性關(guān)系建立一個模型，然后利用該模型反復(fù)測試對未標(biāo)注的圖像進行自動讀取，以及完成自動標(biāo)注的過程，實現(xiàn)代替人工分析的智能化。

2.1 氣胸的圖像的標(biāo)注方法

打開itk-snap軟件的main.exe對X線圖像進行標(biāo)注，如圖2所示。將abnormalitylist.csv文件放置main文件所在目錄；打開main文件夾內(nèi)的main.exe；通過彈出窗口選定所要讀取的DICOM文件所在的文件夾。通過點擊“上一張圖像”和“下一張圖像”切換不同的DICOM文件，或直接在圖像文件列表中點擊所需要顯示的文件。標(biāo)注文件列表用于顯示在當(dāng)前目錄下已經(jīng)生成的對應(yīng)于DICOM文件的標(biāo)注文件。點擊區(qū)域內(nèi)的“讀取病癥列表”，單擊列表中的任一病癥后，便可以在區(qū)域內(nèi)的圖像顯示區(qū)域通過按住鼠標(biāo)右鍵滑動進行該病癥的BOX標(biāo)注。

雙擊列表中的任一病癥，通過彈出的顏色選取窗口調(diào)節(jié)該病癥的標(biāo)注顏色。在圖像上標(biāo)注好BOX后，點擊“確認當(dāng)前標(biāo)注”。當(dāng)點擊“確認當(dāng)前標(biāo)注”后，區(qū)域上則為顯示當(dāng)前標(biāo)注的詳細信息，包括病癥類型和標(biāo)注大小等。當(dāng)該圖像的所有病癥均已標(biāo)注結(jié)束，則點擊“保存標(biāo)注列表為文件”。

2.2 氣胸圖像的標(biāo)注實例

圖2 氣胸的圖像標(biāo)注實例

圖2所示為一氣胸標(biāo)注實例，在圖像導(dǎo)入分割軟件（ITK-SNAP）時，圖像分DCM和GZ格式，每一種格式導(dǎo)入方式不同；既 DCM文件在Load as main image 路徑下打開；GZ文件在Load as segmentation路徑下打開；與此同時圖像檢查是一定要先導(dǎo)入DCM文件再導(dǎo)入對應(yīng)的GZ文件。在chest X-ray成像過程中，肩胛骨可能會影響到肺野的成像質(zhì)量。識別肩胛骨是否影響到圖像質(zhì)量，可以通過ITK-SNAP軟件首先對肩胛骨影響到的區(qū)域做出一個分割標(biāo)注。標(biāo)注應(yīng)按照在標(biāo)準(zhǔn)的正常后前位胸片上肩胛骨投影應(yīng)該在肺野之外的原則。造成肩胛骨影出現(xiàn)在肺野中的情況是投照時上肢或肩胛骨的內(nèi)緣與肺野的上外側(cè)重疊。

3 結(jié)語

本文以數(shù)字X光片中比較典型的氣胸為例探討了其常見的影像學(xué)診斷方法及利用itk-snap軟件進行圖像標(biāo)注。X線檢查是診斷胸部疾病不可或缺的檢查方法，通過大量的人工數(shù)據(jù)標(biāo)注運用在測試中可以使計算機形成一個識別該疾病的方法，從而可以實現(xiàn)醫(yī)生將成千上萬的數(shù)據(jù)輸入到計算機只需要輸入疾病鑒定指標(biāo)，計算機就會閱讀所有數(shù)據(jù)并做出指定標(biāo)記的場景。隨著計算機輔助軟件的廣泛應(yīng)用，會有越來越完善的醫(yī)療軟件幫助醫(yī)生進行診斷。

[1]葉馮穎，楊文敏，李尚青，等.計算機輔助診斷軟件聯(lián)合多學(xué)科建立甲狀腺結(jié)節(jié)惡性風(fēng)險預(yù)測模型[J].

[2]吳秀明，王霞麗，呂國榮，等.計算機輔助系統(tǒng)在診斷乳腺良惡性腫瘤中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2020，37（03）：374-378.

[3]蘇奎，趙若晗，劉博強，董默.基于Mimics的CT三維重建應(yīng)用分析[J].軟件，2020，41（03）：66-68.

[4]謝紅旗，程云宗.25例局限性氣胸的胸部X線與CT對照分析[J].現(xiàn)代診斷與治療，1998（S1）：111.

[5]覃永平，馮謝平，梁慧明.氣管及支氣管裂傷的臨床X線診斷[J].中國臨床新醫(yī)學(xué)，2011，4（06）：551-553.

[6]Noppen M，De Keukeleire T. Pneumothorax[J]. Respiration，2008，76（2）：121-127.

[7]劉夢迪，陳燕俐，陳蕾.圖像自動標(biāo)注技術(shù)研究進展[J].計算機應(yīng)用，2016，36（08）：2274-2281.

2019年度黑龍江省省屬高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費科研項目（2019-KYYWF-0959）；牡丹江醫(yī)學(xué)院大學(xué)生科研項目（201321）；牡丹江市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目（HT2020JG054）