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(jì)*

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(dòng)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(yán)重威脅人類健康的疾病。其中，腦膠質(zhì)瘤是因?yàn)榇竽X和脊髓膠質(zhì)細(xì)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(duì)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(zhǔn)確性［3-5］。

為了彌補(bǔ)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(yùn)算和圖像處理等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)的Matlab語言［6］，將腦部二維序列MRI圖像進(jìn)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(jìn)行診斷與治療。同時(shí)，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(jìn)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(jìn)行定性定量分析的技術(shù)。通過三維重建可以科學(xué)、準(zhǔn)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(duì)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(huì)不可避免的下降，例如噪聲污染、頭部位置變動(dòng)、細(xì)節(jié)缺失等。針對(duì)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(shí)間校正、頭動(dòng)校正配準(zhǔn)、圖像標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，所以對(duì)其分割的數(shù)據(jù)量大，分割要求較高。當(dāng)前比較通用的方法是閾值分割法，可以對(duì)不同成像機(jī)理的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)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(jì)算量不依賴于物體形狀的復(fù)雜程度，且不需要對(duì)斷層圖像進(jìn)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(duì)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中體數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對(duì)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(diǎn)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(chǎng)，沿這條射線選擇等間距的采樣點(diǎn)，通過對(duì)采樣點(diǎn)的8個(gè)領(lǐng)域體素用三次線性插值的方法得到每個(gè)采樣點(diǎn)的顏色和阻光度并進(jìn)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(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)了圖像預(yù)處理的四個(gè)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(jìn)行去噪、配準(zhǔn)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(jìn)行提取。利用體重建算法將分割后的結(jié)果進(jìn)行三維顯像，顯像結(jié)果可以在界面中進(jìn)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(jiǎn)單易學(xué)，能方便實(shí)現(xiàn)圖形控件的各種功能。在創(chuàng)建GUI時(shí)，主要用到了uicontrol對(duì)象當(dāng)中的 Push Button，Static Text，Edit Text，Axes等控件；uimenu對(duì)象中的label控件；預(yù)定義對(duì)話框中的uigetfile，uiputfile，uigetdir，inputdlg，questdlg等對(duì)話框。

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

點(diǎn)擊菜單欄中的“Pre-processing”按鈕，會(huì)彈出四個(gè)菜單項(xiàng)：“Slice timing”，“Registration”，“Normalize”和“Smooth”。分別點(diǎn)擊這4個(gè)按鈕，對(duì)這30幅圖像進(jìn)行層間時(shí)間校正，頭動(dòng)校正，標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(huì)彈出設(shè)置放大倍數(shù)的對(duì)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(jì)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(huì)存入指定的文件夾中。

3.1.2 軟件的圖像分割界面 點(diǎn)擊“Image segmentation”按鈕，會(huì)彈出圖像分割界面。在該界面中點(diǎn)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(huì)全部顯示在界面上。點(diǎn)擊“Global threshholding”按鈕，將這30幅圖片進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(duì)話框Fig 4 Dialog box of setting up magnification times

4 軟件的使用與評(píng)價(jià)

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(yùn)行環(huán)境的支持，如果要將此軟件發(fā)布到其他沒有Matlab運(yùn)行環(huán)境的機(jī)器，還需要安裝Matlab組件運(yùn)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(diǎn)擊編譯的Matlab可執(zhí)行程序，即可運(yùn)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(duì)于提高腦膠質(zhì)瘤診斷水平具有重要的應(yīng)用價(jià)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(shí)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(jiǎn)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(shí)間，具有一定的實(shí)用性。在后續(xù)的工作中，還將進(jìn)一步改進(jìn)分割算法［16-17］，從而更加高效、準(zhǔn)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(zhǔn)確性。