醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)讀取及預(yù)處理方法總結(jié)

這兩天又重新回顧了一下醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的讀取和預(yù)處理方法，在這里總結(jié)一下。

基于深度學(xué)習(xí)做醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)分析，例如病灶檢測、腫瘤或者器官分割等任務(wù)，第一步就是要對數(shù)據(jù)有一個大概的認識。但是我剛剛?cè)腴T醫(yī)學(xué)圖像分割的時候，很迷茫不知道自己該干啥，不知道需要準(zhǔn)備哪些知識，慢慢到現(xiàn)在才建立了一個簡陋的知識體系。個人認為，比如說醫(yī)學(xué)圖像分割這個方向，再具體一點比如腹部器官分割或者肝臟腫瘤分割，需要掌握兩方面的知識：（1）醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理方法；（2）深度學(xué)習(xí)知識。 而第一點是進行第二點的必要條件，因為你需要了解輸入到DL網(wǎng)絡(luò)中的到底是長啥樣的數(shù)據(jù)。

這篇文章主要介紹常見的醫(yī)學(xué)圖像讀取方式和預(yù)處理方法。

1. 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)讀取

1.1 ITK-SNAP軟件

首先介紹一下醫(yī)學(xué)圖像可視化軟件ITK-SNAP， 可以作為直觀感受醫(yī)學(xué)圖像3D結(jié)構(gòu)的工具，也可以用來做為分割和檢測框標(biāo)注工具，免費，很好用，安利一下：ITK-SNAP官方下載地址：http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php。此外，mango（http://ric.uthscsa.edu/mango/）是另一個非常輕量的可視化軟件，也可以試試。我一般用ITK-SNAP。

ITK-SNAP的使用方法可以參考大佬的這篇博文，講的很簡潔：

JunMa：ITK-SANP使用入門：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/104381149

首先要明確一下和人體對應(yīng)的方向，其中三個窗口對應(yīng)三個切面，對應(yīng)關(guān)系如下圖所示，按照字母索引即可。例如，左上圖對應(yīng)R-A-L-P這個面，是從腳底往頭部方向看的切面(即z方向)，另外兩張類似。

也可以同時將分割結(jié)果導(dǎo)入，對比觀察。

對于標(biāo)注不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤揭部梢跃毣薷摹．?dāng)然公開集的話，絕大多數(shù)都挺好的。自己標(biāo)注也是類似。（如果顯示不太清晰，對比度太低，需要在軟件中調(diào)節(jié)窗寬和窗位）

1.2 SimpleITK

我們知道，最常見的醫(yī)學(xué)圖像有CT和MRI，這都是三維數(shù)據(jù)，相比于二維數(shù)據(jù)要難一些。而且保存下來的數(shù)據(jù)也有很多格式，常見的有.dcm .nii(.gz) .mha .mhd(+raw)。這些類型的數(shù)據(jù)都可以用Python的SimpleITK來處理，此外pydicom可以對.dcm文件進行讀取和修改。

讀取操作的目的是從每一個病人數(shù)據(jù)中抽取tensor數(shù)據(jù)，用Simpleitk讀取上面的.nii數(shù)據(jù)為例：

import numpy as np
import os
import glob
import SimpleITK as sitk
from scipy import ndimage
import matplotlib.pyplot as plt  # 載入需要的庫

# 指定數(shù)據(jù)root路徑，其中data目錄下是volume數(shù)據(jù)，label下是segmentation數(shù)據(jù)，都是.nii格式
data_path = r'F:\LiTS_dataset\data'
label_path = r'F:\LiTS_dataset\label'  

dataname_list = os.listdir(data_path)
dataname_list.sort()
ori_data = sitk.ReadImage(os.path.join(data_path,dataname_list[3])) # 讀取其中一個volume數(shù)據(jù)
data1 = sitk.GetArrayFromImage(ori_data) # 提取數(shù)據(jù)中心的array
print(dataname_list[3],data1.shape,data1[100,255,255]) #打印數(shù)據(jù)name、shape和某一個元素的值

plt.imshow(data1[100,:,:]) # 對第100張slice可視化
plt.show()

輸出結(jié)果：

['volume-0.nii', 'volume-1.nii', 'volume-10.nii', 'volume-11.nii',... 
volume-11.nii (466, 512, 512) 232.0

表明該數(shù)據(jù)shape為（466,512,512），注意對應(yīng)的順序是z,x,y。z其實是slice的索引。x和y是某一個slice的寬和高。

z索引為100的plot結(jié)果：

同一個slice在ITK-SNAP可視化結(jié)果（注意這里（x,y,z=(256,256,101)），因為itk-snap默認從1開始索引）：

可以發(fā)現(xiàn)，上下兩張x軸一樣但y軸方向上下翻轉(zhuǎn)了，這是由于matplotlib顯示方式不同，但是不會出現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)對不齊的問題。

對于dicom和mhd的處理方式，可以參考這篇博文：

譚慶波：常見醫(yī)療掃描圖像處理步驟：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/52054982

2.醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理

這部分內(nèi)容比較雜亂。因為不同的任務(wù)、不同的數(shù)據(jù)集，通常數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法有很大不同。但基本思路是要讓處理后的數(shù)據(jù)更有利于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。那么二維圖像預(yù)處理的一些方法都是可以借鑒的，如對比度增強、去噪、裁剪等等。此外還有醫(yī)學(xué)圖像本身的一些先驗知識也可以利用，比如CT圖像中不同仿射劑量（單位：HU） 會對應(yīng)人體不同的組織器官。

基于上表，可以對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理：

MIN_BOUND = -1000.0
MAX_BOUND = 400.0

def norm_img(image): # 歸一化像素值到（0，1）之間，且將溢出值取邊界值
    image = (image - MIN_BOUND) / (MAX_BOUND - MIN_BOUND)
    image[image > 1] = 1.
    image[image < 0] = 0.
    return image

也可以將其標(biāo)準(zhǔn)化/0均值化，將數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)移到原點處：

image = image-meam

上述歸一化處理適用于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)集，其他一些都是可有可無的針對于具體數(shù)據(jù)的操作，這些操作包括上面的MIN_BOUND 和MAX_BOUND 都最好參考優(yōu)秀論文的開源代碼的處理方式。

預(yù)處理后的數(shù)據(jù)集建議保存在本地，這樣可以減少訓(xùn)練時的部分資源消耗。此外，如隨機裁剪、線性變換等數(shù)據(jù)增強處理步驟，還是需要在訓(xùn)練時進行。

參考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/77791840

https://zhuanlan.zhihu.com/p/104381149

譚慶波：常見醫(yī)療掃描圖像處理步驟

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