Deeplung:深度学习项目笔记（二）——医学影像学dicom,mhd及raw文件读取与可视化

医学影像学

医学影像是指为了医疗或医学研究，对人体或人体某部份，以非侵入方式取得内部组织影像的技术与处理过程。

目前的主要处理方式有：X光成像（X-ray），电脑断层扫描（CT），核磁共振成像（MRI）， 超声成像（ultrasound），正子扫描（PET），脑电图（EEG），脑磁图（MEG），眼球追踪（eye-tracking），穿颅磁波刺激（TMS）等现代成像技术，用来检查人体无法用非手术手段检查的部位的过程。

医学影像学的崛起使得对于病人的诊断有了更加直观的证据。除此之外，对于医学领域的相关研究，也有着巨大的影响。

dicom文件相关

1.1 什么是dicom图像

DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）即医学数字成像和通信，是医学图像和相关信息的国际标准。其是目前应用最为广泛的医学影像格式，常见的CT,核磁共振，心血管成像等大多采用的是docim格式的存储。

1.2 dicom图像中有什么

doicm主要存储两方面信息：

（1）关于患者的PHI(protected health imformation)信息
简单来说，就是患者的相关信息（这些信息是收到保护的）。例如，姓名，性别，年龄，继往病历等

（2）直观的图像信息
一部分信息是扫描过后患者图像的某一层（切片，稍后会讲到），医生可以通过专门的dicom阅读器去打开，从而察看患者病情。另一部分是相关的设备信息，例如生产的dicom图像是X光机扫描出的X光图像的某一层，那么dicom就会存储关于此X光机的相关设备信息。

更具体地划分，这些信息可以被分为以下四类：

（1）Patient
例如患者的姓名，性别，体重，ID等等，反映的主要是患者个人的相关信息。

（2）Study
也就是关于患者接受某项检查所记录的信息，例如检查号，检查日期，检查时患者的年龄，检查的部位等等。

（3）Series
存储关于检查的简单信息，例如图像的层厚，层间距，图像方位等等。

（4）Image
存储关于检查结果（例如X光影像的某一层）的详细信息，例如影像拍摄日期，图像的分辨率，像素间距等等。

注意
dicom文件 $\ne$ 患者影像

一方面，在实际检查过程中，例如CT检查，是利用X光线等放射性光线与探测器一同围绕人体做多层的断面扫描。也就是说，我们得到的结果是一层一层的断面图像，将这些断面图像在z轴叠加起来，才是一个完整的医学影像。而每一个dicom存储其中一层图像(但又不仅仅是存储图像），换句话说，一位患者有多个dicom文件。

如上图，一个完整的医学影像是由许多个断面图像在z轴上堆叠而成的三维图像。而一个dicom文件只存储其中的一切图像及相关信息。

另一方面，dicom文件不仅仅存储的是患者影响的切片，还存储着相关的信息（在上面已经提到）。

综上，dicom是一个存储患者所拍摄医学影像的某一层断面图和相关信息的文件。

1.3 dicom结构及组成

dicom文件内部的组成结构如下图：

可以看出，一个完整的dicom文件由两部分组成：文件头和数据集。

1.3.1 文件头

Dicom文件头包含的是关于数据集的相关信息，主要有以下几部分：

$\cdot$ 文件导言

$\cdot$ Dicom前缀，也是计算机读取过程中判断一个文件是否是dicom文件的依据。

$\cdot$ 文件信息元素

1.3.2 数据集

数据集即存储相关数据的地方，数据集的基本单位是数据元。数据元由四个部分组成：

(1) Tag
也即标签部分，用于识别数据的具体类型。包括组号（Group）和元素号(Element)两部分。在这里，Group对应的编码是指所存储信息的大类，也就是指明信息是patient,study,series,image四大类中哪一个大类。在确定了Group以后iu，再去检索Element从而确定具体的信息。例如（0008，0050）指的就是病患的检查号信息。

更具体的Tag表见附录。

(2) VR(值表示）
存储Tag指向信息的数据类型。

(3)VL(数据长度）
保存Tag指向信息的数据长度。

(4)值域
保存Tag指向信息的具体值。

一般来说，在处理时，dicom显得有些麻烦。所以会把dicom文件进行转换,从而处理转换后的文件。这里采用的转换方法是将dicom文件转换为raw文件和mhd文件。

raw文件相关

Raw文件，意为“未处理的文件”，其保存的是纯像素信息。常常是一个病人的所有dicom文件中的图像提取出来放在一个raw文件里。也就是说，一个病人对应一个raw文件，其中存储的是该病人的图像信息。（可以理解为将该病人不同的dicom切片图像都叠到一起，形成了一个三维图像）。

mhd文件相关

上面已经提到，dicom文件除了包含切片图像外，还包含其他的一些信息。那么在文件格式转换后，图像信息被raw文件提取，非图像信息则存储在mhd头文件中。简单来说，mhd头文件是存储关于一个病人的所有dicom文件中的非图像信息。

由上述关系可以知道：raw文件与mhd文件是一一对应的，且它们的数量小于等于（实际中一定是小于）dicom文件数量。

相应代码

2.1 dicom可视化

import matplotlib.patches as patches
import matplotlib.pyplot as plt
import pydicom
from pydicom.data import get_testdata_files
import os
import xlrd
import xlwt
print(__doc__)
path = r'C:\Users\86152.000\Desktop\python\M'
files = os.listdir(path)
for filename in files:
    dataset = pydicom.dcmread(filename)
# Normal mode:
print()
print("Filename.........:", filename)
print("Storage type.....:", dataset.SOPClassUID)
print()
pat_name = dataset.PatientName
display_name = pat_name.family_name + ", " + pat_name.given_name
print("Patient's name...:", display_name)
print("Patient id.......:", dataset.PatientID)
print("Modality.........:", dataset.Modality)
print("Study Date.......:", dataset.StudyDate)
if 'PixelData' in dataset:
    rows = int(dataset.Rows)
    cols = int(dataset.Columns)
    print("Image size.......: {rows:d} x {cols:d}, {size:d} bytes".format(
        rows=rows, cols=cols, size=len(dataset.PixelData)))
    if 'PixelSpacing' in dataset:
        print("Pixel spacing....:", dataset.PixelSpacing)
# use .get() if not sure the item exists, and want a default value if missing
print("Slice location...:", dataset.get('SliceLocation', "(missing)"))
def readexcel():
            workbook=xlrd.open_workbook(r'C:\Users\86152.000\Desktop\python\annotated_coordinates.xlsx')
            print(workbook.sheet_names())
            sheet1=workbook.sheet_by_name('Sheet1')
            nrows=sheet1.nrows
            ncols=sheet1.ncols
            print(nrows,ncols)
            r=2
            c=4
            while True:
                cellA=sheet1.cell(r,c).value
                cellB=sheet1.cell(r,c).value
                print(cellA,cellB)
                rect=patches.Rectangle((20,30),10,20,linewidth=1,edgecolor='red',facecolor='none')
                ax=plt.subplot(1,1,1)
                ax.add_patch(rect)
                plt.imshow(dataset.pixel_array, cmap=plt.cm.bone)
                plt.show()
                r=r+1
                if r==nrows:
                    c=c+1
                    r=2
                    if c==ncols-2:
                       print('完成')
                       break
readexcel()

输出如下：


这里的红框可以去掉，在代码里注释即可。（本想标注dicom数据的，结果导师说应该是raw数据）

2.2 dicom读取并转换为raw及mhd文件

import cv2
import os
import pydicom
import numpy
import SimpleITK

# 路径和列表声明
# 与python文件同一个目录下的文件夹,存储dicom文件,该文件路径最好不要含有中文
PathDicom = r"/home/Wangling/TuoBaoqiang/python/Test1"
# 与python文件同一个目录下的文件夹,用来存储mhd文件和raw文件，该文件路径最好不要含有中文
SaveRawDicom = r"/home/Wangling/TuoBaoqiang/python/Data_Img/test1"

lstFilesDCM= []
lstFilesDCM_0 = []
temp = []
listdicom = []

# dicom文件夹下的第一层目录 ——> group一维列表
root_1 = os.listdir(PathDicom)
group = []
for i in range(0,len(root_1)):
    group.append(PathDicom + '/' + root_1[i])   #group列表

# dicom文件夹下的第二层目录 ———> 000x一维列表
root_2 = []
for j in range(0,len(group)):
    root_2.append(os.listdir(group[j]))   # group下dicom文件夹，root_2为二维列表，例[['0001', '0002'], ['0003', '0104']]
nameformhd = sum(root_2,[])  # 将root_2降为一维列表，以备程序末尾mhd文件的命名

# 每个dicom文件的完整目录 ———> /group/000x
for m in range(0,len(group)):
    for n in range(0,len(root_2[0])):     # 假设每个group中dicom文件夹的数量是相等的，即10，如果有改变，要修改！
        eachdicom = group[m] + '/' + root_2[m][n]
        lstFilesDCM_0.append(eachdicom)
# print('The dicom filelist -> %s'%lstFilesDCM_0) # 打印dicom文件列表

# 将完整列表lstFilesDCM_0下的dicom文件地址读取到listdicom中
for k in range(0,len(lstFilesDCM_0)):
    for dirName, subdirList, fileList in os.walk(lstFilesDCM_0[k]):
        for filename in fileList:
            if "img" in filename.lower():  # 判断文件是否为dicom文件
                temp.append(os.path.join(dirName, filename))
        listdicom.append(temp)   # 加入到列表中
        temp = []
# print('listdicom=%s'%listdicom)   #打印dicom全部文件载入的列表
# print('The number of listdicom is %d'%len(listdicom))    #打印预备处理dicom文件的个数

for filenames in listdicom:
    # print('the current processing list is %s'%filenames)   #打印当前正在处理的dicom列表
    lstFilesDCM = filenames
# 第一步：将最后一张图片作为参考图片，并认为所有图片具有相同维度
    RefDs = pydicom.read_file(lstFilesDCM[-1],force = True)  # 读取最后一张dicom图片
    RefDs_0 = pydicom.read_file(lstFilesDCM[0],force = True)    # 读取第一张dicom图片,第三步备用

# 第二步：得到dicom图片所组成3D图片的维度
    ConstPixelDims = (int(RefDs.Rows), int(RefDs.Columns), len(lstFilesDCM))  # ConstPixelDims是一个元组

# 第三步：得到x方向和y方向的Spacing并得到z方向的层厚
    RefDs.SliceThickness = abs(RefDs_0.ImagePositionPatient[2]-RefDs.ImagePositionPatient[2])/(len(lstFilesDCM)-1)
     #  打印slicethickness的值，判断数据是否正确
    print(float(RefDs_0.SliceThickness),RefDs.SliceThickness,RefDs_0.ImagePositionPatient[2],RefDs.ImagePositionPatient[2],len(lstFilesDCM))

    print(RefDs_0.ImagePositionPatient)
    print(RefDs.ImagePositionPatient)

    ConstPixelSpacing = (float(RefDs.PixelSpacing[0]), float(RefDs.PixelSpacing[1]), float(RefDs.SliceThickness))

# 第四步：得到图像的原点
    Origin = RefDs.ImagePositionPatient

# 根据维度创建一个numpy的三维数组，并将元素类型设为：pixel_array.dtype
    ArrayDicom = numpy.zeros(ConstPixelDims, dtype=RefDs.pixel_array.dtype)  # array is a numpy array

# 第五步:遍历所有的dicom文件，读取图像数据，存放在numpy数组中
    i = 0
    for filenameDCM in lstFilesDCM:
        ds = pydicom.read_file(filenameDCM)
        ArrayDicom[:, :, lstFilesDCM.index(filenameDCM)] = ds.pixel_array
        cv2.imwrite("out_" + str(i) + ".png", ArrayDicom[:, :, lstFilesDCM.index(filenameDCM)])
        i += 1

# 第六步：对numpy数组进行转置，即把坐标轴（x,y,z）变换为（z,y,x）,这样是dicom存储文件的格式，即第一个维度为z轴便于图片堆叠
    ArrayDicom = numpy.transpose(ArrayDicom, (2, 0, 1))

# 第七步：将现在的numpy数组通过SimpleITK转化为mhd和raw文件
    sitk_img = SimpleITK.GetImageFromArray(ArrayDicom, isVector=False)
    sitk_img.SetSpacing(ConstPixelSpacing)
    sitk_img.SetOrigin(Origin)
    SimpleITK.WriteImage(sitk_img,os.path.join(SaveRawDicom,nameformhd[listdicom.index(filenames)]+ ".mhd"))

输出如下：

2.3 raw文件可视化

import os
import SimpleITK as sitk
import matplotlib.pyplot as plt
 
if __name__=="__main__":
    #识别中文路径名
    path=r"C:\Users\86152.000\Desktop\python\SaveRaw\0002.mhd"
    pwd = os.getcwd()
    os.chdir(os.path.dirname(path))
 
    #读取切片图像
    image = sitk.ReadImage(os.path.basename(path))
    image = sitk.GetArrayFromImage(image)
 
    #显示图像
    for i in range(1,image.shape[0],1):
        plt.figure()
        plt.imshow(image[i,:,:], cmap='gray')
        plt.pause(1)
        plt.close()
        print(i)

输出如下：

2.4 遍历指定文件

import os
import SimpleITK as sitk
import matplotlib.pyplot as plt

def show_files(path, all_files):
    # 首先遍历当前目录所有文件及文件夹
    file_list = os.listdir(path)
    # 准备循环判断每个元素是否是文件夹还是文件，是文件的话，把名称传入list，是文件夹的话，递归
    for file in file_list:
        # 利用os.path.join()方法取得路径全名，并存入cur_path变量，否则每次只能遍历一层目录
        cur_path = os.path.join(path, file)
        # 判断是否是文件夹
        if os.path.isdir(cur_path):
            show_files(cur_path, all_files)
        else:
            # 判断是否满足后缀
            if suffix in cur_path:
                all_files.append(cur_path)
    return all_files


# 对指定的文件进行的操作
import os


def show_files(path, all_files):
    # 首先遍历当前目录所有文件及文件夹
    file_list = os.listdir(path)
    # 准备循环判断每个元素是否是文件夹还是文件，是文件的话，把名称传入list，是文件夹的话，递归
    for file in file_list:
        # 利用os.path.join()方法取得路径全名，并存入cur_path变量，否则每次只能遍历一层目录
        cur_path = os.path.join(path, file)
        # 判断是否是文件夹
        if os.path.isdir(cur_path):
            show_files(cur_path, all_files)
        else:
            # 判断是否满足后缀
            if suffix in cur_path:
                all_files.append(cur_path)
    return all_files


# 对指定的文件进行的操作
def handle_file(file_path):
    open(file_path)
    print(file_path)
  

def find_file():
    # 传入空的list接收文件名
    all_files = show_files(read_dir_path, [])
    # 循环打印show_files函数返回的文件名列表
    for file in all_files:
        handle_file(file)
        print(file)


if __name__ == "__main__":
    # 要读取的文件夹
    read_dir_path = r'C:\Users\86152.000\Desktop'
    # 要匹配的文件类型
    suffix = '.mhd'

    find_file()

输出如下：

附录(常见Tag说明）

Patient Tag

Group(组号)	Element（元素号）	Tag Description	中文解释	VR
0010	0010	Patient’s Name	患者姓名	PN
0010	0020	Patient ID	患者ID	LO
0010	0030	Patient’s Birth Date	患者出生日期	DA
0010	0032	Patient’s Birth Time	患者出生时间	TM
0010	0040	Patient’s Sex	患者性别	CS
0010	1030	Patient’s Weight	患者体重	DS
0010	21C0	Pregnancy Status	怀孕状态	US

Study Tag

Group	Elemen	Tag Description	中文解释	VR
0008	0050	Accession Number:A RIS generated number that identifies the order for the Study.	检查号：RIS的生成序号,用以标识做检查的次序.	SH
0020	0010	Study ID	检查ID.	SH
0020	000D	Study Instance UID: Unique identifier for the Study.	检查实例号：唯一标记不同检查的号码.	UI
0008	0020	Study Date： Date the Study started.	检查日期：检查开始的日期.	DA
0008	0030	Study Time：Time the Study started.	检查时间：检查开始的时间.	TM
0008	0061	Modalities in Study	一个检查中含有的不同检查类型.	CS
0008	0015	Body Part Examined	检查的部位.	CS
0008	1030	Study Description	检查的描述	. LO
0010	1010	Patient’s Age	做检查时刻的患者年龄,而不是此刻患者的真实年龄.	AS

Series Tag

Group	Element	Tag Description	中文解释	VR
0020	0011	Series Number:A number that identifies this Series.	序列号：识别不同检查的号.	IS
0020	000E	Series Instance UID:Unique identifier for the Series.	序列实例号：唯一标记不同序列的号码.	UI
0008	0060	Modality 检查模态(MRI/CT/CR/DR)	CS
0008	103E	Series Description	检查描述和说明	LO
0008	0021	Series Date	检查日期	DA
0008	0031	Series Time	检查时间	TM
0020	0032	Image Position (Patient)：The x, y and z coordinates of the upper left hand corner of the image, in mm.	图像位置：图像的左上角在空间坐标系中的x,y,z坐标,单位是毫米.如果在检查中,则指该序列中第一张影像左上角的坐标.	DS
0020	0037	Image Orientation (Patient):The direction cosines of the first row and the first column with respect to the patient.	图像方位	DS
0018	0050	Slice Thickness:Nominal slice thickness, in mm.	层厚.	DS
0018	0088	Spacing Between Slices	层与层之间的间距,单位为mm	DS
0020	1041	Slice Location：Relative position of exposure expressed in mm.	实际的相对位置，单位为mm.	DS
008	0023	MR Acquisition	收购者	CS
0018	0015	Body Part Examined	身体部位	. CS

Image Tag

Group	Element	Tag Description	中文解释	VR
0008	0008	Image Type:Image identification characteristics.	图像类型	CS
0008	0018	SOP Instance UID	SOP实例	UID.
0008	0023	Content Date：The date the image pixel data creation started.	影像拍摄的日期.	DA
0008	0033	Content Time	影像拍摄的时间.	TM
0020	0013	Image/Instance Number:A number that identifies this image.	图像码：辨识图像的号码.	IS
0028	0002	Samples Per Pixel:Number of samples (planes) in this image.	图像上的采样率.	US
0028	0004	Photometric Interpretation:Specifies the intended interpretation of the pixel data.	光度计的解释,对于CT图像，用两个枚举值MONOCHROME1，MONOCHROME2.用来判断图像是否是彩色的，MONOCHROME1/2是灰度图， RGB则是真彩色图，还有其他.	CS
0028	0010	Rows: Number of rows in the image.	图像的总行数，行分辨率.	US
0028	0011	Columns: Number of columns in the image.	图像的总列数，列分辨率.	US
0028	0030	Pixel Spacing:Physical distance in the patient between the center of each pixel.	像素间距.像素中心之间的物理间距.	DS
0028	0100	Bits Allocated:Number of bits allocated for each pixel sample. Each sample shall have the same number of bits allocated.	分配的位数:存储每一个像素值时分配的位数，每一个样本应该拥有相同的这个值.	US
0028	0101	Bits Stored:Number of bits stored for each pixel sample. Each sample shall have the same number of bits stored	存储的位数：有12到16列举值.存储每一个像素用的位数.每一个样本应该有相同值.	US