医学图像处理入门知识 | 格式DICOM，MHD+RAW | 坐标系 | ITK-SNAP | 重采样

引言

最近做了一个医学图像的项目，将这块好好的整理一下，给入门的同学提供点帮助，让大家能够将时间花在核心算法上，缩短准备工作的时间。

文章内容较多，本人力求将每个地方讲明白并没有错误，不过文笔有限，可能还是有错误或者表述上不够严谨。如果有错误或者不妥的地方，还请指正，衷心感谢。

本文参考博客内容较多较杂，以至于不知道参考了哪些文章了，如果有侵权的地方，麻烦及时和我联系，第一时间解决。

文章主要介绍医学图像的特点，基本的医学图像文件格式。具体每个知识点，可能本人讲的不会特别深，目的知识希望读者通过学习该内容，可以快速上手项目，具体详细内容可在网上搜索。如DICOM文件TAG就有很多，网上都可以搜到的。

常见的医学图像格式

​ 常见的医学图像格式有六种，DICOM(医疗中的数字图像和通信)，NIFTI(神经影像学信息技术计划)，PAR/REC(菲利普MIR扫描格式)，ANALYZE(Mayo医疗成像)），NRRD(近乎原始光栅数据)，MINC格式。

​ Analyze格式：Analyze格式储存的每组数据组包含2个文件，一个为头文件，扩展名为.hdr，包含图像的元数据；一个为数据文件，其扩展名为.img，包含二进制的图像资料。

​ NIFTI格式：标准NIFTI图像的扩展名是.nii，也包含了头文件及图像资料。由于NIFTI格式和Analyze格式的关系，因此NIFTI格式也可使用独立的图像文件（.img）和头文件（.hdr）。

​ 以下主要介绍常见的dicom、raw+mhd格式。

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DICOM

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DICOM格式的存储。

简单的说，一个DICOM数据中包含了两部分：

• 图像信息：检查部位的影像信息，如脑部、胸部等。（我们通常要处理的像素信息）
• 患者信息：带着一系列编号的TAG，如姓名、性别、年龄等。

DICOM数据是怎么产生的呢？

​ CT或核磁共振等探测器围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，得到多层图像，再把一层层的图像在z轴上堆叠起来就可以形成三维图像，如下图所示。因此通常DICOM把每一层图像都作为一个独立的文件，这些文件用数字命名从而反映相对应的图像层数（在不同的系统有一定差异)。

怎么读取DICOM数据呢？

​ 通常使用Python中的pydicom和SimpleITK库来读取DICOM图像，这块代码网上有很多，这里不在展示。

注

​ 由于DICOM把每层图像都存储为独立文件，这会导致产生大量较小的数字文件，从而堵塞文件系统，降低分析速度。而且DICOM数据也比较庞大，所以数据分析前往往要把DICOM格式转化为其他分析格式。

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mhd+raw

​ mhd+raw格式是常见的一种医学图像格式，每一个病人的数据包含一个mhd文件和一个同名的raw文件（一一一对应），使用Python的SimpleITK库即可读取。

• mhd（数据头部信息）：存放数据的非图像信息，如图像大小、切片大小、像素大小等。
• raw（未加工的数据）：存储病人的图像信息，往往是三维体数据。（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，也就是我们通常处理的数据）。

熟悉完基本格式，我们打开一个mhd文件看一下。可以看到mhd和zraw（压缩的raw，本质上和raw相同）是同名且放在同一目录下。

那怎么查看mhd的头部信息呢？

​ 将mhd文件用记事本打开即可。mhd中的各项参数十分重要，有一些同学用很多套数据训练网络，却发现无论怎么调参，网络学习效果都不好。可能的原因就是数据之间的一些基本信息不相同，如spacing不同，那么就要先重采样，然后再训练，后文也会提到该内容。

参数解释

• NDims ：图片的维度
• BinaryData：是否用二值存储
• TransformMatrix：x, y,z方向（结合向量理解，如 1 0 0表示的就是 x 轴方向向量）
• Offset：原点坐标
• ElementSpacing：一个体素（图像像素）在xyz（真实世界CT采样）方向上的大小（也是像素间隔大小），其中一般xy对应的spacing是相同的
• DimSize：每张slice的二维大小与张数（可理解为图像分辨率，并不是真实大小）
• ElementType：MET_SHORT类型，数值有正负
• ElementDataFile：头文件对应的原始数据

只看到上面参数，是不是懵懵的，不慌，下面会讲到的~

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坐标系

顺着思路思考，既然已经知道了图像是怎么存储的，我们不禁想到，这些像素按照什么坐标系来存储的呢？

ok，那下面咱们就介绍几种坐标系~

世界坐标体系

如上图左所示，

世界坐标体系是典型的笛卡尔坐标体系，整个模型只有一个世界坐标来定义位置与方向，在这个坐标系中，每个模型都（如核磁扫描器，病人)有它自身的坐标体系，但是只存在一个世界坐标体系来定义模型的位置与方向。也就是说，每个模型都可以被世界坐标系表示，可以理解为绝对坐标。

解剖学坐标体系

如上图中所示，

这个解剖学坐标体系是一个连续的三维空间，在这个空间中，图像被采样。如上图中所示，这个坐标系包括3个位面（解剖轴）：

• 横断面：与地面平行，上下分离人体（绿色）
• 矢状面：垂直地面，左右分离人体（红色）
• 冠状面：垂直地面，前后分离人体（紫色）

本文以 LPS 为坐标轴。

不同的医学应用软件运用不同的3D基本定义，下面这些基本上是最常用的:

• LPS (Left，Posterior，Superior)：Dicom与ITK工具包上用这个
  • from right to left
  • from anterior to posterior
  • from inferior to superior
• RAS (Right，Anterior，Superior)：3D Slicer上用这个
  • from left to right
  • from posterior to anterior
  • from inferior to superior

从根本上来说，这两种坐标轴是等价使用的，有着相同的逻辑。

图像坐标体系

如上图右所示，

医学扫描仪器创建了规则的点和网格的矩形数组，它的原点在左上角，向右为 i 轴正方向，向下为 j 轴正方向，向后为 k 轴正方向。除每个立体像素voxel (i，j， k)的强度值外，这个解剖学坐标的原点以及间距也被保存下来。（体素：立体像素，本质上还是像素，换个名字而已）

这个原点代表着第一个voxel (0，0，0) 体素在解剖学坐标体系中的位置如（100mm，50mm，-25mm)。这个间距指定立体像素在各个坐标轴的实际距离间隔例如（1.5mm，0.5mm，0.5mm)。在下面的2D例子中显示了原点与间距的意义，3D的类推即可。

也就是说，通过解剖学坐标系我们获得了一个3D图像，这个3D图像中的坐标原点（原点是对应图像坐标系说的）在解剖学坐标系并不是原点，而是对应着一个坐标，在解剖学坐标系中，单位基本都是mm。

利用原点和间距，每个立体像素在解剖学坐标体系中的对应位置都能够被计算出来

那有人就问了，为什么不直接在解剖学坐标系中获取呢？因为解剖学坐标系中的单位都是1 mm，你写程序的时候怎么去获取这个1mm呢，而用图像坐标系中的坐标，不用考虑单位，直接根据索引获取就可以。

是不是突然悟了？可以这样理解，图像坐标体系是虚拟的，为了方便处理才有的。

这三个坐标体系有什么关系呢？怎样转换呢？

图像坐标体系与解剖学坐标体系的关系

DICOM的Orientation和MHD的TransformMatrix 表示图像坐标与解剖学坐标体系对应坐标的夹角余弦值。

图像坐标体系与世界坐标体系的关系

原点（origin）和间距（spacing）这两个参数将世界坐标转换为相应的图像坐标，即求出结节中心在图像中的位置。

origin表示图像坐标系原点在世界坐标系中的位置单位mm，

spacing表示每个像素的实际距离间隔，单位也是mm

所以结节中心坐标减去origin再除以spacing，就是对应像素在图像坐标系中的位置。

// 世界坐标转换到图像中的坐标
def worldToVoxelCoord(worldCoord, origin, spacing):
    stretchedVoxelCoord = np.absolute(worldCoord - origin)
    voxelCoord = stretchedVoxelCoord / spacing
    return voxelCoord

不过ITK-SNAP软件中，图像坐标（1,1,1）对应世界坐标（0,0,0），也就是说多了一个坐标，这个注意一下就行了，其实影响不大。

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ITK-SNAP工具使用

工欲善其事，必先利其器

目前我比较常用的医学图像处理软件，就是ITK-SNP，可以处理常见的DICOM、MHD等等。该软件在网上也很容易下载到。

基本功能

下面就简单介绍一下 ITK-SNP的常用功能，

软件打开界面如下，不过我一般常用的是，直接将文件拖到软件上打开。

这里我打开一套数据，为展示一下基本的功能。打开后软件，不断地尝试一下，就知道的差不多了。

那怎么显示标签图呢？也很简单，直接将“标签图文件”拖到“已经显示的原图”上，会出现一个弹窗，选择"Load as Segmentation"即可。ITK-SNAP不仅可以显示标签图，可以修改标签图，添加标签图等等。

打开Tool -> Layer Inspector,这里也有一些常用的功能，如调整对比度，查看基本信息等。

这里又出现了一些新的概念。

调整对比度

为什么要调整对比度呢？

因为当我们打开一套数据时，整幅CT图像中所包含的信息可能过多，当需要观察某种部位时，可以调节对比度来显示局部细节。

对比度的调整，实际上是窗宽（Window Width）和窗位（Window Level）的调整。通过调整窗宽窗位将要显示的数据，控制在某一像素值区间范围内。如我将窗宽设置为1000，窗位设置为500，其显示的是[0, 1000]的CT值，这样骨头就被很好地显示出来了，如下图所示。

窗宽窗位是怎么计算显示的CT值区间[Minimum, Maximun]的呢？

• Minimum： 窗宽 - （窗位 / 2）
• Maximum：窗宽 + (窗位 / 2)

通过调整窗宽窗位，不仅可以让我们人眼看的更清楚。在我们训练网络时，当研究对象是某一特定组织时，那么调整到一个合适的窗宽窗位，让该组织显示地更加明显、边界分明，对网络训练也有很大的帮助。

不过一些常见的器官组织，如骨头、血管、肺部等，网上都可以搜到窗宽窗位对应的设置值。

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重采样

概念

在医疗图像中，重采样是指将医疗图像中大小不同的体素归一化到相同的大小。体素是体积元素(Volume Pixel)的简称，一张3D医疗图像可以看成是由若干个体素构成的。说的通俗点，就是将每套图像的spacing调整到一致大小。

在上文我们也简单提到过体素的概念。不妨试着这样理解，在图像坐标体系中，每个像素中间都隔着spcing大小的间距，那如果将每个spacing / 2 分到其两侧的像素上，这样每个像素在其x,y,z三个方向上，均会分到 spacing / 2大小的空间，从而像素不在是一个点，而是一个边长为{spacing[x], spcing[y], spcing[z]}的小长方体，这就是体素。（spacing本身是含有三个元素的，分别在x,y,z上）

顺着这个思路继续走，那是不是知道了spacing，我们就可以求出图像的物理大小了（实际大小），很显然，实际大小 = 图像分辨率(DimSize) 乘 Spacing。

如上文展示的一个mhd文件的信息，

ElementSpacing = 0.58593799999999996 0.58593799999999996 0.80000000000000004
DimSize = 512 512 425

那么该图像的实际大小为DimSize * ElementSpacing，(对应位置相乘即可)。

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ok，让我们再回到重采样这里，不禁要问一声，为什么要重采样呢？

我不重采样，不是也可以训练吗，还是一样可以用图像坐标系的坐标训练。这样当然是不行的，因为spacing大小不一致，而网络的CNN又无法理解体素间距，就会导致学习效果很差。举个例子，假如我们有100套数据，每一套数据的spacing都不相同，甚至差别很大，但是呢在网络眼里都是统一的图像坐标系，即两个像素点之间距离是相等，试问如果不重采样的话，怎么能学习好呢？

重采样，即将spacing调整到一致大小。

图像的实际大小是不会变化，当spcing改变时，图像分辨率（size）必然也会发生改变。那么，自然会想到，当spacing变大时，图像分辨率会变小；当spacing减小时，图像分辨率会变大。当分辨率变大时，又会出现另一个问题了，这多出来的部分，怎么添加上去呢？对，插值。

插值就会涉及到一些插入算法的选择，如近邻插值、线性插值等，不过这些在Python的SimpleITK库中已经写好了，直接调用即可。

好啦，这块内容差不多到这里了，下面给出.mhd文件重采样的代码。

def img_resmaple(ori_img_file, target_img_file, new_spacing, resamplemethod=sitk.sitkNearestNeighbor):
    """
        @param ori_img_file: 原始的itk图像路径，一般为.mhd
        @param target_img_file: 保存路径
        @param new_spacing: 目标重采样的spacing，如[0.585938, 0.585938, 0.4]
        @param resamplemethod: itk插值⽅法: sitk.sitkLinear-线性、sitk.sitkNearestNeighbor-最近邻、sitk.sitkBSpline等，SimpleITK源码中会有各种插值的方法，直接复制调用即可
    """
    data = sitk.ReadImage(ori_img_file) # 根据路径读取mhd文件
    original_spacing = data.GetSpacing() # 获取图像重采样前的spacing
    original_size = data.GetSize() # 获取图像重采样前的分辨率

    # 有原始图像size和spacing得到真实图像大小，用其除以新的spacing,得到变化后新的size
    new_shape = [
        int(np.round(original_spacing[0] * original_size[0] / new_spacing[0])),
        int(np.round(original_spacing[1] * original_size[1] / new_spacing[1])),
        int(np.round(original_spacing[2] * original_size[2] / new_spacing[2])),
    ]
    print("处理后新的分辨率:{}".format(new_shape))

    # 重采样构造器
    resample = sitk.ResampleImageFilter()

    resample.SetOutputSpacing(new_spacing) # 设置新的spacing
    resample.SetOutputOrigin(data.GetOrigin()) # 原点坐标没有变，所以还用之前的就可以了
    resample.SetOutputDirection(data.GetDirection())  # 方向也未变
    resample.SetSize(new_shape)  # 分辨率发生改变
    resample.SetInterpolator(resamplemethod) # 插值算法
    data = resample.Execute(data) # 执行操作
    
    sitk.WriteImage(data, target_img_file) # 将处理后的数据，保存到一个新的mhdw文件中

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项目思路

医学图像处理的项目也有很多类型，如插值、分割、生成等等。每种项目处理的步骤可能也有些不同，所以下面只是列一些注意点，算作一个小提醒吧。

• 熟悉研究部位的结构，观察数据的标签是否准确
• 观察数据的原点、间距、方向等是否一致，是否需要重采样
• 针对研究部位，调整到合适的窗宽窗位
• 由于图像本身CT值都很大，训练网络前需归一化
• 训练网络、优化等

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总结

行笔于此，文已将尽。

本人也是刚学不久，文中存在的问题，还希望各位同仁多多指教。