2.monai——transform数据处理

monai——transform变换

本文对于已有数据进行monai中transform的使用，若无数据，可以下载医学全能十项的数据来用

1.数据准备

上文提到的加载数据，可以加载自己的，也可用monai下载方法进行下载，若有自己数据，忽略。

resource = "https://msd-for-monai.s3-us-west-2.amazonaws.com/Task09_Spleen.tar"
md5 = "410d4a301da4e5b2f6f86ec3ddba524e"

# root_dir: 存储地址
root_dir = '.data/'
compressed_file = os.path.join(root_dir, "Task09_Spleen.tar")
data_dir = os.path.join(root_dir, "Task09_Spleen")
if not os.path.exists(data_dir):
    download_and_extract(resource, compressed_file, root_dir, md5)

有数据后，先把image和label的地址加载到data_dict中，便于后续做处理。

import glob
import os
data_dir = '/home/qiaoqiang/nnUNetFrame/DATASET/nnUNet_raw/nnUNet_raw_data/Task012_Naoxue_t2/'

train_images = sorted(glob.glob(os.path.join(data_dir,"imagesTr","*.nii.gz")))
train_labels = sorted(glob.glob(os.path.join(data_dir,"labelsTr","*.nii.gz")))

data_dict = [
    {'image': image, 'label': label}
    for image, label in zip(train_images, train_labels)]

train_data_dicts ,val_data_dicts = data_dict[:-9] ,  data_dict[-9:]
print(train_data_dicts[0])

{'image': '/home/qiaoqiang/nnUNetFrame/DATASET/nnUNet_raw/nnUNet_raw_data/Task012_Naoxue_t2/imagesTr/002chenxiaojiao_t2_0000.nii.gz',

'label': '/home/qiaoqiang/nnUNetFrame/DATASET/nnUNet_raw/nnUNet_raw_data/Task012_Naoxue_t2/labelsTr/002chenxiaojiao_t2.nii.gz'}

2.加载NIfTI 格式的文件【 LoadImage/ LoadImaged】

例如，LoadImage类是底层Nibabel映像加载器的简单可调用包装器。在使用一些必要的系统参数构造加载程序之后，使用NIfTI文件名调用加载程序实例将返回图像数据数组以及元数据，例如仿射信息和体素大小。简单说就是，如果是nii.gz格式的文件，调用LoadImage，它会自动调用Nibabel来打开数据。在python中，nii.gz一般都是通过Nibabel来打开的。

LoadImage/ LoadImaged在使用时会有细小的差别，通过举例来说明。

如果变换不在Compose中组合用，需要实例化对象。

from monai.transforms import LoadImage  
import numpy as np  
loader = LoadImage(dtype=np.float32)  # 实例化  
image, metadata = loader(train_data_dicts[0]["image"])    # 把image的地址传给loader  
print(f"input: {train_data_dicts[0]['image']}")  
print(f"image shape: {image.shape}")  
print(f"image affine:\n{metadata['affine']}")  
print(f"image pixdim:\n{metadata['pixdim']}")

2.1 LoadImage

LoadImage会加载元数据，那么元数据中有哪些信息呢？

使用metadata.keys()来查看其中的内容，内容如下，看不清图看文字，其中信息pixdim是体素大小，还有维度信息dim_info、空间形状spatial_shape、图像文件路径filename_or_obj

dict_keys(['sizeof_hdr', 'extents', 'session_error', 'dim_info', 'dim', 'intent_p1', 'intent_p2', 'intent_p3', 'intent_code', 'datatype', 'bitpix', 'slice_start', 'pixdim', 'vox_offset', 'scl_slope', 'scl_inter', 'slice_end', 'slice_code', 'xyzt_units', 'cal_max', 'cal_min', 'slice_duration', 'toffset', 'glmax', 'glmin', 'qform_code', 'sform_code', 'quatern_b', 'quatern_c', 'quatern_d', 'qoffset_x', 'qoffset_y', 'qoffset_z', 'srow_x', 'srow_y', 'srow_z', affine, original_affine, 'as_closest_canonical', spatial_shape, space, original_channel_dim, 'filename_or_obj'])

如果不需要metadata的话，可以这样加载

loader = LoadImage(image_only=True, dtype=np.float32) # 表示只需要图像值
image = loader(train_data_dicts[0]["image"]) 

2.2 LoadImaged

需要注意在字典中加载/处理数据，需要指定作用对象，参数”keys“是你在data_dicts中设置的keys。表示要对image做变换还是label做变换。如果都做，就都写。比如

keys=[“image”, “label”], keys = ‘image’, keys = ‘label’

loader = LoadImaged(keys=("image", "label"))
data_dict = loader(train_data_dicts[0])
print(f"input:, {train_data_dicts[0]}")
print(f"image shape: {data_dict['image'].shape}")
print(f"label shape: {data_dict['label'].shape}")
print(f"image pixdim:\n{data_dict['image_meta_dict']['pixdim']}")

3.添加通道 [EnsureChannelFirstd]

使用monai的模型时，默认是通道优先的格式。要求数据尺寸为：[num_channels, spatial_dim_1, spatial_dim_2, … ,spatial_dim_n]。如上，我们的数据尺寸为[640, 640, 24], 需要在前面一维通道。变成[1,640, 640, 24]，新版本使用EnsureChannelFirstd代替之前的AddChanneld，可以添加维度，并且将通道数置于首位。

from monai.transforms import EnsureChannelFirstd
add_channel_first = EnsureChannelFirstd(keys=("image", "label"))
data_dict_addc = add_channel_first(data_dict)
print(f"AddChanneld after image shape: {data_dict_addc['image'].shape}")

输出结果

AddChanneld after image shape: (1, 640, 640, 24)

需要注意的是：改变换应该用在加载数据LoadImaged后面。

4.强度变换 [NormalizeIntensityd / ScaleIntensityRanged]

这两种都是对图像值强度进行变换的，像CT和MRI的值都是从-1000—+3000多的不等，通常需要进行归一化，查看目前第一个数据的强度值范围

print(data_dict_addc['image'].max())
print(data_dict_addc['image'].min())

可以发现是从0-2170的，所以需要进行强度归一化

4.1 NormalizeIntensityd

因为一般用基于字典的数据处理，但我们先看基于数组的，他的介绍比较详细

该函数使用的归一化方法是 img-subtrahend/divisor

参 数 介 绍

subtrahend：被减数， 可以自己指定，默认为整个图像的均值。

divisor： 除数， 可以自己指定，默认为整个图像的方差。

nonzero： 布尔值。等于True,表示只对图像的非0区域做归一化。

channel_wise： 布尔值。为True, 表示在每个通道上进行计算均值和方差，若为False，则在整个图像上计算均值和方差，当不指定subtrahend和divisor，默认为False

接下来是 NormalizeIntensityd，对于字典中图像和标签都可以进行处理，但是因为标签就是1 2 3 这些数，不需要处理，仅对图像进行处理即可

from monai.transforms import NormalizeIntensityd
import numpy as np
norm = NormalizeIntensityd(keys='image', nonzero=False, dtype=np.float32)
data_dict_addc_norm = norm(data_dict_addc)

print(data_dict_addc_norm['image'].max())
print(data_dict_addc_norm['image'].min())

结果为

4.2 ScaleIntensityRanged

ScaleIntensityRanged和NormalizeIntensityd不同之处在于， ScaleIntensityRanged可以指定把哪些范围值缩放到那个区间。比如对于脾脏分割中感兴趣的CT值范围（假设在-300到300之间），而骨头等高强度信号（大于2000），如果直接归一化后，脾脏内部的值范围就很小，差异也就不明显，我们就可以仅把[-300，300]强度归一化到[0,1]，而此外的强度值都变为0，很多论文都是这样处理，所以可以借鉴。

参 数 介 绍

a_min：float，强度原始范围最小值。可以理解为需要被归一化的最小值，如我们这个例子中的-300(需要写成小数，-300.0)

a_max： float， 强度原始范围最大值。可以理解为需要被归一化的最大值，如我们这个例子中的300(需要写成小数，300.0)

b_min： float, 强度目标范围最小值。可以理解为归一化后的最小值，通常设置为0.0

b_max： float, 强度目标范围最大值。可以理解为归一化后的最大值，通常设置为1.0

clip： 布尔值。设置为True, 才会把[-300,+300]之外的值都设置为0.通常为True

示例演示：

scale = ScaleIntensityRanged(keys='image', a_min=0.0, a_max=600.0, b_min=0.0, b_max=1.0, clip=True)
 
# 由于上面我们把datac_dict归一化了，因此，我们要重新制造一个datac_dict
data_dict = loader(train_data_dicts[2])
datac_dict = add_channel(data_dict)
data_scale = scale(datac_dict)
 
print('original max value', datac_dict['image'].max())
print('original min value', datac_dict['image'].min())
print('target max value', data_scale['image'].max())
print('target min value', data_scale['image'].min())

变换后图像为

5.空间变换 [Rotate90d / Resized]

5.1 RandRotate90d

输入数组在由spatial_axes指定的平面中旋转90度

参 数 介 绍

prob: float, 旋转的概率，默认为0.1， 也就是10%的概率被旋转

max_k: int, 旋转90度的次数，默认为3

spatial_axes: 元组（int，int)。指定围绕哪个面旋转，默认为（0，1），即按前两个轴旋转。

from monai.transforms import RandRotate90d
rotate = RandRotate90d(keys=['image', 'label'], prob=0.5, max_k=1, spatial_axes=(2,1))
data_rotate = rotate(data_scale)
print(data_rotate['image'].shape)
print(data_rotate['label'].shape)

结果将 图像的y维度和z维度换了一下，结果如下：

(1, 512, 24, 512) (1, 512, 24, 512)

在分割任务中，如果使用旋转，尤其是随机旋转的时候一定要注意，image和label应当一同旋转，并且旋转方式要一模一样。​

5.2 Resized

spatial_size: 序列[int, int,], 期大小调整操作之后的空间尺寸的形状

size_mode： 应该是"all "或"longest “，如果” all “，将使用spatial_size对所有的空间维度处理，如果” longest "，重新缩放图像，使只有最长的边等于指定的spatial_size，在这种情况下，spatial_size必须是一个int数，保持初始图像的纵横比。

mode: resize使用的插值方式，默认为”area“可以选择"nearest", "linear", "bilinear", "bicubic", "trilinear"

from monai.transforms import Resized
resize = Resized(keys=['image', 'label'], spatial_size=(256, 256, 256))
data_resize = resize(data_rotate)
print(data_resize['image'].shape)

import matplotlib.pyplot as plt
plt.figure("image", (18, 6))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.title("image")
plt.imshow(data_resize['image'][0, :, :, 100].detach().cpu(), cmap="gray")
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.title("label")
plt.imshow(data_resize['label'][0, :, :,100].detach().cpu())
plt.show()

输出结果为：

(1, 256, 256, 256)

6.裁剪

【SpatialCropd, CenterSpatialCropd, CropForegroundd, RandCropByPosNegLabeld】

对于CT或者MRI图像来讲，图像是非常大的，又是一个三维图像，不可能全部输入网络中训练。要么把图像直接Resize到固定的尺寸，要么就是裁剪图像。monai提供了非常多的裁剪模式，包括中心裁剪，前景裁剪和随机裁剪等等，同时图像不够大的话，也可以进行填充。本文介绍几种经常用到的裁剪方式。

注意事项，这些裁剪方式都要求数据格式为通道优先格式（必须有通道维度），也就是说要放在EnsureChannelFirstd后面使用

6.1 SpatialCropd

这个函数是根据提供的空间中心和大小裁剪图像，或者，如果未提供中心和大小，则必须提供ROI的开始和结束坐标来裁剪图像。

参 数 介 绍

roi_center: int, ROI的中心体素坐标，如果是二维图像，则坐标是（x, y）, 如果是三维，则坐标是（x, y, z）

roi_size: int, ROI的大小。很好理解，有了中心，再加上大小就可以裁减ROI了

roi_start / roi_end, int, 如果不提供上述两个参数，还可以自己指定ROI的开始结束坐标

from monai.transforms import LoadImaged,EnsureChannelFirstd,SpatialCropD
import numpy as np

loader = LoadImaged(keys=["image", "label"], dtype=np.float32)
add_channel = EnsureChannelFirstd(keys=["image", "label"])
# 重新加载一个图像
data_dict = loader(data_dicts[4])
print(data_dict['image'].shape)
datac_dict = add_channel(data_dict)  # (1, 512, 512, 23)

crop0 = SpatialCropD(keys=["image", "label"], roi_center=(256, 256, 11), roi_size=(256, 256, 11))
# # 中心坐标为图像的中点(256,256,11)， 大小也是(256,256,11)
#
data_crop = crop0(datac_dict)
print(data_crop['image'].shape)  # (1, 256, 256, 11)

从中心进行裁剪，将原图的23个z切片裁剪为11个，周围的12个裁没了，两边目前只剩11个，原图的前六张和后六张被裁没了，原图数组第6个（实际第七个）对应当前数组第0个（实际第1个），因为下标从0开始，所以原图的第12张切片，对应目前的第6张；原图的第13张，对于目前的第7张切片，如图展示了裁剪后的第7张图像

按中心裁剪比较复杂，而对于要得到边缘部分的数据，不太方便，可以手动输入起始点坐标

crop1 = SpatialCropD(keys=["image", "label"], roi_start=(128,128,20), roi_end=(480,480,23))
data_crop = crop1(datac_dict)
print(data_crop['image'].shape)  # (1, 256, 256, 20)

image, label = datac_dict["image"][0], datac_dict["label"][0]
imagecrop, labelcrop = data_crop["image"][0], data_crop["label"][0]
plt.figure("visualize", (8, 8))
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.title("image")
plt.imshow(image[:, :, 20], cmap="gray")
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.title("label")
plt.imshow(label[:, :, 20])
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.title("croped image")
plt.imshow(imagecrop[:, :, 0], cmap="gray")
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.title("croped label")
plt.imshow(labelcrop[:, :, 0])
plt.show()

其实后面的各种裁剪都是会在内部调用SpatialCropd的，只是坐标的获取方式不一样。

6.2 CenterSpatialCropd

这种裁剪方式，只需要提到ROI大小，会自动找到中心给你裁剪，不需要像SpatialCropd中手动提供中心坐标。

from monai.transforms import CenterSpatialCropd
crop2 = CenterSpatialCropd(keys=['image', 'label'], roi_size=(256,256,20))
data_crop = crop2(datac_dict)
print(data_crop['image'].shape)  # (1, 256, 256, 20)

6.3 CropForegroundd

使用边框裁剪图像。通过在使用select_fn选择前景来生成边界框。在边框的每个空间尺寸中添加边距。如果整个医学图像中的有效部分很小，通常用于帮助训练和验证。

简单讲，可以自己定义裁剪的方式，比如按图像值>0的裁剪，按 label 中>0的裁剪等等。反正找出图像中有效的部分用于训练。

注意：CropForegroundd和CropForeground会有些区别，CropForeground不会有label，所以不可能按label的值去选择图像。所以分割的话，建议用字典形式，就可以裁剪出有阳性值的部分。

参数量比较多，举出常见的几个参数

source_key： str, 按image还是label裁剪图像.这里的key, 就是keys=[‘image’, ‘label’]中的key。

select_fn: 按照什么原则选择前景。默认为选择大于0的值作为前景。比如，如果source_key=“image”, 则选择的是image>0的部分作为前景

channel_indices: 选择特定的通道

margin: int, 边缘填充的个数。通常用原来的值进行填充。默认为0，则不填充。

start_coord_key/end_coord_key：str, 应该是记录获取到的前景空间边界框的起始/结束坐标值

举个例子，直接裁剪得到图片中大于等于1区域的部分

from monai.transforms import CropForeground
import numpy as np
image = np.array(
    [[[0, 0, 0, 0, 0],
      [0, 1, 2, 1, 0],
      [0, 1, 3, 2, 0],
      [0, 1, 2, 1, 0],
      [0, 0, 0, 0, 0]]])  # 1x5x5, single channel 5x5 image
cropper = CropForeground(select_fn=lambda x: x >= 1, margin=0, return_coords=False)
print(cropper(image))

我们可以使用margin来对结果进行padding，进行边缘扩充

对真实图像进行操作，对图像大于300像素的值进行裁剪

from monai.transforms import CropForegroundd

crop3 = CropForegroundd(keys=['image', 'label'], source_key='image', select_fn=lambda x: x > 300, margin=2)
# 裁剪原则为： image中大于300的像素点，边缘扩充2个像素点
data_crop = crop3(datac_dict)
print(data_crop['image'].shape)  # (1, 369, 422, 23)

观察到这种方法，边缘还是有像素值为0的，没有裁剪掉，我们可以裁剪label中大于0的像素点，并扩充2个像素点

crop3 = CropForegroundd(keys=['image', 'label'], source_key='label', select_fn=lambda x: x > 0, margin=2)
# 裁剪原则为： label中大于0的像素点，边缘扩充2个像素点
data_crop = crop3(datac_dict)
print(data_crop['image'].shape)  # (1, 123, 116, 11)

结果很明显，将标签ROI部分变得很大，可以看出，使用了label来裁剪图像，可以精准定位目标。

6.4 RandCropByPosNegLabeld

按阴性阳性比裁剪

如果你一幅图像很大，需要裁剪成多个子图，那这个方法就再合适不过了。像是腹部CT这种很大的三维图像，通常都会使用这个方法，按照阴性阳性比裁剪成4个子图。

参 数 介 绍

label_key: str, 又是一个需要提供key的参数。代表label的键（我们的例子中就是"label"），用于查找前景和背景

spatial_size: [int, int], ROI的大小

pos: float, 与neg一起用于计算将前景体素而不是背景体素选为中心的概率的比率. 选中阳性值的概率为：pos / (pos + neg)

neg: float, 与pos同理。

num_samples: int, 返回多少个子图

image_key: str, 如果提供了image key， 就会使用label==0, 并且image>image_threshold (阈值)的部分作为阴性样本，所以裁剪中心将仅存在于有效图像区域上。

image_threshold: float, 如果使用了image_key， 则提供阈值

fd_indices_key: str, 根据提供的前景索引来裁剪图像，将忽略image_key和 image_threshold

bg_indices_key：str, 需要同fd_indices_key一起提供。典型的是通过FgBgToIndicesd获取索引并缓存结果。

从原图像中裁剪4个大小为(256,256,10)的子图，并且阳性比率为1/2

crop4 = RandCropByPosNegLabeld(keys=["image", "label"], label_key='label', spatial_size=(256, 256, 10),
                               pos=1.0, neg=1.0, num_samples=4, image_key='image', image_threshold=200.0)
data_crop = crop4(datac_dict)

print(f'there are {len(data_crop)} croped images')
print('the croped image shape is ', {data_crop[0]['image'].shape})  # 这里返回了4幅图像，所以需要索引

从图中可以看出，通过label来裁剪图像，每幅图像的差异不是很大。想要阳性更多，加大阳性的比例，想要阴性更多，加大阴性的比例，其中阳性比率指的是前景体素选为中心的概率的比率

7.填充

7.1 SpatialPadd

参 数 介 绍

spatial_size: [int, int], 填充后的空间大小

method: str, 填充的方法， 有两种。“symmetric”(对称填充)（默认方式）， “end”(仅在末端填充)

mode: str， 填充值的获取方式，如"constant"（填充0, “edge”(用边缘值填充)，

用填充0来演示

from monai.transforms import SpatialPadD

pad = SpatialPadD(keys=["image", "label"], spatial_size=(512, 512, 32), method='symmetric', mode='constant')
data_pad = pad(data_crop[2])  # 把刚才裁剪的图像放大
print(data_pad['image'].shape)  # (1, 512, 512, 32)
# 看边缘填充的什么
print(data_pad['image'][0, 0, 0, 0])  # 填充的是0

image, label = data_crop[2]["image"][0], data_crop[2]["label"][0]
imagepad, labelpad = data_pad["image"][0], data_pad["label"][0]
plt.figure("visualize", (8, 8))
plt.subplot(2, 2, 1)
plt.title("image")
plt.imshow(image[:, :, 16], cmap="gray")
plt.subplot(2, 2, 2)
plt.title("label")
plt.imshow(label[:, :, 16])
plt.subplot(2, 2, 3)
plt.title("pad image")
plt.imshow(imagepad[:, :, 20], cmap="gray")
plt.subplot(2, 2, 4)
plt.title("pad label")
plt.imshow(labelpad[:, :, 20])
plt.show()

查看结果

填充边缘

pad = SpatialPadD(keys=["image", "label"], spatial_size=(512, 512, 32), method='symmetric', mode='edge')

这种边缘填充方式适合于放大的小一点的情况，如果太大，就会出现这种情况。transform中还有很多其他方式，比如：放射变换(RandAffined)，方向变换(Orientationd)，分辨率变换(Spacingd)，高斯模糊（RandGuassianNoised）等…

参考内容

1. Monai文档：https://docs.monai.io/en/latest/transforms.html
2. Tina姐博客：https://blog.csdn.net/BXD1314/article/details/119929011