基本信息
- 项目名称：
- 基于弹性配准的交互式医学图像标注系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目需求来自中山大学肿瘤防治中心，针对医院鼻咽癌调强放疗新技术，利用图像配准、增强等技术，实现了一个三维医学图像的交互式分割、配准与标注系统。该系统能够在临床上辅助医生进行阅片和诊断，帮助医生减轻工作量，提高工作效率，提高标注准确率，帮助医生拯救更多病人的生命。
- 详细介绍：
- 近年来，医学成像技术发展迅速，各种医学影像得到了广泛的应用，一方面帮助医生进行医学诊断，提高了疾病诊断的准确率；另一方面，所产生的医学图像数量也在大幅度增长，给医生的工作带来了巨大的挑战。 随着各种医学影像技术的不断普及，纯手工的医学图像标注显然已经无法应对呈几何级数增长的医学图像。病人每次进行扫描之后，都会产生大量的切片图像，医生必须检阅这些图像，对其进行标注，进而从切片图像中直观地获取医疗信息、对比治疗前后的病情。大量的重复的标注工作，不但需要大量人力，而且这种烦躁的人为工作，无法避免出现误差甚至错误。 中山大学肿瘤防治中心是国内规模最大、学术力量最雄厚的肿瘤学医教研基地之一，是亚洲最大的放疗中心，在进行放疗和化疗的过程中，医生需要多次对靶区和器官进行分割和标注，而先进的医学仪器也无法减轻指数级的工作量，实现高准确率的自动标注，因此，中山大学肿瘤防治中心的医生急切地希望我们能够帮助他们找到一种既能减少医生工作量，又能提高标注准确率的解决方案。 为了对医学图像标注有直观的了解，我们来到中山大学肿瘤防治中心进行调研，调研过程中我们了解到了医生对肿瘤患者进行放疗和化疗的过程，通过观察，我们发现，在治疗过程中，医生需要多次对靶区进行分割与标注，从而对病人进行放疗和化疗。由此可见，在治疗过程中分割与标注的准确度直接影响治疗效果，从而影响着肿瘤患者的存活率，解决医学图像标注问题中遇到的问题迫在眉睫。 通过进行一系列的调研和对医学图像标注信息的研究，我们明确了系统的开发目的： 1) 能够帮助医生自动分割出器官或可疑的肿瘤 2) 能够在放疗后的图像中自动找出放疗前图像中所标注的区域，自动映射标注线。 3) 医生能够结合经验对自动标注进行交互式修改 4) 对医学图谱进行三维重建，实现三维模式下的交互式操作 5) 采用图像增强的方式，对医学图像进行分层显示等操作，增大图像可读性。 6) 能够切实解决中山大学附属肿瘤防治中心医生亟待解决的问题，减少工作量，提高分割与标注准确度，改善治疗效果。 根据开发目的，我们利用图像配准、增强等技术，实现了一个三维医学图像的交互式分割、配准与标注系统。该系统实现了以下功能：导入图像、图像查看与编辑、三维重建、图像增强、人工标注、交互式分割、交互式配准、交互式标注和导出图像。系统推广后能够在临床上辅助医生进行阅片和诊断，帮助医生减轻工作量，提高工作效率，提高标注准确率，帮助医生拯救更多病人的生命。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1．基本思路 我们在中山大学肿瘤防治中心调研了解到医生对肿瘤患者进行放疗和化疗的过程中，需要多次对靶区进行分割与标注，从而对病人进行放疗和化疗。由此可见，在治疗过程中分割与标注的准确度直接影响治疗效果，从而影响着肿瘤患者的存活率。 2. 开发目的 1)帮助医生自动分割出器官或可疑的肿瘤 2)在放疗后的图像中自动找出放疗前图像中所标注的区域，自动映射标注线。 3)医生能结合经验对自动标注进行交互式修改 4)对医学图谱进行三维重建，实现三维模式下的交互式操作 5)采用图像增强的方式，对医学图像进行分层显示等操作，增大图像可读性。 6)切实解决中山大学附属肿瘤防治中心医生亟待解决的问题，减少工作量，提高分割与标注准确度，改善治疗效果。 3. 系统关键技术 1)医学图像弹性配准技术 A.多模态配准 B.单模态配准 C.图谱配准 2)医学图像三维重建与可视化技术 A. 面绘制技术 B. 体绘制技术 3)医学图像增强技术 A.高动态显示技术 B.高动态图像分层显示 C.高动态图像局部的分层显示 D.高动态图像等距及非等距量化显示 4. 项目创新点 1）建立了鼻咽癌CT图谱数据库，结合统计学信息，实现了自动分割和标注 2）利用弹性配准技术对病灶进行跟踪，实现了交互式标注，提高工作效率 3）建立了弹性配准的评价框架，为今后的工作提供验证平台 4）医学图谱三维重建，实现可视化操作 5) 医学图像增强，使图像更多细节信息提高可见度
科学性、先进性
- 1.技术特点和优势 本项目采用C++程序语言编写，易于开发，且程序模块化，要点清晰，易于移植，执行效率高。 本系统实现的针对医学图像的单模态弹性配准技术在国内仍属先例。此技术在医学图像上的应用，能够加快医生标注图像的速度，同时免去医生大量重复性的工作，提高医生阅片和诊断的效率。医学图谱的三维重建技术，通过将CT图像进行三维重建，使医生更加直观地看到病人病变器官和情况，更准确地进行治疗，解决以往的医学图像处理系统不直观、不准确等问题。 2.实用价值 系统可直接应用于临床诊断，在医生临床阅片及标注时提供实际帮助，一方面减轻医生工作量，提高工作效率，另一方面，提高医生阅片和诊断准确率，帮助医生拯救更多病人的生命。 3.系统优越性 1)医学图像弹性配准属国内先例 2)医学图谱三维重建显示、操作更直观 3)交互式标注优化医学图像标注过程和结果 4)医学图像增强，使图像更多细节信息提高可见度 5)操作界面友好避免操作错误影响进度 6)异常恢复机制防备异常中断造成数据丢失
获奖情况及鉴定结果
- 2010-10 中山大学实验室开放基金项目 2010-12 国家创新性实验计划立项项目 2011-1 “挑战杯”大学生课外学术科技作品大赛中山大学校赛二等奖 2011-5 “挑战杯”打学生课外学术科技作品大赛广东省赛三等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 磁盘 现场演示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.技术特点和优势 本系统针对医学图像的单模态弹性配准技术在国内仍属先例。此技术在医学图像上的应用能够加快医生标注图像的速度，同时免去医生大量重复性工作，提高医生阅片和诊断效率。医学图谱的三维重建技术使医生更加直观地看到病人病变情况，更准确地进行治疗，解决以往医学图像处理系统的各种问题。 2.范围和前景 A.使用范围广泛，算法具有通用性 B.以医生的实际需求为基础设计，准确而高效地分析、配准和标注能够确实解决医生在标注过程中遇到的工作量大、准确率低等问题。 C.系统实用性强，可直接用于临床诊断中，切实解决医生在工作中实际遇到的问题。 D.充分考虑到了可遇的不确定因素，遇到异常情况时及时弹出信息以提醒用户进行正确的操作，排除异常操作带来的不便，充分实现功能健壮性。 3.市场分析和经济效益预测 本系统为医学图像处理系统，推广至各大医学图像研究基地、医疗中心使用，辅助医生进行分析、配准、标注医学图像。系统实用性强，可直接用于临床诊断，市场范围广，能普遍为有需求的医院所使用。
同类课题研究水平概述
- 1.图像配准技术研究 图像配准可以分为刚性配准和弹性配准两大类：待配准的两幅图像中，如果一幅图像的直线仍然对应着另一幅图像的直线，则这两幅图像之间的变换成为刚性变换，它又可以细分为相似性变换、仿射变换、投影变换，对这两幅图像的配准称为刚性配准；而如果一幅图像中存在着直线对应着另一幅图像的曲线，即发生了不规则形变，则成为弹性变换，与之相对应的配准叫做弹性配准。 刚性配准技术的研究目前已经相对成熟，而弹性配准方法也在某些方面得到了一定的应用。在医学图像处理领域中，国内还未出现使用弹性配准技术进行图像配准的系统，而对于本项目所研究的医学图像问题，由于病人前后拍摄的图像中，器官、肿瘤可能已经发生了不规则变形，故应该采用弹性配准算法，而刚性配准我们将会用于作两幅图像的预处理，达到加快弹性配准的目的。 目前已有的弹性配准的算法很多，比较流行的有光流法、限元方法、基于引力的变形模型、扩散模型等等，其中扩散模型被应用于单模态弹性配准中。 2. 交互式标注的研究 在目前已有的医学图像处理系统中，还未实现配准后自动标注功能，医生在对医学图像中的肿瘤、靶区和器官等标注时，仍需人工进行重复性的操作，不仅工作量大，标注的准确率也不高。本项目研究的基于弹性配准的交互式标注，一方面能够实现弹性配准下的自动标注，另一方面也允许医生对标注线进行交互式的调整。 3．三维重建技术研究 目前国内已有三维重建技术的研究基础，但将三维重建技术整合到医学图像处理系统还未实现。本项目基于鼻咽癌CT图谱库进行三维重建，将三维重建应用到医学图像处理系统中，同时对重建出的三维模型进行已有的系统功能，实现更直观，更准确的医学图像处理。 4. 图像增强技术研究 在图像处理领域中，图像增强技术的研究已经相当成熟。对于高动态显示，也有完整的理论支持。但经过调查和使用，国内外开源医学图像的软件，目前均无高动态图的显示功能。本项目将图像领域中高动态图像应用到了医学系统中。
