超聲分子影像聲像圖的定量分析對臨床診療與研究具有重要意義。該文基于 Visual Studio 開發平臺、C# 語言設計了一套超聲分子影像聲像圖感興趣區域定量分析軟件，可完成對超聲圖像的縮放處理、矩形及任意形狀的感興趣區域的截取、標記的保存與加載、灰度值定量分析等。該文詳述了軟件的功能并進行測試驗證，證明了軟件能對常規超聲圖像與超聲造影圖像進行對比定量分析，可為超聲分子影像聲像圖灰度值定量分析的相關研究提供依據。
引用本文： 張勇, 徐金順, 魯曉, 羅燕. 基于感興趣區域超聲分子影像聲像圖定量分析軟件的設計及應用. 華西醫學, 2022, 37(11): 1749-1754. doi: 10.7507/1002-0179.202008112 復制
近年來，醫學影像技術飛速發展，廣泛應用于醫療診斷、術前規劃、術中引導、術后監測等環節。其中，分子影像作為醫學影像技術的前沿領域，已成為現代醫學中發展最快的學科之一。目前超聲分子影像研究的儀器廠家眾多，但往往只注重圖像的增強處理，尚無對聲像圖進行定量分析的軟件，這限制了超聲分子影像的臨床研究與應用。圖像中感興趣區域（region of interest，ROI）灰度值的定量分析，對探索活體組織分子和細胞水平的生物學信息具有重要價值。近年來出現的圖像 ROI 提取、分割、算法處理方法眾多，多用于對 ROI 圖像進行增強顯示、特征提取與分析等[1-6]。同時，隨著計算機輔助診斷、人工智能、機器學習等新技術在醫學的廣泛引用[7-9]，ROI 分割及提取是其中重要一環，ROI 的提取能大大提升后續的數字圖像處理效率[10-11]。
超聲圖像灰度值的數值大小直接反映回聲強度的強弱，回聲強度越強，值越大，反之則越小。ROI 的灰度值分析是臨床診斷的重要指標[12-14]。此外，由于超聲造影劑可產生諧波，超聲儀器可同時獲取普通灰度圖像和造影增強圖像。如果能實現對灰度圖像和造影增強圖像進行對比分析，將能對疾病的分子影像診斷和研究提供更有效的依據。圖像灰度值在不同的造影時間節點以及不同劑量的造影劑下都將發生變化，這些變化值的統計分析對臨床診斷及實驗研究具有重要意義[15-16]。為此，四川大學超聲醫學科研究了 ROI 超聲分子影像聲像圖的定量分析方法并設計開發了軟件，旨在助力超聲分子影像聲像圖定量分析的相關臨床診斷及科研發展。本文將詳述軟件的功能并進行測試驗證。
1 定量分析方法及軟件概述
1.1 方法
基于 ROI 的超聲分析影像聲像圖的定量分析主要對 ROI 的灰度值進行數理統計分析。在超聲原始圖像中，ROI 的占比與檢查醫師對超聲儀器設置的縮放尺度相關。為了在圖像的后處理分析中方便醫生進行 ROI 截取以獲得更為精確的 ROI，軟件設計了對原始圖像的縮小放大功能。超聲圖像的 ROI 通常為不規則圖形，為了滿足所有 ROI 的快速截取和精確截取的需求，軟件在設計了矩形 ROI 框截取的同時也設計了任意形狀 ROI 截取功能。對于超聲分子影像中的超聲造影圖像，往往需要對二維圖形和造影圖像中同一 ROI 進行灰度值對比分析。為此軟件設計了 ROI 軌跡的保存和加載，可以實現在二維圖像中進行 ROI 標記并保存，再加載所保存的 ROI 標記，以對造影前后灰度值的變化分析。
1.2 開發技術
本軟件的用戶前端采用 Visual C#的 Windows 窗體應用程序進行用戶界面設計。C#語言集成了很多 C++、Visual Basic、Delphi、Java 等語言的優點[17]。C#具有多個特點：完全面向對象語言、強大的.NET 類庫支持、對 Web 開發的支持、對泛型的支持等[18]。C#的窗體應用程序大量運用在可視化應用程序開發方面。Visual C#編譯完成后可生成可執行文件，直接拷貝可執行文件到其他電腦即可運行。軟件支持常見的 Win7、Win10 等操作系統，同時軟件只需要有 2G 及以上的內存的電腦，以及數據庫相關環境的配置即可實現軟件運行，可移植性強[19-20]。C#語言的編譯環境采用 Microsoft Visual Studio（VS），VS 是一個完整的開發工具集，其集成了 C#、Basic、C++、F#、JavaScript、Python 等個組件，其開發的應用軟件適用于所用 Windows 軟件。另外本軟件中的 ROI 軌跡畫圖用到 C#.NET 中的圖形設備接口（GDI），其提供了各種豐富的圖像處理功能。
2 軟件設計
2.1 主界面設計
超聲分子聲像圖 ROI 定量分析軟件的界面見圖1。界面左側為圖像顯示及處理區域，對加載的圖像的顯示以及 ROI 的截取在此部分區域完成。界面右側為功能按鍵區域，功能按鍵包括“打開圖像”“圖像確定”“取消”“矩形 ROI 確定”“任意 ROI 確定”“標記保存”“標記加載”，對于圖像的操作在此部分區域完成。界面的中間分為上下 2 個區域，上半部分區域為 ROI 圖像顯示區域，用戶對左側顯示的圖像進行截取后，ROI 圖像將被截取到此部分進行直接顯示。下半部分為灰度值定量分析的結果顯示區域，這里會統計出 ROI 中圖像灰度值的均值、最大值、最小值。
圖1
超聲分子聲像圖 ROI 定量分析軟件主界面
2.2 圖像縮放處理
由于超聲圖像中 ROI 在超聲圖像中或大或小，為了能更精確地截取到真正感興趣的 ROI，可以對待分析的超聲圖像進行放大或縮小處理，以滿足設定尺寸，得到縮放處理的超聲圖像。把鼠標移到 ROI 的中央，進行滾輪滑動，滾輪向前滑動時圖像被放大，向后滑動時圖像被縮小。如圖2所示，為對 ROI 進行適當放大的結果。
圖2
對 ROI 進行放大后的結果
2.3 圖像 ROI 定量分析
超聲分子聲像圖 ROI 定量分析軟件同時支持矩形 ROI 和任意 ROI 定量分析。當進行矩形 ROI 截取時，先取消“任意 ROI”勾選項，方能點亮“矩形 ROI 確定”按鍵。對于矩形形狀截取方式，用戶只需在超聲圖像中的待提取區域中畫一條斜線，軟件將以此斜線作為矩形的對角線構建矩形閉合區域，即為矩形 ROI。對于任意形狀截取方式，用戶只需按住鼠標左鍵并沿著待提取區域的邊界移動，此過程中，軟件會快速提取鼠標劃過的若干軌跡點坐標，然后將記錄下的軌跡點坐標連接成一個閉合的區域，即為任意形狀的 ROI。
ROI 選取完成后，超聲圖像上以紅色的軌跡線把 ROI 標識出來。進行 ROI 確定后，軟件會把 ROI 單獨截取至主界面中的 ROI 顯示區域，方便對照觀看，并對截取到的 ROI 的灰度值實現統計分析得到灰度值特征參數，灰度值特征參數包括灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值。如果截取的是矩形形狀 ROI，則從提取出整個矩形 ROI 的灰度值，并完成統計分析；如果截取的是非矩形的任意形狀 ROI，則通過判別灰度值的方式，首先提取非矩形的任意 ROI 邊界輪廓，依據非矩形的任意 ROI 邊界輪廓獲取其最小外接矩形，從預處理后的超聲圖像中提取最小外接矩形區域的灰度值，由于最小外接矩形區域內的灰度值分布相當于一個二維點陣，因此可以將位于非矩形的任意 ROI 和其最小外接矩形區域之間的灰度值置 255，再將提取的最小外接矩形區域中為 255 的灰度值都去除，剩余灰度值即為非矩形的任意 ROI 的灰度值。矩形 ROI 定量分析見圖3，此時 ROI 的取樣框選擇的是矩形框，通過鼠標畫的矩形框，軟件對該區域的影像進行分析。任意 ROI 定量分析見圖4，此時 ROI 的取樣框選擇的是任意 ROI 方式，通過鼠標在圖像畫出的框，軟件對該區域的影像進行分析。
圖3
矩形 ROI 定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
圖4
任意 ROI 定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
2.4 定量對比分析
軟件為實現對常規超聲圖像和造影超聲圖像同一 ROI 灰度特征參數進行定量對比分析，得到常規超聲圖像和造影超聲圖像同一 ROI 灰度特征參數變化趨勢。軟件設計了對標記的保存及加載功能，當用戶在 ROI 選取完成后，點擊“標記保存”，此時軟件會對 ROI 邊界的坐標數據以 Excel 文件的格式保存到電腦。進行標記加載時，選擇相應的標記 Excel 文件即可，軟件會讀取文件中的標記坐標，在圖像中進行 ROI 顯示。這就使得軟件可以分別獲取常規超聲圖像和造影圖像同一 ROI 的灰度值特征，完成灰度值的定量對比分析。灰度值變化趨勢可以反映不同分子（例如疾病分子和正常分子）水平信號通路上表達的差異，進而為疾病的影像診斷和鑒別診斷提供分子水平的有效依據。常規超聲圖像定量分析見圖5，此時 ROI 的取樣框選擇的是任意 ROI 方式，通過鼠標在圖像畫出的框，軟件對該區域的影像進行分析。造影超聲圖像定量分析見圖6，此時 ROI 的取樣框選擇的是通過加載圖5 的軌跡文件而來，所以和圖5 的取樣框一樣，軟件對該區域的影像進行分析。
圖5
常規超聲圖像定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
圖6
造影超聲圖像定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
3 軟件應用效果
基于 ROI 的超聲分子影像聲像圖定量分析軟件于 2019 年完成設計開發并投入使用，取得良好效果。軟件可以實現對常規超聲聲像圖的灰度值定量分析，其使用流程如下：① 加載待分析超聲圖像；② 對待處理超聲圖像進行放大或縮小處理至適當尺寸；③ 對預處理后的超聲圖像進行 ROI 截取；④ 對截取的 ROI 灰度值進行統計分析。
軟件可以對常規超聲圖像與對應的超聲造影圖像進行同一 ROI 的對比分析，其使用流程如下：① 加載常規超聲圖像；② 在常規超聲圖像中進行 ROI 截取；③ 進行標記保存并對截取的 ROI 灰度值進行統計分析；④ 加載對應的超聲造影圖像；⑤ 進行標記加載并對加載的 ROI 灰度值進行統計分析；⑥ 完成常規超聲圖像與超聲造影圖像的對比分析。
基于 ROI 的超聲分子影像聲像圖定量分析軟件可對圖像進行縮放預處理，用戶可以根據圖像的形狀大小特點進行適當縮放，使得自己能更精確地進行 ROI 軌跡勾畫。軟件在 ROI 的截取方式中，分別可以實現矩形 ROI 和任意形狀 ROI 兩種方式，矩形 ROI 方式可以滿足對 ROI 截取的快捷性，使用戶可以對 ROI 灰度值的快速分析，任意形狀 ROI 方式可以滿足對 ROI 截取的精確性，使用戶可以對 ROI 的精確獲取，以濾除周邊區域對定量分析的影響，提升定量分析精度。軟件設計了標記保存與加載的功能，實現了對不同圖像中同一 ROI 的對比分析，尤其適用于常規超聲圖像與超聲造影圖像的灰度值趨勢分析。
4 小結
基于 ROI 的超聲分子影像聲像圖的定量分析軟件在超聲醫學科得以應用實踐。軟件界面友好、操作簡單、運行穩定可靠，軟件很好地設計了對圖像進行縮小放大的預處理功能、矩形 ROI 和任意形狀 ROI 的截取功能、ROI 標記保存和加載功能，軟件很好地實現了對常規超聲圖像的灰度值定量分析、常規超聲圖像與超聲造影圖像的對比定量分析，助力了超聲分子影像聲像圖中 ROI 的定量分析的相關科研及臨床研究。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
近年來，醫學影像技術飛速發展，廣泛應用于醫療診斷、術前規劃、術中引導、術后監測等環節。其中，分子影像作為醫學影像技術的前沿領域，已成為現代醫學中發展最快的學科之一。目前超聲分子影像研究的儀器廠家眾多，但往往只注重圖像的增強處理，尚無對聲像圖進行定量分析的軟件，這限制了超聲分子影像的臨床研究與應用。圖像中感興趣區域（region of interest，ROI）灰度值的定量分析，對探索活體組織分子和細胞水平的生物學信息具有重要價值。近年來出現的圖像 ROI 提取、分割、算法處理方法眾多，多用于對 ROI 圖像進行增強顯示、特征提取與分析等[1-6]。同時，隨著計算機輔助診斷、人工智能、機器學習等新技術在醫學的廣泛引用[7-9]，ROI 分割及提取是其中重要一環，ROI 的提取能大大提升后續的數字圖像處理效率[10-11]。
超聲圖像灰度值的數值大小直接反映回聲強度的強弱，回聲強度越強，值越大，反之則越小。ROI 的灰度值分析是臨床診斷的重要指標[12-14]。此外，由于超聲造影劑可產生諧波，超聲儀器可同時獲取普通灰度圖像和造影增強圖像。如果能實現對灰度圖像和造影增強圖像進行對比分析，將能對疾病的分子影像診斷和研究提供更有效的依據。圖像灰度值在不同的造影時間節點以及不同劑量的造影劑下都將發生變化，這些變化值的統計分析對臨床診斷及實驗研究具有重要意義[15-16]。為此，四川大學超聲醫學科研究了 ROI 超聲分子影像聲像圖的定量分析方法并設計開發了軟件，旨在助力超聲分子影像聲像圖定量分析的相關臨床診斷及科研發展。本文將詳述軟件的功能并進行測試驗證。
1 定量分析方法及軟件概述
1.1 方法
基于 ROI 的超聲分析影像聲像圖的定量分析主要對 ROI 的灰度值進行數理統計分析。在超聲原始圖像中，ROI 的占比與檢查醫師對超聲儀器設置的縮放尺度相關。為了在圖像的后處理分析中方便醫生進行 ROI 截取以獲得更為精確的 ROI，軟件設計了對原始圖像的縮小放大功能。超聲圖像的 ROI 通常為不規則圖形，為了滿足所有 ROI 的快速截取和精確截取的需求，軟件在設計了矩形 ROI 框截取的同時也設計了任意形狀 ROI 截取功能。對于超聲分子影像中的超聲造影圖像，往往需要對二維圖形和造影圖像中同一 ROI 進行灰度值對比分析。為此軟件設計了 ROI 軌跡的保存和加載，可以實現在二維圖像中進行 ROI 標記并保存，再加載所保存的 ROI 標記，以對造影前后灰度值的變化分析。
1.2 開發技術
本軟件的用戶前端采用 Visual C#的 Windows 窗體應用程序進行用戶界面設計。C#語言集成了很多 C++、Visual Basic、Delphi、Java 等語言的優點[17]。C#具有多個特點：完全面向對象語言、強大的.NET 類庫支持、對 Web 開發的支持、對泛型的支持等[18]。C#的窗體應用程序大量運用在可視化應用程序開發方面。Visual C#編譯完成后可生成可執行文件，直接拷貝可執行文件到其他電腦即可運行。軟件支持常見的 Win7、Win10 等操作系統，同時軟件只需要有 2G 及以上的內存的電腦，以及數據庫相關環境的配置即可實現軟件運行，可移植性強[19-20]。C#語言的編譯環境采用 Microsoft Visual Studio（VS），VS 是一個完整的開發工具集，其集成了 C#、Basic、C++、F#、JavaScript、Python 等個組件，其開發的應用軟件適用于所用 Windows 軟件。另外本軟件中的 ROI 軌跡畫圖用到 C#.NET 中的圖形設備接口（GDI），其提供了各種豐富的圖像處理功能。
2 軟件設計
2.1 主界面設計
超聲分子聲像圖 ROI 定量分析軟件的界面見圖1。界面左側為圖像顯示及處理區域，對加載的圖像的顯示以及 ROI 的截取在此部分區域完成。界面右側為功能按鍵區域，功能按鍵包括“打開圖像”“圖像確定”“取消”“矩形 ROI 確定”“任意 ROI 確定”“標記保存”“標記加載”，對于圖像的操作在此部分區域完成。界面的中間分為上下 2 個區域，上半部分區域為 ROI 圖像顯示區域，用戶對左側顯示的圖像進行截取后，ROI 圖像將被截取到此部分進行直接顯示。下半部分為灰度值定量分析的結果顯示區域，這里會統計出 ROI 中圖像灰度值的均值、最大值、最小值。
圖1
超聲分子聲像圖 ROI 定量分析軟件主界面
2.2 圖像縮放處理
由于超聲圖像中 ROI 在超聲圖像中或大或小，為了能更精確地截取到真正感興趣的 ROI，可以對待分析的超聲圖像進行放大或縮小處理，以滿足設定尺寸，得到縮放處理的超聲圖像。把鼠標移到 ROI 的中央，進行滾輪滑動，滾輪向前滑動時圖像被放大，向后滑動時圖像被縮小。如圖2所示，為對 ROI 進行適當放大的結果。
圖2
對 ROI 進行放大后的結果
2.3 圖像 ROI 定量分析
超聲分子聲像圖 ROI 定量分析軟件同時支持矩形 ROI 和任意 ROI 定量分析。當進行矩形 ROI 截取時，先取消“任意 ROI”勾選項，方能點亮“矩形 ROI 確定”按鍵。對于矩形形狀截取方式，用戶只需在超聲圖像中的待提取區域中畫一條斜線，軟件將以此斜線作為矩形的對角線構建矩形閉合區域，即為矩形 ROI。對于任意形狀截取方式，用戶只需按住鼠標左鍵并沿著待提取區域的邊界移動，此過程中，軟件會快速提取鼠標劃過的若干軌跡點坐標，然后將記錄下的軌跡點坐標連接成一個閉合的區域，即為任意形狀的 ROI。
ROI 選取完成后，超聲圖像上以紅色的軌跡線把 ROI 標識出來。進行 ROI 確定后，軟件會把 ROI 單獨截取至主界面中的 ROI 顯示區域，方便對照觀看，并對截取到的 ROI 的灰度值實現統計分析得到灰度值特征參數，灰度值特征參數包括灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值。如果截取的是矩形形狀 ROI，則從提取出整個矩形 ROI 的灰度值，并完成統計分析；如果截取的是非矩形的任意形狀 ROI，則通過判別灰度值的方式，首先提取非矩形的任意 ROI 邊界輪廓，依據非矩形的任意 ROI 邊界輪廓獲取其最小外接矩形，從預處理后的超聲圖像中提取最小外接矩形區域的灰度值，由于最小外接矩形區域內的灰度值分布相當于一個二維點陣，因此可以將位于非矩形的任意 ROI 和其最小外接矩形區域之間的灰度值置 255，再將提取的最小外接矩形區域中為 255 的灰度值都去除，剩余灰度值即為非矩形的任意 ROI 的灰度值。矩形 ROI 定量分析見圖3，此時 ROI 的取樣框選擇的是矩形框，通過鼠標畫的矩形框，軟件對該區域的影像進行分析。任意 ROI 定量分析見圖4，此時 ROI 的取樣框選擇的是任意 ROI 方式，通過鼠標在圖像畫出的框，軟件對該區域的影像進行分析。
圖3
矩形 ROI 定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
圖4
任意 ROI 定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
2.4 定量對比分析
軟件為實現對常規超聲圖像和造影超聲圖像同一 ROI 灰度特征參數進行定量對比分析，得到常規超聲圖像和造影超聲圖像同一 ROI 灰度特征參數變化趨勢。軟件設計了對標記的保存及加載功能，當用戶在 ROI 選取完成后，點擊“標記保存”，此時軟件會對 ROI 邊界的坐標數據以 Excel 文件的格式保存到電腦。進行標記加載時，選擇相應的標記 Excel 文件即可，軟件會讀取文件中的標記坐標，在圖像中進行 ROI 顯示。這就使得軟件可以分別獲取常規超聲圖像和造影圖像同一 ROI 的灰度值特征，完成灰度值的定量對比分析。灰度值變化趨勢可以反映不同分子（例如疾病分子和正常分子）水平信號通路上表達的差異，進而為疾病的影像診斷和鑒別診斷提供分子水平的有效依據。常規超聲圖像定量分析見圖5，此時 ROI 的取樣框選擇的是任意 ROI 方式，通過鼠標在圖像畫出的框，軟件對該區域的影像進行分析。造影超聲圖像定量分析見圖6，此時 ROI 的取樣框選擇的是通過加載圖5 的軌跡文件而來，所以和圖5 的取樣框一樣，軟件對該區域的影像進行分析。
圖5
常規超聲圖像定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
圖6
造影超聲圖像定量分析
紅線表示 ROI 的取樣框
3 軟件應用效果
基于 ROI 的超聲分子影像聲像圖定量分析軟件于 2019 年完成設計開發并投入使用，取得良好效果。軟件可以實現對常規超聲聲像圖的灰度值定量分析，其使用流程如下：① 加載待分析超聲圖像；② 對待處理超聲圖像進行放大或縮小處理至適當尺寸；③ 對預處理后的超聲圖像進行 ROI 截取；④ 對截取的 ROI 灰度值進行統計分析。
軟件可以對常規超聲圖像與對應的超聲造影圖像進行同一 ROI 的對比分析，其使用流程如下：① 加載常規超聲圖像；② 在常規超聲圖像中進行 ROI 截取；③ 進行標記保存并對截取的 ROI 灰度值進行統計分析；④ 加載對應的超聲造影圖像；⑤ 進行標記加載并對加載的 ROI 灰度值進行統計分析；⑥ 完成常規超聲圖像與超聲造影圖像的對比分析。
基于 ROI 的超聲分子影像聲像圖定量分析軟件可對圖像進行縮放預處理，用戶可以根據圖像的形狀大小特點進行適當縮放，使得自己能更精確地進行 ROI 軌跡勾畫。軟件在 ROI 的截取方式中，分別可以實現矩形 ROI 和任意形狀 ROI 兩種方式，矩形 ROI 方式可以滿足對 ROI 截取的快捷性，使用戶可以對 ROI 灰度值的快速分析，任意形狀 ROI 方式可以滿足對 ROI 截取的精確性，使用戶可以對 ROI 的精確獲取，以濾除周邊區域對定量分析的影響，提升定量分析精度。軟件設計了標記保存與加載的功能，實現了對不同圖像中同一 ROI 的對比分析，尤其適用于常規超聲圖像與超聲造影圖像的灰度值趨勢分析。
4 小結
基于 ROI 的超聲分子影像聲像圖的定量分析軟件在超聲醫學科得以應用實踐。軟件界面友好、操作簡單、運行穩定可靠，軟件很好地設計了對圖像進行縮小放大的預處理功能、矩形 ROI 和任意形狀 ROI 的截取功能、ROI 標記保存和加載功能，軟件很好地實現了對常規超聲圖像的灰度值定量分析、常規超聲圖像與超聲造影圖像的對比定量分析，助力了超聲分子影像聲像圖中 ROI 的定量分析的相關科研及臨床研究。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
