医学中IDL的应用
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2016-06-21
目前，IDL 在医学图像处理中的应用已非常广泛，它可以快速、容易地实现对各种医学图像的处理。例如，IDL可以处理X-ray图像、MR和CT图像、PET 图像、DSA图像以及分子生物学中的显微医学图像等。IDL可以应用于医学图像处理的各个方面, 如: 图像融合（fusion）、图像分割（segmentation）、图像配准（registration）、图像的三维重建(3D reconstruction)等。
IDL之所以在医学图像处理领域有如此广泛的应用，是与IDL具有强大的图像处理、分析和显示功能分不开的，这主要表现在以下几个方面:
（1）IDL是一个面向矩阵的语言，IDL 处理的对象都是以数组（1D、2D、3D）的形式
表示。在IDL中，图像的表示形式也是数组（2D 表示二维图像，3D 表示三维图像）。因此，利用IDL可以非常容易地实现对图像的处理。
（2）IDL拥有众多的图像处理函数和过程，如：边缘增强（Roberts和Sobel算子）、
各种数字滤波(高通、低通、带通和中值滤波等)、各种数字变换( FFT、Hilbert 变换、小波变换和卷积变换等)、形态学运算(膨胀和腐蚀)、统计直方图和直方图均衡、定义感兴趣区（ROI）、标记区域（label region）和线性插值等。这些函数和过程可以实现对医学图像的一般性处理。用户通过上述函数和过程的组合，可容易地实现对医学图像各种复杂的处理。除此之外，IDL本身带有一个功能很强的名为Insight的图像处理、分析和显示软件。通过Insight，用户不用编程就可以实现对医学图像的一般性处理、分析和显示要求。
（3）IDL具有强大的图像显示功能，利用Windows命令，用户可以随心所欲地设置图像显示窗口的个数、大小和形状，用TV或TVSCL命令显示用户所选择的图像。用户还可以调用IDL的Slicer过程，非常容易地实现图像的3D显示、3D图像的任意剖面的显示和图像的3D重建。
（4）利用IDL可以方便、灵活地实现不同格式的医学图像的输入/输出。
（5）IDL的Widgets可以使用户非常容易地设计出友好的图形用户界面(GUI)，如带有按钮和滚动条窗口的用户界面，各种形式的下拉式菜单等。因此，用IDL设计的GUI 对用户非常友好。
除此之外，用IDL语言编写的程序代码的效率也非常高，非常适合于大数据量的运算，特别适合于图像的处理。（1）皮肤黑素细胞瘤的自动识别
黑素细胞瘤的病患数量呈现每20年增长一倍的趋势，平均每100人里就有一个人患有黑素细胞瘤。随着计算机辅助诊断技术的进步，利用医学影像进行黑素细胞瘤的自动化诊断成为可能。但是皮肤黑素细胞瘤在形状和外部特征上与一些正常的皮肤组织变异（如痣）等十分相似，导致计算机无法对病变进行正确的识别。但是借助于IDL强大的可视化分析功能，这些问题都得以解决。
Fig1-1：细胞组织的特征提取
Fig1-2：蓝波段正常痣的直方图和协同分布矩阵示意图
Fig1-3：绿波段恶性黑素瘤的直方图和协同分布矩阵示意图
（2）IDL在牙齿植入中的应用
瑞士伯尼尔的Inselspital应用IDL5.4开发了一套软件用于牙齿植入计划，此软件可以实现轴切面的多平面显示，牙齿拱形弯曲的水平和垂直显示，骨结构的三维可视化，这些都可以辅助术前植入位置的决策。并且支持MRI（核磁共振成像）的数据，使得病人远离放射的困扰。IDL自带的大量函数和面向对象的编程概念，节省了软件开发的时间，并且可以方便的对系统进行更改和新功能的植入。
Fig2-1：应用IDL开发的牙齿植入辅助软件功能示意图
（3）常用医学影像局部显微镜程序
随着MRI、CT、B超、LSCM等现代化仪器设备的广泛应用，各种各样的数字医学图像在临床诊断和医学研究中发挥着日益重要的作用。常用医学影像局部显微镜程序能够实现常用医学图像类型（灰度图像、RGB图像、DICOM图像等）的局部放大显示，该程序还具有人机交互性强，可移植性高等特点。
Fig3：应用IDL开发的局部显微镜程序（功能示意）
（4）利用IDL实现医学影像的滤波和彩色渲染
Fig4：对医学噪声影像进行滤波（左）和彩色渲染（右）
（5）基于IDL的医学影像三维可视化系统
医务工作者常常通过观察和分析二维切片方式对病人进行诊断医疗，难于想象“病灶”的三维信息，这种方式效率低，难度大、风险高；针对这一问题，利用第4代可视化语言IDL构建了适合医务工作者需要的医学图像三维可视化及分析系统。该系统根据医学图像（如DICOM）的自身信息能够对断层序列切片进行快速精确重建，进而可以对重建结果进行剖分、组织提取、窗宽窗位调节、任意方向切片提取等操作，对病人的医疗诊断具有很高的使用价值。
Fig5：三维医学影像可视化及分析系统部分功能
（6）应用IDL进行心脏功能的研究
应用IDL可以快速、精确地显示心脏的血液流动、喷出状况、心脏房室的体积和房室壁的厚度，为医生快速进行心脏功能检测提供帮助。
Fig 6-1：应用IDL对心脏功能进行可视化分析
IDL的3D显示功能可以帮助医学工作者形象地观察血液的流动情况，并可帮助医师判断冠状动脉的可能病变。
Fig 6-2：多视图的心脏三维显示
（7）IDL用于帕金森疾病的诊治
帕金森病是由于脑部神经细胞萎缩导致中枢神经紊乱的疾病，全世界帕金森病的发病率高达2‰。伦敦的Dale Bailey医生和他的同事开发了基于IDL的应用软件“KRONOS”，用于帕金森病和其它疾病的研究。
Fig 7：KRONOS及其应用示意图
（8）应用IDL进行生物医学影像分析
Fig 8：荧光强度和血小板生命周期影像
（9）智能数据库帮助辐射临床医学家有效地进行疾病治疗
应用辐射治疗癌症是治疗史上一个革命性的创举，它能够拯救生命或者延长末期病人的寿命。Harold Cline和他的小组应用IDL强大的数据处理能力开发了智能数据库优化辐射治疗。数据库保存了大量病人和病例的信息，为医师节省了宝贵的时间，通过对前期数据的分析，提高了疾病诊治的效率和精度，友好的用户界面使分析变得更加容易。
Fig 9：智能数据库提高了疾病诊治的效率和准确度
（10）定量化形态学图像分析系统—IQM
此系统由Helmut Ahammer基于IDL开发，主要用于交互式图像处理工作和特殊的非线性分析。
Fig 10：IQM功能图
（11）BioMAP：预防和临床药物研究中的影像分析工具
BilMAP全部用IDL开发，提供了不同源数据的可视化和存储平台。其可视化基于多平面重建技术，可以从三维体数据中任意地提取切片。此外还可进行数据的叠加和ROI的可视化显示；采用四维空间表示法，提供空间三维数据和时间、数量、波长等附加数据的同步显示。提供不同的数据导入方式并且具有强大的的数据分析功能。
Fig 11：MRI数据增强前后的对比分析
（12）IDL在药物研究中的应用
位于瑞士巴塞尔的核磁共振实验室应用IDL进行药物研究。应用核磁共振影像，不需要活体注入等工作即可完成对常规生理参数的测量。
Fig 12：IDL可视化技术在医学制药研究中的应用
（13）IDL在妇科医学中的应用（出生仿真模拟）
预测和模拟婴儿的出生是妇科医学一个重要的研究领域。应用IDL开发的软件ANAPELVIS 3.0可以根据产妇的骨盆结构和婴儿的头部结构预测生产过程，为诊断婴儿的出生是否会引起并发症或者是否需要剖腹产等提供决策。
Fig 13：应用IDL模拟婴儿的出生
（14）IDL在法医诊断中的应用
传统的法医诊断采用直接解剖的方式，这样可能造成潜在信息的损失。应用IDL通过受害者的CT或MR影像和其它数据，可以进行多种形式的三维重建，辅助法医进行死因的决策分析。
Fig 14：解剖图和应用IDL进行三维重建后图像的对比
结语：
IDL语言面向矩阵的特性带来了快速分析超大规模数据的能力，它具有的高级图像处理能力、交互式二维和三维图形技术、面向对象的编程方式、OpenGL图形加速功能、集成数学分析与统计软件包、完善的信号处理和图像处理功能、灵活的数据输入输出方式、跨平台图形用户界面工具包、连接ODBC兼容数据库及多种外部程序连接工具。IDL 为用户提供了可视化数据分析的解决方案，既可以让科学研究人员交互式浏览和分析数据，又为程序员提供了快速程序原型开发并跨平台发布的高级编程工具。IDL使科学家无需写大量的传统程序就可直接研究数据，从而使IDL特别适用于医学影像的研究者和医生。特别是影像医生不仅直接利用影像学设备提供有价值的信息，而应该对所获图像进行后处理，开发出更有价值的信息。IDL在图像处理和临床实践中的应用及研究必将促进影像学科的发展。
国内进行医学数字图像研究和开发的研究人员仍采用传统的C、C++、Matlab等语言，而国外医学图像的研究者正使用IDL进行科学研究，从而使他们节省出更多的时间，而集中精力于算法、建模等核心问题上。希望国内同行们能够学习使用IDL，以提高我们在医学图像处理和分析领域内的科研水平。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100xf32.html
IDL之所以在医学图像处理领域有如此广泛的应用，是与IDL具有强大的图像处理、分析和显示功能分不开的，这主要表现在以下几个方面:
（1）IDL是一个面向矩阵的语言，IDL 处理的对象都是以数组（1D、2D、3D）的形式
表示。在IDL中，图像的表示形式也是数组（2D 表示二维图像，3D 表示三维图像）。因此，利用IDL可以非常容易地实现对图像的处理。
（2）IDL拥有众多的图像处理函数和过程，如：边缘增强（Roberts和Sobel算子）、
各种数字滤波(高通、低通、带通和中值滤波等)、各种数字变换( FFT、Hilbert 变换、小波变换和卷积变换等)、形态学运算(膨胀和腐蚀)、统计直方图和直方图均衡、定义感兴趣区（ROI）、标记区域（label region）和线性插值等。这些函数和过程可以实现对医学图像的一般性处理。用户通过上述函数和过程的组合，可容易地实现对医学图像各种复杂的处理。除此之外，IDL本身带有一个功能很强的名为Insight的图像处理、分析和显示软件。通过Insight，用户不用编程就可以实现对医学图像的一般性处理、分析和显示要求。
（3）IDL具有强大的图像显示功能，利用Windows命令，用户可以随心所欲地设置图像显示窗口的个数、大小和形状，用TV或TVSCL命令显示用户所选择的图像。用户还可以调用IDL的Slicer过程，非常容易地实现图像的3D显示、3D图像的任意剖面的显示和图像的3D重建。
（4）利用IDL可以方便、灵活地实现不同格式的医学图像的输入/输出。
（5）IDL的Widgets可以使用户非常容易地设计出友好的图形用户界面(GUI)，如带有按钮和滚动条窗口的用户界面，各种形式的下拉式菜单等。因此，用IDL设计的GUI 对用户非常友好。
除此之外，用IDL语言编写的程序代码的效率也非常高，非常适合于大数据量的运算，特别适合于图像的处理。（1）皮肤黑素细胞瘤的自动识别
黑素细胞瘤的病患数量呈现每20年增长一倍的趋势，平均每100人里就有一个人患有黑素细胞瘤。随着计算机辅助诊断技术的进步，利用医学影像进行黑素细胞瘤的自动化诊断成为可能。但是皮肤黑素细胞瘤在形状和外部特征上与一些正常的皮肤组织变异（如痣）等十分相似，导致计算机无法对病变进行正确的识别。但是借助于IDL强大的可视化分析功能，这些问题都得以解决。
Fig1-1：细胞组织的特征提取
Fig1-2：蓝波段正常痣的直方图和协同分布矩阵示意图
Fig1-3：绿波段恶性黑素瘤的直方图和协同分布矩阵示意图
（2）IDL在牙齿植入中的应用
瑞士伯尼尔的Inselspital应用IDL5.4开发了一套软件用于牙齿植入计划，此软件可以实现轴切面的多平面显示，牙齿拱形弯曲的水平和垂直显示，骨结构的三维可视化，这些都可以辅助术前植入位置的决策。并且支持MRI（核磁共振成像）的数据，使得病人远离放射的困扰。IDL自带的大量函数和面向对象的编程概念，节省了软件开发的时间，并且可以方便的对系统进行更改和新功能的植入。
Fig2-1：应用IDL开发的牙齿植入辅助软件功能示意图
（3）常用医学影像局部显微镜程序
随着MRI、CT、B超、LSCM等现代化仪器设备的广泛应用，各种各样的数字医学图像在临床诊断和医学研究中发挥着日益重要的作用。常用医学影像局部显微镜程序能够实现常用医学图像类型（灰度图像、RGB图像、DICOM图像等）的局部放大显示，该程序还具有人机交互性强，可移植性高等特点。
Fig3：应用IDL开发的局部显微镜程序（功能示意）
（4）利用IDL实现医学影像的滤波和彩色渲染
Fig4：对医学噪声影像进行滤波（左）和彩色渲染（右）
（5）基于IDL的医学影像三维可视化系统
医务工作者常常通过观察和分析二维切片方式对病人进行诊断医疗，难于想象“病灶”的三维信息，这种方式效率低，难度大、风险高；针对这一问题，利用第4代可视化语言IDL构建了适合医务工作者需要的医学图像三维可视化及分析系统。该系统根据医学图像（如DICOM）的自身信息能够对断层序列切片进行快速精确重建，进而可以对重建结果进行剖分、组织提取、窗宽窗位调节、任意方向切片提取等操作，对病人的医疗诊断具有很高的使用价值。
Fig5：三维医学影像可视化及分析系统部分功能
（6）应用IDL进行心脏功能的研究
应用IDL可以快速、精确地显示心脏的血液流动、喷出状况、心脏房室的体积和房室壁的厚度，为医生快速进行心脏功能检测提供帮助。
Fig 6-1：应用IDL对心脏功能进行可视化分析
IDL的3D显示功能可以帮助医学工作者形象地观察血液的流动情况，并可帮助医师判断冠状动脉的可能病变。
（7）IDL用于帕金森疾病的诊治
帕金森病是由于脑部神经细胞萎缩导致中枢神经紊乱的疾病，全世界帕金森病的发病率高达2‰。伦敦的Dale Bailey医生和他的同事开发了基于IDL的应用软件“KRONOS”，用于帕金森病和其它疾病的研究。
Fig 7：KRONOS及其应用示意图
（8）应用IDL进行生物医学影像分析
Fig 8：荧光强度和血小板生命周期影像
（9）智能数据库帮助辐射临床医学家有效地进行疾病治疗
应用辐射治疗癌症是治疗史上一个革命性的创举，它能够拯救生命或者延长末期病人的寿命。Harold Cline和他的小组应用IDL强大的数据处理能力开发了智能数据库优化辐射治疗。数据库保存了大量病人和病例的信息，为医师节省了宝贵的时间，通过对前期数据的分析，提高了疾病诊治的效率和精度，友好的用户界面使分析变得更加容易。
Fig 9：智能数据库提高了疾病诊治的效率和准确度
（10）定量化形态学图像分析系统—IQM
此系统由Helmut Ahammer基于IDL开发，主要用于交互式图像处理工作和特殊的非线性分析。
Fig 10：IQM功能图
（11）BioMAP：预防和临床药物研究中的影像分析工具
BilMAP全部用IDL开发，提供了不同源数据的可视化和存储平台。其可视化基于多平面重建技术，可以从三维体数据中任意地提取切片。此外还可进行数据的叠加和ROI的可视化显示；采用四维空间表示法，提供空间三维数据和时间、数量、波长等附加数据的同步显示。提供不同的数据导入方式并且具有强大的的数据分析功能。
Fig 11：MRI数据增强前后的对比分析
（12）IDL在药物研究中的应用
位于瑞士巴塞尔的核磁共振实验室应用IDL进行药物研究。应用核磁共振影像，不需要活体注入等工作即可完成对常规生理参数的测量。
Fig 12：IDL可视化技术在医学制药研究中的应用
（13）IDL在妇科医学中的应用（出生仿真模拟）
预测和模拟婴儿的出生是妇科医学一个重要的研究领域。应用IDL开发的软件ANAPELVIS 3.0可以根据产妇的骨盆结构和婴儿的头部结构预测生产过程，为诊断婴儿的出生是否会引起并发症或者是否需要剖腹产等提供决策。
Fig 13：应用IDL模拟婴儿的出生
（14）IDL在法医诊断中的应用
传统的法医诊断采用直接解剖的方式，这样可能造成潜在信息的损失。应用IDL通过受害者的CT或MR影像和其它数据，可以进行多种形式的三维重建，辅助法医进行死因的决策分析。
Fig 14：解剖图和应用IDL进行三维重建后图像的对比
结语：
IDL语言面向矩阵的特性带来了快速分析超大规模数据的能力，它具有的高级图像处理能力、交互式二维和三维图形技术、面向对象的编程方式、OpenGL图形加速功能、集成数学分析与统计软件包、完善的信号处理和图像处理功能、灵活的数据输入输出方式、跨平台图形用户界面工具包、连接ODBC兼容数据库及多种外部程序连接工具。IDL 为用户提供了可视化数据分析的解决方案，既可以让科学研究人员交互式浏览和分析数据，又为程序员提供了快速程序原型开发并跨平台发布的高级编程工具。IDL使科学家无需写大量的传统程序就可直接研究数据，从而使IDL特别适用于医学影像的研究者和医生。特别是影像医生不仅直接利用影像学设备提供有价值的信息，而应该对所获图像进行后处理，开发出更有价值的信息。IDL在图像处理和临床实践中的应用及研究必将促进影像学科的发展。
国内进行医学数字图像研究和开发的研究人员仍采用传统的C、C++、Matlab等语言，而国外医学图像的研究者正使用IDL进行科学研究，从而使他们节省出更多的时间，而集中精力于算法、建模等核心问题上。希望国内同行们能够学习使用IDL，以提高我们在医学图像处理和分析领域内的科研水平。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100xf32.html
