超声分子影像声像图的定量分析对临床诊疗与研究具有重要意义。该文基于 Visual Studio 开发平台、C# 语言设计了一套超声分子影像声像图感兴趣区域定量分析软件，可完成对超声图像的缩放处理、矩形及任意形状的感兴趣区域的截取、标记的保存与加载、灰度值定量分析等。该文详述了软件的功能并进行测试验证，证明了软件能对常规超声图像与超声造影图像进行对比定量分析，可为超声分子影像声像图灰度值定量分析的相关研究提供依据。
引用本文： 张勇, 徐金顺, 鲁晓, 罗燕. 基于感兴趣区域超声分子影像声像图定量分析软件的设计及应用. 华西医学, 2022, 37(11): 1749-1754. doi: 10.7507/1002-0179.202008112 复制
近年来，医学影像技术飞速发展，广泛应用于医疗诊断、术前规划、术中引导、术后监测等环节。其中，分子影像作为医学影像技术的前沿领域，已成为现代医学中发展最快的学科之一。目前超声分子影像研究的仪器厂家众多，但往往只注重图像的增强处理，尚无对声像图进行定量分析的软件，这限制了超声分子影像的临床研究与应用。图像中感兴趣区域（region of interest，ROI）灰度值的定量分析，对探索活体组织分子和细胞水平的生物学信息具有重要价值。近年来出现的图像 ROI 提取、分割、算法处理方法众多，多用于对 ROI 图像进行增强显示、特征提取与分析等[1-6]。同时，随着计算机辅助诊断、人工智能、机器学习等新技术在医学的广泛引用[7-9]，ROI 分割及提取是其中重要一环，ROI 的提取能大大提升后续的数字图像处理效率[10-11]。
超声图像灰度值的数值大小直接反映回声强度的强弱，回声强度越强，值越大，反之则越小。ROI 的灰度值分析是临床诊断的重要指标[12-14]。此外，由于超声造影剂可产生谐波，超声仪器可同时获取普通灰度图像和造影增强图像。如果能实现对灰度图像和造影增强图像进行对比分析，将能对疾病的分子影像诊断和研究提供更有效的依据。图像灰度值在不同的造影时间节点以及不同剂量的造影剂下都将发生变化，这些变化值的统计分析对临床诊断及实验研究具有重要意义[15-16]。为此，四川大学超声医学科研究了 ROI 超声分子影像声像图的定量分析方法并设计开发了软件，旨在助力超声分子影像声像图定量分析的相关临床诊断及科研发展。本文将详述软件的功能并进行测试验证。
1 定量分析方法及软件概述
1.1 方法
基于 ROI 的超声分析影像声像图的定量分析主要对 ROI 的灰度值进行数理统计分析。在超声原始图像中，ROI 的占比与检查医师对超声仪器设置的缩放尺度相关。为了在图像的后处理分析中方便医生进行 ROI 截取以获得更为精确的 ROI，软件设计了对原始图像的缩小放大功能。超声图像的 ROI 通常为不规则图形，为了满足所有 ROI 的快速截取和精确截取的需求，软件在设计了矩形 ROI 框截取的同时也设计了任意形状 ROI 截取功能。对于超声分子影像中的超声造影图像，往往需要对二维图形和造影图像中同一 ROI 进行灰度值对比分析。为此软件设计了 ROI 轨迹的保存和加载，可以实现在二维图像中进行 ROI 标记并保存，再加载所保存的 ROI 标记，以对造影前后灰度值的变化分析。
1.2 开发技术
本软件的用户前端采用 Visual C#的 Windows 窗体应用程序进行用户界面设计。C#语言集成了很多 C++、Visual Basic、Delphi、Java 等语言的优点[17]。C#具有多个特点：完全面向对象语言、强大的.NET 类库支持、对 Web 开发的支持、对泛型的支持等[18]。C#的窗体应用程序大量运用在可视化应用程序开发方面。Visual C#编译完成后可生成可执行文件，直接拷贝可执行文件到其他电脑即可运行。软件支持常见的 Win7、Win10 等操作系统，同时软件只需要有 2G 及以上的内存的电脑，以及数据库相关环境的配置即可实现软件运行，可移植性强[19-20]。C#语言的编译环境采用 Microsoft Visual Studio（VS），VS 是一个完整的开发工具集，其集成了 C#、Basic、C++、F#、JavaScript、Python 等个组件，其开发的应用软件适用于所用 Windows 软件。另外本软件中的 ROI 轨迹画图用到 C#.NET 中的图形设备接口（GDI），其提供了各种丰富的图像处理功能。
2 软件设计
2.1 主界面设计
超声分子声像图 ROI 定量分析软件的界面见图1。界面左侧为图像显示及处理区域，对加载的图像的显示以及 ROI 的截取在此部分区域完成。界面右侧为功能按键区域，功能按键包括“打开图像”“图像确定”“取消”“矩形 ROI 确定”“任意 ROI 确定”“标记保存”“标记加载”，对于图像的操作在此部分区域完成。界面的中间分为上下 2 个区域，上半部分区域为 ROI 图像显示区域，用户对左侧显示的图像进行截取后，ROI 图像将被截取到此部分进行直接显示。下半部分为灰度值定量分析的结果显示区域，这里会统计出 ROI 中图像灰度值的均值、最大值、最小值。
图1
超声分子声像图 ROI 定量分析软件主界面
2.2 图像缩放处理
由于超声图像中 ROI 在超声图像中或大或小，为了能更精确地截取到真正感兴趣的 ROI，可以对待分析的超声图像进行放大或缩小处理，以满足设定尺寸，得到缩放处理的超声图像。把鼠标移到 ROI 的中央，进行滚轮滑动，滚轮向前滑动时图像被放大，向后滑动时图像被缩小。如图2所示，为对 ROI 进行适当放大的结果。
图2
对 ROI 进行放大后的结果
2.3 图像 ROI 定量分析
超声分子声像图 ROI 定量分析软件同时支持矩形 ROI 和任意 ROI 定量分析。当进行矩形 ROI 截取时，先取消“任意 ROI”勾选项，方能点亮“矩形 ROI 确定”按键。对于矩形形状截取方式，用户只需在超声图像中的待提取区域中画一条斜线，软件将以此斜线作为矩形的对角线构建矩形闭合区域，即为矩形 ROI。对于任意形状截取方式，用户只需按住鼠标左键并沿着待提取区域的边界移动，此过程中，软件会快速提取鼠标划过的若干轨迹点坐标，然后将记录下的轨迹点坐标连接成一个闭合的区域，即为任意形状的 ROI。
ROI 选取完成后，超声图像上以红色的轨迹线把 ROI 标识出来。进行 ROI 确定后，软件会把 ROI 单独截取至主界面中的 ROI 显示区域，方便对照观看，并对截取到的 ROI 的灰度值实现统计分析得到灰度值特征参数，灰度值特征参数包括灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值。如果截取的是矩形形状 ROI，则从提取出整个矩形 ROI 的灰度值，并完成统计分析；如果截取的是非矩形的任意形状 ROI，则通过判别灰度值的方式，首先提取非矩形的任意 ROI 边界轮廓，依据非矩形的任意 ROI 边界轮廓获取其最小外接矩形，从预处理后的超声图像中提取最小外接矩形区域的灰度值，由于最小外接矩形区域内的灰度值分布相当于一个二维点阵，因此可以将位于非矩形的任意 ROI 和其最小外接矩形区域之间的灰度值置 255，再将提取的最小外接矩形区域中为 255 的灰度值都去除，剩余灰度值即为非矩形的任意 ROI 的灰度值。矩形 ROI 定量分析见图3，此时 ROI 的取样框选择的是矩形框，通过鼠标画的矩形框，软件对该区域的影像进行分析。任意 ROI 定量分析见图4，此时 ROI 的取样框选择的是任意 ROI 方式，通过鼠标在图像画出的框，软件对该区域的影像进行分析。
图3
矩形 ROI 定量分析
红线表示 ROI 的取样框
图4
任意 ROI 定量分析
红线表示 ROI 的取样框
2.4 定量对比分析
软件为实现对常规超声图像和造影超声图像同一 ROI 灰度特征参数进行定量对比分析，得到常规超声图像和造影超声图像同一 ROI 灰度特征参数变化趋势。软件设计了对标记的保存及加载功能，当用户在 ROI 选取完成后，点击“标记保存”，此时软件会对 ROI 边界的坐标数据以 Excel 文件的格式保存到电脑。进行标记加载时，选择相应的标记 Excel 文件即可，软件会读取文件中的标记坐标，在图像中进行 ROI 显示。这就使得软件可以分别获取常规超声图像和造影图像同一 ROI 的灰度值特征，完成灰度值的定量对比分析。灰度值变化趋势可以反映不同分子（例如疾病分子和正常分子）水平信号通路上表达的差异，进而为疾病的影像诊断和鉴别诊断提供分子水平的有效依据。常规超声图像定量分析见图5，此时 ROI 的取样框选择的是任意 ROI 方式，通过鼠标在图像画出的框，软件对该区域的影像进行分析。造影超声图像定量分析见图6，此时 ROI 的取样框选择的是通过加载图5 的轨迹文件而来，所以和图5 的取样框一样，软件对该区域的影像进行分析。
图5
常规超声图像定量分析
红线表示 ROI 的取样框
图6
造影超声图像定量分析
红线表示 ROI 的取样框
3 软件应用效果
基于 ROI 的超声分子影像声像图定量分析软件于 2019 年完成设计开发并投入使用，取得良好效果。软件可以实现对常规超声声像图的灰度值定量分析，其使用流程如下：① 加载待分析超声图像；② 对待处理超声图像进行放大或缩小处理至适当尺寸；③ 对预处理后的超声图像进行 ROI 截取；④ 对截取的 ROI 灰度值进行统计分析。
软件可以对常规超声图像与对应的超声造影图像进行同一 ROI 的对比分析，其使用流程如下：① 加载常规超声图像；② 在常规超声图像中进行 ROI 截取；③ 进行标记保存并对截取的 ROI 灰度值进行统计分析；④ 加载对应的超声造影图像；⑤ 进行标记加载并对加载的 ROI 灰度值进行统计分析；⑥ 完成常规超声图像与超声造影图像的对比分析。
基于 ROI 的超声分子影像声像图定量分析软件可对图像进行缩放预处理，用户可以根据图像的形状大小特点进行适当缩放，使得自己能更精确地进行 ROI 轨迹勾画。软件在 ROI 的截取方式中，分别可以实现矩形 ROI 和任意形状 ROI 两种方式，矩形 ROI 方式可以满足对 ROI 截取的快捷性，使用户可以对 ROI 灰度值的快速分析，任意形状 ROI 方式可以满足对 ROI 截取的精确性，使用户可以对 ROI 的精确获取，以滤除周边区域对定量分析的影响，提升定量分析精度。软件设计了标记保存与加载的功能，实现了对不同图像中同一 ROI 的对比分析，尤其适用于常规超声图像与超声造影图像的灰度值趋势分析。
4 小结
基于 ROI 的超声分子影像声像图的定量分析软件在超声医学科得以应用实践。软件界面友好、操作简单、运行稳定可靠，软件很好地设计了对图像进行缩小放大的预处理功能、矩形 ROI 和任意形状 ROI 的截取功能、ROI 标记保存和加载功能，软件很好地实现了对常规超声图像的灰度值定量分析、常规超声图像与超声造影图像的对比定量分析，助力了超声分子影像声像图中 ROI 的定量分析的相关科研及临床研究。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
近年来，医学影像技术飞速发展，广泛应用于医疗诊断、术前规划、术中引导、术后监测等环节。其中，分子影像作为医学影像技术的前沿领域，已成为现代医学中发展最快的学科之一。目前超声分子影像研究的仪器厂家众多，但往往只注重图像的增强处理，尚无对声像图进行定量分析的软件，这限制了超声分子影像的临床研究与应用。图像中感兴趣区域（region of interest，ROI）灰度值的定量分析，对探索活体组织分子和细胞水平的生物学信息具有重要价值。近年来出现的图像 ROI 提取、分割、算法处理方法众多，多用于对 ROI 图像进行增强显示、特征提取与分析等[1-6]。同时，随着计算机辅助诊断、人工智能、机器学习等新技术在医学的广泛引用[7-9]，ROI 分割及提取是其中重要一环，ROI 的提取能大大提升后续的数字图像处理效率[10-11]。
超声图像灰度值的数值大小直接反映回声强度的强弱，回声强度越强，值越大，反之则越小。ROI 的灰度值分析是临床诊断的重要指标[12-14]。此外，由于超声造影剂可产生谐波，超声仪器可同时获取普通灰度图像和造影增强图像。如果能实现对灰度图像和造影增强图像进行对比分析，将能对疾病的分子影像诊断和研究提供更有效的依据。图像灰度值在不同的造影时间节点以及不同剂量的造影剂下都将发生变化，这些变化值的统计分析对临床诊断及实验研究具有重要意义[15-16]。为此，四川大学超声医学科研究了 ROI 超声分子影像声像图的定量分析方法并设计开发了软件，旨在助力超声分子影像声像图定量分析的相关临床诊断及科研发展。本文将详述软件的功能并进行测试验证。
1 定量分析方法及软件概述
1.1 方法
基于 ROI 的超声分析影像声像图的定量分析主要对 ROI 的灰度值进行数理统计分析。在超声原始图像中，ROI 的占比与检查医师对超声仪器设置的缩放尺度相关。为了在图像的后处理分析中方便医生进行 ROI 截取以获得更为精确的 ROI，软件设计了对原始图像的缩小放大功能。超声图像的 ROI 通常为不规则图形，为了满足所有 ROI 的快速截取和精确截取的需求，软件在设计了矩形 ROI 框截取的同时也设计了任意形状 ROI 截取功能。对于超声分子影像中的超声造影图像，往往需要对二维图形和造影图像中同一 ROI 进行灰度值对比分析。为此软件设计了 ROI 轨迹的保存和加载，可以实现在二维图像中进行 ROI 标记并保存，再加载所保存的 ROI 标记，以对造影前后灰度值的变化分析。
1.2 开发技术
本软件的用户前端采用 Visual C#的 Windows 窗体应用程序进行用户界面设计。C#语言集成了很多 C++、Visual Basic、Delphi、Java 等语言的优点[17]。C#具有多个特点：完全面向对象语言、强大的.NET 类库支持、对 Web 开发的支持、对泛型的支持等[18]。C#的窗体应用程序大量运用在可视化应用程序开发方面。Visual C#编译完成后可生成可执行文件，直接拷贝可执行文件到其他电脑即可运行。软件支持常见的 Win7、Win10 等操作系统，同时软件只需要有 2G 及以上的内存的电脑，以及数据库相关环境的配置即可实现软件运行，可移植性强[19-20]。C#语言的编译环境采用 Microsoft Visual Studio（VS），VS 是一个完整的开发工具集，其集成了 C#、Basic、C++、F#、JavaScript、Python 等个组件，其开发的应用软件适用于所用 Windows 软件。另外本软件中的 ROI 轨迹画图用到 C#.NET 中的图形设备接口（GDI），其提供了各种丰富的图像处理功能。
2 软件设计
2.1 主界面设计
超声分子声像图 ROI 定量分析软件的界面见图1。界面左侧为图像显示及处理区域，对加载的图像的显示以及 ROI 的截取在此部分区域完成。界面右侧为功能按键区域，功能按键包括“打开图像”“图像确定”“取消”“矩形 ROI 确定”“任意 ROI 确定”“标记保存”“标记加载”，对于图像的操作在此部分区域完成。界面的中间分为上下 2 个区域，上半部分区域为 ROI 图像显示区域，用户对左侧显示的图像进行截取后，ROI 图像将被截取到此部分进行直接显示。下半部分为灰度值定量分析的结果显示区域，这里会统计出 ROI 中图像灰度值的均值、最大值、最小值。
图1
超声分子声像图 ROI 定量分析软件主界面
2.2 图像缩放处理
由于超声图像中 ROI 在超声图像中或大或小，为了能更精确地截取到真正感兴趣的 ROI，可以对待分析的超声图像进行放大或缩小处理，以满足设定尺寸，得到缩放处理的超声图像。把鼠标移到 ROI 的中央，进行滚轮滑动，滚轮向前滑动时图像被放大，向后滑动时图像被缩小。如图2所示，为对 ROI 进行适当放大的结果。
图2
对 ROI 进行放大后的结果
2.3 图像 ROI 定量分析
超声分子声像图 ROI 定量分析软件同时支持矩形 ROI 和任意 ROI 定量分析。当进行矩形 ROI 截取时，先取消“任意 ROI”勾选项，方能点亮“矩形 ROI 确定”按键。对于矩形形状截取方式，用户只需在超声图像中的待提取区域中画一条斜线，软件将以此斜线作为矩形的对角线构建矩形闭合区域，即为矩形 ROI。对于任意形状截取方式，用户只需按住鼠标左键并沿着待提取区域的边界移动，此过程中，软件会快速提取鼠标划过的若干轨迹点坐标，然后将记录下的轨迹点坐标连接成一个闭合的区域，即为任意形状的 ROI。
ROI 选取完成后，超声图像上以红色的轨迹线把 ROI 标识出来。进行 ROI 确定后，软件会把 ROI 单独截取至主界面中的 ROI 显示区域，方便对照观看，并对截取到的 ROI 的灰度值实现统计分析得到灰度值特征参数，灰度值特征参数包括灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值。如果截取的是矩形形状 ROI，则从提取出整个矩形 ROI 的灰度值，并完成统计分析；如果截取的是非矩形的任意形状 ROI，则通过判别灰度值的方式，首先提取非矩形的任意 ROI 边界轮廓，依据非矩形的任意 ROI 边界轮廓获取其最小外接矩形，从预处理后的超声图像中提取最小外接矩形区域的灰度值，由于最小外接矩形区域内的灰度值分布相当于一个二维点阵，因此可以将位于非矩形的任意 ROI 和其最小外接矩形区域之间的灰度值置 255，再将提取的最小外接矩形区域中为 255 的灰度值都去除，剩余灰度值即为非矩形的任意 ROI 的灰度值。矩形 ROI 定量分析见图3，此时 ROI 的取样框选择的是矩形框，通过鼠标画的矩形框，软件对该区域的影像进行分析。任意 ROI 定量分析见图4，此时 ROI 的取样框选择的是任意 ROI 方式，通过鼠标在图像画出的框，软件对该区域的影像进行分析。
图3
矩形 ROI 定量分析
红线表示 ROI 的取样框
图4
任意 ROI 定量分析
红线表示 ROI 的取样框
2.4 定量对比分析
软件为实现对常规超声图像和造影超声图像同一 ROI 灰度特征参数进行定量对比分析，得到常规超声图像和造影超声图像同一 ROI 灰度特征参数变化趋势。软件设计了对标记的保存及加载功能，当用户在 ROI 选取完成后，点击“标记保存”，此时软件会对 ROI 边界的坐标数据以 Excel 文件的格式保存到电脑。进行标记加载时，选择相应的标记 Excel 文件即可，软件会读取文件中的标记坐标，在图像中进行 ROI 显示。这就使得软件可以分别获取常规超声图像和造影图像同一 ROI 的灰度值特征，完成灰度值的定量对比分析。灰度值变化趋势可以反映不同分子（例如疾病分子和正常分子）水平信号通路上表达的差异，进而为疾病的影像诊断和鉴别诊断提供分子水平的有效依据。常规超声图像定量分析见图5，此时 ROI 的取样框选择的是任意 ROI 方式，通过鼠标在图像画出的框，软件对该区域的影像进行分析。造影超声图像定量分析见图6，此时 ROI 的取样框选择的是通过加载图5 的轨迹文件而来，所以和图5 的取样框一样，软件对该区域的影像进行分析。
图5
常规超声图像定量分析
红线表示 ROI 的取样框
图6
造影超声图像定量分析
红线表示 ROI 的取样框
3 软件应用效果
基于 ROI 的超声分子影像声像图定量分析软件于 2019 年完成设计开发并投入使用，取得良好效果。软件可以实现对常规超声声像图的灰度值定量分析，其使用流程如下：① 加载待分析超声图像；② 对待处理超声图像进行放大或缩小处理至适当尺寸；③ 对预处理后的超声图像进行 ROI 截取；④ 对截取的 ROI 灰度值进行统计分析。
软件可以对常规超声图像与对应的超声造影图像进行同一 ROI 的对比分析，其使用流程如下：① 加载常规超声图像；② 在常规超声图像中进行 ROI 截取；③ 进行标记保存并对截取的 ROI 灰度值进行统计分析；④ 加载对应的超声造影图像；⑤ 进行标记加载并对加载的 ROI 灰度值进行统计分析；⑥ 完成常规超声图像与超声造影图像的对比分析。
基于 ROI 的超声分子影像声像图定量分析软件可对图像进行缩放预处理，用户可以根据图像的形状大小特点进行适当缩放，使得自己能更精确地进行 ROI 轨迹勾画。软件在 ROI 的截取方式中，分别可以实现矩形 ROI 和任意形状 ROI 两种方式，矩形 ROI 方式可以满足对 ROI 截取的快捷性，使用户可以对 ROI 灰度值的快速分析，任意形状 ROI 方式可以满足对 ROI 截取的精确性，使用户可以对 ROI 的精确获取，以滤除周边区域对定量分析的影响，提升定量分析精度。软件设计了标记保存与加载的功能，实现了对不同图像中同一 ROI 的对比分析，尤其适用于常规超声图像与超声造影图像的灰度值趋势分析。
4 小结
基于 ROI 的超声分子影像声像图的定量分析软件在超声医学科得以应用实践。软件界面友好、操作简单、运行稳定可靠，软件很好地设计了对图像进行缩小放大的预处理功能、矩形 ROI 和任意形状 ROI 的截取功能、ROI 标记保存和加载功能，软件很好地实现了对常规超声图像的灰度值定量分析、常规超声图像与超声造影图像的对比定量分析，助力了超声分子影像声像图中 ROI 的定量分析的相关科研及临床研究。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
