Herramienta software para la segmentación y visualización 3D de hígados reales a partir de imágenes de escaneos 3D no invasivos
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Índice general Índice general 2 Índice de guras 6 1. Introducción 11 1.1. Objetivos .................................... 11 1.2. Entorno ..................................... 12 1.3. Planteamiento.................................. 14 1.4. Estadodelarte................................. 16 1.4.1. Anatomía del hígado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.2. Métodos de adquisición de imágenes . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.2.1. Métodos de adquisición de imágenes no invasivos . . . . . 18 1.4.3. FormatoDICOM............................ 20 1.4.4. Segmentación.............................. 22 1.4.4.1. Denición de segmentación . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.4.2. Técnicas de segmentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4.4.2.1. Técnicas de segmentación basadas en píxeles . . 23 1.4.4.2.2. Técnicas de segmentación basadas en regiones . 23 2
1.5. Organización .................................. 25 2. Herramientas 26 2.1. VisualStudio2008............................... 26 2.1.1. Instalación de Visual Studio 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2. Qt ........................................ 28 2.2.1. InstalacióndeQt............................ 28 2.2.2. Integración Qt con Visual Studio 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3. CMake...................................... 30 2.3.1. Instalación de CMake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4. ITK (Insight Segmentation and Registration Toolkit) . . . . . . . . . . . . 31 2.4.1. Instalación de ITK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.2. Compilación de ITK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.3. Integración de ITK en Visual Studio 2008 . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.3.1. Crear variables de entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.5. VTK (Visualization Toolkit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.5.1. Instalación de VTK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.5.2. Compilación de VTK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.5.3. Integración de VTK en Visual Studio 2008 . . . . . . . . . . . . . . 43 3. Diseño e implementación de la interfaz gráca de usuario 47 3.1. Programación orientada a objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.1. Conceptos básicos de programación en C++ . . . . . . . . . . . . . 47 3.2. Cómo crear un proyecto nuevo en Visual Studio 2008 . . . . . . . . . . . . 49 3
3.3. Estructura interna de la aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4. Cómo crear un cuadro de diálogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.4.1. Widgets................................. 55 3.4.2. Eventos, signals y slots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.3. Crearunbotón............................. 57 3.4.3.1. Ejemplo de botón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.4.4. Crear una etiqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4.4.1. Ejemplo de etiqueta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4.5. Crear una barra deslizadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.4.5.1. Ejemplo de una barra deslizadora . . . . . . . . . . . . . 61 3.4.6. Crear un spinbox ............................ 62 3.4.6.1. Ejemplo de un spinbox ................... 63 3.4.7. Crear un combobox ........................... 63 3.4.7.1. Ejemplo de un combobox .................. 64 3.4.8. Crear un frame ............................. 65 3.4.8.1. Ejemplo de un frame .................... 66 3.5. Clases de ITK utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6. Clases de VTK utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4. Resultados 74 4.1. Interfaz Gráca de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2. Guía de utilización para usuarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.1. Primeraventana ............................ 75 4.2.2. Segundaventana............................ 77 4
4.3. Evaluación de la herramienta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5. Conclusiones y líneas futuras 83 Bibliografía 85 5
Índice de guras 1.1. Ubicación del hígado en la anatomía humana. . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2. Cadena de procesos que intervienen en la herramienta desarrollada. . . . . 14 1.3. Herramientas utilizadas e integradas en la aplicación. . . . . . . . . . . . . 15 1.4. Estructura básica del hígado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.5. División anatómica del hígado en segmentos según la nomenclatura de Couinaud..................................... 17 1.6. Realización de una CT e imagen resultante. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.7. Realización de una MR e imagen resultante. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.8. Logotipo del estándar DICOM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.9. Ejemplo de estándar DICOM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1. Logotipo de Visual Studio 2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2. Pasos a seguir en el proceso de instalación de Visual Studio 2008 . . . . . 27 2.3. LogotipodeQt.................................. 28 2.4. Pasos a seguir en el proceso de instalación de Qt. . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5. Pasos a seguir en el proceso de la integración de Qt en Visual Studio 2008. 29 2.6. Menú de Qt en Visual Studio 2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.7. LogotipodeCMake. .............................. 30 6
2.8. Proceso de instalación de CMake. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.9. LogotipodeITK................................. 31 2.10. Vista de la aplicación CMake. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.11. Selección de la plataforma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.12. Compilación de ITK: Congure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.13. Itk.sln -VisualStudio2008. ........................ 34 2.14. Propiedades de un proyecto en Visual Studio 2008. . . . . . . . . . . . . . 34 2.15. directorios de inclusión y bibliotecas adicionales. . . . . . . . . . . . . . . 35 2.16. Panel de control: Sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.17. Pasos para crear nuevas variables de entorno. . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.18.LogotipodeVTK. ............................... 39 2.19.TuberíadeVTK................................. 40 2.20. Ejemplos de objetos VTK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.21. Compilación de VTK: VTK_USE_GUISUPPORT. . . . . . . . . . . . . 41 2.22. Compilación de VTK: VTK_USE_QVTK. . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.23. Compilación de VTK: DESIRED_QT_VERSION. . . . . . . . . . . . . 42 2.24. Compilación de VTK: Congure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.25. Vtk.sln - Visual Studio 2008. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1. Primeros pasos para crear un proyecto nuevo. . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2. Asistente para nuevos proyectos Qt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3. Archivos generados en una aplicación Qt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4. Archivo main generado por defecto al crear un proyecto. . . . . . . . . . 51 3.5. Archivos .h y .cpp generados por defecto al crear un proyecto. . . . . . 51 7
3.6. Archivos .ui generado por defecto al crear un proyecto. . . . . . . . . . . 52 3.7. Diagrama de la estructura interna de la aplicación. . . . . . . . . . . . . . 52 3.8. Archivo main.cpp de la aplicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.9. ClaseQWidget ................................. 55 3.10.ClaseQWidget ................................. 56 3.11. Cómo conectar signals y slots .......................... 57 3.12.ClaseQPushButton .............................. 57 3.13.Ejemplodebotón. ............................... 58 3.14.ClaseQLabel .................................. 59 3.15.Ejemplodeetiqueta............................... 59 3.16.ClaseQSlider................................... 60 3.17. Ejemplo de barra deslizadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.18.ClaseQSpinBox. ................................ 62 3.19. Ejemplo de spinbox . .............................. 63 3.20.QComboBox. .................................. 64 3.21. Ejemplo de combobox . ............................. 64 3.22.ClaseQFrame. ................................. 65 3.23. Estilos y líneas de QFrame. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.24. Ejemplo de segmentación de un hígado visualizada en un frame . . . . . . . 66 4.1. Visualización de la primera ventana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2. Visualización de la segunda ventana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.3. Aspecto de la IGU al apretar el botón OPEN. . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4. Aspecto de la IGU al desplazarse por la barra deslizadora. . . . . . . . . . 79 8
4.5. Aspecto de la IGU al apretar el botón SEGMENTATION y realizar un métododesegmentación............................. 80 4.6. Aspecto de la IGU al guardar las imágenes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.7. Aspecto de la IGU al abrir un directorio de imágenes DICOM segmentadas previamente. .................................. 81 4.8. Aspecto de la IGU al visualizar las imágenes segmentadas y el volumen 3Ddelasmismas. ............................... 81 4.9. Aspecto de la IGU al rotar y hacer zoom en el volumen 3D. . . . . . . . . 82 9
1.4. Estado del arte 1.4.1. Anatomía del hígado El hígado humano es un tejido blando, no lineal y viscoelástico. Además, sus estructuras internas son complejas y difíciles de identicar en los diferentes modos de exploración no invasiva. El hígado es el órgano más grande del cuerpo humano. Pesa en cadáver alrededor de 1500 gramos y en vivo este peso aumenta 400 gramos por la sangre contenida en el órgano. En los humanos consiste en una masa continua de células, dividida en forma incompleta por separaciones de tejido conectivo. Dentro de esta masa de células continua, las subdivisiones de los conductos biliares y de los vasos hepáticos tienen numerosas conexiones. El hígado está situado en la parte superior del abdomen, debajo del diafragma y está mantenido en su posición por: Vena cava inferior, a la cual está unido a través de las venas supra-hepáticas. Ligamento redondo del hígado, que remplaza en el adulto la vena umbilical del feto. Repliegues peritoneales. Figura 1.4: Estructura básica del hígado. A pesar de la estructura monolítica del hígado arbitrariamente se lo considera compuesto por lóbulos. Consta de dos lóbulos principales, el derecho y el izquierdo que están divididos por un ligamento llamado falciforme, comprendiendo el lóbulo derecho cinco 16
sextos y el lóbulo izquierdo un sexto de la masa hepática. Un tercer lóbulo más pequeño llamado cuadrado y el lóbulo de Spiegel (lóbulo caudado) (Figura 1.4). Cuando el cirujano planea una cirugía, hace una división del hígado en segmentos (Figura 1.5). Los segmentos del hígado se denen como las regiones servidas por una subdivisión de la vena porta, de la arteria hepática y del conducto hepático común, que viajan juntos a través de toda la masa hepática. Esta segmentación es una segmentación anatómica (clasicación de Couinaud) que divide al hígado en ocho segmentos funcionales independientes. Cada segmento es independiente porque tiene su propio ujo de entrada vascular, su ujo de salida vascular y su ujo de salida biliar. Figura 1.5: División anatómica del hígado en segmentos según la nomenclatura de Couinaud. Hay muchos trabajos relacionados con esta segmentación [3]-[10] entre otros, ya que es la segmentación utilizada habitualmente en cirugía. De hecho, una herramienta de visualización 3D que permitiese visualizar los diferentes tejidos del hígado sería de gran ayuda a la hora de planicar una intervención que requiera de esta segmentación. Se han estudiado algunos de los métodos de segmentación del hígado por tejidos más recientes ([11]-[15]) y se ha llegado al siguiente conjunto de conclusiones: 1. El número de tejidos que se diferencian en el hígado escaneado son el portal hepático, las venas hepáticas, las arterias hepáticas y el sistema biliar. 2. El sistema de escaneo más utilizado es la CT. 17
3. Para la segmentación se utilizan contrastes y como la toma de imágenes se realiza en diferentes instantes de tiempo para cada contraste, hay que hacer un registro de las imágenes para situarlas en un sistema de coordenadas común. Todas estas conclusiones serán tenidas en cuenta a la hora de hacer la segmentación. 1.4.2. Métodos de adquisición de imágenes Los procedimientos de adquisición de imágenes se pueden catalogar en procedimientos invasivos y no invasivos. Los procedimientos invasivos implican la colocación de dispositivos o materiales dentro del cuerpo, como la inserción una aguja, una sonda o un endoscopio, mientras que en los procedimientos no invasivos no se introduce instrumental médico dentro del cuerpo del paciente. Los procedimientos no invasivos son deseables a n de minimizar el riesgo para el paciente [2]. 1.4.2.1. Métodos de adquisición de imágenes no invasivos Entre los procedimientos no invasivos habitualmente usados se encuentran la tomografía computarizada y la resonancia magnética. Tomografía computarizada La tomografía computarizada (CT) consiste en la obtención de imágenes detalladas de los órganos y estructuras internas del cuerpo, por medio de una fuente emisora de radiación ionizante (rayos X) (Figura 1.6). Figura 1.6: Realización de una CT e imagen resultante. 18
La fuente emisora de radiación emite un haz de rayos X que incide sobre el objeto a estudiar. Parte de dicha radiación es absorvida por el objeto y el resto es recogida por un receptor. Tanto emisor como receptor giran en círculo alrededor del objeto sobre un eje que cambia su inclinación. Una vez completados los 360 o se habrán obtenido las proyecciones de un corte del objeto. Se producen múltiples imágenes como consecuencia de dicha rotación. Un ordenador combina todas esas imágenes en una imagen nal que representa un corte. A continuación, se mueve una pequeña distancia y se repite el proceso para obtener un nuevo corte. Las tomografías computarizadas muestran más detalles que las radiografías estándar. Mientras que con las radiografías estándar se obtiene una única imagen, la tomografía permite obtener varias imágenes en distintos planos de la zona anatómica a estudio y por tanto, tener muchas vistas diferentes del mismo órgano o de la misma estructura proporcionando así, mayor detalle. La información de los rayos X es enviada a un ordenador que interpreta los datos de los rayos X y los presenta en forma bidimensional en un monitor. Resonancia magnética La resonancia magnética (MR) consiste en la obtención de las imágenes de los órganos y estructuras internos del cuerpo mediante el empleo de un campo electromagnético (imán), un emisor/receptor de ondas de radio (escáner) y un ordenador (Figura 1.7). Figura 1.7: Realización de una MR e imagen resultante. La resonancia magnética permite obtener imágenes del organismo de forma no invasiva sin emitir radiación ionizante (rayos X) y en cualquier plano del espacio. Las ondas de radio y el campo electromagnético excitan a los protones (núcleos de los átomos de hidrógeno) que se encuentran en los tejidos que van a ser estudiados, 19
provocando que se alineen unos con otros. Cuando la radiación electromagnética deja de emitirse los protones se liberan y regresan a su posición inicial liberando energía en forma de ondas de radio que son recogidas por el escáner y enviadas a un ordenador para su procesamiento en forma de imagen. 1.4.3. Formato DICOM La información de entrada al sistema será un conjunto de imágenes MR y/o CT correspondientes al hígado. Ambos tipos de exploraciones se almacenan en los equipos de exploración clínicos en formato DICOM. Figura 1.8: Logotipo del estándar DICOM. DICOM ( Digital Imaging and Communication in Medicine ) es un estándar para el intercambio de imágenes médicas, pensado para el manejo, almacenamiento, impresión y transmisión de imágenes médicas (Figura 1.8). El estándar DICOM especica la forma en que se debe guardar la información relativa a las exploraciones en archivos digitales y el contenido que estos archivos pueden tener. Además, ofrece la oportunidad de interconectar sistemas informáticos de diferentes fabricantes y hace posible que se comuniquen entre sí. Los cheros DICOM tienen una extensión .dcm y consisten en dos partes diferenciadas (Figura 1.9): Figura 1.9: Ejemplo de estándar DICOM. 20
Cabecera En la cabecera se especican datos administrativos (datos del paciente, tipo de exploración, equipo de adquisición, condiciones en que se tomó la imagen, hospital etc.) y datos sobre la imagen (tamaño etc.). La cabecera está compuesta por: • Preámbulo El estándar DICOM especica que un chero en formato DICOM debe de comenzar con un preámbulo. Este preámbulo tiene un tamaño jo de 128 bytes y está pensado para tener un uso denido por la implementación. Puede contener información sobre el nombre de la aplicación usada para crear el chero o información que permita a aplicaciones acceder directamente a los datos de la imagen almacenada en el chero. • Prejo Este prejo consiste en cuatro bytes que contienen la cadena de caracteres DICM. El propósito de este prejo es permitir a las implementaciones diferenciar si un chero es DICOM o no. Imagen Una imagen se dene como una función bidimensional compuesta por sus coordenadas espaciales (x,y) y su intensidad o nivel de gris. La imagen consiste en un mapa de de densidades. Esta información puede interpretarse como una imagen en escala de grises si se hace una superposición de la escala de grises sobre la escala de densidades (unidades Hounseld). La escala de densidad o intensidad va de -1000 a 1000 o de -1000 a 4000. Por otra parte, sólo contamos con 255 niveles de grises, donde 0 es blanco y 255 negro, por lo que se hace una transformación de unidades de Hounseld a la escala de grises. La forma en que se hace esta transformación de escalas está denida por el estándar DICOM [16]. 21
1.4.4. Segmentación 1.4.4.1. Denición de segmentación La segmentación de imágenes es el proceso mediante el cual asignamos una etiqueta a cada uno de los píxeles de una imagen, de manera que píxeles con características comunes son agrupados como pertenecientes a una misma entidad. El objetivo de la segmentación de una imagen consiste en separar los distintos objetos que aparecen en la misma del fondo y diferenciarlos entre ellos. Tras la segmentación, cada píxel de la imagen quedará identicado como perteneciente a uno de los objetos que la forman o al fondo. Las propiedades deseables de una región serían la homogeneidad del color o intensidad dentro de la misma, la homogeneidad de su textura y la existencia de bordes claros con las regiones adyacentes. La segmentación no tiene porque limitarse a la imagen bidimensional, sino que el mismo concepto puede ser extendido a volúmenes tridimensionales. 1.4.4.2. Técnicas de segmentación Las técnicas de segmentación se pueden dividir en técnicas basadas en píxeles o técnicas basadas en regiones de la imagen. Las primeras asignan la misma etiqueta a píxeles con intensidades similares, independientemente de si los píxeles etiquetados forman un conjunto espacialmente compacto. Las técnicas basadas en regiones asignan la misma etiqueta sólo a píxeles que forman una región compacta. A continuación se describen las técnicas de segmentación que se van a aplicar en este proyecto: una basada en píxel, la umbralización, y otra basada en regiones, el crecimiento de regiones y sus variantes. 22
1.4.4.2.1. Técnicas de segmentación basadas en píxeles Umbralización La umbralización ( thresholding ) es un método de segmentación de imágenes que actúa según el nivel de intensidad de las mismas. La umbralización trata de determinar un valor de intensidad, denominado umbral ( threshold ), que separa las diferentes partes de la imagen. La segmentación se logra agrupando todos los pixeles con mayor intensidad cercanos a los diferentes umbrales. En el caso de la umbralización binaria ( binary thresholding ) la segmentación resultante será una imagen con los píxeles agrupados a nivel 1 y el resto (fondo de la imagen) a valor 0. La umbralización es una técnica efectiva para obtener la segmentación de imágenes donde estructuras diferentes tienen características diferenciables. Existen métodos interactivos, basados en la apreciación visual del usuario, pero también existen métodos automáticos. Generalmente, la umbralización es el paso inicial de una secuencia de operaciones de procesamiento de imágenes. Su principal limitación es que es sensible al ruido e inhomogenidades de intensidad, las cuales pueden ocurrir en imágenes de resonancia magnética. Estos factores corrompen el histograma de la imagen, haciendo la separación más difícil. 1.4.4.2.2. Técnicas de segmentación basadas en regiones Crecimiento de regiones El crecimiento de regiones ( region growing ) es una técnica para extraer regiones de la imagen que están conectadas según cierto criterio predenido. Este criterio puede estar basado en información de intensidades y/o bordes de la imagen. Este método requiere un punto semilla ( seed point ) que es seleccionado manualmente por el usuario, y extrae todos los píxeles conectados a la semilla, que tengan el mismo valor de intensidad. Una región homogénea crece alrededor de la semilla y los píxeles vecinos con intensidades similares se van añadiendo iterativamente a la región. 23
Su desventaja principal es que requiere interacción manual para obtener el punto semilla. La región creciente también puede ser sensible al ruido, causando que las regiones extraídas tengan agujeros e inclusive que se desconecten. Los algoritmos de crecimiento de regiones varían según el criterio utilizado para decidir si un píxel debe ser incluido en una región o no, la conectividad usada para determinar los vecinos y la estrategia utilizada para visitar los píxeles vecinos [17]. Algunos de esos algoritmos son: • Connected Threshold Un criterio simple para la inclusión de píxeles en una región es evaluar el valor de intensidad en el interior de un intervalo especíco. Los valores de límite inferior y superior deben ser proporcionados por el usuario. El algoritmo incluye todos aquellos píxeles cuya intensidad se encuentran dentro del intervalo: I(x)∈[inferior, superior] • Condence connected El algoritmo comienza calculando la media m y la desviación estándar σ para todos los píxeles que guran actualmente en la región donde hemos situado la semilla. El usuario proporciona el factor que se utiliza para multiplicar la desviación estándar y denir un rango alrededor de la media. Los píxeles vecinos cuyos valores de intensidad se hallan dentro del rango son aceptados e incluidos en la región. Cuando no hay más píxeles vecinos que cumplan el criterio, se considera que el algoritmo ha terminado su primera iteración. En ese punto, se vuelven a calcular la media y desviación estándar de los niveles de intensidad, utilizando todos los píxeles que guran actualmente en la región. Esta media y desviación estándar denen un nuevo rango de intensidad que se utiliza para visitar a los vecinos de la región actual y evaluar si su intensidad está dentro del rango. Este proceso iterativo se repite hasta que no haya más píxeles que añadir o se alcanza el número máximo de iteraciones. I(x)∈[m−fσ, m +fσ] 24
1.5. Organización Durante los siguientes capítulos se pretende mostrar con detalle cada una de las tareas que se han realizado para la consecución de los objetivos del proyecto. En el capítulo 2 se explicará detalladamente las distintas herramientas utilizadas para llevar a cabo la aplicación implementada en este proyecto y los pasos previos para la instalación de tales herramientas. En el capítulo 3 se mostrarán los conceptos básicos de la programación orientada a objetos, los pasos para la creación de un proyecto nuevo y la estructura interna que posee la aplicación. Además se detallarán los elementos básicos para crear la interfaz gráca de usuario. En el capítulo 4 se evaluarán las funcionalidades de la aplicación realizada con distintas imágenes. Por último, en el capítulo 5 se expondrán las conclusiones obtenidas junto con las líneas futuras. 25
2.4.1. Instalación de ITK Como ITK son librerías libres se puede bajar el instalable .exe de la página web: www.itk.org , en concreto, en la página web: http://www.itk.org/ITK/resources/ software.html . Se bajarán las InsightToolkit y las InsightAplications . Son dos archivos comprimidos con xtensión .zip , por lo que habrá que descomprimir ambos. 2.4.2. Compilación de ITK Para compilar las librerías ITK se necesitan conocer y disponer de tres datos: el compilador que va a ser empleado, la dirección del código fuente y la dirección donde se generarán el código objeto, las librerías y los archivos binarios producidos en la compilación. Al ejecutar la aplicación CMake (Figura 2.10), donde indica Where is the source code: habrá que poner el directorio donde estén las ITK descomprimidas del apartado anterior ( InsigthToolkit ). Mientras que en Where to build the binaries habrá que poner una carpeta creada por el usuario donde estarán las ITK compiladas que se van a crear. Figura 2.10: Vista de la aplicación CMake. Una vez hecho esto, se hará click en Congure . El siguiente paso pedirá la plataforma en la que se va a hacer la compilación de las librerías (Figura 2.11). Se pondrá la versión Visual Studio 9 (que corresponde al Visual Studio 2008). A continuación se hará de nuevo click en Congure . Saldrán una serie de variables en rojo en la pantalla que pueden ser modicadas o hacer click en Congure , una vez más. 32
Figura 2.11: Selección de la plataforma. Las variables pasarán de estar en rojo a estar en gris y estará disponible la opción ok . Se pulsará y el programa se cerrará por si solo al nalizar (Figura 2.12). Figura 2.12: Compilación de ITK: Congure. Cmake ha convertido los archivos binarios en C++ a Visual C++. Al abrir la carpeta creada por el usuario donde estarán las ITK compiladas (el directorio que se introdujo en Where to build the binaries ) aparece un proyecto llamado Itk.sln y que se ejecutará en Visual Studio 2008. En el proyecto Itk.sln al situarse encima de ALL_BUILD, se pulsará el botón derecho y se dará a Generar (Figura 2.13). Este proceso tardará alrededor de una hora y lo que se van a crear ahora son las librerías que posteriormente se usarán en los programas. Se puede ver simultáneamente cómo se van creando estas librerías en la carpeta bin/debug , que se habrá creado en el directorio Where to build the binaries (la carpeta donde están las ITK compiladas). Una vez hecho esto, se podrán incluir las librerías ITK en cualquier proyecto (Figura 2.13). 33
Figura 2.13: Itk.sln - Visual Studio 2008. 2.4.3. Integración de ITK en Visual Studio 2008 Llegado a este punto, sólo quedará añadir las librerías ITK al proyecto de Visual Studio 2008 en el que vayamos a trabajar. Se hace click con el botón derecho del ratón encima del proyecto de Visual Studio 2008, tal y como aparece en la Figura 2.14 y seleccionamos la opción Propiedades que se muestra en el menú desplegable. Figura 2.14: Propiedades de un proyecto en Visual Studio 2008. 34
Las librerías se añadirán en dos pasos (Figura 2.15): Figura 2.15: directorios de inclusión y bibliotecas adicionales. 1. Añadir los directorios de inclusión adicionales: $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ Algorithms $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ BasicFilters $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ Common $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ IO $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ Numerics $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ Numerics \ FEM $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ Numerics \ NeuralNetworks $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ Numerics \ Statistics $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Code \ SpatialObject $(PATH_ITK_INCLUDES) \ nifti \ znzlib $(PATH_ITK_INCLUDES) \ nifti \ niftilib $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ vxl \ core $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ vxl \ vcl $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ vxl \ v3p \ netlib $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ DICOMParser $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ expat $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ gdcm \ src 35
$(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ itkExtHdrs $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ NrrdIO $(PATH_ITK_INCLUDES) \ Utilities \ MetaIO $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ DICOMParser $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ expat $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ gdcm $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ NrrdIO $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ vxl \ core $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ vxl \ vcl $(PATH_ITK_LIBS) \ Utilities \ vxl \ v3p \ netlib Las variables $(PATH_ITK_INCLUDES) y $(PATH_ITK_LIBS) hacen referencia a la ruta donde se encuentra el código fuente de las librerías ITK y las librerías compiladas, respectivamente. En el apartado siguiente se explicará como crear dichas variables. 2. Añadir los directorios de bibliotecas adicionales En General: $(PATH_ITK_LIBS) \ bin \ Debug y $(PATH_ITK_LIBS) \ bin \ Release En Entrada: • ITKStatistics.lib • ITKFEM.lib • ITKAlgorithms.lib • itkNetlibSlatec.lib • ITKNumerics.lib • ITKBasicFilters.lib • ITKIO.lib • ITKNrrdIO.lib • itkgdcm.lib • itkjpeg12.lib • itkjpeg16.lib 36
• itkopenjpeg.lib • itkpng.lib • itkti.lib • itkjpeg8.lib • ITKSpatialObject.lib • ITKCommon.lib • itkvnl_inst.lib • itkvnl_algo.lib • itkv3p_netlib.lib • itkvnl.lib • itkvcl.lib • ITKMetaIO.lib • itksys.lib • ITKDICOMParser.lib • ITKEXPAT.lib • ITKniftiio.lib • ITKznz.lib • itkzlib.lib 37
2.4.3.1. Crear variables de entorno Una variable de entorno es un valor almacenado en memoria que simplica el valor al que corresponde y puede ser utilizado en varios procesos que funcionan simultáneamente. Así, para evitar especicar en Visual Studio 2008 todas las rutas donde se encuentran las librerías ITK podemos crear nuevas variables de entorno que simpliquen este paso. Para ello, se debe ir al Panel de control, a través del menú Inicio de Windows y hacer click en Sistema (Figura 2.16). Figura 2.16: Panel de control: Sistema. A continuación, hacer click en Opciones avanzadas y después acceder a la pestaña llamada Variables de entorno. Por último hacer click en el botón Nueva de Variables de usuario (Figura 2.17). Figura 2.17: Pasos para crear nuevas variables de entorno. 38
2.5. VTK (Visualization Toolkit) VTK (Figura 2.18) es un conjunto de librerías de código abierto orientada a objetos y disponible para visualización y tratamiento de la imagen. Al igual que ocurre con ITK, VTK está implementado en C++, utiliza la aplicación CMake para el proceso de compilación y además puede integrarse en herramientas como Qt. Figura 2.18: Logotipo de VTK. VTK es una de las herramientas estándar más importante en la programación para el análisis de imágenes ya que cuenta con una amplia funcionalidad tanto para la imagen, como para tratamiento de supercies y visualización. No sólo nos permite visualizar guras geométricas, sino que además soporta una amplia variedad de algoritmos de visualización y otras modernas técnicas de modelado en 2D y 3D. Debido a su gran potencia, se hacen necesarios amplios recursos de memoria en el ordenador para poder aprovechar la totalidad de sus funcionalidades. Las claves del éxito utilizando VTK son: La comprensión de la estructura de la jerarquía orientada a objetos. Para generar una imagen 3D se necesitan unas entidades llamadas actores, luces y cámaras. Los actores hacen referencia a los objectos que aparecen en la imagen y poseen diversas propiedades que permiten cambiar su apariencia. La imagen 3D está iluminada por un conjunto de luces y el usuario mira la imagen como si lo hiciera a través de una cámara virtual que enfoca dicha imagen tridimensional. Se puede cambiar la posición y orientación de las luces y las cámaras. La comprensión de su arquitectura basada en tuberías. El procesamiento de los datos se realiza a través de una arquitectura basada en pipelines o tuberías tal y como se muestra en las Figuras 2.19 y 2.20 y se compone de: 39
Figura 2.19: Tubería de VTK. 1. Fuentes: Producen datos. 2. Filtros: Operan en algunos datos para producir una versión modicada. 3. Mappers : Denen la interfaz entre los datos (por ejemplo, imágenes) y las primitivas grácas o software de representación. 4. Actores/Volúmenes: Generan la representación visible de los datos. 5. Renderers : Generan una imagen 2D a partir de una escena 3D. Un renderer es un objeto que controla el proceso de convertir la geometría, una especicación para las luces y una vista de cámara en una imagen. 6. Render Window : Hace referencia a la ventana de presentación, es decir, es el espacio en pantalla en el que la imagen de la cámara virtual se muestra. Figura 2.20: Ejemplos de objetos VTK. 40
2.5.1. Instalación de VTK Al igual que ocurría con las ITK, las VTK son librerías libres así que se puede bajar el instalable .exe de la página web: www.vtk.org , en concreto, en la página web: http: //www.vtk.org/VTK/resources/software.html . Se bajará el archivo vtk-5.4.2.zip . Al ser un archivo comprimido ( .zip ) habrá que descomprimirlo. 2.5.2. Compilación de VTK Al igual que ocurría en las librerías ITK, la instalación completa del código fuente requiere la compilación del código fuente de VTK, por lo tanto lo compilaremos con la ayuda de la aplicación CMake. Al ejecutar la aplicación CMake, donde indica Where is the source code habrá que poner el directorio donde estén las VTK descomprimidas del apartado anterior ( vtk5.4.2 ). Mientras que en Where to build the binaries habrá que poner una carpeta creada por el usuario donde estarán las VTK compiladas que se van a crear. Después se hará click en Congure y el siguiente paso pedirá la plataforma en la que se va a hacer la precompilación de las librerías (Figura 2.11). Se pondrá la versión Visual Studio 9 (que corresponde al Visual Studio 2008). A continuación se hará de nuevo click en Congure . Saldrán una serie de variables en rojo en la pantalla, de las cuales se cambiará VTK_USE_GUISUPPORT de OFF a ON (Figura 2.21). Figura 2.21: Compilación de VTK: VTK_USE_GUISUPPORT. 41
Objetos Un objeto es la instancia de una clase concreta. Herencia La herencia es la propiedad que permite contruir clases a partir de otras. Se utiliza para crear clases (hijas) que incorporen propiedades y métodos de otras clases (padres). Así, podremos construir clases a partir de otras sin tener que reescribirlo todo. Una clase nueva creada a partir de una clase existente será una subclase de esta clase ya existente. En resumen, las clases forman una estructura jerárquica de clasicación, ya que los objetos heredan las propiedades y atributos de todas las clases a las que pertenecen. Polimorsmo El polimorsmo es la capacidad que tienen los objetos de una clase para responder al mismo mensaje o evento en función de los parámetros utilizados durante su invocación. A continuación se describirán los pasos básicos para crear una clase y un objeto perteneciente a dicha clase: 1. La forma básica para denir una clase es: class nombre_clase { //Atributos de la clase tipo_atributo nombre_atributo; //Métodos de la clase tipo_método nombre_método (párametros_método); } Siendo class una palabra reservada para declarar una clase y las dos barras inclinadas // indicadores de que lo que sigue es un comentario. 2. Una vez denida la clase, se puede crear un objeto de la clase que hemos declarado de la siguiente forma: class nombre_clase nombre_objeto; 48
3. La declaración de un método se realiza: tipo_método nombre_clase::nombre_método((párametros_método) { ... } Como veremos después, las deniciones de clases, así como las declaraciones de sus respectivos métodos, y la creación de objetos de clases se programarán en distintas partes del proyecto. 3.2. Cómo crear un proyecto nuevo en Visual Studio 2008 Para crear un proyecto en Visual Studio 2008 se abrirá la aplicación y se seleccionará el menú Archivo. Se hará click en Nuevo y después en Proyecto. A continuación, se mostrará una pantalla que nos indica los diferentes tipos de proyectos que podemos crear (Figura 3.1). Figura 3.1: Primeros pasos para crear un proyecto nuevo. Como tipo de proyecto se elegirá un proyecto basado en Qt: Qt4 Projects y después Qt Application. Habrá que indicar el nombre y la ubicación del proyecto (en el caso que se muestra, se ha elegido como nombre nuevoproyecto). Una vez hecho esto, se abrirá un asistente para la creación de un proyecto Qt. 49
Mediante el asistente se podrán incluir disintos módulos de librerías (SQL, OpenGL, XML etc), pero se recomienda utilizar las opciones por defecto. El último paso del asistente permite modicar los nombres de los archivos que se generarán automáticamente y la clase base a partir de la cual se generará el proyecto (Figura 3.2). Figura 3.2: Asistente para nuevos proyectos Qt. Al nalizar el asistente, en el menú llamado Explorador de soluciones se mostrarán todos los archivos generados automáticamente y que están incluidos dentro del nuevo proyecto (Figura 3.3). Figura 3.3: Archivos generados en una aplicación Qt. Los archivos generados (Figura 3.3) corresponden a uno de los siguientes tipos: .h : Los archivos .h sirven para declarar clases, las cuales se denen como hemos visto en el apartado anterior. .cpp : Los archivos .cpp sirven para implentar los métodos, tal y comos hemos visto 50
anteriormente, asociados a las clases declaradas en los archivos .h. .ui : Los archivos .ui sirven para implementar una interfaz de usuario a través de la aplicación Qt Creator, sin embargo en el presente proyecto la implementación se realizará directamente por código mediante los archivos .cpp. Para diferenciar unos archivos .cpp de otros, utilizaremos el atributo ui ( user interface ) para hacer referencia a aquellos dónde se implementan los objectos de la interfaz de usuario. .pro y .moc : Los archivos .pro y .moc sirven para compilar el programa y se generan automáticamente, por lo que el usuario será ajeno a ellos. Al abrir los archivos generados podemos observar (Figuras 3.4, 3.5 y 3.6) que éstos han sido creados por defecto con una serie de instrucciones. Además, se han destacado las líneas que se deben añadir para incluir las librerías, ya que es conveniente tener en cuenta que se debe realizar una inclusión de los diferentes archivos que se generan y de las librerías que se utilicen en la aplicación. Para ello, bastará añadir # include archivo.extensión al principio de cada archivo. Figura 3.4: Archivo main generado por defecto al crear un proyecto. Figura 3.5: Archivos .h y .cpp generados por defecto al crear un proyecto. 51
Figura 3.6: Archivos .ui generado por defecto al crear un proyecto. 3.3. Estructura interna de la aplicación Una vez visto cómo se crea desde cero un proyecto nuevo, estamos en disposición para entender la estructura interna del proyecto objeto de este trabajo (Figura 3.7): Figura 3.7: Diagrama de la estructura interna de la aplicación. Módulo principal El programa contiene un módulo principal donde se encuentra la función main . El archivo main.cpp contiene el código para inicializar la aplicación y los archivos de cabecera que contienen la lógica de la aplicación personalizada y los componentes de la IGU. Se realiza sólo una instancia por aplicación y debe crearse antes de cualquier objeto relacionado con la IGU. 52
En el archivo main.cpp de la aplicación implementada en el presente proyecto se incluyen los archivos de cabecera para los componentes de aplicación. Posteriormente, se crea un objeto de la clase QApplication llamado a. La clase QApplication administra el ujo de control de la aplicación de la IGU. Contiene el bucle de eventos principal, donde todos los eventos del sistema de ventanas y otras fuentes son procesadas y enviadas. También se ocupa de la inicialización de la aplicación y nalización. A continuación, se dene una ventana de diálogo llamada w, se muestra la ventana w y se ejecuta la aplicación a. Por último, se hace una llamada al método exec() de la clase QApplication para iniciar el ciclo de eventos de Qt y de este modo el control pasa a Qt. El archivo main.cpp de la aplicación se dene entonces, como en la Figura 3.8. Figura 3.8: Archivo main.cpp de la aplicación. ImageFrame La clase ImageFrame se ha creado con la nalidad de visualizar las imágenes DICOM. Se utilizará tanto en la primera ventana ( Myproject ) de la aplicación como en la segunda ( Mysecondwindow ). Myproject y Mysecondwindow son dos clases asociadas a las dos ventanas sobre las que está implementada la herramienta. En la clase ImageFrame se han denido todos los objetos, variables y funciones relacionadas con las imágenes que se van a procesar y visualizar en ambas ventanas. ImageFrame hereda de la clase QFrame . Utilizamos esta clase para crear un marco o frame en que visualizar imágenes. En el capítulo 5 se explicará con mayor detalle en que consiste dicha clase QFrame . 53
Para visualizar una imagen DICOM se deben seguir los siguientes pasos: 1. Leer la imagen DICOM mediante las librerías ITK: Para leer la imágenes se recorrerán todos los píxeles que la constituyen y sus valores se almacenará en un buer , al cuál tendremos acceso mediante un puntero creado en la clase ImageFrame . Este paso está ampliamente explicado en [17]. 2. Convertir la imagen de ITK a Qt: A partir del puntero que tiene acceso a la imagen, se realiza una conversión de ITK a un objeto llamado image de la clase QImage . Esta clase es la utilizada en Qt para dibujar imágenes. 3. Dibujar y visualizar la imagen en la interfaz gráca de usuario: Para dibujar los objetos de tipo QImage se ha asociado un evento llamado paintEvent a la clase ImageFrame y que automáticamente dibuja una imagen dentro de unos objetos llamados frames que actúan a modo de marco para contener en ellos la imagen. Además de visualizar las imágenes DICOM también se han implementado los métodos de segmentación de dichas imágenes mediante las librerías ITK [17] y los métodos para visualizar el volumen 3D a partir de dichas imágenes, gracias a las librerías VTK [18]. Primera ventana Para implementar la primera ventana se ha denido la clase Myproject . En esta clase se denen todos los widgets y funciones que aparecen y se ejecutan al lanzar la aplicación. Segunda ventana Al igual que ocurre en la primera ventana, se ha denido una clase para la segunda ventana llamada Mysecondwindow . En esta clase se denen todos los widgets y funciones que aparecen y se ejecutan al lanzar la aplicación . Se ha creado una variable de la clase Mysecondwindow en la clase Myproject , para tener acceso a todos los atributos y métodos de la segunda ventana. Mediante esta variable se lanzará la segunda ventana apretando un botón en la primera. 54
3.4. Cómo crear un cuadro de diálogo QObject es la base del sistema de objetos de Qt. Todos los objetos y la mayoría de clases de Qt heredan de él. Por su parte, QWidget es la base de todos los objetos de cualquier interfaz de usuario. Los más comunes son QMainWindow y QDialog y sus respectivas subclases (Figura 3.9). En esta aplicación utilizaremos la clase QDialog . Figura 3.9: Clase QWidget QDialog es la clase base de cualquier ventana de diálogo. Una ventana de diálogo es una ventana utilizada para tareas y comunicaciones con el usuario. Para poder crear una ventana de diálogo, se debe incluir en el archivo main.cpp la siguiente instrucción: #include <QtGui>, donde QtGui es la colección básica de componentes grácos para crear cualquier interfaz. 3.4.1. Widgets Los widgets son los bloques de construcción básicos de la interfaz gráca de usuario, es decir, un widget es todo aquel elemento visual dentro de una interfaz de usuario. Los botones y etiquetas son ejemplos de widgets . Cada componente de la interfaz gráca de usuario puede ser colocado dentro de una interfaz existente o mostrarse como una ventana independiente. Cada tipo de componente es proporcionada por una subclase particular de QWidget , que es en sí misma una subclase de QObject , siendo QObject a su vez, la clase base del sistema de objetos de Qt (Figura 3.10). Todo widget y la mayoría de las otras clases de Qt heredan de él. 55
Figura 3.10: Clase QWidget 3.4.2. Eventos, signals y slots Las acciones del usuario sobre los widgets generan eventos (también llamados mensajes) que el programa puede responder normalmente ejecutando una o más funciones. Por ejemplo, cuando un usuario aprieta o hace click en un widget , un evento mouse press y un mouse release se generan. Los widgets emiten señales llamadas signals , para indicar que se ha producido una acción del usuario o ha ocurrido un cambio de estado. Por ejemplo, cuando el usuario apreta un botón, que es un objeto perteneciente a la clase QPushButton , éste emite una señal llamada clicked() . Serían también ejemplos de signals elegir una opción del menú, abrir o cerrar una ventana, etc. Una señal se puede conectar a una función llamada slot . Así pues, cuando la señal es emitida, el slot es ejecutado automáticamente. Normalmente, la manera de hacerlo sería: connect(widget, SIGNAL(), widget, SLOT()) Donde signal y slot corresponderían a la señal que emite el widget y al slot que se produce cuando la señal ha sido emitida. También cabe la posibilidad de poder conectar una o varias señales a un único slot y también una o varias señales a varios slots , como se muestra en la Figura 3.11. A continuación se van a analizar los widgets utilizados en la aplicación para diseñar la interfaz gráca de usuario. 56
Figura 3.11: Cómo conectar signals y slots . 3.4.3. Crear un botón Para crear un botón se creará un objeto de la clase QPushButton . Esta clase pertenece a su vez a la clase QAbstractButton que es utilizada para crear diferentes tipos de botones (Figura 3.12). Figura 3.12: Clase QPushButton Un pushButton es un botón de comandos. Quizás sea el widget más utilizado en cualquier interfaz de usuario, ya que es sencillo hacer que al activar dicho botón se pueda ordenar al ordenador que realice alguna acción o responda a alguna pregunta. Un pushbutton emite la señal clicked() cuando es activado mediante el ratón o el teclado. Por tanto, conectaremos esta señal con la acción que deseemos asociar al botón. Un pushbutton es rectangular y normalmente muestra una etiqueta de texto describiendo su acción y opcionalmente un icono. Para ello utilizaríamos las propiedades setText() y setIcon() . 57
Figura 3.20: QComboBox. Un combobox es un widget de selección que muestra el elemento actual, y puede mostrar una lista de elementos seleccionables. Puede ser modicable, permitiendo al usuario modicar cada elemento de la lista. Puede contener mapas de píxeles, así como cadenas. La inserción se realiza mediante insertItem() . Si se produce un cambio en el elemento actual del combobox , se emiten dos señales currentIndexChanged() y activated() : currentIndexChanged() se emite siempre, independientemente si el cambio se hizo mediante programación o por la interacción del usuario. activated() sólo se emite cuando el cambio es causado por la interacción del usuario. 3.4.7.1. Ejemplo de un combobox Para crear un combobox como la de la Figura 3.21 se deben incluir las siguientes instrucciones en el programa: Figura 3.21: Ejemplo de combobox . 1. QComboBox *comboBox; 2. comboBox = new QComboBox(MysecondwindowClass); 3. comboBox->setObjectName(QString::fromUtf8(comboBox)); 64
4. comboBox->setGeometry(QRect(170, 670, 250, 25)); 5. comboBox->hide(); Mediante las instrucciones (1) y (2) se crea el combobox llamado comboBox de la clase QcomboBox y que a su vez pertenece a la clase MysecondwindowClass . MysecondwindowClass es la clase asociada a la segunda ventana. En las instrucciones (3), (4) y (5) se establecen algunas propiedades: ponerle el nombre al objeto, denir su dimensión y ocultar el objecto hasta que se produzca algún evento (como por ejemplo, apretar otro botón para que se haga visible el combobox ). Para conectar un ítem del combobox con una función que realizara un método de segmentación: QObject::connect( comboBox, SIGNAL( highlighted(int)),MysecondwindowClass, SLOT( segmentation(int))); 3.4.8. Crear un frame Tal y como se vió en apartados anteriores se ha utilizado la clase QFrame como clase padre para denir la clase ImageFrame . La clase QFrame (Figura 3.22) es la clase base de los widgets que pueden tener un marco. Un marco tiene tres atributos que describen el grosor del borde: Figura 3.22: Clase QFrame. Anchura de línea: es el ancho del borde del marco. Se puede modicar para personalizar el aspecto del cuadro. 65
midLineWidth : es la mitad de ancho de la línea. Especica el ancho de una línea adicional en el centro del marco, que utiliza un tercer color para obtener un efecto 3D especial. frameWidth : es el ancho del marco, que viene determinado por el estilo de marco. La Figura 3.23 muestra algunas de las combinaciones de estilos y anchuras de línea: Figura 3.23: Estilos y líneas de QFrame. 3.4.8.1. Ejemplo de un frame Para crear un frame como la de la Figura 3.24 deberemos incluir las siguientes instrucciones en el programa: Figura 3.24: Ejemplo de segmentación de un hígado visualizada en un frame . 66
1. ImageFrame *imageframe; 2. imageframe = new ImageFrame(MyprojectClass); 3. imageframe->setObjectName(QString::fromUtf8(imageframe)); 4. imageframe->setGeometry(QRect(40, 40, 512, 512)); 5. imageframe->setVisible(true); Mediante las instrucciones (1) y (2) se crea el frame llamado imageframe de la clase ImageFrame . La clase ImageFrame es una clase denida para poder visualizar las imágenes DICOM tanto en la primera como en la segunda ventana. En las instrucciones (3) y (4) se establecen algunas propiedades: ponerle el nombre al objeto, denir su dimensión y que sea visible. 67
3.5. Clases de ITK utilizadas En esta sección, se destacan las clases de ITK empleadas en el proyecto por orden alfabético: 1. itkAddImageFilter Esta clase implementa un operador de píxeles para poder sumar dos imágenes. Esta clase está parametrizada sobre los tipos de las dos imágenes de entrada y el tipo de la imagen de salida. El tipo resultante de la suma, se convierte en el tipo de píxel de la imagen de salida. El tipo de píxel de la imagen de la entrada 1 debe tener una dention válida para poder sumarlo al tipo de píxel de la imagen 2. Esta condición es necesaria porque el interior de este ltro se realice la operación: píxel de salida = píxel de la imagen 1 + píxel de la imagen 2 Por ejemplo, este ltro puede ser utilizado directamente para añadir imágenes cuyos píxeles son los vectores de la misma dimensión, y para almacenar el vector resultante en una imagen de salida de los píxeles de vectores. Las imágenes que se añaden se establecen utilizando los métodos: SetInput1 (image1); y SetInput2 (imagen2); 2. itkBinaryThresholdImageFilter Este ltro se utiliza para transformar una imagen en una imagen binaria cambiando los valores de los píxeles de acuerdo con dos umbrales denidos por el usuario que se denen empleando los métodos SetUpperThreshold() y SetLowerThreshold() y dos intensidades que se denen mediante SetInsideValue() y SetOutsideValue(). El valor de cada píxel de la imagen de entrada es comparado con el umbral alto y bajo. Si el valor de píxel esta en el interior del rango denido por [Lower, Upper] la salida de píxel se le asigna a InsideValue . En caso contrario la salida del píxel se le asigna a OutsideValue . Este ltro espera que tanto las imágenes de entrada y de salida tenga el mismo número de dimensiones. 68
3. itkCastImageFilter Esta clase se utiliza para hacer conversión de píxeles, para después poder operar con el segundo tipo de píxel. 4. itkCondenceConnectedImageFilter Esta clase segmenta los píxeles utilizando el método Condence Connected de crecimiento de regiones. Este ltro extrae un conjunto conectado de píxeles cuya intensidad de píxel coincide con la de los píxeles de un punto semilla. Píxeles conectados a este punto, cuyos valores se encuentran dentro del intervalo de conanza están agrupados. La anchura del intervalo de conanza es controlada por la variable multiplicador (el intervalo de conanza es la media más o menos el multiplicador veces la desviación estándar). Después de esta segmentación inicial se recalcula la media y la varianza. Todos los píxeles de la segmentación anterior se utilizan para calcular la media de la desviación estándar (en lugar de utilizar los píxeles de la vecindad del punto de lanzamiento). La segmentación se vuelve a calcular utilizando estas estimaciones renadas para la media y la varianza de los valores de píxel. Este proceso se repite para el número especicado de iteraciones. El límite inferior y superior se limita a estar dentro de los límites de validez numérica de los datos de entrada de tipo píxel. Además, los límites pueden ser ajustados para contener la intensidad del punto de semilla. 5. itkCurvatureFlowImageFilter Esta clase elimina el ruido de una imagen utilizando Curvature Flow . 6. itkGDCMImageIO Esta clase utiliza la clase ImageIO para la lectura y escritura de imágenes DICOM. 7. itkGDCMSeriesFileNames Esta clase genera una secuencia de cheros cuyos nombres provienen de un chero de imágenes DICOM. Sigue el siguiente procedimiento: lee todas las imágenes contenidas en un directorio (asumiendo que sólo hay una serie) y extrae la orientación y la posición, a partir de las cuales extrae el valor de la coordenada 3D del corte. 69
8. itkImage Esta clase representa una imagen con una dimensión y un tipo de píxel. Las imágenes son modeladas como arrays y por tanto, se denen con un índice inicial y un tamaño. Conviene destacar que en ITK, una región de la imagen puede ser procesada por otras clases en el sistema. 9. itkImageFileReader Esta clase lee los datos de una imagen desde un único chero, que puede tener distintos formatos. 10. itkImageSeriesReader Esta clase lee los datos de una imagen y construye imágenes n-dimensionales a partir de series de cheros. Estos cheros almacenados en un vector de caracteres se leen usando la clase itkImageFileReader. El formato de los cheros puede variar entre ellos, pero los datos de las imágenes deben tener el mismo tamaño en todas sus dimensiones. 11. itkImageFileWriter Esta clase escribe los datos que recibe como entrada en un único chero de salida. 12. itkImageSeriesWriter Esta clase escribe los datos de una imagen de entrada a una serie de archivos de salida. Por lo general, el tipo de imagen de salida tendrá menos dimensiones que el tipo de imagen de entrada. Cada archivo tiene un nombre creado mediante SeriesFormat . Esta cadena se utiliza como argumento para construir un nombre de archivo. 13. itkRescaleIntensityImageFilter Esta clase aplica una transformación lineal a los niveles de intensidad de la imagen de entrada. La transformación lineal se dene por el usuario en términos de valores máximos y mínimos que la imagen de salida debe tener. 70
3.6. Clases de VTK utilizadas En esta sección, se destacan las clases de VTK empleadas en el proyecto por orden alfabético: 1. vtkActor Esta clase representa un objeto mediante su geometría y propiedades en un escena. 2. vtkDecimatePro vtkDecimatePro es un ltro utilizado para reducir el número de triángulos en una malla triangular, formando una buena aproximación a la geometría original. La entrada a vtkDecimatePro es un objeto vtkPolyData y se tratan sólo los triángulos. 3. vtkImageCast vtkImageCast es un ltro que convierte el tipo de datos de entrada con el tipo de salida en la tubería de procesamiento de una imagen. El ltro no hace nada si la entrada ya tiene el tipo correcto. 4. vtkImageGaussianSmooth Esta clase implementa una convolución gaussiana de la imagen de entrada. 5. vtkImageMarchingCubes Esta clase genera isosupercies de volúmenes e imágenes. vtkImageMarchingCubes es un ltro que toma como ejemplo las imágenes de entrada y genera a la salida una o más isosupercies. Uno o más valores de contorno deben ser especicados para generar las isosupercies. Alternativamente, se puede especicar un rango escalar mínimo y máximo y el número de curvas de nivel para generar una serie de valores de contorno espaciados. Conviene remarcar que este ltro está especializado en volúmenes. Para el contorno de otros tipos de datos, se utilizará vtkContourFilter. 6. vtkImageThreshold Esta clase puede hacer un umbral binario o contínuo para superior, inferior o un rango de datos. El tipo de salida de datos puede ser diferente de la entrada, pero por defecto del mismo tipo. 71
7. vtkPolyData Esta clase es un conjunto de datos concretos que representa una estructura geométrica compuesta de vértices, líneas, polígonos, y/o tiras de triángulo. Puntos, valores escalares y vectores también se representan. 8. vtkPolyDataNormals vtkPolyDataNormals es un ltro que calcula las rectas normales para una malla poligonal. El ltro puede reordenar polígonos para asegurar la orientación consistente a través de los polígonos vecinos. El algoritmo funciona mediante la determinación de las rectas normales a cada polígono y luego un promedio de ellos en los puntos compartidos. Cuando los bordes alados están presentes, los bordes se divididen y se generan nuevos puntos para evitar bordes borrosos. 9. vtkProperty Esta clase representa la iluminación y otras propiedades de la supercie de un objeto geométrico. Las características principales que se pueden establecer son los colores (en general, ambiente, difuso, especular, y el color de borde), la opacidad del objeto y la representación del objeto (puntos o supercies). Además, algunas características especiales se pueden ajustar y manipular con este objeto. 10. vtkRenderer Esta clase proporciona una especicación abstracta para renderers. Un renderer es un objeto que controla el proceso de rendering de los objetos. De representación es el proceso de conversión de la geometría, una especicación de las luces, y una vista de cámara en una imagen. vtkRenderer también lleva a cabo la transformación de coordenadas entre las coordenadas del mundo, ver coordenadas (el equipo de procesamiento de grácos sistema de coordenadas), y visualizar las coordenadas (la pantalla de coordenadas reales en el dispositivo de visualización). Algunas características avanzadas de renderizado como dos caras de iluminación también puede ser controlado. 11. vtkRenderWindow Esta clase crea una ventana para renderers en la que dibujar dentro. 72
12. vtkRenderWindowInteractor vtkRenderWindowInteractor proporciona una plataforma de mecanismo de interacción independiente para el ratón, las teclas y los eventos temporales. 73
4. Se aprieta el botón SEGMENTATION y selecciona un método de segmentación del combobox que aparece y se visualiza el resultado de la segmentación realizada. En el caso de elegir la umbralización binaria se elegirán también los valores máximos y mínimos de cada uno de los tejidos hepáticos (Figura 4.5). Mientras que si se elige el método de crecimiento de regiones será necesario hacer click en un punto del frame INPUT DICOM para proporcionarle al método un punto semilla. Figura 4.5: Aspecto de la IGU al apretar el botón SEGMENTATION y realizar un método de segmentación. 5. Se guardan las imágenes DICOM segmentadas. Las imágenes se guardarán en un único archivo con extensión .dcm, que junto con el nombre del archivo deberá ser proporcionada por el usuario (Figura 4.6). Figura 4.6: Aspecto de la IGU al guardar las imágenes. 6. Se cierra la segunda ventana, para poder tener acceso a la primera. 80
7. Se aprieta el botón OPEN SEGMENTED IMAGES y se abre el directorio de las imágenes DICOM segmentadas previamente. También podría ocurrir que el usuario tuviera ya un archivo con imágenes DICOM segmentadas por lo que no hubiera sido necesario acceder a la segunda ventana, sino que directamente se hubiera partido de este punto (Figura 4.7). Figura 4.7: Aspecto de la IGU al abrir un directorio de imágenes DICOM segmentadas previamente. 8. Se aprieta el botón 3D y se visualiza el volumen 3D a partir de las imágenes DICOM segmentadas (Figura 4.8). Figura 4.8: Aspecto de la IGU al visualizar las imágenes segmentadas y el volumen 3D de las mismas. 81
9. Rotación y zoom mediante el ratón del volumen 3D (Figura 4.9). Figura 4.9: Aspecto de la IGU al rotar y hacer zoom en el volumen 3D. 82
Capítulo 5 Conclusiones y líneas futuras En este proyecto se ha desarrollado una herramienta software para la segmentación y visualización 3D de hígados reales a partir de imágenes de escaneos 3D no invasivos. Esta herramienta se ha creado con el n de ayudar a los médicos y cirujanos en el diagnóstico y la planicación de una cirugía hepática ya que, al proporcionar una imagen 3D del mismo, y permitir que los tejidos se hagan transparentes proporciona una visualización con mayor detalle las estructuras internas del hígado. En el caso particular de la extirpación de una parte del hígado, los cirujanos suelen emplear la segmentación de Couinaud para cortar ya que estos segmentos hepáticos mantienen todos su ujo de entrada y de salida. Esta herramienta sería de gran utilidad para realizar esta segmentación tan complicada para los cirujanos ya que al hacer el hígado transparente y poder observar el hilio hepático dentro podrían hacer una planicación mucho más exhaustiva. Los principales inconvenientes no han sido encontrados en el desarrollo de la herramienta ya sino que han dependido en gran medida de las imágenes utilizadas. La utilización de la herramienta Qt para la implementación de la interfaz gráca ha permitido simplicar el diseño y el desarrollo. Es más, podemos armar que es una herramienta robusta ya que está preparada para añadir nuevos métodos de segmentación de imágenes y nuevas funcionalidades con facilidad. Las imágenes biomédicas poseen gran cantidad de ruido y una enorme variabilidad en sus propiedades. En especial las imágenes de resonancia magnética que han sido las utilizadas en este proyecto. Una solución sería homogeneizar la luminosidad durante el procesamiento de la imagen, por ejemplo, realizando 83
una corrección de sombras que nos permita homogeneizar la luminosidad e incremente la nitidez de los bordes de la imagen. Además del problema de la luminosidad, pueden aparecer otros problemas como imágenes borrosas, pero al igual que la luminosidad, se pueden reducir tratando la imagen antes de segmentar. En cuanto a los métodos de segmentación, su semi-automatización hace difícil que se obtengan resultados perfectos, ya que por ejemplo, en el caso de la segmentación por umbralización, es difícil encontrar los valores umbrales que den los resultados exactos, por ello, en líneas futuras se buscará implementar nuevos métodos de segmentación que proporcionen mejores resultados. En trabajos futuros sería interesante: Incorporar nuevos métodos de segmentación para mejorar la precisión en los resultados obtenidos. Añadir un menú de ayuda que asista en los primeros pasos de la utilización de la herramienta. 84
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