基于Django的冠脈造影血管標注系統(tǒng)

姚妮，董明昊，孟潁輝，朱付保

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，河南鄭州，450000）

0 引言

冠脈造影是目前診斷冠心病的“金標準”，可明確冠脈解剖、冠脈血流和心肌灌注以及冠脈病變。隨著我國冠心病患者逐年增加，大量的冠狀動脈造影給臨床醫(yī)生造成了沉重的負擔。并且，冠狀動脈造影診斷依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，不同醫(yī)生對同一影像的解讀往往存在一定的主觀差異性，從而影響治療決策[2]。基于此，開發(fā)一個基于Django的冠脈造影血管標注系統(tǒng)并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進行冠狀動脈造影血管分割，從圖像中自動提取血管結(jié)構(gòu)信息進行標注成了必然要求。本文系統(tǒng)使用U-Net++深度學(xué)習(xí)框架[8]所訓(xùn)練出來的模型對冠脈造影進行預(yù)測分割，其準確性達到了90%，使用基于Python語言的Django框架，可以方便、快捷地創(chuàng)建高品質(zhì)、易維護的應(yīng)用程序。憑借訓(xùn)練的模型的準確性與便捷的操作使冠脈造影血管標注系統(tǒng)更加人性化，便于醫(yī)生進行標注和保存信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計

冠脈造影標注系統(tǒng)是一個基于B/S的Web系統(tǒng)。采用Python語言開發(fā)，Web開發(fā)框架使用Python中口碑較好的Django框架，數(shù)據(jù)庫使用SQLite輕型數(shù)據(jù)庫。

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

基于Django的冠脈造影標注系統(tǒng)采用MTV模式[]，這種設(shè)計模式關(guān)鍵的優(yōu)勢在于各種組件都是松耦合的，每個由Django驅(qū)動的Web應(yīng)用都有著明確的目的，并且可以獨立更改不影響到其它部分。總體架構(gòu)包含模型、視圖、模板、控制器。其中模型負責業(yè)務(wù)對象和數(shù)據(jù)庫的關(guān)系之間的映射，視圖負責業(yè)務(wù)邏輯，并在適當時候調(diào)用模型和模板，模板負責如何把頁面展示給用戶，控制器又叫URL分發(fā)器，負責將URL的頁面請求分發(fā)給不同的視圖處理，基于SQLite輕型數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫層存放用戶基本信息。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)用例分析

系統(tǒng)用戶劃分為兩種角色，一種是管理員，另一種是普通用戶。普通用戶只能進行登錄和數(shù)據(jù)上傳、調(diào)用模型、修改預(yù)測結(jié)果、下載標注結(jié)果功能。管理員可以對數(shù)據(jù)進行管理刪除，并且對用戶進行管理。

圖2 管理員用例設(shè)計

圖3 普通用戶用例設(shè)計

2 功能實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于Django的冠脈造影血管標注系統(tǒng)的主要功能如圖4所示。

圖4 冠脈造影血管標注系統(tǒng)總體功能設(shè)計

（1）管理員數(shù)據(jù)管理和增刪用戶功能：每個用戶需要上傳一個病人的四個冠脈造影數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量會很大，管理員需要定時進行數(shù)據(jù)清理工作，保留主要分割結(jié)果和標注結(jié)果數(shù)據(jù)。并對用戶的基本信息進行管理，增加和刪除新用戶。

（2）造影數(shù)據(jù)上傳功能：此頁面為用戶進入系統(tǒng)后的默認頁面，頁面中間有三個按鈕，上傳按鈕可以選擇需要上傳的本地數(shù)據(jù)，一次可以上傳一個病人的多個數(shù)據(jù)。點擊Upload上傳按鈕，可以對上傳的冠脈造影數(shù)據(jù)進行解析在后臺進行保存。

（3）調(diào)用模型預(yù)測功能：在選擇了需要預(yù)測的冠脈造影圖片之后，會直接調(diào)用U-Net++深度學(xué)習(xí)分割模型進行預(yù)測，得到的預(yù)測結(jié)果會直接保存到后臺，在下一個界面，將讀取預(yù)測結(jié)果放到畫布上以供修改。

（4）預(yù)測結(jié)果修改保存功能： 調(diào)用模型預(yù)測所產(chǎn)生的結(jié)果可能會有不準確之處。在該頁面實現(xiàn)了可調(diào)整粗細的畫筆和和橡皮擦功能、填充區(qū)域和清除區(qū)域功能、畫布的放大縮小功能和撤銷等功能，來實現(xiàn)對預(yù)測結(jié)果的修改功能。

（4）標注血管保存功能：在修改預(yù)測結(jié)果之后，需要對冠脈造影血管進行目標血管標注，根據(jù)用戶需求，可以對自己需要的主干以及分支血管進行標注。

（5）數(shù)據(jù)下載功能： 在用戶進行標注之后，由于用戶想要利用這些數(shù)據(jù)進行血管重建，所以提供了數(shù)據(jù)下載的功能。

2.2 運行界面

（1）登錄頁面

用戶可以登錄進入系統(tǒng)開始上傳數(shù)據(jù)，首次使用可以點擊注冊。如下圖5所示。

圖5 登錄頁面

（2）上傳數(shù)據(jù)界面

點擊Select dicom files 選擇需要上傳的冠脈造影數(shù)據(jù)。可以上傳多個數(shù)據(jù)。然后點擊Upload上傳按鈕開始解析數(shù)據(jù)，等待跳出success，代表解析成功。最后點擊ULabel_Fluoro按鈕跳轉(zhuǎn)到選擇需要預(yù)測的圖片界面。如圖6所示。

圖6 上傳數(shù)據(jù)

（3）選擇預(yù)測幀界面

該頁面是用來讓使用者選擇想要去預(yù)測的冠脈造影的某一幀。左側(cè)為功能按鈕，可以切換上下冠脈造影數(shù)據(jù)和切換圖片。Select按鈕是用來選擇圖片的作用，在選擇結(jié)束之后，點擊Predict按鈕可以調(diào)用訓(xùn)練好的U-Net++模型進行預(yù)測并跳出進度條。如圖7所示。

圖7 選擇預(yù)測幀預(yù)測界面

（4）預(yù)測結(jié)果修改界面

該頁面可以用來補充血管，通過畫筆和填充區(qū)域。如下圖8、9所示。

圖8 放大后畫筆操作

圖9 填充區(qū)域操作

修改預(yù)測結(jié)果不準確之處，或者去除非目標血管。可以通過橡皮擦和清除區(qū)域來進行操作，具體如圖10、11所示。

圖10 橡皮擦去除界面

圖11 清除區(qū)域界面

（5）血管標注界面

該頁面是對血管進行標注，并且存儲像素信息，用不同顏色展示。右上為造影的文件名，右下為已經(jīng)標注過的血管，可以點擊前面的小方框進行查看。如圖12所示。

圖12 標注血管界面

（6）數(shù)據(jù)下載

在用戶標注完成全部數(shù)據(jù)之后，可以對當前上傳的數(shù)據(jù)進行下載，系統(tǒng)會將存放在云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進行壓縮，以供用戶進行下載到指定位置。

圖13 數(shù)據(jù)下載

3 總結(jié)

冠脈造影能夠清晰地顯示冠狀動脈解剖結(jié)構(gòu)，使醫(yī)生和患者一目了然地觀看冠狀動脈管腔有無超過50%的狹窄和輕度狹窄、有無血栓和血管壁鈣化等[6]。本文系統(tǒng)考慮到用戶的習(xí)慣，盡可能使冠脈造影標注血管系統(tǒng)變的容易操作，提高用戶的體驗性。不斷將U-Net++模型優(yōu)化具有十分重要現(xiàn)實意義。