SimpleITK——创建nrrd体素模型

在介绍如何生成nrrd前，了解一下为什么医学影像上一般使用nrrd的体素模型？

 

为什么医学影像上一般使用nrrd的体素模型？

在医学影像领域，‌NRRD（Nearly Raw Raster Data）格式‌被广泛用于存储体素模型（如CT、MRI数据），主要基于以下技术优势：

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‌1. 灵活的数据存储方式‌

• ‌支持原始数据无损存储‌
  NRRD可直接存储未经压缩的体素数据（如16位整型、32位浮点），避免DICOM等格式的二次编码损失，适合科研和精准医疗。
• ‌多维数据兼容性‌
  可处理3D体素（CT/MRI）、4D时序数据（如fMRI、心脏动态扫描）甚至更高维数据（如DTI纤维追踪）。

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‌2. 强大的元数据支持‌

• ‌关键医学参数嵌入‌
  通过文本头文件（Header）记录：
  • 体素间距（spacings：如 0.5mm×0.5mm×1.0mm）
  • 空间方向矩阵（space directions，用于对齐DICOM坐标系）
  • 患者体位标识（如LPS/RAS坐标系）
• ‌可扩展性‌
  支持自定义字段（如扫描协议、厂商参数），比DICOM更轻量但足够专业。

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‌3. 跨平台与开源生态‌

• ‌无专利限制‌
  相比DICOM（需授权），NRRD为开源格式，兼容ITK、VTK、3D Slicer等主流医学软件。
• ‌简化预处理流程‌
  直接存储已重建的体素矩阵，省去DICOM多层文件合并的步骤，加速AI模型训练（如nnUNet直接读取NRRD）。

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‌4. 与其他格式的对比‌

特性	NRRD	DICOM	NIfTI
‌数据维度‌	支持任意维度	单层2D为主	3D/4D
‌元数据灵活性‌	高（自定义字段）	高（但结构复杂）	中（固定字段）
‌坐标系支持‌	明确空间方向	需计算	固定（RAS/LPS）
‌适用场景‌	科研/算法开发	临床归档	神经影像（fMRI）

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‌典型应用场景‌

• ‌放射治疗规划‌：NRRD存储的CT体素数据可直接用于剂量计算（如RayStation）。
• ‌深度学习‌：MONAI等框架默认支持NRRD，便于加载标注数据（如image.nrrd+label.nrrd）。
• ‌三维重建‌：通过VTK将NRRD转换为STL模型用于3D打印。

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‌注意事项‌

• ‌临床兼容性‌：医院PACS系统通常仍以DICOM为主，NRRD多用于科研后端。
• ‌压缩选项‌：NRRD支持GZIP压缩（如*.nhdr+*.raw.gz），但会牺牲部分读写速度。

以上是愚通过ds了解到的一些情况，仅供参考。

 

代码实现

以下为调用SimpleITK实现将Dicom文件转化为Nrrd体素模型的示例：

 public class DicomToNRRDHelper
    {
        /// <summary>
        /// DICOM序列转化为NRRD文件
        /// </summary>
        /// <param name="dicomDirectory">dicom文件路径</param>
        /// <param name="outPutFilename">包含路径和后缀名，且后缀名必须为.NRRD（因为需要以体素渲染）</param>
        /// <returns>失败为false；成功为true</returns>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
        public static bool DicomToNRRD(string dicomDirectory, string outPutFilename)
        {
            // 输入验证
            if (!Directory.Exists(dicomDirectory))
            {
                NlogHelper.Logger.Error($"Directory not found: {dicomDirectory}");
                return false;
            }

            if (!outPutFilename.EndsWith(".nrrd", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                NlogHelper.Logger.Error("Output file must have .nrrd extension");
                return false;
            }

            Image image3D = null;
            try
            {
                var seriesIDs = ImageSeriesReader.GetGDCMSeriesIDs(dicomDirectory);
                if (seriesIDs == null || seriesIDs.Length == 0)
                {
                    NlogHelper.Logger.Error($"No DICOM series found in: {dicomDirectory}");
                    return false;
                }

                var seriesFileNames = ImageSeriesReader.GetGDCMSeriesFileNames(dicomDirectory, seriesIDs[0]);
                NlogHelper.Logger.Debug($"Processing {seriesFileNames.Count} DICOM files");

                if (seriesFileNames.Count > 1)
                {
                    using var reader = new ImageSeriesReader();
                    reader.SetFileNames(seriesFileNames);
                    image3D = reader.Execute();
                }
                else if (seriesFileNames.Count == 1)
                {
                    using var reader = new ImageFileReader();
                    reader.SetFileName(seriesFileNames[0]);
                    image3D = reader.Execute();
                }
                else
                {
                    return false;
                }

                // 保留原始像素类型
                using var filter = new CastImageFilter();
                // 保留原始像素类型选项
                filter.SetOutputPixelType(image3D.GetPixelID());
                using var convertedImage = filter.Execute(image3D);

                using (var writer = new ImageFileWriter())
                {
                    writer.SetFileName(outPutFilename);
                    writer.Execute(convertedImage);
                }

                NlogHelper.Logger.Info($"Successfully created: {outPutFilename}");
                return true;
            }
            catch (Exception ex)
            {
                NlogHelper.Logger.Error(ex, $"Failed to convert DICOM to NRRD");
                return false;
            }
            finally
            {
                image3D?.Dispose();
            }
        }
    }

 

注意事项

1. SimpleITK中涉及到image、reader、writer最好都显示释放一下或 使用using语句，以达到使用完及时回收这些非托管资源。尽量不要依赖于它们在终结器中通过调用dispose的相关方法来实现资源回收，这个在实际项目中有过惨痛教训（资源不能及时回收，导致非托管对象无限增长，最终导致程序崩溃）。
2. 对于非托管对象的释放，特别是在try catch语句中，若异常时容易忽略，尽量在finally中处理一下。
3. 日志要尽量完善，如文件的长度检测；文件路径的检测；文件名的规范性检测等待

以上需要在实际开发中引起注意。