医学影像组学特征值(Radiomics Features)提取之pyradiomics(一)理论篇

pyradiomics是一个开源的python软件包，可以从医学影像中提取出Radiomics影像组学特征，其支持2D和3D中的特征提取，在2.0版开始，pyradiomics还实现了基于voxel-based体素的提取，但提取需要时间较长，输出为由参数映射的SimpleITK图像，而不是针对每个特征的float值。
SimpleITK支持的所有图像类型可以用作PyRadiomics的输入。

一、安装方法1．Install via pip通过pip安装
确保Python已经安装的环境下，安装PyRadiomics：
python -m pip install pyradiomics2．Install via conda通过conda安装
要在Conda环境下上安装PyRadiomics：
conda install -c radiomics pyradiomics3．Install from source源代码安装
Pyradiomics支持从源代码安装，但由于附带了计算纹理矩阵和某些形状特征的C扩展，因此需要额外设置编译器，比较复杂，感兴趣可以去官网(https://pyradiomics.readthedocs.io/en/latest/installation.html#install-from-source)。4．Use 3D Slicer Radiomics extension使用3D Slicer Radiomics扩展
3D Slicer是用于医学影像计算的免费开源平台(http : //slicer.org)，可以使用3D Slicer ExtensionManager来安装Radiomics扩展程序，该扩展程序提供了一个针对pyradiomics库的图形用户界面。使用3D Slicer中的pydiadomics的优势在于，您可以查看图像和分割，参考链接https：//github.com/Radiomics/SlicerRadiomics。

5．Use pyradiomics Docker使用pyadiomics Docker
pyadiomics Docker支持从命令行使用pyradiomics，感兴趣可以去官网(https://pyradiomics.readthedocs.io/en/latest/installation.html#use-pyradiomics-docker)。

二、Pyradiomics影像组学特征提取
在PyRadiomics中可以通过4种方式自定义特征提取：
1)指定用于提取特征的图像类型(原始图像或者基于变换的派生图像)
2)指定要提取的特征类
3)指定一个设置文件来控制预处理、图像变换的滤波器和特征类
4)指定voxel-based基于体素的特定设置，只有在使用PyRadiomics 进行体素提取生成特征图时才需要1、图像类型
进行影像组学特征提取的图像既可以是原始图像，也可以是经过滤波器处理的派生图像。默认情况下只使用原始图像，允许的图像类型存储在特征提取类实例_enabledImageTypes字典中，并且可以通过enableAllImageTypes()， disableAllImageTypes()， enableImageTypeByName()和 enableImageTypes()函数进行修改。
目前可用的图像类型如下：
原始图像：
1)Original：原始图像
派生图像：
2)Wavelet：小波滤波
3)LoG：高斯滤波器的拉普拉斯算子，是一种边缘增强滤波器，强调的是灰度变化的区域，sigma参数定义要强调的纹理粗糙度，该值较低则强调较细的纹理，该值较高则强调较粗糙的纹理。
4)Square：平方，即获取图像强度值的平方
5)SquareRoot：平方根，即获取图像强度值的平方根
6)Logarithm：对数，获取图像绝对强度+1的对数
7)Exponential：指数，获取图像强度值的指数
8)Gradient：梯度，获取图像局部梯度的大小
9)LocalBinaryPattern2D：本地二进制模型(2D)
10)LocalBinaryPattern3D：本地二进制模型(3D)2、允许的特征类
从每个图像类型中进行特征提取的特征类型，允许的特征类被存储在特征提取类实例_enabledFeatures字典中，并且可以通过enableAllFeatures()， disableAllFeatures()， enableFeatureClassByName()和 enableFeaturesByName()函数进行修改。字典中的每个键值对代表一个启用的特征类，其中特征类名称为键，而启用的特征名称列表为值。如果值为None或空列表，则启用该特征类中的所有特征。否则，仅指定某些特征则启用该特征，默认情况下所有的特征类和特征都被启动。
目前可用的特征类如下：
1)First Order Statistics(19features)一阶统计量
通过常用的和基本的度量来描述由mask定义的图像区域内的体素强度分布。
GetEnergyFeatureValue()：能量，是图像中体素值大小的度量，值越大意味着这些值的平方和越大。

GetTotalEnergyFeatureValue()：总能量，是以体素的体积(以立方毫米为单位)为尺度的能量特征值。

GetEntropyFeatureValue()：熵，定义图像值的不确定性或者随机性，是对图像值进行编码所需平均信息量对度量。

GetMinimunFeatureValue()：最小特征值
Get10PercentileFeatureValue()：第10%的特征值。
Get90PercentileFeatureValue()：第90%的特征值
GetMaximunFeatureValue()：最大特征值
GetMeanFeatureValue()：平均特征值
GetMedianFeatureValue()：中位数特征值
GetInterquartileRangeFeatureValue()：四分位范围
GetRangeFeatureValue()：强度值范围(最大值-最小值)
getMeanAbsoluteDeviationFeatureValue()：平均绝对偏差

getRobustMeanAbsoluteDeviationFeatureValue()：鲁棒平均绝对偏差

getRootMeanSquaredFeatureValue()：均方根

getStandardDeviationFeatureValue()：标准偏差，衡量与平均值之间的差异或离散程度

getSkewnessFeatureValue()：偏度，偏度测量关于平均值的值分布的不对称性。根据尾巴在哪里加长和分布的质量集中在什么地方，该值可以为正或负。

GetKurtosisFeatureValue()：峰度，峰度是图像ROI中值分布的“峰值”度量。峰度越高，意味着分布的质量集中于尾部而不是均值。较低的峰度意味着相反的情况：分布的质量集中在接近均值的峰值处。

GetVarianceFeatureValue()：方差，是每个强度值与平均值之间的平方距离的平均值。这是对均值分布分布的度量

getUniformityFeatureValue()：均匀度，是每个强度值的平方和的量度。这是图像阵列均匀性的一种度量，其中更大的均匀性意味着更大的均匀性或较小的离散强度值范围。

2)Shape-based(3D)(16fetures)基于3D形状
getMeshSurfaceFeatureValue()：网格表面，由三角形网格定义，计算ROI的表面。
getPixelSurfaceFeatureValue()：像素表面，由像素数量乘以每个像素的面积得到。
getPerimeterFeatureValue()：周长。
getPerimeterSurfaceRatioFeatureValue()：周长比，较低的值表示更紧凑的圆形。
getSphericityFeatureValue()：球形度，表示与肿瘤区域具有相同面积的圆形的周长与肿瘤的周长之比。
getSphericalDisproportionFeatureValue()：球形不均匀度，是球形度的倒数。
getMaximumDiameterFeatureValue()：最大2D直径。
getMajorAxisLengthFeatureValue()：主轴长度。
getMinorAxisLengthFeatureValue()：短轴长度。
getElongationFeatureValue()：伸长率。

3)Shape-based(2D)(10features)基于2D形状
getMeshVolumeFeatureValue()：网格体积，由影像RIO的三角形网格计算得到。
getVoxelVolumeFeatureValue()：体素体积，由体素的个数乘以一个体素的体积得到。
GetSurfaceAreaFeatureValue()：表面积。
getSurfaceVolumeRatioFeatureValue()：表面积与体积之比，较低的值表示更紧凑的球形形状。
getSphericityFeatureValue()：球形度，是肿瘤区域相对于球形度圆度度度量。
getCompactness1FeatureValue()：紧凑度1，是衡量肿瘤形状相对于球形的紧密程度的度量。
getCompactness2FeatureValue()：紧凑度2，也是衡量肿瘤形状相对于球体的紧密程度的度量，公式不同。
getSphericalDisproportionFeatureValue()：球形不对称，是肿瘤区域的表面积与具有相同体积的球体表面积的比值，是球形度的倒数。
getMaximum3DDiameterFeatureValue()：最大3D直径，表示肿瘤表面网格顶点之间的最大欧几里得距离。
getMaximum2DDiameterSliceFeatureValue()：最大2D直径(切片)，表示轴向平面中肿瘤表面网格顶点之间最大的欧几里得距离。
getMaximum2DDiameterColumnFeatureValue()：最大2D直径(列)，表示冠状平面中肿瘤表面网格顶点之间最大的欧几里得距离。
getMaximum2DDiameterRowFeatureValue()：最大2D直径(行)，表示失状平面中肿瘤表面网格顶点之间最大的欧几里得距离。
getMajorAxisLengthFeatureValue()：主轴长，表示包围ROI的椭球的最大轴长。
getMinorAxisLengthFeatureValue()：短轴长，表示包围ROI的椭球的第二轴长。
getLeastAxisLengthFeatureValue()：最小轴长，表示包围ROI的椭球的最小轴长。
getElongationFeatureValue()：伸长率，表示ROI形状中两个最大的主成分之间的关系。
getFlatnessFeatureValue()：平面度，是表示ROI形状中最大和最小主成分之间的关系。

4)Glcm：Gray Level Cooccurence Matrix(24features)灰度共生矩阵
定义了一些关于相关性、能量、对比、逆差、方差、概率、熵、平方和等信息，具体不展开介绍了(主要是实在难以翻译)，感兴趣可以去官网看公式(https://pyradiomics.readthedocs.io/en/latest/features.html#radiomics.glcm.RadiomicsGLCM)。
GetAutocorrelationFeatureValue()：自相关，是纹理精细度和粗糙度的量度
getJointAverageFeatureValue()：
getClusterProminenceFeatureValue
getClusterShadeFeatureValue
getClusterTendencyFeatureValue
getContrastFeatureValue
getCorrelationFeatureValue
getDifferenceAverageFeatureValue
getDifferenceEntropyFeatureValue
getDifferenceVarianceFeatureValue
getDissimilarityFeatureValue
getJointEnergyFeatureValue
getJointEntropyFeatureValue
getHomogeneity1FeatureValue
getHomogeneity2FeatureValue
getImc1FeatureValue
getImc2FeatureValue
getIdmFeatureValue
getMCCFeatureValue
getIdmnFeatureValue
getIdFeatureValue
getIdnFeatureValue
getInverseVarianceFeatureValue
getMaximumProbabilityFeatureValue
getSumAverageFeatureValue
getSumVarianceFeatureValue
getSumEntropyFeatureValue
getSumSquaresFeatureValue

5)Glrlm：Gray Level Run Length Matrix(16features)，灰度级运行长度矩阵
getShortRunEmphasisFeatureValue
getLongRunEmphasisFeatureValue
getGrayLevelNonUniformityFeatureValue
getGrayLevelNonUniformityNormalizedFeatureValue
getRunLengthNonUniformityFeatureValue
getRunLengthNonUniformityNormalizedFeatureValue
getRunPercentageFeatureValue
getGrayLevelVarianceFeatureValue
getRunVarianceFeatureValue
getRunEntropyFeatureValue
getLowGrayLevelRunEmphasisFeatureValue
getHighGrayLevelRunEmphasisFeatureValue
getShortRunLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getShortRunHighGrayLevelEmphasisFeatureValue
getLongRunLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getLongRunHighGrayLevelEmphasisFeatureValue

6)Glszm：Gray Level Size Zone Matrix(16features)
getSmallAreaEmphasisFeatureValue
getLargeAreaEmphasisFeatureValue
getGrayLevelNonUniformityFeatureValue
getGrayLevelNonUniformityNormalizedFeatureValue
getSizeZoneNonUniformityFeatureValue
getSizeZoneNonUniformityNormalizedFeatureValue
getZonePercentageFeatureValue
getGrayLevelVarianceFeatureValue
getZoneVarianceFeatureValue
getZoneEntropyFeatureValue
getLowGrayLevelZoneEmphasisFeatureValue
getHighGrayLevelZoneEmphasisFeatureValue
getSmallAreaLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getSmallAreaHighGrayLevelEmphasisFeatureValue
getLargeAreaLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getLargeAreaHighGrayLevelEmphasisFeatureValue

7)Gldm：Gray Level Dependence Matrix(14features)灰度依赖性矩阵
getSmallDependenceEmphasisFeatureValue
getLargeDependenceEmphasisFeatureValue
getGrayLevelNonUniformityFeatureValue
getGrayLevelNonUniformityNormalizedFeatureValue
getDependenceNonUniformityFeatureValue
getDependenceNonUniformityNormalizedFeatureValue
getGrayLevelVarianceFeatureValue
getDependenceVarianceFeatureValue
getDependenceEntropyFeatureValue
getDependencePercentageFeatureValue
getLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getHighGrayLevelEmphasisFeatureValue
getSmallDependenceLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getSmallDependenceHighGrayLevelEmphasisFeatureValue
getLargeDependenceLowGrayLevelEmphasisFeatureValue
getLargeDependenceHighGrayLevelEmphasisFeatureValue

8)Ngtdm：Neighbouring Gray Tone Difference Matrix(5features)
getCoarsenessFeatureValue
getContrastFeatureValue
getBusynessFeatureValue
getComplexityFeatureValue
getStrengthFeatureValue

除了形状特征类外，其他特征都可以在原始图像和派生图像上进行计算，注意上面的特征不是都需要的，有一些特征具有相关性。3、特征提取设置
1)Image Normalization图像归一化
Normalize：当设置为True时，对图像进行归一化处理
normalizeScale：对图像进行归一化处理的比例
RemoveOutliers：从图像中删除的离群值
2)Resampling the image图像重采样
ResamplePixelSpacing：设置重采样时的体素大小。
Interpolator：设置重采样的差值方法，可选的值如下：
sitkNearestNeighbor(= 1)
sitkLinear(= 2)
sitkBSpline(= 3)
sitkGaussian(= 4)
sitkLabelGaussian(= 5)
sitkHammingWindowedSinc(= 6)
sitkCosineWindowedSinc(= 7)
sitkWelchWindowedSinc(= 8)
sitkLanczosWindowedSinc(= 9)
sitkBlackmanWindowedSinc(= 10)
padDistance：设置在裁剪肿瘤体时的体素补充数量。