segmentation/clitkExtractLungFilter.h

   1 /*=========================================================================
   2   Program:   vv                     http://www.creatis.insa-lyon.fr/rio/vv
   3
   4   Authors belong to:
   5   - University of LYON              http://www.universite-lyon.fr/
   6   - Léon Bérard cancer center       http://oncora1.lyon.fnclcc.fr
   7   - CREATIS CNRS laboratory         http://www.creatis.insa-lyon.fr
   8
   9   This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even
  10   the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  11   PURPOSE.  See the copyright notices for more information.
  12
  13   It is distributed under dual licence
  14
  15   - BSD        See included LICENSE.txt file
  16   - CeCILL-B   http://www.cecill.info/licences/Licence_CeCILL-B_V1-en.html
  17   ======================================================================-====*/
  18
  19 #ifndef CLITKEXTRACTLUNGSFILTER_H
  20 #define CLITKEXTRACTLUNGSFILTER_H
  21
  22 // clitk
  23 #include "clitkFilterBase.h"
  24 #include "clitkDecomposeAndReconstructImageFilter.h"
  25 #include "clitkExplosionControlledThresholdConnectedImageFilter.h"
  26 #include "clitkSegmentationUtils.h"
  27 #include "clitkFilterWithAnatomicalFeatureDatabaseManagement.h"
  28
  29 // itk
  30 #include "itkStatisticsImageFilter.h"
  31
  32 namespace clitk {
  33
  34   //--------------------------------------------------------------------
  35   /*
  36     Try to extract the Lung part of a thorax CT. Inspired by
  37     Rikxoort2009, Section IIA, MedPhys.
  38
  39     - First, all air besides lungs and thrachea is removed, by
  40     removing the second largest label of the firstLabelImage and
  41     setting the remainder to 0HU . This modified input is optimally
  42     thresholded (Otsu1979).
  43
  44     - Trachea and bronchi are grown from seeds in the top of the image
  45     by explosion controlled region growing, slightly dilated and
  46     removed from the second label image.
  47
  48     - Left and right lung are separated (if necessary) by erosion and
  49     reconstructed by conditional dilation.
  50
  51     - TRACHEA is available at the end
  52
  53     TODO ********** Remaining holes can be       filled afterwards (clitkFillMask).
  54
  55   */
  56   //--------------------------------------------------------------------
  57
  58   //--------------------------------------------------------------------
  59   template <class TImageType>
  60   class ITK_EXPORT ExtractLungFilter:
  61     public virtual clitk::FilterBase,
  62     public clitk::FilterWithAnatomicalFeatureDatabaseManagement,
  63     public itk::ImageToImageFilter<TImageType, itk::Image<uchar, TImageType::ImageDimension> >
  64   {
  65
  66   public:
  67     /** Standard class typedefs. */
  68     typedef itk::Image<uchar, TImageType::ImageDimension> MaskImageType;
  69     typedef itk::ImageToImageFilter<TImageType, MaskImageType> Superclass;
  70     typedef ExtractLungFilter              Self;
  71     typedef itk::SmartPointer<Self>        Pointer;
  72     typedef itk::SmartPointer<const Self>  ConstPointer;
  73
  74     /** Method for creation through the object factory. */
  75     itkNewMacro(Self);
  76
  77     /** Run-time type information (and related methods). */
  78     itkTypeMacro(ExtractLungFilter, ImageToImageFilter);
  79     FILTERBASE_INIT;
  80
  81     /** Some convenient typedefs */
  82     typedef TImageType                       ImageType;
  83     typedef typename ImageType::ConstPointer InputImageConstPointer;
  84     typedef typename ImageType::Pointer      InputImagePointer;
  85     typedef typename ImageType::RegionType   InputImageRegionType;
  86     typedef typename ImageType::PixelType    InputImagePixelType;
  87     typedef typename ImageType::SizeType     InputImageSizeType;
  88     typedef typename ImageType::IndexType    InputImageIndexType;
  89     typedef typename ImageType::PointType    InputImagePointType;
  90
  91     typedef typename MaskImageType::ConstPointer MaskImageConstPointer;
  92     typedef typename MaskImageType::Pointer      MaskImagePointer;
  93     typedef typename MaskImageType::RegionType   MaskImageRegionType;
  94     typedef typename MaskImageType::PixelType    MaskImagePixelType;
  95     typedef typename MaskImageType::SizeType     MaskImageSizeType;
  96     typedef typename MaskImageType::IndexType    MaskImageIndexType;
  97     typedef typename MaskImageType::PointType    MaskImagePointType;
  98
  99     itkStaticConstMacro(ImageDimension, unsigned int, ImageType::ImageDimension);
 100     //    typedef int InternalPixelType;
 101     typedef uchar InternalPixelType;
 102     typedef itk::Image<InternalPixelType, ImageType::ImageDimension> InternalImageType;
 103     typedef typename InternalImageType::Pointer                      InternalImagePointer;
 104     typedef typename InternalImageType::IndexType                    InternalIndexType;
 105     typedef LabelizeParameters<InternalPixelType>                    LabelParamType;
 106
 107     /** Connect inputs */
 108     void SetInput(const ImageType * image);
 109     itkSetMacro(PatientMaskBackgroundValue, MaskImagePixelType);
 110     itkGetConstMacro(PatientMaskBackgroundValue, MaskImagePixelType);
 111
 112     // Output filename  (for AFBD)
 113     itkSetMacro(OutputLungFilename, std::string);
 114     itkGetMacro(OutputLungFilename, std::string);
 115
 116     itkSetMacro(OutputTracheaFilename, std::string);
 117     itkGetMacro(OutputTracheaFilename, std::string);
 118
 119     // Get output (only availabe after update !)
 120     typename MaskImageType::Pointer GetTracheaImage() { return trachea; }
 121
 122     // Background / Foreground
 123     itkGetConstMacro(BackgroundValue, MaskImagePixelType);
 124     itkGetConstMacro(ForegroundValue, MaskImagePixelType);
 125
 126     // For common segmentation processes
 127     itkSetMacro(MinimalComponentSize, int);
 128     itkGetConstMacro(MinimalComponentSize, int);
 129
 130     // Step 1 options RemoveAir
 131     itkSetMacro(UpperThreshold, InputImagePixelType);
 132     itkGetConstMacro(UpperThreshold, InputImagePixelType);
 133
 134     itkSetMacro(NumberOfSlicesToSkipBeforeSearchingSeed, int);
 135     itkGetConstMacro(NumberOfSlicesToSkipBeforeSearchingSeed, int);
 136
 137     itkSetMacro(LowerThreshold, InputImagePixelType);
 138     itkGetConstMacro(LowerThreshold, InputImagePixelType);
 139     itkSetMacro(UseLowerThreshold, bool);
 140     itkGetConstMacro(UseLowerThreshold, bool);
 141     itkBooleanMacro(UseLowerThreshold);
 142
 143     void SetLabelizeParameters1(LabelParamType * a) { m_LabelizeParameters1 = a; }
 144     itkGetConstMacro(LabelizeParameters1, LabelParamType*);
 145
 146     // Step 2 options FindTrachea
 147     itkSetMacro(UpperThresholdForTrachea, InputImagePixelType);
 148     itkGetConstMacro(UpperThresholdForTrachea, InputImagePixelType);
 149
 150     itkSetMacro(MultiplierForTrachea, double);
 151     itkGetConstMacro(MultiplierForTrachea, double);
 152
 153     itkSetMacro(ThresholdStepSizeForTrachea, InputImagePixelType);
 154     itkGetConstMacro(ThresholdStepSizeForTrachea, InputImagePixelType);
 155
 156     void AddSeed(InternalIndexType s);
 157     std::vector<InternalIndexType> & GetSeeds() { return  m_Seeds; }
 158
 159     itkSetMacro(TracheaVolumeMustBeCheckedFlag, bool);
 160     itkGetConstMacro(TracheaVolumeMustBeCheckedFlag, bool);
 161     itkBooleanMacro(TracheaVolumeMustBeCheckedFlag);
 162
 163     itkSetMacro(VerboseRegionGrowingFlag, bool);
 164     itkGetConstMacro(VerboseRegionGrowingFlag, bool);
 165     itkBooleanMacro(VerboseRegionGrowingFlag);
 166
 167     // Step 3 options ExtractLung
 168     itkSetMacro(NumberOfHistogramBins, int);
 169     itkGetConstMacro(NumberOfHistogramBins, int);
 170
 171     void SetLabelizeParameters2(LabelParamType* a) { m_LabelizeParameters2 = a; }
 172     itkGetConstMacro(LabelizeParameters2, LabelParamType*);
 173
 174     // Step 4 options RemoveTrachea
 175     itkSetMacro(RadiusForTrachea, int);
 176     itkGetConstMacro(RadiusForTrachea, int);
 177
 178     void SetLabelizeParameters3(LabelParamType * a) { m_LabelizeParameters3 = a; }
 179     itkGetConstMacro(LabelizeParameters3, LabelParamType*);
 180
 181     // Step 5 final openclose
 182     itkSetMacro(OpenCloseFlag, bool);
 183     itkGetConstMacro(OpenCloseFlag, bool);
 184     itkBooleanMacro(OpenCloseFlag);
 185
 186     itkSetMacro(OpenCloseRadius, int);
 187     itkGetConstMacro(OpenCloseRadius, int);
 188
 189     // Step 6 fill holes
 190     itkSetMacro(FillHolesFlag, bool);
 191     itkGetConstMacro(FillHolesFlag, bool);
 192     itkBooleanMacro(FillHolesFlag);
 193
 194   protected:
 195     ExtractLungFilter();
 196     virtual ~ExtractLungFilter() {}
 197
 198     // Main members
 199     InputImageConstPointer input;
 200     MaskImagePointer patient;
 201     InputImagePointer working_input;
 202     std::string m_OutputLungFilename;
 203     std::string m_OutputTracheaFilename;
 204     MaskImagePointer working_mask;
 205     MaskImagePointer trachea;
 206     unsigned int m_MaxSeedNumber;
 207
 208     // Global options
 209     itkSetMacro(BackgroundValue, MaskImagePixelType);
 210     itkSetMacro(ForegroundValue, MaskImagePixelType);
 211     MaskImagePixelType m_PatientMaskBackgroundValue;
 212     MaskImagePixelType m_BackgroundValue;
 213     MaskImagePixelType m_ForegroundValue;
 214     int m_MinimalComponentSize;
 215
 216     // Step 1
 217     InputImagePixelType m_UpperThreshold;
 218     InputImagePixelType m_LowerThreshold;
 219     bool m_UseLowerThreshold;
 220     LabelParamType* m_LabelizeParameters1;
 221
 222     // Step 2
 223     InputImagePixelType m_UpperThresholdForTrachea;
 224     InputImagePixelType m_ThresholdStepSizeForTrachea;
 225     double m_MultiplierForTrachea;
 226     std::vector<InternalIndexType> m_Seeds;
 227     int m_NumberOfSlicesToSkipBeforeSearchingSeed;
 228     bool m_TracheaVolumeMustBeCheckedFlag;
 229     bool m_VerboseRegionGrowingFlag;
 230
 231     // Step 3
 232     int m_NumberOfHistogramBins;
 233     LabelParamType* m_LabelizeParameters2;
 234
 235     // Step 4
 236     int m_RadiusForTrachea;
 237     LabelParamType* m_LabelizeParameters3;
 238
 239     // Step 5
 240     bool m_OpenCloseFlag;
 241     int m_OpenCloseRadius;
 242
 243     // Step 6
 244     bool m_FillHolesFlag;
 245     InputImageSizeType m_FillHolesDirections;
 246
 247     // Main functions
 248     virtual void GenerateOutputInformation();
 249     virtual void GenerateInputRequestedRegion();
 250     virtual void GenerateData();
 251
 252     // Functions for trachea extraction
 253     bool SearchForTracheaSeed(int skip);
 254     void SearchForTrachea();
 255     void TracheaRegionGrowing();
 256     double ComputeTracheaVolume();
 257
 258   private:
 259     ExtractLungFilter(const Self&); //purposely not implemented
 260     void operator=(const Self&); //purposely not implemented
 261
 262   }; // end class
 263   //--------------------------------------------------------------------
 264
 265 } // end namespace clitk
 266 //--------------------------------------------------------------------
 267
 268 #ifndef ITK_MANUAL_INSTANTIATION
 269 #include "clitkExtractLungFilter.txx"
 270 #endif
 271
 272 #endif