MITK: il Medical Imaging Interaction Toolkit del DKFZ

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Una piattaforma alternativa europea

Oltre a 3D Slicer — sviluppato negli Stati Uniti con il supporto del consorzio NA-MIC — il panorama open source dell’imaging medicale include una piattaforma di matrice europea di altrettanta maturità: MITK — Medical Imaging Interaction Toolkit — sviluppato al DKFZ (Deutsches Krebsforschungszentrum) di Heidelberg dalla divisione di Medical and Biological Informatics, coordinata negli anni da Hans-Peter Meinzer e oggi da Klaus H. Maier-Hein.

MITK è stato avviato nel 2003 con un focus iniziale sull’oncologia — tumore del fegato, pianificazione di interventi chirurgici, segmentazione di masse tumorali — ma è cresciuto fino a coprire un insieme ampio di casi d’uso di imaging medico. La versione corrente al momento di scrivere è MITK 2016.03, rilasciata in marzo 2016.

La licenza è BSD 3-Clause; il codice è ospitato su repository pubblico Git e accoglie contribuzioni di comunità.

Architettura

MITK è costruito su una pila di librerie open source mature:

• ITK (Insight Toolkit) — componenti di analisi (segmentazione, registrazione, morfologia, filtri)
• VTK (Visualization Toolkit) — rendering 3D, pipeline di visualizzazione
• Qt — framework di GUI C++, fornisce widget e il loop di eventi
• DCMTK — parsing e I/O DICOM
• Poco C++ Libraries — utility di sistema

Sopra a questa pila, MITK fornisce un proprio data model per rappresentare oggetti clinici (volumi di immagini, segmentazioni, punti di riferimento, modelli di superficie, pianificazioni) con proprietà condivise e persistenza. Le viste (2D assiale/sagittale/coronale, 3D) sono sincronizzate e parametrizzate con il modello.

BlueBerry e architettura a plugin

La versione Workbench di MITK usa un framework BlueBerry — architettura simile a Eclipse Plugin Framework trasportata in C++ Qt. Le funzionalità cliniche sono incapsulate in plugin con:

• Contributi dichiarativi al sistema — menu, viste, toolbar, perspective
• OSGi-like dependency resolution
• Estensibilità runtime — plug-in caricabili senza ricompilazione

Per uno sviluppatore che vuole estendere MITK con un modulo clinico specifico — ad esempio un plug-in di analisi volumetrica per un tipo di tumore — BlueBerry fornisce l’infrastruttura per farlo senza toccare il core.

Componenti condivisi con altri progetti medical imaging sono raccolti in CTK (Common Toolkit Platform for medical imaging), un’iniziativa inter-istituzionale che include contributi da MITK, 3D Slicer, Insight Software Consortium, per promuovere riuso e interoperabilità.

Moduli funzionali

MITK Workbench 2016.03 include moduli per diverse aree cliniche:

Segmentazione

• Editor interattivo con strumenti di pittura 2D/3D, thresholding, region growing, livellamento
• Segmentazione semi-automatica Graph Cut, Region Growing 3D
• Segmentazione model-based

Registrazione

• Rigida, affine, deformabile
• Registrazione multimodale (per esempio TC + RM, PET + TC)
• Landmark-based per piani di correzione manuale

DICOM e I/O

• Import/export DICOM, con gestione dei tag privati
• Supporto a serie multi-volume, serie 4D
• Formati nativi (Nifti, Nrrd, MHA) per scambio con altri toolkit
• Anonimizzazione pipeline

Oncologia

• Volumetria tumorale con calcolo automatico di volumi e diametri
• Analisi di risposta al trattamento (RECIST 1.1 — criteri internazionali per risposta tumorale solida)
• Fusion PET/CT per pianificazione radioterapica
• Seed-based segmentation per lesioni di dimensioni moderate
• Statistica su ROI — istogrammi intensità, statistiche di texture (base per radiomics)

Chirurgia guidata da immagine

• Navigazione chirurgica — tracking di strumenti, registrazione al paziente
• Pianificazione interventi per chirurgia addominale, neurochirurgia, ortopedica
• Integrazione con sistemi di navigazione intraoperatoria

Analisi del tratto (diffusion)

• DTI — tensore di diffusione, FA, MD
• Tractography deterministica e probabilistica
• Fiber clustering

Stampa 3D e modeling

• Export verso formati STL per stampa 3D di modelli anatomici paziente-specifici
• Pianificazione protesi

MITK rispetto a 3D Slicer

Le due piattaforme hanno sviluppi paralleli e vengono spesso confrontate:

Entrambe sono scelte valide per gruppi di ricerca; la scelta dipende dal caso d’uso prevalente, dalla disponibilità di moduli già sviluppati, dalla preferenza della GUI e dell’architettura.

Prodotti basati su MITK

MITK è alla base di diversi prodotti commerciali e software clinici di spin-off e aziende:

• Fraunhofer MEVIS — istituto di Bremen con focus su imaging biomedico, produce prodotti certificati basati su pila MITK/MeVisLab
• mint medical (Heidelberg) — prodotti per oncologia radiologica derivati da MITK
• Software clinici di ricerca — molti gruppi di ricerca tedeschi e europei costruiscono interfacce specialistiche su MITK per protocolli di studio specifici

La licenza BSD consente la commercializzazione senza restrizioni di copyleft.

Standard di conformità

Per uso in ambito clinico certificato, MITK base non è un dispositivo medico: è un toolkit di sviluppo. Chi costruisce un prodotto clinico certificato su MITK deve:

• Seguire IEC 62304 per il ciclo di vita software medicale
• Produrre la documentazione tecnica specifica del prodotto finale
• Gestire il rischio (ISO 14971)
• Condurre valutazione clinica
• In Europa, ottenere marcatura CE sotto MDD 93/42/CEE o il prossimo MDR

Il vantaggio dell’uso di una base open source come MITK — ispezionabile, documentata, mantenuta — è rispetto alla costruzione from scratch, ma la qualifica del prodotto finale resta responsabilità integrale del fabbricante.

Comunità e sviluppo

Il modello di sviluppo MITK include:

• Repository Git pubblico (github.com/MITK/MITK) con code review su pull request
• Mailing list per sviluppatori e utenti
• MITK workshops annuali organizzati al DKFZ, aperti a utenti esterni
• Continuous integration su Linux/Mac/Windows
• Release periodiche ogni 3-6 mesi

Il DKFZ resta il contributore principale ma la community globale include contribuzioni da centri universitari (Leipzig, Monaco, Oxford, Cambridge, vari centri statunitensi, giapponesi, italiani).

Nel contesto italiano

In Italia MITK è usato in alcuni contesti accademici e clinici di ricerca:

• Politecnico di Milano — progetti di imaging cardiovascolare, integrazione con sistemi di navigazione chirurgica
• Università di Verona — oncologia e radioterapia
• IRCCS in Piemonte, Emilia-Romagna, Lombardia — protocolli di studio
• Spin-off di informatica medica — aziende che adottano MITK come base per prodotti clinici customizzati

L’adozione nei reparti clinici non di ricerca è più limitata; gli ospedali italiani tendono ad usare prodotti commerciali (Philips IntelliSpace, GE AW Server, Siemens Syngo) per le workstation diagnostiche quotidiane.

Prospettive

Le direzioni di sviluppo MITK per i prossimi anni includono:

• Integrazione con deep learning — i ricercatori del DKFZ (lo stesso gruppo che sta sviluppando nnU-Net, destinato a diventare riferimento per la segmentazione medicale) integreranno moduli CNN-based in MITK
• Python scripting più esteso — la community richiede la flessibilità di scripting che 3D Slicer offre
• Cloud e servizi — MITK come base per piattaforme cloud di imaging condivise
• Integrazione DICOMweb — API HTTP per esporre dati MITK a viewer e analyzer esterni
• Radiomics standardizzato — MITK è un ambiente naturale per la pipeline di estrazione feature radiomiche, un’area in rapida espansione

MITK al 2016 rappresenta una piattaforma matura, europea, ben mantenuta nell’ecosistema open source di imaging medicale, complementare rispetto a 3D Slicer e adatta a scenari oncologici e chirurgici specifici.

Riferimenti: MITK (www.mitk.org), MITK 2016.03. Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ) Heidelberg, divisione Medical and Biological Informatics. Hans-Peter Meinzer e Klaus H. Maier-Hein come coordinatori. Licenza BSD 3-Clause. ITK, VTK, Qt, CTK. BlueBerry plugin framework.