鞏 萍,胡俊峰,隋美蓉

(徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院,江蘇 徐州 221004)

《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

鞏 萍,胡俊峰,隋美蓉

(徐州醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院,江蘇 徐州 221004)

《醫(yī)學(xué)圖像處理》是生物醫(yī)學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)的核心主干課程,該課程內(nèi)容涉及面廣、理論性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容多、圖像處理的許多算法都需要借助軟件進(jìn)行直觀演示。文章針對(duì)該課程特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題,基于Matlab平臺(tái),設(shè)計(jì)開發(fā)了《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以演示實(shí)驗(yàn),還可以輔助理論教學(xué),便于學(xué)生自學(xué)。

醫(yī)學(xué)圖像處理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng);Matlab

《醫(yī)學(xué)圖像處理》是生物醫(yī)學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)本科生的核心主干課程。它以數(shù)學(xué) (統(tǒng)計(jì)學(xué))及信號(hào)處理的相關(guān)理論為基礎(chǔ),利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)手段,對(duì)醫(yī)學(xué)圖像中可能出現(xiàn)的問題,如噪聲、失真等退化因素進(jìn)行處理,以改善醫(yī)學(xué)成像質(zhì)量,并為臨床應(yīng)用。該課程內(nèi)容多、概念抽象、實(shí)踐性強(qiáng),許多算法都需要借助軟件進(jìn)行編程和效果演示,因此,進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必不可少的。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué),一方面可以將枯燥的理論知識(shí)直觀化、通俗化、趣味化,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣;另一方面還可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程能力及獨(dú)立思考能力。目前,在這門課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,不同程度地存在著如下問題:實(shí)驗(yàn)課時(shí)很少,且僅用 Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)需要;目前,一些高校雖然開發(fā)了一些圖像處理的教學(xué)系統(tǒng),但主要都是針對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行的[1-3],而針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)卻罕見報(bào)道。為了使醫(yī)學(xué)院校的學(xué)生能夠輕松學(xué)習(xí)并掌握?qǐng)D像處理的基礎(chǔ)知識(shí)、原理方法及其在臨床上的應(yīng)用,進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐操作技能,開擴(kuò)視野,培養(yǎng)科學(xué)的思維方式,該文基于Matlab平臺(tái),設(shè)計(jì)開發(fā)了《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 Matlab開發(fā)平臺(tái)

Matlab是由美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的軟件,它不僅語法簡(jiǎn)單,易學(xué)易用,而且包含許多功能各異的工具箱,其中包括圖像處理工具箱 (i mage processing toolbox,IPT)。IPT支持多種圖像文件格式 ,如 ＊ .bmp、＊ .jpeg、＊ .gif、＊ .tiff、＊.pcx等。庫函數(shù)非常豐富,按其功能可分為:圖像顯示、圖像文件輸入輸出 (I/0)、幾何操作、像素值和統(tǒng)計(jì)處理、圖像分析與增強(qiáng)、圖像濾波、線性二維濾波器設(shè)計(jì)、圖像變換、鄰域和塊操作、二值圖像操作、顏色映射和顏色空間轉(zhuǎn)換、圖像類型轉(zhuǎn)換、工具包參數(shù)獲取和設(shè)置等,并且這些函數(shù)都可直接調(diào)用。同時(shí)Matlab具有強(qiáng)大的圖形用戶界面 (graphical user interface,GU I)生成能力,用戶可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)自己的圖形界面。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng),首先需要確定系統(tǒng)的框架由哪些模塊組成,模塊間的調(diào)用關(guān)系如何,需要實(shí)現(xiàn)哪些功能等?！夺t(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程如圖 1所示。其中每個(gè)方框代表一個(gè)圖形用戶界面 (GU I)。首先設(shè)置了登錄界面,輸入用戶名和密碼后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇界面。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)遵循由淺入深的原則,內(nèi)容覆蓋圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像壓縮與編碼、圖像恢復(fù)、圖像分割、圖像融合六大模塊等。包含《醫(yī)學(xué)圖像理》課程中開設(shè)的所有實(shí)驗(yàn),分別是圖像類型轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、圖像幾何變換實(shí)驗(yàn)、傅里葉變換實(shí)驗(yàn)、離散余弦變換實(shí)驗(yàn)、圖像灰度調(diào)整實(shí)驗(yàn)、圖像平滑實(shí)驗(yàn)、圖像恢復(fù)實(shí)驗(yàn)、圖像編碼與壓縮實(shí)驗(yàn)、圖像的邊緣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和圖像融合共計(jì) 10個(gè)實(shí)驗(yàn)。其中在每個(gè)實(shí)驗(yàn)的窗口上又分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求、思考題五個(gè)菜單。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,可以通過菜單預(yù)習(xí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,同時(shí)也便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程,利用Matlab的 GU I工具箱分別制作各個(gè)圖形用戶界面,并對(duì)界面上的控件進(jìn)行屬性設(shè)置與編程,以實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能。

2.2.1 界面設(shè)計(jì) 在Matlab命令窗口中鍵入 G UI DE,進(jìn)入設(shè)計(jì)面板,左側(cè)為控件和坐標(biāo)軸,GU I提供了10種控件 (Uicontrol)對(duì)象和一個(gè)坐標(biāo)軸 (Axes)對(duì)象。在 GU I面板中點(diǎn)擊 Menu Editor按鈕可打開菜單編輯器,通過菜單編輯可以為圖形界面添加、設(shè)置和修改菜單。在控件面板中可用鼠標(biāo)選中某個(gè)控件,將其拖放到面板合適的位置。然后,選擇 Tools-＞Align Objects調(diào)整控件相互的位置 (如控件間距、對(duì)齊方式等)。雙擊控件或圖形窗口可以打開相應(yīng)的對(duì)象屬性編輯器 (Property Inspector),對(duì)控件的屬性進(jìn)行編輯[4]。用戶界面設(shè)計(jì)好之后,選擇 File_＞Save As將該圖形窗口保存為 ××.fig的文件,這時(shí)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè) ××.m文件。以圖像平滑實(shí)驗(yàn)為例,整體界面設(shè)計(jì)如圖 2所示。

圖2 圖像平滑實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)界面圖

在該實(shí)驗(yàn)界面中,設(shè)置了 5個(gè)菜單欄:實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求、思考題;3個(gè)坐標(biāo)軸 (axes),分別用來顯示原圖,加入噪聲后的圖像和去噪后的圖像;4個(gè)彈出框 (popup menu):打開圖像 (open an image)彈出框用來裝載需進(jìn)行處理的圖像,噪聲類型 (noise type)彈出框用來選擇噪聲類型,噪聲濾波 (denoising filtering)彈出框用來選擇濾波方法,濾波窗口 (filtering window)彈出框用來供用戶選擇不同的濾波窗口;3個(gè)編輯框(Edit Text):均值 (mean)編輯框用來輸入添加噪聲的均值,方差 (variance)編輯框輸入添加噪聲的方差,強(qiáng)度 (density)編輯框用來輸入添加噪聲的強(qiáng)度;4個(gè)按鈕 (Push button):添加噪聲 (add noise)按鈕用來實(shí)現(xiàn)添加噪聲,濾波 (filtering)按鈕實(shí)現(xiàn)去噪濾波,代碼 (code)按鈕用來查看源代碼,退出 (exit)按鈕退出實(shí)驗(yàn)。圖像平滑實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像添加不同類型、不同參數(shù)的噪聲,并選擇不同的濾波方法和濾波窗口對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。

2.2.2 編程 靜態(tài)界面設(shè)計(jì)完成之后,GU I將自動(dòng)生成.fig和.m文件。其中.fig文件保存了關(guān)于靜態(tài)窗口界面的所有對(duì)象的屬性值,.m文件包括 GU I初始化和回調(diào)函數(shù)兩個(gè)部分。所謂回調(diào)函數(shù)就是在調(diào)用對(duì)象時(shí),該對(duì)象所要回應(yīng)的動(dòng)作。要編制某一控件的回調(diào)程序,只要在 GU I設(shè)計(jì)面板上選中控件,點(diǎn)擊右鍵,在彈出菜單中選擇 View Callbacks,從中選擇一種激活回調(diào)程序的方式,如“Callback”指單擊控件時(shí)激活回調(diào)程序完成的一定功能。打開Matlab自動(dòng)生成的.m文件,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成如下語句:function Hname Callback(hObject,eventdata,handles),其中 Hname為控件對(duì)象的 Tag屬性值,在該語句下編寫當(dāng)前控件的回調(diào)程序。菜單的回調(diào)程序在菜單編輯器的 Callbacks文本框中給出。完成了回調(diào)函數(shù)的編輯后,點(diǎn)擊 Tools-＞Run就可以運(yùn)行程序,觀察最終的結(jié)果[4-5]。采用Matlab語言進(jìn)行編程非常方便,許多功能都可直接調(diào)用Matlab圖像處理工具箱的函數(shù)。限于篇幅,具體代碼在此不做具體展示。

2.3 生成可執(zhí)行文件

為了使實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能夠脫離Matlab開發(fā)環(huán)境,在任何W indows操作系統(tǒng)中都可以直接運(yùn)行,需要將測(cè)試后的系統(tǒng)編譯成可獨(dú)立執(zhí)行的＊.exe文件。這個(gè)過程首先需要安裝和配置好Matlab Compiler。一般來說,在安裝Matlab時(shí)就已經(jīng)安裝了相應(yīng)版本的 Matlab Compiler。在確定安裝好 Matlab Compiler后,還需要對(duì) Compiler進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?方法是在Matlab命令窗口輸入:Mbuild-setup,然后根據(jù)提示執(zhí)行相應(yīng)的操作,使用者可根據(jù)自己計(jì)算機(jī)中現(xiàn)有編譯器的情況選擇合適的編譯器,如 Vb、VC++、Bland C等編譯器,也可選擇Matlab自帶的Lcc編譯器。配置好編譯器后,就要對(duì)編寫的.m文件進(jìn)行編譯了。

將.m文件編譯為獨(dú)立可執(zhí)行文件的語法是:＞＞mcc-m fun1.m fun2.m......,其中 fun1是最后的可執(zhí)行文件的名稱。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

醫(yī)學(xué)圖像融合是指將不同成像設(shè)備或同一成像設(shè)備不同時(shí)間獲得的多幅圖像綜合成一幅圖像的圖像處理技術(shù)。其目的是增強(qiáng)圖像中信息解譯的精度、可靠性以及使用率,以形成對(duì)目標(biāo)的清晰、完整、準(zhǔn)確的信息描述[6]。下面以圖像融合實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行演示和分析。圖像融合實(shí)驗(yàn)主要是要求學(xué)生掌握常用的醫(yī)學(xué)圖像融合方法,并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。常用的融合方法[7]包括基于空域的圖像融合、基于傅里葉變換的圖像融合和基于小波變換的圖像融合。其中,基于空域的融合法又包括像素灰度值極小 (大)法、像素灰度值加權(quán)法等?；谛〔ㄗ儞Q的融合法[8]包括極小 (大)法、加權(quán)法、區(qū)域能量法等。

圖3 CT與 MR I的源圖像圖

在打開圖片 (open an image)的下拉列表中分別選擇CT和MR I源圖像 ,如圖3所示。融合方法選擇空域融合 (spatial-domain fusion),融合規(guī)則分別選擇像素灰度值極小法 (smallm),像素灰度值極大法 (bigm),像素灰度值加權(quán)法 (addm)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4、圖 5所示。

圖4 像素灰度值極小 (大)融合實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由圖 3可見,CT圖像具有很高的分辨力,對(duì)密度大的組織比較敏感,在腦圖像中顱骨及鈣化斑比較清晰,但對(duì)病灶的顯示較差,腫瘤邊界不夠清楚;而MR I圖像雖然空間分辨力不如CT圖像,但是它對(duì)軟組織成像清晰,有利于確定病灶范圍。由圖 4可見,像素灰度值極大法比灰度值極小法融合后的圖像對(duì)比度高,表達(dá)的內(nèi)容豐富。而像素灰度值極小法融合后的圖像與兩幅源圖像比較,融合后的圖像沒有源圖像表達(dá)的信息多。所以,在 CT與MR I圖像融合中,像素灰度值極小法是不可取的。這種像素灰度值極小 (大)融合法只是簡(jiǎn)單地選擇參加融合的源圖像中像素的灰度值極小 (大)作為融合后像素的灰度值,沒有考慮到圖像之間信息的相互補(bǔ)充和綜合,會(huì)導(dǎo)致一些細(xì)節(jié)信息的丟失,所以適用的場(chǎng)合也很有限。

圖5 像素加權(quán)法融合實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由圖 5可見,無論在對(duì)比度,還是在表達(dá)信息的豐富程度方面,圖 5-b都比圖 5-a與圖 5-c兩幅圖像的效果要好。因此,在運(yùn)用像素灰度值加權(quán)法對(duì)圖像進(jìn)行融合時(shí),一般情況下,取加權(quán)系數(shù)ω1=ω2=0.5。像素加權(quán)融合法在傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像融合中有著非常重要的地位,融合的范圍比較廣泛,但是,由于加權(quán)系數(shù)的存在,使得融合后圖像的灰度值減小,對(duì)比度也有所降低。圖 5的三幅圖像都沒有源圖像對(duì)比度高?；谛〔ǖ娜诤辖Y(jié)果限于篇幅在此不再展示分析。所有實(shí)驗(yàn)和模塊經(jīng)過測(cè)試后均能正常運(yùn)行,達(dá)到預(yù)期的要求。

隨著時(shí)代的發(fā)展,生物醫(yī)學(xué)工程及相關(guān)專業(yè)越來越重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué),該文詳細(xì)介紹了利用Matlab語言設(shè)計(jì)開發(fā)《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的過程,并對(duì)部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了運(yùn)行演示及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)緊扣課程教學(xué)內(nèi)容,覆蓋面廣,內(nèi)容豐富,界面友好,操作簡(jiǎn)單,交互性強(qiáng)。通過課堂演示以及學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn),收到了較好的效果,具有較強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值。

[1]安平,王朔中.建立在Matlab平臺(tái)上的數(shù)字圖像處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2001,20(1):61-63

[2]張秉仁,韋仁會(huì),高游,等.數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)及其應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2004,21(3):87-90

[3]王漢萍,于海生,王英,等.“數(shù)字圖像處理”實(shí)驗(yàn)體系模塊化的研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(12):31-33

[4]孫祥,徐流美 ,吳清.Matlab 7.0基礎(chǔ)教程 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:334-342

[5]秦襄培.Matlab圖像處理與界面編程寶典 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:284-292

[6]Bloch I,Maitre H.Data fusion in 2D and 3D i mage processing:an overview[J].Proceedings X Brazilian Symposium on Computer Graphics and I mage Processing,1997:127-134

[7]浦金霞.應(yīng)用于腫瘤治療的 CT與 MR I圖像融合研究[D].河北:河北工業(yè)大學(xué),2007:2

[8]鄢樹.基于小波變換的圖像融合性能的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(1):119-120

Design and development of experi ment teaching system forM edical I mage Processing Course

Gong Ping,Hu Junfeng,SuiM eirong
(School of M edical Im ageology,Xuzhou M edical College,Xuzhou221004,China)

As a core course in biomedical engineering and other related specialties,the course of Medical I mage Processing involves broad knowledge area,deep theory base and abundant experiment contents,and the experiment demo is necessary to make clear the complex arithmetic of image processing. In view of the above-mentioned characteristics and problems in experiment teaching,we designed and developed an experiment teaching system for Medical I mage Processing course based on Matlab platform.The system can not only be applied to experiment demo but also assist theory teaching and facilitate students’self-study.

medical image processing;experiment teaching system;Matlab

G434

A

1004-5287(2011)01-0049-04

2010-09-08

鞏萍 (1980-),女,江蘇徐州人,講師,碩士,主要研究方向:生物醫(yī)學(xué)信號(hào)與圖像處理。