陸雪松　謝勤嵐

摘 要 為解決醫(yī)學圖像處理傳統(tǒng)教學中算法構造復雜、授課方式單一、學生參與較少等問題，采用Qt等開源工具包構建了醫(yī)學圖像處理虛擬仿真教學平臺，將課程知識點融入平臺之中，在課堂上實施虛擬仿真教學，引導學生深入討論。平臺內(nèi)包含醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)讀取、顯示、濾波、三維可視化、分割和配準等核心模塊。這種理論與實踐相結合的教學手段不僅能讓學生加深對課程知識的理解、提高學習興趣和自主學習能力，而且還可以降低教學成本、提高教學效率。

關鍵詞 醫(yī)學圖像處理 虛擬仿真教學平臺 自主學習

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.023

Construction of Virtual Simulation Teaching Platform for

Medical Image Processing

LU Xuesong， XIE Qinlan

（College of Biomedical Engineering， South-Central University for Nationalities， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract The conventional teaching of medical image processing is faced with some problems such as complicated algorithm structure， boring teaching methods and a few practice opportunities， etc. For this reason， a teaching platform of the virtual simulation for medical image processing is established using the open source toolkit like Qt. The virtual simulation teaching can be implemented in class by combining curriculum knowledge， in order to lead the students to deep discussions. This platform includes medical image data reading， display， filtering， 3d visualization， segmentation and registration. This teaching method which combines theory and practice can help the students to enhance their understanding of the knowledge， and improve the interest and autonomous ability in learning. The teaching cost can also be reduced， and the teaching efficiency can be promoted.

Keywords medical image processing； virtual simulation teaching platform； autonomous learning

虛擬仿真技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，具有交互性、真實性以及多感知性等特點。它以計算機軟件及硬件為基礎，相關的技術手段為輔助，通過對已知或未知世界的仿真，使人獲得真實感受的一種先進計算機應用技術。虛擬仿真技術已普遍應用于各個領域，如訓練、教學、仿真和娛樂等諸多方面。[1， 2]

醫(yī)學圖像學科的教學已明顯落后于臨床醫(yī)學的發(fā)展，使用傳統(tǒng)膠片教學難以提供和顯示發(fā)展迅速而豐富多彩的圖像醫(yī)學內(nèi)容，教師難以組織有效的教學，學生不易充分理解多種成像的圖像信息。2015年，中南民族大學整合了生物醫(yī)學工程及相關學科的教學科研資源，建設了虛擬仿真湖北省實驗教學示范中心。為發(fā)揮我院學科專業(yè)優(yōu)勢，在教學中充分展現(xiàn)數(shù)字化圖像所固有的對人體和疾病虛擬仿真顯示的診斷特性，以培養(yǎng)學生的主動學習能力和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，建立醫(yī)學圖像處理課程的虛擬仿真教學平臺。

1 相關背景

（1）虛擬仿真教學迅速興起，與傳統(tǒng)教學模式相互補充、相互促進，融合虛擬仿真技術的圖像教學已成為現(xiàn)代生物醫(yī)學工程學科教學的研究前沿和發(fā)展方向。[3， 4]

（2）醫(yī)學圖像學科的飛速發(fā)展，先進高檔、昂貴的醫(yī)學成像設備的迅速普及，迫切需求醫(yī)學圖像人才，融合虛擬仿真的圖像處理教學，是適應高效率培養(yǎng)合格的高層次生物醫(yī)學工程學專門人才需要的良好方式。

（3）生物醫(yī)學工程專業(yè)交叉性強，需要大量的實踐教學。通過虛擬仿真平臺的操作，使學生將自己置身于虛擬現(xiàn)實的圖像形成、處理、分析和診斷的環(huán)境當中，增加學生的學習興趣，為工程實踐奠定基礎。這種教學模式的革新對于專業(yè)的發(fā)展也將起到促進作用。

2 虛擬仿真教學平臺主要目標

（1）實現(xiàn)課堂隨時的學習。整個平臺以Qt、Itk和Vtk等開源工具包為基礎構建，可供上課老師隨時操作進行講解。

（2）構建豐富、完整的醫(yī)學圖像處理模塊。充分利用平臺的良好展示功能，將完整的醫(yī)學圖像處理知識體系置于其中，便于學生的學習和實踐。包括數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、三維可視化模塊、數(shù)據(jù)分割模塊和數(shù)據(jù)配準模塊（見圖1）。

（3）形成易于擴展的框架結構。平臺構建完成之后，可以展示學院的特色科研成果，教師還可以將自己拓展的圖像處理方法嵌入其中供學生學習。

（4）追蹤學生學習情況。在課程的每一章節(jié)，了解和掌握虛擬教學平臺的使用情況，跟蹤記錄學生的學習情況。

（5）節(jié)約實驗費用，提高學習效率。充分調(diào)動學生的學習興趣、培養(yǎng)學生的想象力和創(chuàng)造力。實現(xiàn)資源共享。[5， 6]

3 虛擬仿真教學平臺主要模塊

虛擬仿真教學平臺中的教學資源建設是核心內(nèi)容。教學內(nèi)容的選擇，不但注重知識的完整性，而且注重發(fā)揮虛擬實驗的特殊性，實現(xiàn)人機交互。主要模塊不僅包括圖像數(shù)據(jù)讀取、顯示，而且涵蓋了多種圖像處理方法。[7]

3.1 醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)讀取模塊

可以打開2D圖像，3D圖像和DICOM專用格式圖像，通過菜單Data IO或快捷方式打開圖像，并進行相應的操作。同時，在Data IO里可以將2D PNG圖像序列和DICOM圖像序列轉換為3D體數(shù)據(jù)Meta Image格式。

3.2 醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)顯示模塊

可以單平面顯示2D圖像。在對3D圖像進行顯示時，有兩種模式可供選擇。通過界面右邊操作區(qū)域的Reslice Mode中AxisAligned和Oblique兩個按鈕切換，這兩種模式有著各自特有的功能。在界面的右下角同時顯示了打開的圖像的基本信息。

在兩種模式下都可以實現(xiàn)：（1）在三個不同剖面顯示框中通過拖動鼠標左鍵改變圖像的對比度和拖動鼠標右鍵改變圖像大小的功能，并且在3D顯示框（右下角）中拖動鼠標左鍵查看三個剖面組成的3D圖像的各個視角；（2）通過點擊Distance Measurement中的axial、sagittal和coronal三個按鈕分別實現(xiàn)在三個剖面上測距的功能；（3）快捷欄的最后兩個快捷鍵可以實現(xiàn)兩種不同的圖像顯示界面。

在AxisAligned模式下，可以通過鼠標滾輪實現(xiàn)查看每個剖面里所疊加的圖層。Oblique模式下鼠標移動到每個剖面中的十字線上時，光標變成手形時，點擊左鍵，并拖動，可以實現(xiàn)旋轉這個剖面的功能；當鼠標移動到十字線的中央時，光標變成十字形，點鼠標左鍵，上下拖動，可以將這個剖面不同位置的圖像顯示出來。

3.3 醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)濾波模塊

可以實現(xiàn)Canny邊緣檢測、圖像梯度計算、Laplacian濾波、中值濾波、均值濾波、數(shù)學形態(tài)學操作等技術。

3.4 醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)三維可視化模塊

可以實現(xiàn)醫(yī)學三維數(shù)據(jù)的面重建和體重建處理。其中體重建示例見圖2。

3.5 醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)分割模塊

可以實現(xiàn)閾值分割、區(qū)域生長、K均值聚類分割、分水嶺分割、snake模型分割、水平集分割等技術。

3.6 醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)配準模塊

可以實現(xiàn)2D圖像、3D圖像的全自動配準。配準模型包括平移、旋轉、仿射、B樣條等，配準度量包括灰度差值法、互相關法、互信息法等。其中2D圖像的配準示例見圖3。

4 結束語

醫(yī)學圖像處理虛擬仿真教學平臺可應用于醫(yī)學圖像學科的教學中，可為本科生科技創(chuàng)新等活動設立虛擬實踐平臺，還可以為相關科研工作提供資源共享平臺和軟件支持服務。該系統(tǒng)解決了醫(yī)學圖像處理傳統(tǒng)教學中算法構造復雜、授課方式單一、學生參與較少等問題，將課程理論知識嵌入系統(tǒng)之中，在提升教學質(zhì)量，提高學生學習、實踐能力方面發(fā)揮了重要作用。[8， 9]

基金項目：中南民族大學校級教學研究項目（JYX16053）

參考文獻

[1] 吳亞東，趙思蕊，楊文超.讓人機交互更加真實[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2015.11（11）：50-51.

[2] 李知菲，何林知，洪震.體感交互技術在“虛擬現(xiàn)實技術”課程教學中的應用[J].中國信息技術教育，2014（5）：115-117.

[3] 楊淑瑩，張樺.模式識別與智能計算：MATLAB技術實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4] 張永清.基于多線程的水中微生物圖像預處理系統(tǒng)[D].昆明：云南大學，2011.

[5] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013.32（12）：5-8.

[6] 李平，毛昌杰，徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設，提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013.32（11）：6-8.

[7] Gonzalez R C， Woods R E. 數(shù)字圖像處理[M].阮秋琦，阮宇智，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[8] 姜顯揚，唐向宏.虛擬仿真無人駕駛汽車跨學科實驗平臺的構建[J].實驗技術與管理，2016.33（11）：117-120.

[9] 李媛媛，吳洪娟，劉雨清.醫(yī)學虛擬仿真實驗室的定位及應用前景[J].基礎醫(yī)學教育，2015.17（4）： 362-364.