醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙彩云 張永壽 趙曉辰

醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙彩云① 張永壽② 趙曉辰②

目的：基于矩陣實(shí)驗(yàn)室(MATLAB)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到獲取醫(yī)學(xué)影像信息的目的。方法：采用MATLAB軟件研發(fā)一種醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。結(jié)果：提出了一種基于MATLAB的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，包括圖像處理的設(shè)計(jì)理念和方法。結(jié)論：通過(guò)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的研究，可獲得醫(yī)學(xué)影像學(xué)所需的重要信息。

圖像處理；圖像信息；矩陣實(shí)驗(yàn)室

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Shandong Jinan 250335, China.

圖像處理技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割及提取特征等處理的方法和技術(shù)。通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行去噪可以去除圖像中的干擾，使圖像變得清晰；圖像增強(qiáng)是將原來(lái)不清晰的圖像變的清晰或者強(qiáng)調(diào)某些關(guān)注的特征，抑制非關(guān)注的特征，使圖像質(zhì)量得到改善；圖像復(fù)原也是對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行改善，將降質(zhì)圖像重建成接近于或完全無(wú)退化的理想圖像的過(guò)程，其中去除圖像畸變需要借助圖像的空間變換操作[1-2]。醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)就是對(duì)圖像進(jìn)行處理，提高醫(yī)學(xué)影像的質(zhì)量，能夠更好地從圖像中獲得醫(yī)學(xué)影像信息，達(dá)到圖像處理的目的。

圖像處理技術(shù)具有再現(xiàn)性好、處理精度高、適用面寬以及靈活度高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。由于數(shù)字圖像中各個(gè)像素不是獨(dú)立存在，其相關(guān)性大，因此圖像處理中信息壓縮的潛力很大，加之處理信息的量大，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量等要求較高[5-6]。近年來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)日趨成熟，被廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)、遙感、生物醫(yī)學(xué)、人工智能以及工業(yè)檢測(cè)等許多領(lǐng)域，并促使這些學(xué)科產(chǎn)生了新的發(fā)展[7-8]。

本研究提出了一種基于矩陣實(shí)驗(yàn)室(matrix laboratory，MATLAB)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，其具有友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境，操作簡(jiǎn)單易學(xué)、易讀寫，同時(shí)具有代碼短小高效、功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)、出色的圖形處理功能及與其他語(yǔ)言有良好的接口等優(yōu)點(diǎn)，并有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和豐富的繪圖和編程功能[9-12]。

1 醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

界面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：①簡(jiǎn)單明了的原則，操作要盡可能的以最直接形象、最易于理解的方式呈現(xiàn)在用戶面前；②方便使用的原則，將符合用戶使用習(xí)慣放在第一位，用戶可以根據(jù)自己的習(xí)慣對(duì)已經(jīng)確定的常規(guī)操作以及對(duì)系統(tǒng)的各方面進(jìn)行自定義設(shè)置；③實(shí)時(shí)幫助的原則，用戶需要能隨時(shí)響應(yīng)問(wèn)題的用戶幫助；⑤界面平面版式要求系統(tǒng)樣式排版要整齊劃一，盡可能將不同的功能區(qū)域劃分在固定位置，方便用戶導(dǎo)航使用，排版不易過(guò)于密集，避免產(chǎn)生疲勞感。

1.2 系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及的模塊主要有圖像的基本操作、變換、增強(qiáng)及分割，以及形態(tài)學(xué)圖像處理等方面。其中圖像變換包括傅里葉變換、離散變換等；圖像增強(qiáng)包括點(diǎn)運(yùn)算、空間濾波增強(qiáng)、頻域?yàn)V波增強(qiáng)及偽彩色增強(qiáng)等；圖像分割包括邊緣檢測(cè)、閾值分割及霍夫變換等；形態(tài)學(xué)圖像處理包括腐蝕、膨脹等。

1.3 用戶界面設(shè)計(jì)

利用MATLAB提供的GUI向?qū)гO(shè)計(jì)控件來(lái)完成。通過(guò)用GUIDE設(shè)計(jì)界面，自動(dòng)生成一個(gè)控制GUI如何操作的M文件，該M文件初始化GUI并包含所有GUI回調(diào)的框架。使用M文件編輯器可以向回調(diào)框架中添加代碼，運(yùn)行相關(guān)函數(shù)[13]。

2 醫(yī)學(xué)圖像處理模塊的實(shí)現(xiàn)

圖像處理模塊中的重點(diǎn)為圖像增強(qiáng)模塊，其功能的實(shí)現(xiàn)、圖像直方圖均衡化和規(guī)定化為本研究的重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。圖像增強(qiáng)的主要目的是采用一系列的技術(shù)去增強(qiáng)圖像中用戶感興趣的信息，改善圖像的視覺效果，或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適合人或計(jì)算機(jī)處理分析的形式，使處理后的圖像比原圖像更適合于某一特定的應(yīng)用[14]。圖像增強(qiáng)的方法有很多種，不同的問(wèn)題應(yīng)采用不同的增強(qiáng)方法。

2.1 直方圖均衡化

將原圖像通過(guò)某種變換，得到一幅灰度直方圖為均勻分布的新圖像的方法稱為直方圖均衡化。MATLAB圖像處理工具箱提供了imhist函數(shù)來(lái)計(jì)算和顯示圖像的直方圖，用histep用于直方圖均衡化的實(shí)現(xiàn)[15]。采用MATLAB實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化的示例如圖1所示。

圖1 直方圖均衡化

由圖1可見，原圖(a)的直方圖較暗且所占據(jù)的灰度范圍比較窄，對(duì)圖(a)進(jìn)行直方圖均衡化后，由圖(d)可以看出，此時(shí)的直方圖占據(jù)了整個(gè)圖像的灰度值允許范圍。由于直方圖均衡化增強(qiáng)了圖像的灰度動(dòng)態(tài)范圍，因此也增加了圖像的對(duì)比度，具體在圖像上表現(xiàn)為有較大的反差，許多細(xì)節(jié)可看的比較清晰。

2.2 直方圖規(guī)定化

將原圖像的灰度直方圖變成指定形狀的直方圖，而對(duì)圖像做修正的一種圖像增強(qiáng)的方法稱為直方圖規(guī)定化，該方法是對(duì)直方圖均衡化處理的一種擴(kuò)展。直方圖均衡化處理是直方圖規(guī)定化的一個(gè)特例。采用MATLAB實(shí)現(xiàn)直方圖規(guī)定化的示例如圖2所示。

在圖2中，采用直方圖均衡化得到的結(jié)果是整圖對(duì)比度的增加，但在較暗的區(qū)域有些細(xì)節(jié)仍不清楚。圖2(a)進(jìn)行直方圖規(guī)定化后得到的結(jié)果如圖2(c)，由于規(guī)定化函數(shù)在高灰度區(qū)較大，故變換后的結(jié)果圖像比均衡化更亮，使較暗區(qū)域的一些細(xì)節(jié)更為清晰，直方圖顯示高灰度值一方更為密集。

圖2 直方圖規(guī)定化

3 結(jié)論和展望

通過(guò)對(duì)MATLAB軟件和數(shù)字圖像處理技術(shù)的探討，以及數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程的介紹，分析圖像增強(qiáng)模塊中圖像直方圖均衡化和規(guī)定化的算法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于典型的特定問(wèn)題并未深入涉及。近年來(lái)，有關(guān)圖像處理技術(shù)的軟件發(fā)展迅速，所開發(fā)的算法越來(lái)越多，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)算法進(jìn)行更深一步的優(yōu)化，使其能夠更好地為醫(yī)學(xué)影像信息服務(wù)，提高其工作效率。

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The design and implementation of medical image processing system

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ZHAO Cai-yun, ZHANG Yong-shou, ZHAO Xiao-chen// China Medical Equipment,2014,11(2):45-47.

Objective: Based on the matrix laboratory (MATLAB) design and implementation of the digital image processing system, to achieve the goal of medical image information. Methods: To use MATLAB software to develop a design and implementation of the medical digital image processing system. Results: This paper presents a kind of digital image processing system based on MATLAB, including all aspects of the image processing. Conclusion: Through the research of medical image processing system, medical imaging for important information can be obtained.

Image processing; Image information; Matrix laboratory

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.016

1672-8270(2014)02-0045-03

R197.324

A

2013-07-03

①山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院 山東 濟(jì)南 250355

②濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 山東 濟(jì)南 250031

趙彩云,女,(1988- ),碩士研究生。山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院，研究方向：醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制。