生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)踐教學(xué)的改革

董 默，蘇 奎，周志尊，周鴻鎖

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)踐教學(xué)的改革

董 默，蘇 奎*，周志尊，周鴻鎖

(牡丹江醫(yī)學(xué)院, 黑龍江省 牡丹江市 157000)

《醫(yī)學(xué)圖像處理》課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的主干核心課程，是重要的專業(yè)課，學(xué)生學(xué)好這門課程對(duì)其今后的就業(yè)及工作有著重要的意義。本文針對(duì)《醫(yī)學(xué)圖像處理》課程中的實(shí)踐課程作了初步的改革探索，利用學(xué)生MATLAB學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套實(shí)踐課教學(xué)軟件，改變了傳統(tǒng)的講授式的教學(xué)方法，更生動(dòng)直觀的輔助學(xué)生進(jìn)行圖像處理相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手操作能力。

醫(yī)學(xué)圖像處理；MATLAB；實(shí)踐教學(xué)軟件；生物醫(yī)學(xué)工程

0 引言

醫(yī)學(xué)圖像處理是一門綜合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)等學(xué)科的交叉科學(xué)。各種類型的現(xiàn)代醫(yī)療診斷與成像設(shè)備在臨床醫(yī)學(xué)中占有不可替代的作用，他們提供了大量的醫(yī)學(xué)圖像信息，而醫(yī)學(xué)圖像能夠最大限度的向醫(yī)生提供病人的信息，醫(yī)學(xué)圖像信息能夠直觀地反映患者的疾病狀態(tài)。為疾病的確診以及選擇有效的治療方法起著決定性的作用。臨床診斷越來越依賴醫(yī)學(xué)圖像，醫(yī)學(xué)圖像在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中占有及其重要的地位。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本身作為一個(gè)交叉學(xué)科，在醫(yī)學(xué)、工學(xué)領(lǐng)域都有涉及，而醫(yī)學(xué)圖像處理則為該專業(yè)一個(gè)十分重要的核心專業(yè)課，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生因?yàn)槠洫?dú)特的工科學(xué)科性質(zhì)，使其在學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)圖像處理課程時(shí)有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，軟件操作熟練且計(jì)算機(jī)語言的基礎(chǔ)。而對(duì)于醫(yī)學(xué)圖像處理課程本身是一個(gè)較為復(fù)雜，涉及面廣泛，涉及學(xué)科較多（如數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)語言等）的課程，其理論知識(shí)本身較為枯燥，往往學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法很好的引起足夠興趣。因此近些年來很多開展該課程的學(xué)校都對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索和改革。然而一般普通高校由于教師水平和交流上的限制，MATLAB這一得力武器還一直沒有被廣大學(xué)生和教師掌握。所以在普通高校中推廣和應(yīng)用MATLAB，有國(guó)外成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，是建立在一定的有說服力的事實(shí)和MATLAB理論基礎(chǔ)之上的，是切實(shí)可行的，并能大大提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與現(xiàn)代化手段有機(jī)結(jié)合的能力，教師則開拓了新的教學(xué)法改革領(lǐng)域，并為科研的提高與創(chuàng)新提供了條件。

本文正是在這一前提下，利用本校的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為改革試點(diǎn)對(duì)象，基于MATLAB軟件應(yīng)用對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了深入的改革和探索，開發(fā)了一套基于MATLAB的醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)踐教學(xué)軟件系統(tǒng)，更好的幫助學(xué)生進(jìn)行該課程的學(xué)習(xí)。

1 MATLAB軟件使用現(xiàn)狀

MATLAB軟件集計(jì)算、可視化及編程于一身。這一特點(diǎn)使MATLAB成為了數(shù)學(xué)分析，算法開發(fā)及應(yīng)用程序開發(fā)的良好環(huán)境。它在數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計(jì)算、仿真、自動(dòng)控制、信號(hào)處理與通訊、圖形分析與處理、圖像處理等領(lǐng)域起著越來越大的作用[1-2]。

在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)控制、數(shù)字與信號(hào)處理、模擬與數(shù)字通信、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容，幾乎成二十一世紀(jì)教科書與舊版書籍的區(qū)別性標(biāo)志。在那里MATLAB是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具，在國(guó)際學(xué)術(shù)界，MATLAB已經(jīng)被確認(rèn)為準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軟件。

在國(guó)內(nèi)諸多大學(xué)中，MATLAB已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)工程等工科專業(yè)的專業(yè)必修課，其中對(duì)工科課程的輔助程度之大讓其課時(shí)和學(xué)分也在不斷增加，同時(shí)實(shí)踐課程的應(yīng)用也越來越廣泛。不僅如此，學(xué)生和教師的科研及教研活動(dòng)也越來越離不開MATLAB軟件。MATLAB應(yīng)用的擴(kuò)展程度不僅僅在工科院校。近些年來在醫(yī)學(xué)院校當(dāng)中也引入了MATLAB這個(gè)強(qiáng)大的工具，其課程也由最初的選修課上升到必修課，這一系列的操作使得MATLAB更多的進(jìn)入到學(xué)生的學(xué)習(xí)生活當(dāng)中。尤其針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理課程，MATLAB可以提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其豐富的應(yīng)用函數(shù)為幾乎所有的專業(yè)理論提供了實(shí)踐教學(xué)的支持。以往大部分普通高校的學(xué)生在做完實(shí)驗(yàn)后，對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化分析、對(duì)比分析以及誤差分析都是采用常規(guī)的手繪方式，既不美觀也不精確，采用國(guó)際公認(rèn)的MATLAB科學(xué)分析手段可對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)信息、結(jié)果分析進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。同時(shí)，利用本學(xué)校提供的仿真實(shí)驗(yàn)室，為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)生在課后增加練習(xí)，可以提高學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力。除此之外當(dāng)今世界上很多科學(xué)雜志在收集論文發(fā)表時(shí)都推薦作者采用MATLAB的分析方法，所以掌握這一方法來處理科研中所采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析是當(dāng)今科學(xué)研究中科研人員必須掌握的工具，這為學(xué)生在今后從事科研活動(dòng)奠定了一定基礎(chǔ)。

本文所開發(fā)了一套用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)踐教學(xué)的軟件系統(tǒng)在我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)進(jìn)行了一學(xué)期的學(xué)習(xí)和使用，現(xiàn)將該實(shí)驗(yàn)軟件及使用情況向讀者做以下總結(jié)。

2 基于MATLAB的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的系統(tǒng)概述

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及動(dòng)手能力，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)前提為操作簡(jiǎn)單，即使沒有計(jì)算機(jī)或MATLAB基礎(chǔ)的學(xué)生一樣可以正常操作及使用，整個(gè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

2.2醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的基本功能介紹

醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件是基于MATLAB開發(fā)的提供圖形界面的操作簡(jiǎn)單的軟件，該軟件是基于MATLAB提供的GUI開發(fā)工具箱及圖像處理工具箱開發(fā)完成，整個(gè)軟件界面簡(jiǎn)潔，學(xué)生易操作，無論學(xué)生本身是否有計(jì)算機(jī)或是MATLAB基礎(chǔ)均可完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。打開該軟件后，整個(gè)界面如圖2.2所示。登錄學(xué)號(hào)與姓名之后，選擇想要操作的實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊“確定”，即可開始。

（1）基本功能

目前實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含八個(gè)基本圖像處理實(shí)驗(yàn)，分別為：醫(yī)學(xué)圖像的直方圖顯示及均衡化處理、醫(yī)學(xué)圖像的銳化處理、醫(yī)學(xué)圖像的邊緣檢測(cè)、醫(yī)學(xué)圖像的幾何運(yùn)算、醫(yī)學(xué)圖像的灰度變換、醫(yī)學(xué)圖像的代數(shù)運(yùn)算、醫(yī)學(xué)圖像的分割處理、醫(yī)學(xué)圖像的三維重建。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)開始之前均有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、要求及操作方法，詳?xì)的介紹了該實(shí)驗(yàn)的情況方便學(xué)生更深入的理解該實(shí)驗(yàn)。無論任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)均需要完成對(duì)圖像的保存處理（單幅或多幅圖像），同時(shí)完成實(shí)驗(yàn)后會(huì)提示學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求和部分課后思考題。

圖2.1 醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2.1 The system structure of medical image processing experiment software

圖2.2 醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)軟件主界面Fig.2.2 The main interface of medical image processing experiment software

（2）拓展功能

針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的情況及計(jì)算機(jī)語言（MATLAB掌握情況）的了解程度，本實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)還推出了拓展功能。針對(duì)上述八個(gè)實(shí)驗(yàn)均可讓學(xué)生自己編程實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于未掌握MATLAB語言的學(xué)生可以按照實(shí)驗(yàn)要求按步驟進(jìn)行點(diǎn)擊或者相關(guān)操作完成實(shí)驗(yàn)。例如：醫(yī)學(xué)圖像灰度變換實(shí)驗(yàn)中線性灰度變換實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過界面輸入灰度系數(shù)、亮度系數(shù)的數(shù)值來完成圖像的處理，也可通過點(diǎn)擊菜單欄中的“拓展功能”按鈕，在彈出MATLAB的M文件編輯器進(jìn)行代碼編寫與執(zhí)行。

2.3醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的教學(xué)應(yīng)用演示

醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)軟件將從本校PACS系統(tǒng)提供的醫(yī)學(xué)圖像中選取需要處理的圖像，包含MRI、CT、X線、超聲等多種醫(yī)學(xué)圖像，下面就醫(yī)學(xué)圖像的灰度變換實(shí)驗(yàn)作為演示向讀者進(jìn)行演示。

（1）讀入圖像

打開軟件系統(tǒng)后，登錄學(xué)生的姓名及學(xué)號(hào)并選擇實(shí)驗(yàn)五醫(yī)學(xué)圖像灰度變換，進(jìn)入后，點(diǎn)擊“導(dǎo)入圖片”按鈕，選擇好要處理的圖像，彈出如圖2.3界面。可以看到圖像被讀入到系統(tǒng)軟件當(dāng)中。

（2）處理圖像

醫(yī)學(xué)圖像的灰度變換實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以選擇線性灰度變換、對(duì)數(shù)變換、指數(shù)變換、開窗處理四個(gè)功能。其中線性變換需要學(xué)生輸入亮度、灰度系數(shù)，本次處理中亮度系數(shù)輸入20，灰度系數(shù)輸入2，點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，可以看到如圖2.4所示的變化。

（3）拓展功能

圖2.3 醫(yī)學(xué)圖像灰度變換圖像讀入Fig.2.3 Reading medical image gray level transformation image

圖2.4 醫(yī)學(xué)圖像灰度變換處理結(jié)果（1）Fig.2.4 The results of medical image gray level transformation (1)

圖2.5 醫(yī)學(xué)圖像灰度變換處理結(jié)果（2）Fig.2.5 The results of medical image gray level transformation (2)

除此之外，可以使用菜單欄中的“拓展功能”，點(diǎn)擊后彈出MATLAB的M文件編輯器，這里即為上文提到的高級(jí)功能，能力較強(qiáng)的學(xué)生可以在這里進(jìn)行編程處理，并進(jìn)行圖像處理工作。將如下代碼輸入M文件當(dāng)中，執(zhí)行后可彈出圖2.5所示的結(jié)果。

clear;

close all;

I=imread(‘foot.jpg’);

a = 2; b = 20; %變換系數(shù)為2，亮度系數(shù)20

Iout = a*I + b;

figure(1);

subplot(121);

imshow(I);

subplot(122);

imshow(Iout);

3 總結(jié)

在一學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用過程中，通過課堂演示及學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)情況來看，學(xué)生極大的提高了動(dòng)手操作能力，不僅對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理課程學(xué)習(xí)產(chǎn)生了興趣，同時(shí)也對(duì)計(jì)算機(jī)、MATLAB的使用有了更多的心得，收到了良好的效果。在未來隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷高速發(fā)展，MATLAB相應(yīng)的功能必定會(huì)不斷完善和強(qiáng)大，原本其已經(jīng)很廣泛的應(yīng)用范圍勢(shì)必會(huì)繼續(xù)增加，在生物醫(yī)學(xué)工程本科課程中，除了醫(yī)學(xué)圖像處理以外，還有很多課程較抽象難懂，可以以本次醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)軟件的教學(xué)改革方法作為基礎(chǔ)，將更多課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入這種以軟件操作為主的形式，作為一種嶄新的、直觀的教學(xué)方法，它增加了實(shí)驗(yàn)課的趣味性和可操作性，以其圖形方式直觀表述抽象的知識(shí)點(diǎn)及數(shù)據(jù)內(nèi)容具有特殊表現(xiàn)力，可以提高學(xué)生對(duì)問題的理解和對(duì)相應(yīng)課程的興趣，具有較強(qiáng)的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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The Practical Teaching Reform of《Medical Image Processing》in Biomedical Engineering

DONG Mo, SU Kui*, ZHOU Zhi-zun, ZHOU Hong-suo
(Mudanjiang Medical University, Mudanjiang City, Heilongjiang 157000, China)

The course of medical image processing is the core course of biomedical engineering,It has great significance for students to learn this course well for their future employment and work.In this paper, we do some reform of the preliminary explorationin in the practice of the medical image processing course.Based on the study of MATLAB, a practical teaching software is designed and developed, it Changes the traditional teaching method, more vivid and intuitive to assist students in the image processing related courses to improve the students' interest in learning and hands-on skills.

Medical image processing; MATLAB; Practice teaching software; Biomedical Engineering

G434

: A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.009

黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)“十三五”高等教育科研課題；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目

董默(1986-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)碩士，講師，主要研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理與生物信號(hào)處理；周志尊(1962-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，碩士，教授，主要研究方向：醫(yī)學(xué)圖像處理；周鴻鎖(1971-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，碩士，講師，主要研究方向：醫(yī)學(xué)信號(hào)處理

蘇奎(1981-)，男，黑龍江省牡丹江市人, 實(shí)驗(yàn)師, 碩士, 主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

本文著錄格式：董默，蘇奎，周志尊，等. 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)踐教學(xué)的改革[J]. 軟件，2017，38（2）：37-41