基于MATLAB的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

閆秋孟，林 超，高 佳，于 堯，李昕亞，董 默

基于MATLAB的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

閆秋孟，林 超，高 佳，于 堯，李昕亞，董 默*

(牡丹江醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院, 黑龍江 牡丹江 157000)

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的高速發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)以高效、經(jīng)濟、無創(chuàng)等優(yōu)點在醫(yī)療活動中得到廣泛應(yīng)用。醫(yī)學(xué)圖像已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可或缺的一部分，它的質(zhì)量直接關(guān)系到醫(yī)生診斷和治療的準(zhǔn)確性。本文以MATLAB為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種便攜式醫(yī)學(xué)圖像處理軟件系統(tǒng)，其利用MATLAB軟件的圖像處理、GUI開發(fā)等工具箱，深入的介紹了醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)功能。并以具體的操作和醫(yī)學(xué)實例介紹了MATLAB在醫(yī)學(xué)圖像處理中的應(yīng)用和方法

醫(yī)學(xué)圖像處理；MATLAB；DICOM；醫(yī)學(xué)開窗技術(shù)

0 引言

醫(yī)學(xué)圖像處理是一門綜合了數(shù)學(xué)、計算機科學(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。

長期以來，放射科醫(yī)生對醫(yī)學(xué)圖像所包含的信息的解讀仍然停留在定性階段。隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)特別是數(shù)字化醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，對醫(yī)學(xué)圖像信息的定性解讀方式已經(jīng)不能滿足臨床的需求。僅憑借醫(yī)生自身的經(jīng)驗容易產(chǎn)生漏診和誤診，而且每位醫(yī)生對影像信息的解讀會不同，因此，對醫(yī)學(xué)圖像的定量分析是醫(yī)學(xué)影像學(xué)發(fā)展的必然要求。在此背景下，醫(yī)學(xué)圖像處理與分析技術(shù)應(yīng)運而生，且發(fā)展迅速。

醫(yī)學(xué)圖像處理與分析就是根據(jù)臨床特定的需要利用數(shù)學(xué)方法及計算機軟件，在眾多軟件當(dāng)中，尤其屬MATLAB應(yīng)用最為廣泛，對醫(yī)學(xué)圖像進行各種加工和處理，突出有用的臨床信息、抑制無用信息以便為臨床提供更多的診斷數(shù)據(jù)。MATLAB是一款功能強大的軟件，它包含許多工具包，用于解決各類問題，用戶可以通過使用這些工具包，非常便捷地進行計算、分析和設(shè)計工作，而MATLAB圖像處理工具箱就是其工具包之一[1-3]。MATLAB軟件中圖像處理功能之所以強大，是由于它能夠極大限度發(fā)揮其數(shù)組、矩陣計算的優(yōu)勢，不必在意圖像的格式等細節(jié)處理，多樣的函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的圖像處理功能，并且還能通過算法的研究和優(yōu)化來進一步提升圖像處理技術(shù)，這樣能夠大幅提高工作效率。此外，在檢查這些算法時不僅能夠便捷地獲得統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還能得到直觀的圖示。臨床中對各種醫(yī)學(xué)圖像進行后處理時，常需要與大型醫(yī)療設(shè)備配合使用，圖像處理常常與大型醫(yī)療設(shè)備綁定且無法移動，而且對于醫(yī)學(xué)圖像DICOM格式普通的電腦無法讀取，患者除實片外無法從醫(yī)院外實際了解到更多病患情況，多種圖像后處理功能無法配合使用。開發(fā)設(shè)計的本系統(tǒng)是基于MATLAB軟件提供的GUI開發(fā)（軟件界面）方法，加上其非常完備的圖像處理工具箱（多種前端圖像處理手段），讓醫(yī)學(xué)圖像處理功能不再依賴于大型醫(yī)療設(shè)備，而變的更加便攜化（只需一臺筆記本電腦），更好的為影像學(xué)科服務(wù)。

1 基于MATLAB的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的系統(tǒng)概述

根據(jù)本文研究的內(nèi)容,所設(shè)計的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)應(yīng)包含的功能模塊可以用圖2.1表示。

圖2.1 醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的主界面如圖2.2所示。

圖2.2 醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)主界面

2.2醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的功能介紹

本系統(tǒng)屬于便攜式醫(yī)學(xué)圖像處理軟件，不需要依托于大型影像設(shè)備，同時沒有醫(yī)學(xué)圖像必要格式的限定。操作及使用方便（不需要影像技術(shù)專業(yè)醫(yī)師進行操作），該套軟件系統(tǒng)只依賴于MATLAB軟件，因此具有極其強大且精確的圖像處理功能（該功能可以將多種影像設(shè)備進行配合使用，比單一影像設(shè)備更強大），對于日常影像科室的醫(yī)學(xué)圖像處理完全可以滿足需求。同時只需一臺筆記本，增加了與患者以及遠程醫(yī)生的溝通便捷性。更好的為醫(yī)院工作者及病患提供了幫助。目前系統(tǒng)具有以下功能模塊：

（1）圖片格式轉(zhuǎn)換模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)醫(yī)學(xué)圖像格式的讀取及保存轉(zhuǎn)換工作，眾所周知，醫(yī)學(xué)圖像DICOM格式相對比普通圖片格式如bmp、JPEG等精度更高，數(shù)據(jù)量更大，尤其不支持在普通電腦讀取，本模塊利用MATLAB圖像處理工具箱中的DICOM圖片處理功能，可以很好的支持醫(yī)學(xué)圖像的讀取。除此之前，支持將DICOM圖像保存成多種其他格式，方便患者在普通電腦讀取。

（2）圖像運算模塊

在醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)當(dāng)中，圖像的運算是應(yīng)用最為普遍的處理技術(shù)。一般常用的運算方式包括以下幾種：點運算、幾何運算、代數(shù)運算及邏輯運算。本模塊目前集成了普通的線性變換功能可以對圖像的亮度、對比度做細微的調(diào)整，支持對醫(yī)學(xué)圖像的放大、縮小、鏡像等處理。與此同時，在該模塊中加入了目前醫(yī)院常用的醫(yī)學(xué)圖像開窗顯示技術(shù)，通過設(shè)置合適的窗寬、窗位完成醫(yī)學(xué)圖像的處理任務(wù)。

（3）圖像分割模塊

醫(yī)學(xué)圖像的分割為目標(biāo)分離、特征提取和參數(shù)的定量測量提供了基礎(chǔ)和前提條件，使得更高層的醫(yī)學(xué)圖像理解和診斷成為可能。在本模塊中集成了常見的分割方式，如通過峰谷來進行圖像分割，同時支持四種常見算子的邊緣檢測功能。

（4）圖像增強模塊

目前圖像增強技術(shù)在臨床當(dāng)中應(yīng)用非常廣泛，利用MATLAB的圖像處理工具箱，輕松的實現(xiàn)如直方圖顯示、直方圖均衡化、圖像銳化等處理。本模塊的后續(xù)拓展功能較多，預(yù)計在下一個版本中進行的更新。

（5）保留模塊

實證研究發(fā)現(xiàn)，企業(yè)是否多元化與企業(yè)最初所在的行業(yè)有關(guān)。當(dāng)這個行業(yè)的技術(shù)是由不同種類技術(shù)組合而成，并且行業(yè)技術(shù)的通用性較強，行業(yè)內(nèi)的企業(yè)就適合多元化經(jīng)營。結(jié)合樂視宏觀戰(zhàn)略的PEST分析中的技術(shù)環(huán)境可以發(fā)現(xiàn)自2013年之后整個互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)掀起硬件依托的潮流，網(wǎng)站運營與線下企業(yè)的聯(lián)合加快了全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)體系的布局速度。全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)體系良好的協(xié)同效應(yīng)造就其技術(shù)上的良好通用性才使得樂視期望并在生態(tài)上從內(nèi)容制作向硬件設(shè)備等新領(lǐng)域拓展經(jīng)營。

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，該模塊作為整個系統(tǒng)的保留模塊，在今后的版本更新中不斷的拓展使用。目前正在開發(fā)的包括圖像重建功能，支持三維重建等圖像處理。

2.3醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用實例

現(xiàn)通過以下三個示例，向讀者進行本系統(tǒng)功能的展示。

2.3.1 DICOM圖像讀入及轉(zhuǎn)換格式

（1）醫(yī)學(xué)圖像的導(dǎo)入

該部分由一個“導(dǎo)入圖片”按鈕和一個圖片顯示坐標(biāo)軸組成，通過按鈕將要處理的目標(biāo)圖片導(dǎo)入并顯示到坐標(biāo)軸上。如圖2.3所示。

（2）醫(yī)學(xué)圖像的轉(zhuǎn)換

2.3.2 醫(yī)學(xué)圖像的邊緣檢測

打開系統(tǒng)主界面后選擇圖像分割處理功能模塊后界面如圖2.5所示，在“邊緣檢測”下拉菜單中選擇采用的檢測算子，如圖2.5選擇sobel算子，后在坐標(biāo)軸處顯示處理后的圖片。

圖2.3 醫(yī)學(xué)圖像讀入及顯示處理

2.3.3 醫(yī)學(xué)圖像的開窗技術(shù)應(yīng)用

在醫(yī)學(xué)圖像處理中，我們經(jīng)常使用的高精度醫(yī)學(xué)圖像的開窗顯示技術(shù)就是對部分線性灰度變換的最主要應(yīng)用之一。開窗技術(shù)也稱窗口技術(shù)[8]。臨床上，開窗顯示對醫(yī)學(xué)圖像診斷有非常重要的作用，通過開窗顯示技術(shù)，在不影響視覺效果的前提下將高精度醫(yī)學(xué)圖像的較大范圍內(nèi)的灰度值逐段映射為0～255灰度范圍來顯示[8]。即開窗顯示就是在高精度醫(yī)學(xué)圖像的較大灰度范圍內(nèi)開設(shè)一個窗口，將這個窗口范圍內(nèi)的灰度值映射為0～255范圍內(nèi)的灰度值來顯示，并通過不斷地調(diào)節(jié)窗寬和窗位將所有的高精度醫(yī)學(xué)圖像信息逐段顯示出來。進入圖像運算功能模塊后，在“開窗顯示處理”顯示功能旁邊輸入窗寬、窗位數(shù)值后，點擊“確定”按鈕，在坐標(biāo)軸中顯示該圖像在輸入窗寬、窗位下的處理效果，如圖2.6所示。

3 總結(jié)

本軟件實現(xiàn)便攜式醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)。目前完成的該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：1、除具有一般影像設(shè)備所具有的圖像處理功能外，可以將多種大型影像設(shè)備圖像進行配合使用；2、實現(xiàn)便攜式醫(yī)學(xué)圖像處理的目的，醫(yī)生只帶一個普通筆記本可以在任意地點對醫(yī)學(xué)圖像（DICOM格式）進行處理，方便與患者或者其他醫(yī)院醫(yī)生進行溝通。3、功能可拓展性，目前開發(fā)的版本中并未加入過多的功能，在后續(xù)的開發(fā)過程中將加入更多的主流處理技術(shù)，如圖像融合功能、圖像重建功能。本系統(tǒng)將以使用普通電腦安裝MATLAB軟件作為基礎(chǔ)，普通電腦攜帶方便，操作簡單，可更有效的與患者及遠程醫(yī)生進行交流，將更有效的幫助醫(yī)生進行診斷。

圖2.6 醫(yī)學(xué)圖像開窗顯示處理結(jié)果

[1] 孫祥, 黃曉鳴. 基于MATLAB的集成化圖像處理系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2007, 7(8): 5386-5388.

[2] 鄧華. 淺談Matlab在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用[J]. 科技資訊., 2006(8): 128-129.

[3] 周廣芬, 李鵬, 楊久義. 利用MATLAB圖像處理工具箱進行圖形數(shù)字化的研究[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報, 2005, 26(4): 309-312.

[4] 孫亦博, 朱玲利. DIOCM醫(yī)學(xué)圖像與BMP格式的轉(zhuǎn)換研究[J]. 現(xiàn)代計算機, 2010, 8: 121-124.

[5] 姜炳旭, 劉杰, 孫可. Sobel邊緣檢測的細化[J]. 沈陽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010, 28(4): 503-506.

[6] 王娟, 周金芝. 基于Matlab的形態(tài)學(xué)圖像處理研究[J]. 現(xiàn)代交際, 2010, (4): 135-136.

[7] 康曉東. 醫(yī)學(xué)影像圖像處理[M]. 北京：人民衛(wèi)生出版社, 2009.

[8] 聶東升, 邱劍鋒, 鄭建立. 醫(yī)學(xué)圖像處理[M]. 上海: 復(fù)旦大學(xué)出版社, 2014.

A Design and Application of Medical Image Processing System based on MATLAB

YAN Qiu-meng, LIN Chao, GAO Jia, YU Yao, LI Ya-xin, DONG Mo*
(Mudanjiang Medical University, Mudanjiang City, Heilongjiang 157000, China)

With the rapid development of modern medicine, medical imaging technology has been widely used in medical activities for its advantages of high efficiency, economy and non invasion.Medical image has become an integral part of modern medicine, its quality is directly related to the accuracy of medical diagnosis and treatment.In this paper, a portable medical image processing software system based on MATLAB is designed and implemented,it uses the image processing and GUI development toolbox of MATLAB software, and further introduces the medical image processing related functions.The application and method of MATLAB in medical image processing are introduced in detail.

Medical image processing; MATLAB; DICOM; Medical windowing technique

TP319

: A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.012

2016年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃立項(201610229062)；黑龍江省高等教育學(xué)會“十三五”高等教育科研課題(16G456)

閆秋孟(1995-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，醫(yī)學(xué)學(xué)士，主要研究方向醫(yī)學(xué)圖像處理與醫(yī)學(xué)影像診斷；林超(1993-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，醫(yī)學(xué)學(xué)士，主要研究方向醫(yī)學(xué)圖像處理與醫(yī)學(xué)影像診斷；3高佳(1996-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，醫(yī)學(xué)學(xué)士，主要研究方向醫(yī)學(xué)圖像處理與醫(yī)學(xué)影像診斷；于堯(1995-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，醫(yī)學(xué)學(xué)士，主要研究方向醫(yī)學(xué)圖像處理與醫(yī)學(xué)影像診斷；李昕亞(1995-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，醫(yī)學(xué)學(xué)士，主要研究方向醫(yī)學(xué)圖像處理與醫(yī)學(xué)影像診斷。

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 醫(yī)學(xué)圖像處理教研室，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處理

本文著錄格式：閆秋孟，林超，高佳，等. 基于MATLAB的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 軟件，2017，38（2）：51-55