基于Matlab GUI的醫(yī)學(xué)圖像處理課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

郁蕓　王錦程　浦祎瑋　趙宇

摘 要：針對醫(yī)學(xué)生工程技術(shù)缺乏的狀況，分析醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)圖像處理存在的困難，提出利用Matlab圖像處理工具和簡單的GUI界面，設(shè)計(jì)和構(gòu)建包含醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)中典型仿真實(shí)例的可視化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使醫(yī)學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞： Matlab；GUI界面；醫(yī)學(xué)圖像處理；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

醫(yī)學(xué)圖像處理是圖像處理技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所產(chǎn)生的交叉學(xué)科，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，也具有知識(shí)面廣、理論難度大、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深的特點(diǎn)[1]。在醫(yī)學(xué)院校開設(shè)醫(yī)學(xué)圖像處理課程，不僅教授醫(yī)學(xué)生醫(yī)學(xué)圖像處理的基本原理、方法及編程技術(shù)等，更重要的是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力。

醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)需要課堂教授，更需要加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]，但由于課時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，傳統(tǒng)授課有時(shí)難以達(dá)到教學(xué)要求，而虛擬實(shí)驗(yàn)則可彌補(bǔ)這方面的局限[4]：通過將Matlab仿真技術(shù)與GUI界面設(shè)計(jì)引入到教學(xué)中，開發(fā)可視化的醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既取得理想的教學(xué)效果，也可培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力和綜合應(yīng)用能力[5]。醫(yī)學(xué)生通過圖像處理仿真熟悉各種醫(yī)學(xué)圖像處理方法的原理，并通過調(diào)整參數(shù)，了解參數(shù)變化對醫(yī)學(xué)圖像處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想是結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像處理的基本理論，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方法強(qiáng)化醫(yī)學(xué)圖像處理的基本思想與核心概念，為醫(yī)學(xué)生的理解和應(yīng)用提供幫助[6]。

通過GUI界面，醫(yī)學(xué)生可選擇任意感興趣的項(xiàng)目或教師指定的項(xiàng)目進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[7]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還提供醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)課件、圖像處理Matlab編程的教學(xué)視頻、仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、拓展實(shí)驗(yàn)題等資料，醫(yī)學(xué)生可利用GUI界面隨時(shí)調(diào)入進(jìn)行自學(xué)。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還提供腦腫瘤fmri處理示例，此示例選取于臨床影像三維顯示的實(shí)際應(yīng)用，幫助醫(yī)學(xué)生了解如何將自己所學(xué)的圖像處理知識(shí)應(yīng)用到工作實(shí)踐中，從而提高醫(yī)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的要求，醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)內(nèi)容中所有典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體內(nèi)容如下：

（1）圖像插值實(shí)驗(yàn)。主要分析最近鄰插值（Nearest Interpolation）、雙線性插值（Bilinear Interpolation）和雙三次插值（Bicubic Interpolation）的原理[8]和Matlab編碼。

（2）圖像銳化實(shí)驗(yàn)。主要分析Roberts算子、Prewitt算子和Sobel算子的原理和Matlab編碼，并且比較每種邊緣檢測算法對應(yīng)的6個(gè)結(jié)果，包括原圖、直接梯度輸出圖像、門檻判斷圖像、邊緣規(guī)定圖像、背景規(guī)定圖像和二值圖像。

（3）圖像去噪實(shí)驗(yàn)。主要分析均值濾波、中值濾波、維納濾波等圖像平滑處理算法[9]的原理和Matlab編碼。

（4）圖像融合實(shí)驗(yàn)。主要分析像素灰度值極大/極小融合法、加權(quán)平均融合法、傅里葉變換法的原理[10]和Matlab編碼。

（5）圖像分割實(shí)驗(yàn)。主要分析全局閾值法、大津閾值法、迭代法、最大熵分割法和局部閾值法等圖像分割方法[11]的原理和Matlab編碼。

（6）頭動(dòng)校正實(shí)驗(yàn)。主要研究投影法[12]配準(zhǔn)技術(shù)的原理與Matlab編碼，并且展示投影法頭動(dòng)校正后的效果。

（7）三維可視化實(shí)驗(yàn)。主要研究基于體繪制的三維重建算法[13]原理與Matlab編碼。

例如，在圖像去噪實(shí)驗(yàn)中，加入噪聲的參數(shù)可由用戶自己輸入。針對噪聲圖像，醫(yī)學(xué)生可以選用不同的平滑算法，自行設(shè)置模板參數(shù)，進(jìn)行圖像去噪處理。通過觀察加噪效果及比較各種平滑處理算法處理后的結(jié)果，醫(yī)學(xué)生對平滑算法處理的針對性、參數(shù)取值范圍和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會(huì)比較熟悉，從而達(dá)到教學(xué)目的（具體操作過程見第3部分）。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

使用Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Matlab Graphical User Interface Development Environment，GUIDE）創(chuàng)建GUI圖形界面是常用創(chuàng)建Matlab GUI的方法，該方法簡單易學(xué)，能方便實(shí)現(xiàn)圖形控件的各種功能。醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的GUI界面主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面、課件界面、實(shí)驗(yàn)名稱界面、各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面、教學(xué)視頻界面、腦腫瘤fmri處理示例界面等。

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面的主要控件為7個(gè)按鈕（Push Button）。按鈕有多個(gè)功能，如函數(shù)的調(diào)入、界面之間的跳轉(zhuǎn)等。將所需控件移入GUI界面，再對各控件按照程序要求進(jìn)行屬性編輯，修改完成后，點(diǎn)擊GUI界面工具欄中的運(yùn)行按鈕，即可運(yùn)行設(shè)計(jì)完成的GUI界面，Matlab系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的M文件。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，考慮到醫(yī)學(xué)圖像處理的理論知識(shí)較多，同時(shí)考慮到醫(yī)學(xué)生自學(xué)的要求，將課件與教學(xué)視頻按照由易到難的順序排列。按照教學(xué)要求，設(shè)置7項(xiàng)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析等項(xiàng)目，因此設(shè)置成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析和返回5個(gè)按鈕，以圖像去噪實(shí)驗(yàn)為例。

通過“實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析”按鈕就可進(jìn)入仿真界面，進(jìn)行仿真分析，如圖1所示。選取相應(yīng)的文件，輸入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊對應(yīng)按鈕，即可對圖片進(jìn)行加噪去噪處理，并能直接觀察比較處理結(jié)果。

為培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)圖像處理知識(shí)的能力，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)腦腫瘤fmri處理示例板塊。其內(nèi)容是對腦部fmri原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、放大、圖像分割、體重建等操作，對腦部進(jìn)行三維可視化[14]。腦部MRI圖像的三維顯示就是指利用一系列的二維腦部MRI圖像重建三維圖像模型并進(jìn)行定性定量分析的技術(shù)。通過三維重建可以科學(xué)、準(zhǔn)確地重建出被檢物體，避免傳統(tǒng)方法中臨床醫(yī)生通過自己大腦想象的不確定因素[15]。醫(yī)學(xué)生只有親自對腦部fmri原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入、預(yù)處理、分割、重建等操作才能得到如圖2所示的腦部輪廓三維圖，從而初步認(rèn)識(shí)自己所學(xué)圖像處理技能的組合應(yīng)用，明確醫(yī)學(xué)圖像處理對臨床診斷與治療規(guī)劃的意義，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

3 仿真實(shí)例分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都提供仿真演示示例。以圖像去噪實(shí)驗(yàn)為例，如圖3所示。首先加入方差為0.02的高斯噪聲，修改完參數(shù)后，點(diǎn)擊加入噪聲按鈕就能得到噪聲圖像，如果均值參數(shù)修改為除0以外的任何數(shù)，則不會(huì)顯示任何圖像。然后針對生成的噪聲圖像，對其進(jìn)行中值濾波處理、均值濾波處理和維納濾波處理。每次進(jìn)行處理前，都需要輸入模板尺寸，模板尺寸越大，去噪效果越明顯，但是圖像丟失信息也會(huì)更加嚴(yán)重。醫(yī)學(xué)生可通過反復(fù)修改模板尺寸，比對每次處理結(jié)果，選出最佳的模板參數(shù)。進(jìn)行三種濾波處理后，醫(yī)學(xué)生可根據(jù)三種濾波處理后的結(jié)果來總結(jié)每種濾波處理的特點(diǎn)與效果。最后，醫(yī)學(xué)生如果有學(xué)習(xí)或者校驗(yàn)代碼的需要，可以點(diǎn)開對應(yīng)的主要代碼查看按鈕進(jìn)行代碼查看。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與評價(jià)

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的Matlab文件編譯完畢后，生成的可執(zhí)行文件需要Matlab運(yùn)行環(huán)境的支持，如果要將此軟件發(fā)布到其他沒有Matlab運(yùn)行環(huán)境的機(jī)器，還需要進(jìn)行一項(xiàng)工作，即打包Matlab組件運(yùn)行環(huán)境（Matlab Component Runtime，MCR）[16]。建議采用專業(yè)的安裝包制作軟件Setup Factory將MCR與軟件一起打包，設(shè)置代碼使得安裝包解壓完畢后，自動(dòng)安裝MCR。安裝完成后，點(diǎn)擊編譯的Matlab可執(zhí)行程序，即可運(yùn)行醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

經(jīng)過醫(yī)學(xué)圖像處理選修課投入使用后，醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著提高。除課堂授課外，大多數(shù)醫(yī)學(xué)生在課后通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行理論自學(xué)和題目自測，使得總體考核成績明顯上升，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

5 結(jié) 語

醫(yī)學(xué)生可通過觀察平臺(tái)實(shí)驗(yàn)在不同方法不同參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析，驗(yàn)證圖像處理的基本理論。由于醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件的可移植性強(qiáng)，所以醫(yī)學(xué)生可以不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，在課程學(xué)習(xí)階段、復(fù)習(xí)階段均可充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的功能，不斷鞏固所學(xué)的圖像處理知識(shí)，提高自主學(xué)習(xí)能力與思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張?zhí)m鳳， 肖學(xué)文. 醫(yī)學(xué)圖像處理的研究現(xiàn)狀[J]. 智富時(shí)代， 2015（10）： 242.

[2] 趙潔， 蔣世忠， 黃展鵬， 等. 《醫(yī)學(xué)圖像處理》教學(xué)改革探索[J]. 中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志， 2015（5）： 477-480.

[3] 林卉， 胡召玲， 趙長勝， 等. 高校開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2010， 27（3）： 152-155.

[4] Kubicek J P. Inquiry-based learning， the nature of science， and computer technology： New possibilities in science education[EB/OL].[2016-10-01]. http：//files.eric.ed.gov/fulltext/EJ1073682.pdf.

[5] 王峰， 丁金林. 基于MATLAB/GUI的數(shù)字通信系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J]. 南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 27（1）： 96-100.

[6] 張紹榮. 論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的必要性[J]. 教育教學(xué)論壇， 2015（31）：259-260.

[7] 謝麗蓉. 基于Matlab/GUI異步電動(dòng)機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2014， 31（8）： 50-53.

[8] 符祥， 郭寶龍. 圖像插值技術(shù)綜述[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)， 2009， 30（1）： 141-144.

[9] 胡蕾， 張偉， 覃慶炎. 幾種圖像去噪算法的應(yīng)用分析[J]. 信息技術(shù)， 2007， 31（7）： 81-83.

[10] 陽方林， 郭紅陽， 楊風(fēng)暴. 像素級圖像融合效果的評價(jià)方法研究[J]. 測試技術(shù)學(xué)報(bào)， 2002， 16（4）： 276-279.

[11] 羅希平， 田捷. 圖像分割方法綜述[J]. 模式識(shí)別與人工智能， 1999（3）： 300-312.

[12] 羅棻. 醫(yī)學(xué)圖象的配準(zhǔn)及融合技術(shù)研究[D]. 電子科技大學(xué)， 2003.

[13] 董育寧. 一種非規(guī)則三維實(shí)體重建算法及其在醫(yī)學(xué)骨圖像分析中的應(yīng)用[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)， 2004， 23（5）： 385-391.

[14] 印志鴻， 張季. 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[J]. 中國組織工程研究與臨床康復(fù)， 2010， 14（43）： 8036-8039.

[15] 田捷. 醫(yī)學(xué)影像處理與分析[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2003.

[16] 陳安宇， 陳偉， 石彬， 等. MATLAB圖形用戶界面的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù)， 2008， 37（10）： 26-27.

（編輯：史志偉）