基于MATLAB和MIMICS聯(lián)合應(yīng)用下的醫(yī)學(xué)圖像處理方法研究

董默 周鴻鎖 趙若晗

摘 ?要： 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的軟件應(yīng)用于醫(yī)學(xué)當(dāng)中，尤其在影像醫(yī)學(xué)的發(fā)展中，計算機對圖像的處理技術(shù)直接制約著影像學(xué)科的發(fā)展。目前CT、MRI及核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備圖像均由其自帶的平臺軟件來處理，這使得醫(yī)學(xué)圖像主要的處理手段均與大型設(shè)備綁定，不夠方便。合理的聯(lián)合使用本文中所涉及的MATLAB和MIMICS軟件，結(jié)合兩種軟件的優(yōu)勢，這為醫(yī)學(xué)圖像處理的手段提出新的方法，也為影像科醫(yī)生拓展醫(yī)學(xué)圖像后處理的技能，提高其醫(yī)學(xué)影像診斷水平提供了新的思路。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)學(xué)圖像處理;MATLAB;MIMICS

中圖分類號： TP319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.011

本文著錄格式：董默，周鴻鎖，趙若晗，等. 基于MATLAB和MIMICS聯(lián)合應(yīng)用下的醫(yī)學(xué)圖像處理方法研究[J]. 軟件，2019，40（6）：4952

【Abstract】： With the rapid development of computer technology， more and more software is used in medicine. Especially in the development of imaging medicine， computer image processing technology directly restricts the development of imaging science. At present， the images of CT， MRI and nuclear medical imaging equipment are processed by their own platform software， which makes the main processing methods of medical images binding to large-scale equipment，and it is not convenient. Reasonable combination of MATLAB and MIMIMICS software involved in this paper， combined with the advantages of the two software， provides a new method for medical image processing， and also provides a new way for imaging doctors to expand the skills of medical image post-processing and improve the level of medical image diagnosis.

【Key words】： Medical image processing; MATLAB; MIMICS

0 ?引言

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的軟件應(yīng)用于醫(yī)學(xué)當(dāng)中，尤其在影像醫(yī)學(xué)的發(fā)展中，計算機對圖像的處理技術(shù)直接制約著影像學(xué)科的發(fā)展。醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及醫(yī)學(xué)影像診斷領(lǐng)域已成為十分重要的圖像處理手段，是衡量影像技術(shù)及影像診斷人員醫(yī)療水平的重要標(biāo)志。許多醫(yī)院的CT、MRI及核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備多正在配備專門的圖像后處理人員，其他影像科醫(yī)生也正在不斷學(xué)習(xí)，拓展醫(yī)學(xué)圖像后處理的技能，提高其醫(yī)學(xué)影像診斷水平[7]。

目前CT、MRI及核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備圖像均由其自帶的平臺軟件來處理。主要的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備制造商的工作站都安裝有功能強大的醫(yī)學(xué)影像分析與后處理軟件。雖然CT、MRI等圖像均由其自帶的平臺軟件來處理，他們具有專業(yè)性強、功能強大、圖像清晰等優(yōu)點，但同時也具有如下的缺點[1]：

1. 醫(yī)學(xué)圖像的處理與閱讀不夠便捷，醫(yī)學(xué)圖像處理任務(wù)只能在特定設(shè)備旁進(jìn)行，無法隨時隨地的進(jìn)行圖像的深層次處理，圖像格式被限定為醫(yī)學(xué)專用格式DICOM，一般電腦不能閱讀此圖像。操作過于繁瑣;

2. 操作人員局限性，影像科室的圖像處理技術(shù)必須由專業(yè)的影像技師或者有經(jīng)驗的醫(yī)師完成操作，相對比較麻煩，導(dǎo)致醫(yī)生工作量增加;

3. 不利于多種影像設(shè)備配合使用，隨著影像技術(shù)不斷發(fā)展多種影像設(shè)備相配合進(jìn)行診斷方式越來越多，即圖像融合技術(shù)的應(yīng)用，目前與設(shè)備綁定的圖像處理方式無法實現(xiàn)這一目標(biāo)。由于現(xiàn)有軟件平臺針對的是特定的數(shù)據(jù)來源或配套的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行開發(fā)。不利于學(xué)生學(xué)習(xí)實踐;

4. 應(yīng)用不廣泛，目前隨大型設(shè)備綁定的軟件平臺專業(yè)性太強，通用性不足。對于初學(xué)者來說，現(xiàn)有平臺使用不便，學(xué)習(xí)成本太高，不但不利于專業(yè)人員使用，更不利于醫(yī)學(xué)院校影像專業(yè)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)和在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的普遍使用。盡管一些專業(yè)的軟件開發(fā)公司研發(fā)了一些功能強大的醫(yī)學(xué)影像處理與分析綜合平臺，但都需要配套醫(yī)療設(shè)備或特殊硬件才能運行，價格昂貴，不利于普遍使用，由于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)本身的復(fù)雜性，使得現(xiàn)有軟件平臺的專業(yè)性太強，通用性不足，使用不便。

綜上所述，合理的利用市場中高性能便捷式的軟件，以解除與醫(yī)療器械綁定的等不利因素是本文研究的主要內(nèi)容。目前在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中針對影像后處理技術(shù)中使用較多的當(dāng)屬Materialise公司的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)MIMICS，以及Mathworks公司的MATLAB，這兩款軟件也是目前在高校中使用較多醫(yī)學(xué)影像后處理軟件。下文將重點介紹如何結(jié)合兩種軟件完成醫(yī)學(xué)圖像處理工作。

1 ?醫(yī)學(xué)圖像處理軟件介紹

1.1 ?MATLAB圖像處理模塊

MATLAB是MATrixLABoratory的縮寫，表示矩陣實驗室，最早是由美國MathWorks 公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算系統(tǒng)環(huán)，是集圖像處理、數(shù)據(jù)可視化處理、數(shù)值分析計算、建模仿真于一體的高級技術(shù)計算語言和人機交互式環(huán)境[9]。在這套環(huán)境下，用戶可以集成地進(jìn)行程序設(shè)計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出等各項操作。MATLAB應(yīng)用于多學(xué)科，也包含今天文中所涉及的圖像處理，MATLAB在圖像處理方面有其獨特的優(yōu)勢：

1. 圖像處理運算豐富;

2. 支持專用的醫(yī)學(xué)圖像格式;

3. 自帶GUI系統(tǒng)，可以設(shè)計出美觀的方便用戶使用的操作界面。

MATLAB迄今已經(jīng)發(fā)展了近30年，已經(jīng)是十分成熟的軟件，關(guān)于其強大的優(yōu)勢此處不再贅述，但相對其他專業(yè)的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件它也有其劣勢，如需要有專業(yè)的編程技巧完成相關(guān)的處理手段，這對非計算機專業(yè)的醫(yī)師有著很大的困難，除此之外，MATLAB在圖像三維重建方面不如當(dāng)今發(fā)展較快的其他軟件，如MIMICS等。

1.2 ?MIMICS逆向工程軟件

MIMICS軟件是比利時Materialise公司推出的一套高度整合、快捷易用的醫(yī)學(xué)圖像處理和可視化商用軟件。它可以快速導(dǎo)入CT、MRI等斷層序列圖像數(shù)據(jù)，對序列圖像進(jìn)行基于閾值和形態(tài)學(xué)算法的組織分割、執(zhí)行面繪制為主的三維重建以及大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理[5]。

MIMICS的主要功能有：

1. 圖像導(dǎo)入轉(zhuǎn)換

2. 圖像分割

3. 圖像可視化

4. 圖像配準(zhǔn)

5. 圖像測量

6. 有限元前處理

7. 手術(shù)模擬

MIMICS相對比MATLAB它不需計算機語言的支持，并且可以調(diào)用MATLAB程序語言，這讓很多非計算機專業(yè)的人員使用十分方便。在使用過程中，用戶可以發(fā)現(xiàn)MIMICS在圖像分割、三維重建、配準(zhǔn)等三維圖像領(lǐng)域有著更多的應(yīng)用，而針對圖像的增強、濾波、銳化等等圖像基礎(chǔ)處理功能卻沒有具體的處理手段，相對比MATLAB數(shù)百種之多的圖像處理功能顯得略有不足。

因此，在當(dāng)今的非綁定設(shè)備的圖像處理軟件當(dāng)中，筆者認(rèn)為如果能充分的結(jié)合上述兩種軟件的優(yōu)勢，取長補短，必將更好的完成醫(yī)學(xué)圖像處理工作。下文將具體介紹結(jié)合兩種軟件方法的醫(yī)學(xué)圖像處理實例。

2 ?基于MATLAB和MIMICS聯(lián)合應(yīng)用下的醫(yī)學(xué)圖像處理實例

本文所設(shè)計的基于MATLAB和MIMICS聯(lián)合應(yīng)用下的醫(yī)學(xué)圖像處理采用了如圖1所示的進(jìn)程完成。其中MATLAB部分所做的處理完全取決于不同部位的醫(yī)學(xué)圖像特點來進(jìn)行，比如軟組織與骨骼密度不同[3]，采用的處理手段也不同，諸如平滑去噪，邊緣提取等也是根據(jù)不同圖像的特點視情況而定。

2.1 ?MATLAB圖像處理實際效果

1. 平滑去噪處理

由于成像設(shè)備中各種電子器件的隨機擾動和周圍的環(huán)境噪聲，獲取的圖像中難免會遭

受噪聲污染，因此使用MATLAB所提供的中值濾波、均值濾波方式加入高斯和椒鹽噪聲完成測試，對實際的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理，本實驗中對頭部醫(yī)學(xué)圖像的處理可以看出使用中值濾波效果較好，具體結(jié)果如圖2所示。

2. 銳化處理

圖像在傳輸和轉(zhuǎn)換過程中，通常質(zhì)量都要降低，除了噪聲因素外，圖像一般都要變得模糊。通過圖像銳化的作用就是補償圖像的輪廓，使圖像比較清晰。本文中使用了Laplacian算子進(jìn)行了銳化操作，但是實際的效果并不理想，這也進(jìn)一步證明了在進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像處理的過程中，使用MATLAB操作圖像時并不是通用的批量處理，需要分析原始圖像的特點進(jìn)行后續(xù)操作，通過銳化后的處理結(jié)果如圖2.3所示。

3. 邊緣檢測提取

提取邊緣是醫(yī)學(xué)圖像處理常用的操作，只有提取出邊緣輪廓，將目標(biāo)和背景區(qū)分開來，才能實現(xiàn)后續(xù)的分割及重建。筆者將分別運用 Canny 算子、Roberts 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子、Laplacian of Gaussian算子五種邊緣檢測方法進(jìn)行實際操作，可以看出Canny算子的實際處理效果更好。如圖4所示。

2.2 ?MIMICS圖像處理實際效果

將上文中通過MATLAB處理好的系列圖片導(dǎo)入的MIMICS軟件當(dāng)中，如圖5所示。

按順序依次完成閾值分割（閾值選擇270）→區(qū)域增長→三維模型重建。重建效果如圖6所示。后續(xù)可以使用MIMICS進(jìn)一步完成重建修補工作，本文沒有再詳述。

3 ?總結(jié)

通過上文的介紹可以得知，在充分利用MATLAB和MIMICS兩個軟件的情況下，筆者完成了從大型設(shè)備上獲取的醫(yī)學(xué)圖像→基本的圖像處理操作（MATLAB提供）→醫(yī)學(xué)圖像分割及三維重建（MIMICS提供）的完整流程，這種聯(lián)合應(yīng)用兩種軟件的方式具有以下優(yōu)點：

1. 完全脫離的大型醫(yī)療設(shè)備的綁定圖像處理的弊端，使得圖像處理工作可以輕型化，便捷化;

2. 充分利用了兩種軟件的優(yōu)勢，MATLAB處理手段豐富，MIMICS軟件操作簡便三維重建能力強，保證完成甚至超越了大型設(shè)備自帶的圖像后處理軟件的處理水平;

3. 圖像處理方法相對簡單，為影像科室醫(yī)師和技師在學(xué)習(xí)提高圖像后處理技能提供了更好的方法和思路。

再接下來的研究中，筆者將繼續(xù)針對MIMICS軟件調(diào)用MATLAB程序相關(guān)問題進(jìn)行深入研究，為解決醫(yī)學(xué)圖像處理問題提供新的思路。

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