基于SIMULINK的醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型的研究

劉欣 張凱 趙若晗

摘 ?要： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中占有越來越重要的地位，醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)是醫(yī)學(xué)院校授課過程中必不可少的專業(yè)課。本文針對(duì)醫(yī)學(xué)院校的《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了改革，學(xué)生設(shè)計(jì)了以SIMULINK為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型，改變了傳統(tǒng)的講授式的教學(xué)方法，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手實(shí)踐能力，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)，為廣大一線教師提供一個(gè)新的教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)學(xué)圖像處理;SIMULINK;仿真教學(xué)模型

中圖分類號(hào)： G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.021

本文著錄格式：劉欣，張凱，趙若晗，等. 基于SIMULINK的醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型的研究[J]. 軟件，2019，40（5）：106109

【Abstract】： With the rapid development of computer technology， medical image plays an increasingly important role in modern medicine. Medical image processing technology is an indispensable professional course in the teaching process of medical universities.In this paper， the practice teaching of Medical Image Processing in medical universities has been reformed.The students designed a medical image simulation teaching model based on SIMULINK， which changed the traditional teaching method， increased the students'interest in learning and practical ability， and more vividly and intuitively assisted the students in the course of image processing， providing a new teaching idea for the front-line teachers.

【Key words】： Medical image processing; SIMULINK; Simulation teaching model

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)[1]。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)。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。在此背景下，醫(yī)學(xué)圖像處理與分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，且發(fā)展迅速。

醫(yī)學(xué)圖像處理的基本方法是按照實(shí)際需要利用數(shù)學(xué)方法針對(duì)特定的處理對(duì)象，設(shè)計(jì)出一套切實(shí)可行的圖像算法，然后利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的處理。在圖像處理發(fā)展如此迅速的今天，以“醫(yī)學(xué)圖像處理”為中心的課程體系在很多醫(yī)學(xué)高校甚至工學(xué)（部分生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)）高校得到了高度重視，諸如《醫(yī)學(xué)圖像處理分析》、《醫(yī)學(xué)影像成像原理》、《醫(yī)學(xué)影像質(zhì)量控制》等課程也都作為重要專業(yè)課向醫(yī)學(xué)和工學(xué)生展開。但是對(duì)于學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)圖像處理課程，它需要以多門課程作為基礎(chǔ)（如數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等），圖像處理理論知識(shí)十分復(fù)雜且枯燥，針對(duì)以應(yīng)用為主的醫(yī)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)很吃力[2]。經(jīng)筆者在多所醫(yī)學(xué)院校調(diào)查得知，很多高校在此課程講授過程中提高了實(shí)踐課的授課比例，讓學(xué)生增加動(dòng)手應(yīng)用的機(jī)會(huì)，并以此更深刻的了解醫(yī)學(xué)圖像處理的實(shí)際意義。由于醫(yī)學(xué)圖像處理是建立在數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)仿真以及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)等諸多學(xué)科基礎(chǔ)上的一門現(xiàn)代綜合性的前沿科學(xué)，筆者在近年來也不斷的以計(jì)算機(jī)軟件為中心推動(dòng)該課程的教學(xué)改革，在此之前，利用了諸如MATLAB、Photoshop、MIMICS等多種醫(yī)學(xué)圖像處理軟件并加入到實(shí)踐課程當(dāng)中，取得了積極良好的效果。本文是基于SIMULINK仿真模塊在醫(yī)學(xué)圖像處理應(yīng)用中的又一次探索。

1 ?SIMULINK模擬仿真模塊介紹

建模仿真是二十一世紀(jì)以來非常流行的技術(shù)，一個(gè)合適的模型可以幫助學(xué)生透徹的理解遇到的問題，而在建模這個(gè)領(lǐng)域中，SIMULINK是絕對(duì)的領(lǐng)先者。SIMULINK是MATLAB的一個(gè)組成部分，提供了大量以圖形方式給出的內(nèi)置功能模塊，可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)建模與動(dòng)態(tài)仿真[5] 。SIMULINK隨著MATLAB新版本的推出不斷更新。實(shí)際操作中SIMULINK與常用的軟件相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無需進(jìn)行編程處理：相對(duì)比VC++、ImageJ、OpenCV，甚至MATLAB本身的圖像處理工具箱，SIMULINK 可以讓學(xué)生把精力從編程轉(zhuǎn)向模型構(gòu)造，從而省去重復(fù)代碼的編寫工作;

（2）多拓展的工具箱：與MATLAB有很多擴(kuò)展工具箱一樣，SIMULINK也提供了一系列的系統(tǒng)工具箱，不同的仿真功能具有不同的仿真工具箱，例如：本文使用的視頻和圖像處理模塊集;

（3）操作簡單，仿真模塊自由搭配無限制：針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理課程，學(xué)生無需過多掌握?qǐng)D像處理的算法技術(shù)，只要掌握了這種可視化的仿真工具的基本模塊間的原理，即可快速地搭建仿真模型，更好地理解和掌握課程的知識(shí)點(diǎn)，為其相關(guān)課程學(xué)習(xí)帶來極大的便利。

本文基于SIMULINK仿真模型對(duì)我校《醫(yī)學(xué)圖像處理》的實(shí)踐課程進(jìn)行了又一次的改革嘗試，建立了以SIMULINK為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)圖像處理仿真教學(xué)模型的設(shè)計(jì)與研發(fā)，并成功的應(yīng)用于課堂實(shí)踐教學(xué)中，下文向讀者進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 ?基于SIMULINK的醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)

2.1 ?醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型功能介紹

本模型針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理理論課程中所涉及到的常用圖像處理手段進(jìn)行了概括總結(jié)，并且為了進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力及學(xué)習(xí)效果，以SIMULINK所提供的模塊為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了如表1的醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型以供學(xué)生實(shí)踐課程操作學(xué)習(xí)。在使用SIMULINK模型操作的過程中有部分功能需要使用的MATLAB代碼，針對(duì)不同的專業(yè)的學(xué)生開展不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 ?醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型模塊介紹

本仿真教學(xué)模型主要使用了SIMULINK提供的以下8類模塊：

Analysis & Enhancement（分析和增強(qiáng)）

Conversions（轉(zhuǎn)換）

Filtering（濾波）

Geometric Transformations（幾何變換）

Morphological Operations（形態(tài)學(xué)操作）

Sinks（接收器）

Sources（輸入源）

Transforms（變換模塊庫）

2.3 ?醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型模塊介紹教學(xué)應(yīng)用演示

醫(yī)學(xué)圖像仿真教學(xué)模型將從本校PACS系統(tǒng)提供的醫(yī)學(xué)圖像中選取需要處理的圖像，下面向讀者展示本教學(xué)模型中兩個(gè)典型的應(yīng)用。本次教學(xué)模型使用了MATLAB提供的圖形界面工具（GUI），打開系統(tǒng)界面后，如圖1所示，選擇模型進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械哪K參數(shù)均在建立模型時(shí)已經(jīng)設(shè)計(jì)好，學(xué)生只需要進(jìn)行圖片打開觀察相應(yīng)的結(jié)果。關(guān)于模型參數(shù)的設(shè)置部分，教師會(huì)在課堂授課中提前加以簡單講解。

2.3.1 ?醫(yī)學(xué)圖像灰度變換增強(qiáng)

在圖1中選擇實(shí)驗(yàn)一醫(yī)學(xué)圖像的灰度變換增強(qiáng)后，點(diǎn)擊確定后彈出圖2所示的仿真模塊界面。

繼續(xù)點(diǎn)擊圖2中Image From File模塊后選擇相應(yīng)的醫(yī)學(xué)圖像MRITest.jpg，運(yùn)行該模型，可以看到通過灰度變換增強(qiáng)后的實(shí)際處理效果，左側(cè)為原始圖像，右側(cè)為灰度變換增強(qiáng)處理后圖像，如圖3所示。

2.3.2 ?醫(yī)學(xué)圖像直方圖均衡化處理

同醫(yī)學(xué)圖像灰度變換增強(qiáng)操作相同，選擇仿真系統(tǒng)主界面圖1實(shí)驗(yàn)二醫(yī)學(xué)圖像的直方圖均衡化，點(diǎn)擊確定后彈出圖4所示的仿真模塊界面。

繼續(xù)點(diǎn)擊圖4中Image From File模塊后選擇相應(yīng)的醫(yī)學(xué)圖像CTTest.jpg，運(yùn)行該模型，可以看到通過直方圖均衡化后的實(shí)際處理效果，左側(cè)為原始圖像，右側(cè)為處理后圖像，如圖5所示。

通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作，學(xué)生可以清楚的認(rèn)識(shí)到醫(yī)學(xué)圖像的灰度變換以及直方圖均衡化所帶來的實(shí)際效果，且整個(gè)過程中，學(xué)生沒有進(jìn)行計(jì)算機(jī)編碼操作，使學(xué)生更加直觀的學(xué)習(xí)了解到了圖像處理的方法。

3 ?總結(jié)

本次所設(shè)計(jì)的醫(yī)學(xué)圖像處理仿真教學(xué)模型以學(xué)生設(shè)計(jì)為主，教師做輔助指導(dǎo)，并且已經(jīng)在《醫(yī)學(xué)圖像處理》實(shí)踐教學(xué)中展開了一學(xué)期的應(yīng)用，針對(duì)本校醫(yī)學(xué)影像學(xué)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)中由淺入深的逐步實(shí)施，且針對(duì)工科的專業(yè)的生物醫(yī)學(xué)工程結(jié)合撰寫MATLAB程序代碼一并應(yīng)用，總體效果良好。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更好的接受復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像處理方法，既鍛煉了學(xué)生動(dòng)手操作能力，也使多學(xué)科交叉得到了應(yīng)用[2] 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及軟件應(yīng)用的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)在未來勢(shì)必會(huì)不斷的進(jìn)步，關(guān)于醫(yī)學(xué)院校的醫(yī)學(xué)圖像處理的教學(xué)改革仍會(huì)有很長的道路要走。筆者希望通過本文為廣大一線教師提供一個(gè)新的教改思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 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.

[2] 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.

[3] 閆秋孟， 董默等. 基于MATLAB的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 軟件， 2017， 38（2）： 51-55.

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

[5] 劉瓔瑛. 基于 Simulink 的大米動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)仿真[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2009， 37（16）： 7607-609.

[6] 田捷， 包尚聯(lián)， 周明全. 醫(yī)學(xué)影像處理與分析[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2003.

[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] 章毓晉. 圖像處理和分析[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2001.

[9] 高向軍， 田聯(lián)房， 王立非等. 利用MATLAB實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像處理與分析[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2008， 25（6）： 1.

[10] 董默， 韓婷等.MATLAB在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2016，（12）： 75/115.