醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

趙若晗 高楊 蘇奎 于廣浩 李永生 董默

摘? 要： 計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得軟件在各個行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，尤其在醫(yī)學圖像處理領(lǐng)域，合理有效的醫(yī)學圖像可以為臨床醫(yī)師的診斷提供有力的依據(jù)，醫(yī)學圖像已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學不可或缺的一部分。本文以MATLAB為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種便攜式醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)，充分利用了MATLAB圖像處理工具箱、以及MATLAB提供的GUI開發(fā)界面。為醫(yī)院醫(yī)技科室提供了一個操作簡單，攜帶方便，功能豐富的影像處理分析系統(tǒng)，有效的輔助了醫(yī)師和技師的醫(yī)學圖像處理工作，也為高校醫(yī)學圖像處理教學改革提供了新的思路。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)學圖像處理;MATLAB;GUI;計算機輔助

中圖分類號： TP319? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.016

本文著錄格式：趙若晗，高楊，蘇奎，等. 醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 軟件，2019，40（10）：6872

The Design and Application of Computer Aided Analysis System for Medical Images

ZHAO Ruo-han， Gao Yang， SU Kui， YU Guang-hao， LI Yong-sheng， DONG Mo*

（Mudanjiang Medical University， Mudanjiang City， Heilongjiang 157000， China）

【Abstract】： With the rapid development of computer technology， software has been more and more widely used in various fields， especially in the field of medical image processing. Reasonable and effective medical images can provide a strong basis for the diagnosis of clinicians. Medical images have become an indispensable part of modern medicine. Based on MATLAB， this paper designs and implements a portable computer-aided analysis system for medical images， which makes full use of the image processing toolbox of MATLAB and the GUI development interface provided by MATLAB. It provides a simple， portable and functional image processing and analysis system for the medical and technical departments of hospitals， effectively assists the medical image processing work of doctors and technicians， and also provides a new idea for the teaching reform of medical image processing in universities.

【Key words】： Medical image processing; MATLAB; GUI; Computer aided

0? 引言

計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得軟件在各個行業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，尤其在醫(yī)學中，近年來計算機輔助醫(yī)學也在高速發(fā)展。在醫(yī)學領(lǐng)域中，醫(yī)學圖像處理是一門十分重要的技術(shù)，醫(yī)學圖像處理是一門綜合了數(shù)學、計算機科學和醫(yī)學影像學等學科的交叉科學。各種類型的現(xiàn)代醫(yī)療診斷與成像設(shè)備在臨床醫(yī)學中占有不可替代的作用，他們提供了大量的醫(yī)學圖像信息[1]。合理有效的醫(yī)學圖像可以為臨床醫(yī)師的診斷提供有力的依據(jù)，因此，如何更好的完成醫(yī)學圖像處理任務(wù)，一直是現(xiàn)代醫(yī)學研究的重要課題。

筆者自工作以來一直計從事算機編程與醫(yī)學圖像處理相關(guān)工作，在2016年至今發(fā)表過多篇關(guān)于醫(yī)學圖像處理軟件相關(guān)的文章，其中筆者帶領(lǐng)學生在2016年黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)立項中發(fā)表論文《基于MATLAB的醫(yī)學圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用》[1]，在2017年發(fā)表論文《生物醫(yī)學工程專業(yè)<醫(yī)學圖像處理>實踐教學改革》[3]，在2018年發(fā)表論文《醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用》[5]，除此之外針對筆者所在的地方醫(yī)學高校中《醫(yī)學圖像處理》課程也進行了一系列的教學改革，以上研究內(nèi)容均是使用計算機軟件完成的。

經(jīng)過筆者近年來得研究得知，目前CT、MRI及核醫(yī)學成像設(shè)備圖像均由其自帶的平臺軟件來處理。主要的醫(yī)學影像設(shè)備制造商的工作站都安裝有功能強大的醫(yī)學影像分析與后處理軟件[1]。筆者一直認為雖然大型醫(yī)療設(shè)備自帶的平臺軟件專業(yè)性強、功能強大、圖像清晰，但他們均與大型設(shè)備綁定、影像處理相對功能單一、且操作人員受限，因此，筆者也一直著力開發(fā)一套高效、便捷的醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)。本文正是在筆者一系列研究的背景下，綜合之前研究內(nèi)容且進一步擴展而完成的。

1? 醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)功能框架

自2016年開始，筆者一直以MATLAB軟件作為研究圖像處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件，主要是由于MATLAB強大的圖像處理工具箱以及其全面的GUI界面系統(tǒng)[6]。且MATLAB應(yīng)用廣泛，易于與其他相關(guān)專業(yè)結(jié)合，無論從科研角度還是針對學生教學工作都是非常優(yōu)秀的工具。由于其應(yīng)用的廣泛性，關(guān)于MATLAB的特點及功能本文不再贅述。

本醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)是以MATLAB為基礎(chǔ)核心設(shè)計軟件，充分利用了MATLAB圖像處理工具箱所提供的上百個圖像處理函數(shù)。且使用MATLAB圖形界面GUI開發(fā)工具完成系統(tǒng)界面開發(fā)，其主要的功能如下面框圖1所示。

從系統(tǒng)功能框圖能看出，本系統(tǒng)并非數(shù)字圖像處理中擁有繁瑣算法的功能羅列，而是主要針對醫(yī)學圖像處理中常見的圖像預(yù)處理功能而進行設(shè)計的，它能滿足醫(yī)技科室醫(yī)師和技師的操作需求，且方便易使用。

2? ?醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)功能介紹

2.1? 醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)的模塊介紹

從圖1中可以看出，本系統(tǒng)的主要功能模塊包括5部分：

1. 醫(yī)學圖像輸入輸出模塊：醫(yī)學圖像的格式轉(zhuǎn)換及保存輸出功能;

2. 醫(yī)學圖像運算模塊：包括主要的圖像點運算、幾何運算、代數(shù)運算等功能;

3. 醫(yī)學圖像分割模塊：包括閾值分割和常見的邊緣提取功能;

4. 醫(yī)學圖像增強模塊：包括主要的頻域和空域濾波功能以及直方圖處理功能;

5. 醫(yī)學圖像三維重建模塊：包括體繪制和面繪制功能以及三維圖像的視圖設(shè)置功能。

在設(shè)計此系統(tǒng)時，分模塊設(shè)計的好處是，每個模塊具有獨立的工作界面，功能清晰，除了操作簡單外，可擴展性也很強，為后續(xù)繼續(xù)添加新功能做了準備。

2.2? 醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)的界面和功能介紹

在普通電腦安裝MATLAB軟件后即可體驗本醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)，運行系統(tǒng)后主界面如圖2所示。

1. 醫(yī)學圖像輸入與輸出功能

點擊圖2界面中的“醫(yī)學圖像輸入輸出”按鈕，彈出圖3所示的界面。

在此界模塊功能下，用戶可完成醫(yī)學圖像的格式轉(zhuǎn)換工作，支持將常見圖像格式進行互相轉(zhuǎn)換，支持醫(yī)學圖像DICOM格式。除此之外，可以將醫(yī)學圖像進行二值化或去彩色處理。

2. 醫(yī)學圖像運算功能

點擊圖2界面中的“醫(yī)學圖像運算”按鈕，彈出圖像運算的模塊，在此模塊內(nèi)，用戶可以完成醫(yī)學圖像的一系列運算。

點運算：包括線性變換（對比度，亮度調(diào)節(jié)），非線性變換（指數(shù)變換、對數(shù)變換），開窗運算。

幾何運算：包括圖像縮放，圖像平移，圖像旋轉(zhuǎn)。

代數(shù)運算：加法運算，減法運算。

如圖4所示，使用圖像運算模塊完成圖像的對數(shù)運算。圖5完成兩幅圖像的加法運算。

3. 醫(yī)學圖像分割功能

點擊圖2界面中的“醫(yī)學圖像分割”按鈕，彈出圖像分割的模塊，在此模塊內(nèi)，用戶可以完成醫(yī)學圖像的分割處理。

閾值分割：選擇合適的閾值對原始圖像進行閾值分割處理。

邊緣檢測提取：包括以下五種Canny算子、Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子提供的邊緣檢測處理。

如圖6所示，分別使用圖像分割模塊完成閾值為210的圖像分割處理和使用Sobel算子完成醫(yī)學圖像的邊緣提取。

4. 醫(yī)學圖像增強功能

點擊圖2界面中的“醫(yī)學圖像增強”按鈕，彈出圖像增強的模塊，在此模塊內(nèi)，用戶可以完成醫(yī)學圖像的增強處理。

直方圖增強：包括直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化處理。

空域濾波：包括可設(shè)置模板系數(shù)的均值濾波和中值濾波處理。

頻域濾波：包括理想、巴特沃斯和高斯的高、低通濾波處理。

如圖7所示，使用圖像增強模塊完成模板為5*5的中值濾波處理。圖8為直方圖均衡化處理效果。

5. 醫(yī)學圖像三維重建功能

點擊圖2界面中的“醫(yī)學圖像三維重建”按鈕，彈出圖像三維重建的模塊，在此模塊內(nèi)，用戶可以完成醫(yī)學圖像的三維重建處理。需要注意的是，本模塊下圖像導入不再是單獨文件而是多個圖像文件。

三維重建處理：包括體繪制和面繪制。

三維視圖設(shè)定：包括照明模式、面顏色、邊框顏色和觀察視角。

如圖9所示，使用圖像三維重建模塊完成MRI圖像的三維重建，設(shè)置面顏色為黃色，邊框無顏色，Phong照明模式并且設(shè)置好方位角、俯仰角角度進行觀察[5]。

3? 總結(jié)

醫(yī)學影像計算機輔助分析系統(tǒng)是自2016年開發(fā)第一個圖像后處理系統(tǒng)后不斷完善延續(xù)而實現(xiàn)的。到目前為止這套系統(tǒng)具有以下的優(yōu)勢：

1. 便攜：無需再與大型醫(yī)療設(shè)備綁定使用，無論在任何地點只需要一臺電腦安裝MATLAB即可使用;

2. 功能完善豐富：隨著幾年來得不斷完善充實，目前已經(jīng)可以保證大部分圖像預(yù)處理功能得以實現(xiàn);

3. 操作簡單，一般人員無需任何計算機基礎(chǔ)均可以使用，可以有效的輔助醫(yī)院醫(yī)技科室醫(yī)師和技師;

4. 用途廣泛：除在醫(yī)院中使用外，本系統(tǒng)作為輔助教學的系統(tǒng)也很實用，并且在開發(fā)的過程中已經(jīng)在我校生物醫(yī)學工程專業(yè)《醫(yī)學圖像處理》實踐課中使用并測試，其中部分功能是學生輔助研發(fā)的，既鍛煉了學生的動手能力，也讓學生更好的學習了圖像處理手段方法。

本系統(tǒng)除上述優(yōu)勢外也有自身的不足，MATLAB本身的算法非常強大，但是其在三維重建上與目前很多專業(yè)的3D處理軟件仍有差距，究其原因主要由于MATLAB依靠編程來實現(xiàn)且MATLAB功能并非只局限于圖像處理。今后筆者將繼續(xù)研究其他三維重建軟件如MIMICS等來進一步完善系統(tǒng)的功能。也會不斷充實系統(tǒng)的功能加入諸如融合配準等技術(shù)，進一步為醫(yī)院和高校服務(wù)。

參考文獻

[1]閆秋孟， 董默， 等. 基于MATLAB的醫(yī)學圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]. 軟件， 2017， 38（2）： 51-55.

[2]田沄. 醫(yī)學圖像三維可視化關(guān)鍵技術(shù)研究. 西北工業(yè)大學學報， 2006（3）： 26-27.

[3]董默， 蘇奎， 周志尊， 等. 生物醫(yī)學工程專業(yè)《醫(yī)學圖像處理》實踐教學改革[J].到軟件， 2017， 38（2）： 37-41.

[4]鄭光遠， 等. 醫(yī)學影像計算機輔助檢測與診斷系統(tǒng)綜述[J]. 軟件學報， 2018， 29（5）.

[5]董默， 趙若晗， 等. 醫(yī)學圖像三維重建系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].軟件， 2018， 39（1）： 87-90.

[6]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]. 河北科技大學學報， 2005， 26（4）： 309-312.

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

[8]姜炳旭， 劉杰， 孫可. Sobel邊緣檢測的細化[J].沈陽師范大學學報（自然科學版）， 2010， 28（4）： 503-506.

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

[10]聶東升， 邱劍鋒， 鄭建立. 醫(yī)學圖像處理[M]. 上海： 復旦大學出版社， 2014.

[11]陳廣新， 等. 股骨3D模型構(gòu)建在股骨頭置換手術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 軟件， 2017， 38（12）： 75-80.

[12]黃信新， 王秀媛. 實時圖象輪廓抽取算法研究. 計算機應(yīng)用， 2001， 2（3）： 46-50.