“醫(yī)學(xué)影像處理”課程實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)

黃力宇，黃登鳳，張 園

(西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710071)

0 引言

“醫(yī)學(xué)影像處理”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課［1］。目前，相關(guān)教材的版本很多，有些教材配有實(shí)例圖示，但大都是以理論描述為主。由于缺少合適的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生很難深入理解圖像處理過(guò)程中涉及的一些概念和算法。因此，開(kāi)發(fā)一套配套理論教學(xué)使用的教學(xué)軟件很有必要。

近年來(lái)，我們基于VC++6.0環(huán)境開(kāi)發(fā)了“醫(yī)學(xué)影像處理”課程的教學(xué)軟件［2］，一方面可供課堂教學(xué)使用，在課堂中展示生動(dòng)的圖例分析，通過(guò)比較影像處理前后的效果來(lái)提高學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的直觀感受。另一方面，圖例還供學(xué)生課后有針對(duì)性地做一些實(shí)驗(yàn)，鞏固課堂所學(xué)理論，給學(xué)生提供一個(gè)互動(dòng)的實(shí)踐平臺(tái)。

本實(shí)驗(yàn)軟件包含的基本模塊有:圖像變換、圖像配準(zhǔn)、圖像分割、形態(tài)學(xué)變換、圖像復(fù)原、圖像增強(qiáng)和圖像壓縮等，各個(gè)模塊又包含了不同的實(shí)現(xiàn)算法［2］。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。下面對(duì)幾個(gè)主要功能進(jìn)行舉例說(shuō)明。

1 界面設(shè)計(jì)

圖1 醫(yī)學(xué)影像處理軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體框架

“醫(yī)學(xué)影像處理”課程教學(xué)軟件系統(tǒng)采用多文檔(MDI)界面，根據(jù)Windows的界面標(biāo)準(zhǔn)和軟件系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，主菜單中包括文件、編輯、點(diǎn)運(yùn)算、幾何變換、圖像增強(qiáng)、形態(tài)學(xué)變換、邊緣與輪廓、圖像分析、圖像復(fù)原、圖像編碼、查看、窗口以及幫助等菜單項(xiàng)。同時(shí)通過(guò)對(duì)話框操作可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)影像的交互處理，方便學(xué)生操作。

本軟件界面友好，所有需要確定參數(shù)的算法都有設(shè)置參數(shù)的對(duì)話框，學(xué)生可以輸入不同的參數(shù)，方便地比較不同參數(shù)條件下的影像處理效果，從而理解不同參數(shù)對(duì)處理結(jié)果的影響，進(jìn)而更深刻地認(rèn)識(shí)處理算法。圖2給出了幾種不同功能的界面截圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)軟件的幾個(gè)界面截圖

2 圖像變換和圖像平滑

圖像變換包括正交變換和幾何變換兩個(gè)類別。正交變換又可分為非正弦類正交變換和正弦類正交變換兩類，本軟件實(shí)現(xiàn)了Fourier變換、余弦變換和Walsh變換等幾種典型的正交變換功能;幾何變換則包括空間平移、比例縮放、旋轉(zhuǎn)和非線性扭曲等，其中使用最多的是圖像的縮放和旋轉(zhuǎn)。本軟件實(shí)現(xiàn)了圖像平移、垂直和水平鏡像、圖像縮放、圖像轉(zhuǎn)置和圖像旋轉(zhuǎn)等功能，圖3顯示了一副小腿部X光片及其垂直鏡像。

圖3 小腿部X光片及其垂直鏡像

圖像平滑的目的包括改善圖像質(zhì)量和提取對(duì)象特征。圖像平滑可以在空間域進(jìn)行，也可以在頻率域進(jìn)行。在空間域中，圖像平滑常用的算法有均值濾波和中值濾波［3］。中值濾波是一種非線性的信號(hào)處理方法，在一定的條件下可以克服線性濾波器所帶來(lái)的圖像細(xì)節(jié)模糊。圖4給出了一幅利用本軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的對(duì)加入噪聲的腹部CT圖像進(jìn)行平滑處理得到結(jié)果。

圖4 加入噪聲的腹部CT圖像及其平滑后結(jié)果

3 圖像分割

圖像分割就是指把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過(guò)程，這里的特性可以是像素的灰度、顏色、紋理等單獨(dú)或者綜合的特征［3］。根據(jù)像素特征在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部性質(zhì)一致性和區(qū)域間邊界上不連續(xù)性，分割算法可以分為基于邊緣的分割算法和基于區(qū)域的分割算法。本實(shí)驗(yàn)軟件實(shí)現(xiàn)了基于邊緣的圖像分割算法、基于輪廓的圖像分割算法和基于Hough變換的圖像分割算法?；谶吘壍膱D像分割軟件分可以別實(shí)現(xiàn)Roberts，Sobel、Prewitt，Kirsch 及 Gauss-Laplace 算子形成的算法。圖5給出一幅基于邊緣的圖像分割算法提取的腰椎磁共振圖像的分割像。圖6給出一幅基于輪廓的圖像分割算法提取的血細(xì)胞圖像的邊界圖像。

圖5 腰椎的磁共振圖像及圖像分割結(jié)果

圖6 血細(xì)胞圖像以及分割結(jié)果

4 圖像復(fù)原和圖像配準(zhǔn)

圖像復(fù)原試圖利用退化過(guò)程的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)重建或復(fù)原被退化的圖像，因此圖像復(fù)原也可以看成是圖像退化的逆過(guò)程，是將圖像退化的過(guò)程加以估計(jì)，建立退化模型，補(bǔ)償退化過(guò)程造成的失真，從而獲得未經(jīng)干擾退化的原始圖像或原始圖像的最優(yōu)估值，從而改善圖像質(zhì)量［3］。如圖7給出了一幅利用本軟件處理的被噪聲污染的腹部冠狀切面磁共振影像以及對(duì)其進(jìn)行圖像恢復(fù)后的結(jié)果。

圖7 圖像復(fù)原的效果對(duì)比

圖像配準(zhǔn)是將不同時(shí)間、不同傳感器或不同條件下(光照、天氣、角度和攝像位置等)獲取的兩幅或多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加的過(guò)程。根據(jù)特征空間、相似性準(zhǔn)則和搜索策略這三個(gè)元素選擇的區(qū)別，圖像配準(zhǔn)的基本方法可以分為基于變換域的圖像配準(zhǔn)方法、基于特征的圖像配準(zhǔn)方法、基于灰度統(tǒng)計(jì)信息的圖像配準(zhǔn)方法［3］等。本軟件實(shí)現(xiàn)了這些圖像配準(zhǔn)方法，其中基于灰度統(tǒng)計(jì)信息的方法又包括互相關(guān)法(也稱模板匹配法)、序貫相似度檢測(cè)匹配法和互信息法等。圖8給出了兩幅圖像進(jìn)行互信息配準(zhǔn)的結(jié)果。

圖8 基于互信息的圖像配準(zhǔn)示例

5 結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹了本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的、為“醫(yī)學(xué)影像處理”課程教學(xué)配合使用的一套軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。限于篇幅原因，本文僅簡(jiǎn)要討論了其中的部分功能，沒(méi)有給出算法實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)。本軟件系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)影像處理領(lǐng)域的大部分常見(jiàn)算法，可以滿足基本的教學(xué)要求，具有很好的可擴(kuò)展性，可以非常方便地增加新的處理算法。另外，軟件界面友好，需要設(shè)置參數(shù)時(shí)都會(huì)有相應(yīng)的對(duì)話框彈出。

目前版本的軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在一些不足的地方。例如醫(yī)學(xué)影像的成像方式是多樣的［4］，不同的成像方式給出的影像各有其特點(diǎn)，本軟件暫時(shí)沒(méi)有考慮其中的差異;再比如目前版本的軟件僅適合對(duì)BMP格式圖像的處理，今后可增加對(duì)其他圖像格式的支持;軟件處理算法還應(yīng)繼續(xù)完善，還可以添加一些經(jīng)過(guò)學(xué)生自己改進(jìn)的算法，以最終形成功能不斷豐富的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。盡管如此，迄今的實(shí)際使用表明，本實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力、加深對(duì)所學(xué)理論的理解都有重要價(jià)值，值得進(jìn)一步完善和推廣使用。

［1］黃力宇，趙靜，李超.醫(yī)學(xué)影像的數(shù)字處理［M］，北京:電子工業(yè)出版社，2012

［2］張園，醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［D］，西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012

［3］岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005

［4］黃力宇.醫(yī)學(xué)成像的基本原理［M］，北京:電子工業(yè)出版社，2009