醫學圖像處理系統的設計與實現

趙彩云 張永壽 趙曉辰

醫學圖像處理系統的設計與實現

趙彩云① 張永壽② 趙曉辰②

目的：基于矩陣實驗室(MATLAB)數字圖像處理系統的設計和實現，以達到獲取醫學影像信息的目的。方法：采用MATLAB軟件研發一種醫學數字圖像處理系統。結果：提出了一種基于MATLAB的數字圖像處理系統，包括圖像處理的設計理念和方法。結論：通過對醫學圖像處理系統的研究，可獲得醫學影像學所需的重要信息。

圖像處理；圖像信息；矩陣實驗室

[First-author’s address] Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Shandong Jinan 250335, China.

圖像處理技術是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割及提取特征等處理的方法和技術。通過對圖像進行去噪可以去除圖像中的干擾，使圖像變得清晰；圖像增強是將原來不清晰的圖像變的清晰或者強調某些關注的特征，抑制非關注的特征，使圖像質量得到改善；圖像復原也是對圖像質量進行改善，將降質圖像重建成接近于或完全無退化的理想圖像的過程，其中去除圖像畸變需要借助圖像的空間變換操作[1-2]。醫學圖像處理技術就是對圖像進行處理，提高醫學影像的質量，能夠更好地從圖像中獲得醫學影像信息，達到圖像處理的目的。

圖像處理技術具有再現性好、處理精度高、適用面寬以及靈活度高等優點[3-4]。由于數字圖像中各個像素不是獨立存在，其相關性大，因此圖像處理中信息壓縮的潛力很大，加之處理信息的量大，對計算機的計算速度、存儲容量等要求較高[5-6]。近年來，數字圖像處理技術日趨成熟，被廣泛應用于空間探測、遙感、生物醫學、人工智能以及工業檢測等許多領域，并促使這些學科產生了新的發展[7-8]。

本研究提出了一種基于矩陣實驗室(matrix laboratory，MATLAB)的數字圖像處理系統的設計和實現，其具有友好的工作平臺和編程環境，操作簡單易學、易讀寫，同時具有代碼短小高效、功能強大，可擴展性強、出色的圖形處理功能及與其他語言有良好的接口等優點，并有強大的數值計算、符號計算和豐富的繪圖和編程功能[9-12]。

1 醫學圖像處理系統的設計

1.1 系統的設計原則

界面設計應遵循以下原則：①簡單明了的原則，操作要盡可能的以最直接形象、最易于理解的方式呈現在用戶面前；②方便使用的原則，將符合用戶使用習慣放在第一位，用戶可以根據自己的習慣對已經確定的常規操作以及對系統的各方面進行自定義設置；③實時幫助的原則，用戶需要能隨時響應問題的用戶幫助；⑤界面平面版式要求系統樣式排版要整齊劃一，盡可能將不同的功能區域劃分在固定位置，方便用戶導航使用，排版不易過于密集，避免產生疲勞感。

1.2 系統的總體框架設計

本系統涉及的模塊主要有圖像的基本操作、變換、增強及分割，以及形態學圖像處理等方面。其中圖像變換包括傅里葉變換、離散變換等；圖像增強包括點運算、空間濾波增強、頻域濾波增強及偽彩色增強等；圖像分割包括邊緣檢測、閾值分割及霍夫變換等；形態學圖像處理包括腐蝕、膨脹等。

1.3 用戶界面設計

利用MATLAB提供的GUI向導設計控件來完成。通過用GUIDE設計界面，自動生成一個控制GUI如何操作的M文件，該M文件初始化GUI并包含所有GUI回調的框架。使用M文件編輯器可以向回調框架中添加代碼，運行相關函數[13]。

2 醫學圖像處理模塊的實現

圖像處理模塊中的重點為圖像增強模塊，其功能的實現、圖像直方圖均衡化和規定化為本研究的重點設計內容。圖像增強的主要目的是采用一系列的技術去增強圖像中用戶感興趣的信息，改善圖像的視覺效果，或將圖像轉換成一種更適合人或計算機處理分析的形式，使處理后的圖像比原圖像更適合于某一特定的應用[14]。圖像增強的方法有很多種，不同的問題應采用不同的增強方法。

2.1 直方圖均衡化

將原圖像通過某種變換，得到一幅灰度直方圖為均勻分布的新圖像的方法稱為直方圖均衡化。MATLAB圖像處理工具箱提供了imhist函數來計算和顯示圖像的直方圖，用histep用于直方圖均衡化的實現[15]。采用MATLAB實現直方圖均衡化的示例如圖1所示。

圖1 直方圖均衡化

由圖1可見，原圖(a)的直方圖較暗且所占據的灰度范圍比較窄，對圖(a)進行直方圖均衡化后，由圖(d)可以看出，此時的直方圖占據了整個圖像的灰度值允許范圍。由于直方圖均衡化增強了圖像的灰度動態范圍，因此也增加了圖像的對比度，具體在圖像上表現為有較大的反差，許多細節可看的比較清晰。

2.2 直方圖規定化

將原圖像的灰度直方圖變成指定形狀的直方圖，而對圖像做修正的一種圖像增強的方法稱為直方圖規定化，該方法是對直方圖均衡化處理的一種擴展。直方圖均衡化處理是直方圖規定化的一個特例。采用MATLAB實現直方圖規定化的示例如圖2所示。

在圖2中，采用直方圖均衡化得到的結果是整圖對比度的增加，但在較暗的區域有些細節仍不清楚。圖2(a)進行直方圖規定化后得到的結果如圖2(c)，由于規定化函數在高灰度區較大，故變換后的結果圖像比均衡化更亮，使較暗區域的一些細節更為清晰，直方圖顯示高灰度值一方更為密集。

圖2 直方圖規定化

3 結論和展望

通過對MATLAB軟件和數字圖像處理技術的探討，以及數字圖像處理系統的設計與實現過程的介紹，分析圖像增強模塊中圖像直方圖均衡化和規定化的算法的實現，對于典型的特定問題并未深入涉及。近年來，有關圖像處理技術的軟件發展迅速，所開發的算法越來越多，根據實際情況對算法進行更深一步的優化，使其能夠更好地為醫學影像信息服務，提高其工作效率。

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The design and implementation of medical image processing system

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ZHAO Cai-yun, ZHANG Yong-shou, ZHAO Xiao-chen// China Medical Equipment,2014,11(2):45-47.

Objective: Based on the matrix laboratory (MATLAB) design and implementation of the digital image processing system, to achieve the goal of medical image information. Methods: To use MATLAB software to develop a design and implementation of the medical digital image processing system. Results: This paper presents a kind of digital image processing system based on MATLAB, including all aspects of the image processing. Conclusion: Through the research of medical image processing system, medical imaging for important information can be obtained.

Image processing; Image information; Matrix laboratory

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.016

1672-8270(2014)02-0045-03

R197.324

A

2013-07-03

①山東中醫藥大學理工學院 山東 濟南 250355

②濟南軍區總醫院醫學工程科 山東 濟南 250031

趙彩云,女,(1988- ),碩士研究生。山東中醫藥大學理工學院，研究方向：醫療設備質量控制。