生物醫學工程專業《醫學圖像處理》實踐教學的改革

董 默，蘇 奎，周志尊，周鴻鎖

生物醫學工程專業《醫學圖像處理》實踐教學的改革

董 默，蘇 奎*，周志尊，周鴻鎖

(牡丹江醫學院, 黑龍江省 牡丹江市 157000)

《醫學圖像處理》課程是生物醫學工程專業的主干核心課程，是重要的專業課，學生學好這門課程對其今后的就業及工作有著重要的意義。本文針對《醫學圖像處理》課程中的實踐課程作了初步的改革探索，利用學生MATLAB學習的基礎，開發設計了一套實踐課教學軟件，改變了傳統的講授式的教學方法，更生動直觀的輔助學生進行圖像處理相關課程的學習，提高了學生的學習興趣及動手操作能力。

醫學圖像處理；MATLAB；實踐教學軟件；生物醫學工程

0 引言

醫學圖像處理是一門綜合了數學、計算機科學和醫學影像學等學科的交叉科學。各種類型的現代醫療診斷與成像設備在臨床醫學中占有不可替代的作用，他們提供了大量的醫學圖像信息，而醫學圖像能夠最大限度的向醫生提供病人的信息，醫學圖像信息能夠直觀地反映患者的疾病狀態。為疾病的確診以及選擇有效的治療方法起著決定性的作用。臨床診斷越來越依賴醫學圖像，醫學圖像在現代醫學中占有及其重要的地位。

生物醫學工程專業本身作為一個交叉學科，在醫學、工學領域都有涉及，而醫學圖像處理則為該專業一個十分重要的核心專業課，生物醫學工程專業學生因為其獨特的工科學科性質，使其在學習醫學圖像處理課程時有其得天獨厚的優勢，軟件操作熟練且計算機語言的基礎。而對于醫學圖像處理課程本身是一個較為復雜，涉及面廣泛，涉及學科較多（如數學、物理、計算機語言等）的課程，其理論知識本身較為枯燥，往往學生在學習過程中無法很好的引起足夠興趣。因此近些年來很多開展該課程的學校都對醫學圖像處理的實踐教學進行了探索和改革。然而一般普通高校由于教師水平和交流上的限制，MATLAB這一得力武器還一直沒有被廣大學生和教師掌握。所以在普通高校中推廣和應用MATLAB，有國外成功的經驗可以借鑒，是建立在一定的有說服力的事實和MATLAB理論基礎之上的，是切實可行的，并能大大提高學生的自主學習與現代化手段有機結合的能力，教師則開拓了新的教學法改革領域，并為科研的提高與創新提供了條件。

本文正是在這一前提下，利用本校的生物醫學工程專業作為改革試點對象，基于MATLAB軟件應用對醫學圖像處理的實踐教學進行了深入的改革和探索，開發了一套基于MATLAB的醫學圖像處理實踐教學軟件系統，更好的幫助學生進行該課程的學習。

1 MATLAB軟件使用現狀

MATLAB軟件集計算、可視化及編程于一身。這一特點使MATLAB成為了數學分析，算法開發及應用程序開發的良好環境。它在數據分析、科學計算、仿真、自動控制、信號處理與通訊、圖形分析與處理、圖像處理等領域起著越來越大的作用[1-2]。

在歐美大學里，諸如應用代數、數理統計、自動控制、數字與信號處理、模擬與數字通信、時間序列分析、動態系統仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內容，幾乎成二十一世紀教科書與舊版書籍的區別性標志。在那里MATLAB是攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具，在國際學術界，MATLAB已經被確認為準確、可靠的科學計算標準軟件。

在國內諸多大學中，MATLAB已經成為生物醫學工程等工科專業的專業必修課，其中對工科課程的輔助程度之大讓其課時和學分也在不斷增加，同時實踐課程的應用也越來越廣泛。不僅如此，學生和教師的科研及教研活動也越來越離不開MATLAB軟件。MATLAB應用的擴展程度不僅僅在工科院校。近些年來在醫學院校當中也引入了MATLAB這個強大的工具，其課程也由最初的選修課上升到必修課，這一系列的操作使得MATLAB更多的進入到學生的學習生活當中。尤其針對醫學圖像處理課程，MATLAB可以提供相應的實驗內容，其豐富的應用函數為幾乎所有的專業理論提供了實踐教學的支持。以往大部分普通高校的學生在做完實驗后，對大量的數據進行圖表化分析、對比分析以及誤差分析都是采用常規的手繪方式，既不美觀也不精確，采用國際公認的MATLAB科學分析手段可對實驗的數據信息、結果分析進行標準化和規范化。同時，利用本學校提供的仿真實驗室，為生物醫學工程學生在課后增加練習，可以提高學生獨立分析和解決問題的能力。除此之外當今世界上很多科學雜志在收集論文發表時都推薦作者采用MATLAB的分析方法，所以掌握這一方法來處理科研中所采集的數據，并進行分析是當今科學研究中科研人員必須掌握的工具，這為學生在今后從事科研活動奠定了一定基礎。

本文所開發了一套用于生物醫學工程專業醫學圖像處理實踐教學的軟件系統在我校生物醫學工程專業進行了一學期的學習和使用，現將該實驗軟件及使用情況向讀者做以下總結。

2 基于MATLAB的實驗教學軟件的實現

2.1醫學圖像處理實驗教學軟件的系統概述

為了提高學生的學習熱情及動手能力，該系統軟件設計前提為操作簡單，即使沒有計算機或MATLAB基礎的學生一樣可以正常操作及使用，整個軟件系統結構如圖2.1所示。

2.2醫學圖像處理實驗教學軟件的基本功能介紹

醫學圖像處理實驗教學軟件是基于MATLAB開發的提供圖形界面的操作簡單的軟件，該軟件是基于MATLAB提供的GUI開發工具箱及圖像處理工具箱開發完成，整個軟件界面簡潔，學生易操作，無論學生本身是否有計算機或是MATLAB基礎均可完成實驗內容。打開該軟件后，整個界面如圖2.2所示。登錄學號與姓名之后，選擇想要操作的實驗，點擊“確定”，即可開始。

（1）基本功能

目前實驗模塊包含八個基本圖像處理實驗，分別為：醫學圖像的直方圖顯示及均衡化處理、醫學圖像的銳化處理、醫學圖像的邊緣檢測、醫學圖像的幾何運算、醫學圖像的灰度變換、醫學圖像的代數運算、醫學圖像的分割處理、醫學圖像的三維重建。在每個實驗開始之前均有實驗目的、原理、要求及操作方法，詳細的介紹了該實驗的情況方便學生更深入的理解該實驗。無論任何一個實驗均需要完成對圖像的保存處理（單幅或多幅圖像），同時完成實驗后會提示學生實驗報告的要求和部分課后思考題。

圖2.1 醫學圖像處理實驗軟件系統結構Fig.2.1 The system structure of medical image processing experiment software

圖2.2 醫學圖像處理實驗軟件主界面Fig.2.2 The main interface of medical image processing experiment software

（2）拓展功能

針對學生學習的情況及計算機語言（MATLAB掌握情況）的了解程度，本實驗軟件系統還推出了拓展功能。針對上述八個實驗均可讓學生自己編程實現實驗結果。對于未掌握MATLAB語言的學生可以按照實驗要求按步驟進行點擊或者相關操作完成實驗。例如：醫學圖像灰度變換實驗中線性灰度變換實驗時，可以通過界面輸入灰度系數、亮度系數的數值來完成圖像的處理，也可通過點擊菜單欄中的“拓展功能”按鈕，在彈出MATLAB的M文件編輯器進行代碼編寫與執行。

2.3醫學圖像處理實驗教學軟件的教學應用演示

醫學圖像處理實驗軟件將從本校PACS系統提供的醫學圖像中選取需要處理的圖像，包含MRI、CT、X線、超聲等多種醫學圖像，下面就醫學圖像的灰度變換實驗作為演示向讀者進行演示。

（1）讀入圖像

打開軟件系統后，登錄學生的姓名及學號并選擇實驗五醫學圖像灰度變換，進入后，點擊“導入圖片”按鈕，選擇好要處理的圖像，彈出如圖2.3界面。可以看到圖像被讀入到系統軟件當中。

（2）處理圖像

醫學圖像的灰度變換實驗中，學生可以選擇線性灰度變換、對數變換、指數變換、開窗處理四個功能。其中線性變換需要學生輸入亮度、灰度系數，本次處理中亮度系數輸入20，灰度系數輸入2，點擊“執行”按鈕，可以看到如圖2.4所示的變化。

（3）拓展功能

圖2.3 醫學圖像灰度變換圖像讀入Fig.2.3 Reading medical image gray level transformation image

圖2.4 醫學圖像灰度變換處理結果（1）Fig.2.4 The results of medical image gray level transformation (1)

圖2.5 醫學圖像灰度變換處理結果（2）Fig.2.5 The results of medical image gray level transformation (2)

除此之外，可以使用菜單欄中的“拓展功能”，點擊后彈出MATLAB的M文件編輯器，這里即為上文提到的高級功能，能力較強的學生可以在這里進行編程處理，并進行圖像處理工作。將如下代碼輸入M文件當中，執行后可彈出圖2.5所示的結果。

clear;

close all;

I=imread(‘foot.jpg’);

a = 2; b = 20; %變換系數為2，亮度系數20

Iout = a*I + b;

figure(1);

subplot(121);

imshow(I);

subplot(122);

imshow(Iout);

3 總結

在一學期的實驗教學使用過程中，通過課堂演示及學生上機實驗情況來看，學生極大的提高了動手操作能力，不僅對醫學圖像處理課程學習產生了興趣，同時也對計算機、MATLAB的使用有了更多的心得，收到了良好的效果。在未來隨著計算機軟硬件的不斷高速發展，MATLAB相應的功能必定會不斷完善和強大，原本其已經很廣泛的應用范圍勢必會繼續增加，在生物醫學工程本科課程中，除了醫學圖像處理以外，還有很多課程較抽象難懂，可以以本次醫學圖像處理實驗軟件的教學改革方法作為基礎，將更多課程的實驗教學中加入這種以軟件操作為主的形式，作為一種嶄新的、直觀的教學方法，它增加了實驗課的趣味性和可操作性，以其圖形方式直觀表述抽象的知識點及數據內容具有特殊表現力，可以提高學生對問題的理解和對相應課程的興趣，具有較強的實用和推廣價值。

[1] 孫祥, 黃曉鳴. 基于MATLAB的集成化圖像處理系統[J].科學技術與工程, 2007, 7(20): 5386-5388.

[2] 鄧華. 淺談Matlab在數字圖像處理中的應用[J]. 科技資訊., 2006(8): 128-129.

[3] 周廣芬, 李鵬, 楊久義. 利用MATLAB圖像處理工具箱進行圖形數字化的研究[J]. 河北科技大學學報, 2005, 26(4): 309-312.

[4] 田捷、包尚聯、周明全. 醫學影像處理與分析[M]. 北京:電子工業出版社, 2003.

[5] 康曉東. 醫學影像圖像處理[M]. 北京: 人民衛生出版社, 2009.

[6] 聶東升、邱劍鋒、鄭建立. 醫學圖像處理[M]. 上海: 復旦大學出版社, 2014.

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

[8] 高向軍, 田聯房, 王立非等. 利用MATLAB實現醫學圖像處理與分析[J]. 計算機應用, 2008, 25(6): 1.

The Practical Teaching Reform of《Medical Image Processing》in Biomedical Engineering

DONG Mo, SU Kui*, ZHOU Zhi-zun, ZHOU Hong-suo
(Mudanjiang Medical University, Mudanjiang City, Heilongjiang 157000, China)

The course of medical image processing is the core course of biomedical engineering,It has great significance for students to learn this course well for their future employment and work.In this paper, we do some reform of the preliminary explorationin in the practice of the medical image processing course.Based on the study of MATLAB, a practical teaching software is designed and developed, it Changes the traditional teaching method, more vivid and intuitive to assist students in the image processing related courses to improve the students' interest in learning and hands-on skills.

Medical image processing; MATLAB; Practice teaching software; Biomedical Engineering

G434

: A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.009

黑龍江省高等教育學會“十三五”高等教育科研課題；黑龍江省教育廳科學技術研究項目

董默(1986-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫學院 醫學影像學院，生物醫學工程專業碩士，講師，主要研究方向：醫學圖像處理與生物信號處理；周志尊(1962-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫學院 醫學影像學院，碩士，教授，主要研究方向：醫學圖像處理；周鴻鎖(1971-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫學院 醫學影像學院，碩士，講師，主要研究方向：醫學信號處理

蘇奎(1981-)，男，黑龍江省牡丹江市人, 實驗師, 碩士, 主要研究方向為網絡技術。

本文著錄格式：董默，蘇奎，周志尊，等. 生物醫學工程專業《醫學圖像處理》實踐教學的改革[J]. 軟件，2017，38（2）：37-41