“医学影像处理”课程实验软件的开发

黄力宇，黄登凤，张 园

(西安电子科技大学生命科学技术学院，陕西西安 710071)

0 引言

“医学影像处理”是生物医学工程专业的一门重要专业基础课［1］。目前，相关教材的版本很多，有些教材配有实例图示，但大都是以理论描述为主。由于缺少合适的实验系统，学生很难深入理解图像处理过程中涉及的一些概念和算法。因此，开发一套配套理论教学使用的教学软件很有必要。

近年来，我们基于VC++6.0环境开发了“医学影像处理”课程的教学软件［2］，一方面可供课堂教学使用，在课堂中展示生动的图例分析，通过比较影像处理前后的效果来提高学生对教学内容的直观感受。另一方面，图例还供学生课后有针对性地做一些实验，巩固课堂所学理论，给学生提供一个互动的实践平台。

本实验软件包含的基本模块有:图像变换、图像配准、图像分割、形态学变换、图像复原、图像增强和图像压缩等，各个模块又包含了不同的实现算法［2］。系统的整体框架如图1所示。下面对几个主要功能进行举例说明。

1 界面设计

图1 医学影像处理软件实验系统整体框架

“医学影像处理”课程教学软件系统采用多文档(MDI)界面，根据Windows的界面标准和软件系统的功能设计，主菜单中包括文件、编辑、点运算、几何变换、图像增强、形态学变换、边缘与轮廓、图像分析、图像复原、图像编码、查看、窗口以及帮助等菜单项。同时通过对话框操作可以实现医学影像的交互处理，方便学生操作。

本软件界面友好，所有需要确定参数的算法都有设置参数的对话框，学生可以输入不同的参数，方便地比较不同参数条件下的影像处理效果，从而理解不同参数对处理结果的影响，进而更深刻地认识处理算法。图2给出了几种不同功能的界面截图。

图2 实验软件的几个界面截图

2 图像变换和图像平滑

图像变换包括正交变换和几何变换两个类别。正交变换又可分为非正弦类正交变换和正弦类正交变换两类，本软件实现了Fourier变换、余弦变换和Walsh变换等几种典型的正交变换功能;几何变换则包括空间平移、比例缩放、旋转和非线性扭曲等，其中使用最多的是图像的缩放和旋转。本软件实现了图像平移、垂直和水平镜像、图像缩放、图像转置和图像旋转等功能，图3显示了一副小腿部X光片及其垂直镜像。

图3 小腿部X光片及其垂直镜像

图像平滑的目的包括改善图像质量和提取对象特征。图像平滑可以在空间域进行，也可以在频率域进行。在空间域中，图像平滑常用的算法有均值滤波和中值滤波［3］。中值滤波是一种非线性的信号处理方法，在一定的条件下可以克服线性滤波器所带来的图像细节模糊。图4给出了一幅利用本软件系统实现的对加入噪声的腹部CT图像进行平滑处理得到结果。

图4 加入噪声的腹部CT图像及其平滑后结果

3 图像分割

图像分割就是指把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程，这里的特性可以是像素的灰度、颜色、纹理等单独或者综合的特征［3］。根据像素特征在目标区域内部性质一致性和区域间边界上不连续性，分割算法可以分为基于边缘的分割算法和基于区域的分割算法。本实验软件实现了基于边缘的图像分割算法、基于轮廓的图像分割算法和基于Hough变换的图像分割算法。基于边缘的图像分割软件分可以别实现Roberts，Sobel、Prewitt，Kirsch 及 Gauss-Laplace 算子形成的算法。图5给出一幅基于边缘的图像分割算法提取的腰椎磁共振图像的分割像。图6给出一幅基于轮廓的图像分割算法提取的血细胞图像的边界图像。

图5 腰椎的磁共振图像及图像分割结果

图6 血细胞图像以及分割结果

4 图像复原和图像配准

图像复原试图利用退化过程的先验知识来重建或复原被退化的图像，因此图像复原也可以看成是图像退化的逆过程，是将图像退化的过程加以估计，建立退化模型，补偿退化过程造成的失真，从而获得未经干扰退化的原始图像或原始图像的最优估值，从而改善图像质量［3］。如图7给出了一幅利用本软件处理的被噪声污染的腹部冠状切面磁共振影像以及对其进行图像恢复后的结果。

图7 图像复原的效果对比

图像配准是将不同时间、不同传感器或不同条件下(光照、天气、角度和摄像位置等)获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程。根据特征空间、相似性准则和搜索策略这三个元素选择的区别，图像配准的基本方法可以分为基于变换域的图像配准方法、基于特征的图像配准方法、基于灰度统计信息的图像配准方法［3］等。本软件实现了这些图像配准方法，其中基于灰度统计信息的方法又包括互相关法(也称模板匹配法)、序贯相似度检测匹配法和互信息法等。图8给出了两幅图像进行互信息配准的结果。

图8 基于互信息的图像配准示例

5 结语

本文着重介绍了本实验室开发的、为“医学影像处理”课程教学配合使用的一套软件实验系统。限于篇幅原因，本文仅简要讨论了其中的部分功能，没有给出算法实现的具体细节。本软件系统成功地实现了医学影像处理领域的大部分常见算法，可以满足基本的教学要求，具有很好的可扩展性，可以非常方便地增加新的处理算法。另外，软件界面友好，需要设置参数时都会有相应的对话框弹出。

目前版本的软件实验系统还存在一些不足的地方。例如医学影像的成像方式是多样的［4］，不同的成像方式给出的影像各有其特点，本软件暂时没有考虑其中的差异;再比如目前版本的软件仅适合对BMP格式图像的处理，今后可增加对其他图像格式的支持;软件处理算法还应继续完善，还可以添加一些经过学生自己改进的算法，以最终形成功能不断丰富的教学实验系统。尽管如此，迄今的实际使用表明，本实验软件对提高学生的动手能力、加深对所学理论的理解都有重要价值，值得进一步完善和推广使用。

［1］黄力宇，赵静，李超.医学影像的数字处理［M］，北京:电子工业出版社，2012

［2］张园，医学图像处理教学实验系统的设计及应用［D］，西安电子科技大学硕士学位论文，2012

［3］冈萨雷斯.数字图像处理［M］.北京:电子工业出版社，2005

［4］黄力宇.医学成像的基本原理［M］，北京:电子工业出版社，2009