医学影像计算机辅助分析系统的设计与应用
2019-12-06赵若晗高杨苏奎于广浩李永生董默
赵若晗 高杨 苏奎 于广浩 李永生 董默
摘 要： 计算机技术的高速发展使得软件在各个行业领域中的应用已经越来越广泛，尤其在医学图像处理领域，合理有效的医学图像可以为临床医师的诊断提供有力的依据，医学图像已经成为现代医学不可或缺的一部分。本文以MATLAB为基础，设计并实现了一种便携式医学影像计算机辅助分析系统，充分利用了MATLAB图像处理工具箱、以及MATLAB提供的GUI开发界面。为医院医技科室提供了一个操作简单，携带方便，功能丰富的影像处理分析系统，有效的辅助了医师和技师的医学图像处理工作，也为高校医学图像处理教学改革提供了新的思路。
关键词： 医学图像处理;MATLAB;GUI;计算机辅助
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.016
本文著录格式：赵若晗，高杨，苏奎，等. 医学影像计算机辅助分析系统的设计与应用[J]. 软件，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
計算机技术的高速发展使得软件在各个行业领域中的应用已经越来越广泛，尤其在医学中，近年来计算机辅助医学也在高速发展。在医学领域中，医学图像处理是一门十分重要的技术，医学图像处理是一门综合了数学、计算机科学和医学影像学等学科的交叉科学。各种类型的现代医疗诊断与成像设备在临床医学中占有不可替代的作用，他们提供了大量的医学图像信息[1]。合理有效的医学图像可以为临床医师的诊断提供有力的依据，因此，如何更好的完成医学图像处理任务，一直是现代医学研究的重要课题。
笔者自工作以来一直计从事算机编程与医学图像处理相关工作，在2016年至今发表过多篇关于医学图像处理软件相关的文章，其中笔者带领学生在2016年黑龙江省大学生创新创业立项中发表论文《基于MATLAB的医学图像处理系统设计与应用》[1]，在2017年发表论文《生物医学工程专业<医学图像处理>实践教学改革》[3]，在2018年发表论文《医学图像三维重建系统设计与应用》[5]，除此之外针对笔者所在的地方医学高校中《医学图像处理》课程也进行了一系列的教学改革，以上研究内容均是使用计算机软件完成的。
经过笔者近年来得研究得知，目前CT、MRI及核医学成像设备图像均由其自带的平台软件来处理。主要的医学影像设备制造商的工作站都安装有功能强大的医学影像分析与后处理软件[1]。笔者一直认为虽然大型医疗设备自带的平台软件专业性强、功能强大、图像清晰，但他们均与大型设备绑定、影像处理相对功能单一、且操作人员受限，因此，笔者也一直着力开发一套高效、便捷的医学影像计算机辅助分析系统。本文正是在笔者一系列研究的背景下，综合之前研究内容且进一步扩展而完成的。
1 医学影像计算机辅助分析系统功能框架
自2016年开始，笔者一直以MATLAB软件作为研究图像处理系统的基础软件，主要是由于MATLAB强大的图像处理工具箱以及其全面的GUI界面系统[6]。且MATLAB应用广泛，易于与其他相关专业结合，无论从科研角度还是针对学生教学工作都是非常优秀的工具。由于其应用的广泛性，关于MATLAB的特点及功能本文不再赘述。
本医学影像计算机辅助分析系统是以MATLAB为基础核心设计软件，充分利用了MATLAB图像处理工具箱所提供的上百个图像处理函数。且使用MATLAB图形界面GUI开发工具完成系统界面开发，其主要的功能如下面框图1所示。
从系统功能框图能看出，本系统并非数字图像处理中拥有繁琐算法的功能罗列，而是主要针对医学图像处理中常见的图像预处理功能而进行设计的，它能满足医技科室医师和技师的操作需求，且方便易使用。
2 医学影像计算机辅助分析系统功能介绍
2.1 医学影像计算机辅助分析系统的模块介绍
从图1中可以看出，本系统的主要功能模块包括5部分：
1. 医学图像输入输出模块：医学图像的格式转换及保存输出功能;
2. 医学图像运算模块：包括主要的图像点运算、几何运算、代数运算等功能;
3. 医学图像分割模块：包括阈值分割和常见的边缘提取功能;
4. 医学图像增强模块：包括主要的频域和空域滤波功能以及直方图处理功能;
5. 医学图像三维重建模块：包括体绘制和面绘制功能以及三维图像的視图设置功能。
在设计此系统时，分模块设计的好处是，每个模块具有独立的工作界面，功能清晰，除了操作简单外，可扩展性也很强，为后续继续添加新功能做了准备。
2.2 医学影像计算机辅助分析系统的界面和功能介绍
在普通电脑安装MATLAB软件后即可体验本医学影像计算机辅助分析系统，运行系统后主界面如图2所示。
1. 医学图像输入与输出功能
点击图2界面中的“医学图像输入输出”按钮，弹出图3所示的界面。
在此界模块功能下，用户可完成医学图像的格式转换工作，支持将常见图像格式进行互相转换，支持医学图像DICOM格式。除此之外，可以将医学图像进行二值化或去彩色处理。
2. 医学图像运算功能
点击图2界面中的“医学图像运算”按钮，弹出图像运算的模块，在此模块内，用户可以完成医学图像的一系列运算。
点运算：包括线性变换（对比度，亮度调节），非线性变换（指数变换、对数变换），开窗运算。
几何运算：包括图像缩放，图像平移，图像旋转。
代数运算：加法运算，减法运算。
如图4所示，使用图像运算模块完成图像的对数运算。图5完成两幅图像的加法运算。
3. 医学图像分割功能
点击图2界面中的“医学图像分割”按钮，弹出图像分割的模块，在此模块内，用户可以完成医学图像的分割处理。
阈值分割：选择合适的阈值对原始图像进行阈值分割处理。
边缘检测提取：包括以下五种Canny算子、Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子提供的边缘检测处理。
如图6所示，分别使用图像分割模块完成阈值为210的图像分割处理和使用Sobel算子完成医学图像的边缘提取。
4. 医学图像增强功能
点击图2界面中的“医学图像增强”按钮，弹出图像增强的模块，在此模块内，用户可以完成医学图像的增强处理。
直方图增强：包括直方图均衡化和直方图规定化处理。
空域滤波：包括可设置模板系数的均值滤波和中值滤波处理。
频域滤波：包括理想、巴特沃斯和高斯的高、低通滤波处理。
如图7所示，使用图像增强模块完成模板为5*5的中值滤波处理。图8为直方图均衡化处理效果。
5. 医学图像三维重建功能
点击图2界面中的“医学图像三维重建”按钮，弹出图像三维重建的模块，在此模块内，用户可以完成医学图像的三维重建处理。需要注意的是，本模块下图像导入不再是单独文件而是多个图像文件。
三维重建处理：包括体绘制和面绘制。
三维视图设定：包括照明模式、面颜色、边框颜色和观察视角。
如图9所示，使用图像三维重建模块完成MRI图像的三维重建，设置面颜色为黄色，边框无颜色，Phong照明模式并且设置好方位角、俯仰角角度进行观察[5]。
3 总结
医学影像计算机辅助分析系统是自2016年开发第一个图像后处理系统后不断完善延续而实现的。到目前为止这套系统具有以下的优势：
1. 便携：无需再与大型医疗设备绑定使用，无论在任何地点只需要一台电脑安装MATLAB即可使用;
2. 功能完善丰富：随着几年来得不断完善充实，目前已经可以保证大部分图像预处理功能得以实现;
3. 操作简单，一般人员无需任何计算机基础均可以使用，可以有效的辅助医院医技科室医师和技师;
4. 用途广泛：除在医院中使用外，本系统作为辅助教学的系统也很实用，并且在开发的过程中已经在我校生物医学工程专业《医学图像处理》实践课中使用并测试，其中部分功能是学生辅助研发的，既锻炼了学生的动手能力，也让学生更好的学习了图像处理手段方法。
本系统除上述优势外也有自身的不足，MATLAB本身的算法非常强大，但是其在三维重建上与目前很多专业的3D处理软件仍有差距，究其原因主要由于MATLAB依靠编程来实现且MATLAB功能并非只局限于图像处理。今后笔者将继续研究其他三维重建软件如MIMICS等来进一步完善系统的功能。也会不断充实系统的功能加入诸如融合配准等技术，进一步为医院和高校服务。
参考文献
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