MATLAB在生物工程中的應(yīng)用論文

1、計(jì)算機(jī)在生物工程中的應(yīng)用GUI界面的設(shè)計(jì)學(xué)校：中南大學(xué)班級：生技0801姓名：bing學(xué)號：xxxxxxxx一、 綜述在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)建模之時(shí)，我就經(jīng)常聽到老師對MATLAB的介紹，隨著建模課程的深入，我逐漸應(yīng)用到了一些初級MATLAB編程，解矩陣、算模型等一系列應(yīng)用，當(dāng)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)在生物工程中的應(yīng)用這門課后，我真正認(rèn)識到了MATLAB實(shí)用價(jià)值。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB由

2、一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（

3、例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握MATLAB程序設(shè)計(jì)的基本知識，熟悉MATLAB語言及其在科學(xué)及其在科學(xué)計(jì)算中的運(yùn)用； 2. 學(xué)習(xí)科學(xué)計(jì)算的可視化，圖象分析技術(shù)；3. 掌握MATLAB的應(yīng)用軟件GUI設(shè)計(jì)；4. 掌握生物工程中的數(shù)據(jù)處理；5. 全面了解MATLAB在生物工程專業(yè)有關(guān)課程中的應(yīng)用。三、解

4、題過程通過對GUI界面的編輯可以得到如下的一副綜合界面圖片：對彩色圖像取任一顏色分量的圖像或轉(zhuǎn)換成灰度圖像進(jìn)行分析，可以測定白色區(qū)域的個(gè)數(shù)、面積和平均面積。 根據(jù)原題要求，利用GUI界面完成上述操作首先是對彩色圖像轉(zhuǎn)變成灰度圖像的操作，為了更好的完善此功能，我分別對彩圖能夠進(jìn)行灰度的轉(zhuǎn)換以及藍(lán)色、紅色、綠色像素的提取，而且還加入了彈出對話框的功能，如果原圖已經(jīng)是彩色圖像，則會出現(xiàn)對話框提醒。具體圖像顯示如下： 原圖 灰度 blue green red如果已經(jīng)是灰度圖像了，在對其進(jìn)行灰度化或者是提取像素，則會跳出對話框，顯示原圖像以是灰度圖像，不能再進(jìn)行轉(zhuǎn)化。第一題：增加細(xì)菌圖象處理軟件GUI界

5、面的功能,使得可以測量照片1（fig0.jpg）中藍(lán)色區(qū)域的個(gè)數(shù)與平均面積（以像素為單位），給出測量結(jié)果及截圖。（照片1是癌癥Hela 細(xì)胞藍(lán)色DNA, 紅色微管蛋白，綠色核有絲分裂器蛋白）照片1癌癥Hela 細(xì)胞由于所需藍(lán)色區(qū)域極為目標(biāo)區(qū)域，所以只需對藍(lán)色區(qū)域提取像素，從而就能夠分析得到它的個(gè)數(shù)和平均面積， 利用我制作的GUI界面中，我們可以按如下步驟得到所需的數(shù)據(jù)，一下用圖片來示意具體過程：第一步：打開圖像第二步：圖像轉(zhuǎn)換（取藍(lán)色部分）第三步：黑白圖片（閾值100）第四步：目標(biāo)測量由第四步目標(biāo)測量，我們可以得到，白色區(qū)域的個(gè)數(shù)為168個(gè)，即藍(lán)色部分個(gè)數(shù)為168個(gè)，平均面積由目標(biāo)面積/個(gè)數(shù)所

6、得，最終為256.654個(gè)像素。第二題：照片2（fig1.jpg）中標(biāo)尺的最小刻度是5毫米，請測量照片2中病變區(qū)域（白色）的個(gè)數(shù)、平均面積和占脾臟的面積百分?jǐn)?shù)（使用自動(dòng)閾值轉(zhuǎn)變成黑白圖像，不要進(jìn)行腐蝕與膨脹處理）。照片2 曲霉菌侵襲的脾臟病變照片該要求可以通過具體對GUI的操作來實(shí)現(xiàn)，但由于所給圖片較為復(fù)雜，需要處理過后求出整塊肝臟的面積和病變面積，才能夠算出脾臟的病變率，所以需要多不才能完成。具體步驟如下：打開圖片-黑白圖片（閾值120）-手工充填-反色負(fù)像-手工充填-反色負(fù)像-求得病變面積、病變區(qū)域面積和平均面積 由圖可以看到所得病變面積為8903.625，病變個(gè)數(shù)為607個(gè)，目標(biāo)面積為8

7、903.625，平均面積為14.6682。按照同樣的方法，具體步驟如下：打開圖片-黑白圖片（閾值120）-手工充填-反色負(fù)像-自動(dòng)充填-反色負(fù)像-求得肝臟總面積最終處理候的圖片如下：因?yàn)橐呀?jīng)得到肝臟總面積和病變面積，所以得到病變率=病變面積/肝臟總面積，計(jì)算結(jié)果如下圖：為了加強(qiáng)結(jié)果的直觀性，我設(shè)定了一個(gè)彈出框來獨(dú)立顯示結(jié)果，由圖中可知，GUI界面輸出病變率為9.9296%第三題：在GUI界面增加自動(dòng)連續(xù)腐蝕并計(jì)數(shù)的功能，使得可以不斷用4-鄰域腐蝕操作腐蝕照片病變區(qū)域，同時(shí)測量腐蝕病變區(qū)域個(gè)數(shù)，一直腐蝕到病變區(qū)域消失為止，在可編輯文本框中輸出腐蝕次數(shù)與剩余病變區(qū)域個(gè)數(shù)的測量結(jié)果。由于要使用4-鄰

8、域的腐蝕操作，我們必須現(xiàn)在復(fù)選框中選定4-鄰域選項(xiàng)，然后再使用連續(xù)腐蝕按鈕，具體步驟如下：打開圖片-黑白圖片（閾值120）-手工充填-反色負(fù)像-手工充填-反色負(fù)像-連續(xù)腐蝕最終效果如圖：圖中的原始數(shù)據(jù)顯示為（前面一位為腐蝕次數(shù)，后面一位為剩余病變個(gè)數(shù)）· 0-607· 1-286· 2-133· 3-55· 4-15· 5-2· 6-1· 7-0第四題：在GUI界面中增加一元非線性模型的建模的功能，軟件可自動(dòng)讀取在可編輯文本框中輸入的建模數(shù)據(jù)來建模，模型參數(shù)從另外的可編輯文本框輸出，要求可以選擇不少于兩種的模型形式

9、，其中要包含多項(xiàng)式回歸模型，并能繪圖表現(xiàn)原始數(shù)據(jù)點(diǎn)和模型曲。為了能夠解決該題，我設(shè)置了兩個(gè)函數(shù)分別為logistic函數(shù)和polyfit函數(shù)，通過圖區(qū)文本框中的數(shù)字，兩個(gè)函數(shù)可以擬合出相應(yīng)的曲線，并且通過plot繪制出圖形在GUI界面中顯示出來。下面就以polyfit函數(shù)和logistic函數(shù)來舉例具體說該按鈕的功能。具體步驟如下：輸入數(shù)據(jù)-求解方式和曲線形式-數(shù)學(xué)建模通過輸入一組數(shù)據(jù)，分別利用logistic函數(shù)和polyfit函數(shù)擬合，得出如下圖：Logistic函數(shù) Polyfit函數(shù)在進(jìn)行多項(xiàng)式回歸擬合前，先確定所需要的擬合次數(shù)，已達(dá)到最佳的擬合效果。在這里我輸入3，即以三次方程來對改

10、組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合第五題：用3題的測量結(jié)果和4題增加的功能，以腐蝕次數(shù)為自變量，剩余病變區(qū)域個(gè)數(shù)為因變量，用不少于兩種的模型形式分別建立數(shù)學(xué)模型，并繪圖給出原始數(shù)據(jù)點(diǎn)和模型曲線，比較不同數(shù)學(xué)模型的好壞（可以用剩余標(biāo)準(zhǔn)差判斷），選出最好的數(shù)學(xué)模型。由題意可知，我們需要利用第三題中分析得到的兩個(gè)變量結(jié)合第四題中的建模功能，分析出兩種模型曲線的優(yōu)劣，而判定優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)我們利用剩余標(biāo)準(zhǔn)差判斷，即殘差平方來確定。Logistic函數(shù)Polyfit函數(shù)在進(jìn)行多項(xiàng)式回歸擬合前，先確定所需要的擬合次數(shù)，已達(dá)到最佳的擬合效果。在此，我們優(yōu)化得到次數(shù)為3。擬合后所得圖像如下：由殘差的平方和我們看到當(dāng)函數(shù)logistic

11、時(shí)，殘差平方為11481.9331，當(dāng)函數(shù)polyfit時(shí)，殘差的平方為2879.3812，因此，我們可以確定polyfit擬合出來的函數(shù)更加的接近真實(shí)情況，該模型更好。四、學(xué)習(xí)心得通過一個(gè)學(xué)期對MATLAB的學(xué)習(xí)，我不僅學(xué)到了MATLAB的基礎(chǔ)應(yīng)用，還能夠?qū)^低端的GUI界面進(jìn)行編輯，應(yīng)用到實(shí)際工程中去。通過GUI界面的了解，我認(rèn)識到了他在工程應(yīng)用中的價(jià)值，特別是對生物工程，記起曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室顯微鏡下數(shù)菌的慘相，我深刻感受到GUI界面的價(jià)值，如果當(dāng)時(shí)能有GUI界面來對照片進(jìn)行編輯，那就可以直接利用電腦來對菌落進(jìn)行計(jì)數(shù)，這不僅能夠在實(shí)驗(yàn)中減少人為的誤差，還能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，大大的提高實(shí)驗(yàn)效率，而

12、時(shí)間在現(xiàn)代的社會生活中的地位是無可替代的，誰能夠掌握時(shí)間誰就能夠獲得更多的成績。在學(xué)習(xí)的過程中，我從跟著老師一起模仿學(xué)習(xí)編輯GUI界面，將完整的函數(shù)程序按部就班的放入到M文件中，并且不斷的對簡單的灰度圖象進(jìn)行處理，如對米粒圖象的處理，先將其取輪廓線，然后自動(dòng)充填，對封閉的區(qū)域進(jìn)行填充，再利用手動(dòng)切割功能，將連在一起的米粒切開，然后腐蝕膨脹，最后利用計(jì)數(shù)功能將單個(gè)的米粒計(jì)算出來。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，最復(fù)雜的要算是數(shù)學(xué)模型的建立了，在這一按鈕設(shè)計(jì)中，不僅要對游離的數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取進(jìn)行建模，還要畫出擬合圖像，并且對其的殘差平方進(jìn)行比較得出較好的模型。而在編程中，自動(dòng)讀取讓我百思不得其解，經(jīng)過與同學(xué)的交流，

13、最終將這個(gè)函數(shù)優(yōu)化了出來，并且能夠正常地運(yùn)行，得到所需要的數(shù)據(jù)與所需圖形。在編輯完程序后，我還將界面進(jìn)行了修飾，力求將界面美化，便于自己能夠清晰的利用界面進(jìn)行一些常規(guī)的操作。五、 附錄打開圖像global I I0FileName,PathName=uigetfile('*.*','open files');FileName=strcat(PathName,FileName);I0=imread(FileName);I=I0;imshow(I);取輪廓線global Ialgorithm=get(findobj('Tag','popupm

14、enu4'),'string');n=get(findobj('Tag','popupmenu4'),'value');I=edge(I,algorithmn,:);imshow(I);圖像轉(zhuǎn)換global I I0t=get(findobj('Tag','popupmenu8'),'string');n=get(findobj('Tag','popupmenu8'),'value');t=tn,:; if strcmp(t,&

15、#39;gray')&isrgb(I) I=rgb2gray(I);imshow(I);elseif strcmp(t,'red')&isrgb(I) I=I(:,:,1);imshow(I);elseif strcmp(t,'green')&isrgb(I) I=I(:,:,2);imshow(I);elseif strcmp(t,'blue')&isrgb(I) I=I(:,:,3);imshow(I);elseif strcmp(t,'color') I=I0;imshow(I);el

16、se msgbox('It is the gray one already!','Note');end反色負(fù)像global II=I;imshow(I);分割連體global II=improline(I);function I=improline(I,n)if nargin=2,n=8;elseif n=4,n=8;endCX,CY,C=improfile;while length(CX)>1 k=1; Xk=round(CX(k); Yk=round(CY(k); C=I(Yk,Xk); while k<length(CX) k=k+1; if

17、abs(CX(k)-Xk)>0.5 Xk=Xk+sign(CX(k)- Xk); if n=8,I(Yk,Xk)=C;end end if abs(CY(k)-Yk)>0.5 Yk=Yk+sign(CY(k)-Yk); if n=8,I(Yk,Xk)=C;end end if n=4,I(Yk,Xk)=C;end end imshow(I); CX,CY,C=improfile;end自動(dòng)補(bǔ)洞global II=imfill(I,'holes');imshow(I);手工填充global II=imfill(I);imshow(I);腐蝕圖像global ISE=z

18、eros(3);for k=1:9SE(k)=get(findobj('Tag',strcat('checkbox',num2str(k),'value');endI= imerode(I,SE);imshow(I);膨脹圖像global ISE=zeros(3);for k=1:9SE(k)=get(findobj('Tag',strcat('checkbox',num2str(k),'value');endI= imdilate(I,SE);imshow(I);異或圖像global I I0I

19、= xor(I,I0);imshow(I);暫存圖像global I I0I0=I;imshow(I);黑白圖像global Ilevel=str2num(get(findobj('Tag','edit28'),'String');if (level>0)&(level<255) level=level/255;else level=graythresh(I);endI=im2bw(I,level);imshow(I);像素標(biāo)定global I lL=str2num(get(findobj('Tag','

20、;edit22'),'string');x,y=getline;l=L/sqrt(x(2)-x(1)2+(y(2)-y(1)2);set(findobj('Tag','edit23'),'string',num2str(l);set(findobj('Tag','edit24'),'string',num2str(l*l);目標(biāo)測量global I N=bweuler(I,4)A=bwarea(I) set(findobj('Tag','edit27&

21、#39;),'string',num2str(N);set(findobj('Tag','edit26'),'string',num2str(A);set(findobj('Tag','edit25'),'string',num2str(A/N);輸入數(shù)據(jù)global ay=get(findobj('Tag','edit17'),'string');x=get(findobj('Tag','edit32'

22、),'string');if isempty(a) a=strcat(x,'-',y);else a(end+1)=strcat(x,'-',y);endset(findobj('Tag','listbox4'),'string',a);連續(xù)腐蝕global b ai=0;pushbutton35_Callback();a=get(findobj('Tag','edit27'),'string');n=str2num(a);a=strcat(num2s

23、tr(i),'-',a);b=a;while (n>0), i=i+1; pushbutton24_Callback();pushbutton35_Callback(); a=get(findobj('Tag','edit27'),'string'); n=str2num(a); a=strcat(num2str(i),'-',a); b(end+1)=a;endset(findobj('Tag','listbox4'),'string',b);、清除數(shù)據(jù)glo

24、bal aa=;set(findobj('Tag','listbox4'),'string',a);數(shù)學(xué)建模data=get(findobj('Tag','listbox4'),'string');l=length(data);for i=1:1:l str=datai,:; k=strfind(str,'-'); x(i)=str2num(str(1:k-1); y(i)=str2num(str(k+1:end);endM=get(findobj('Tag',

25、9;popupmenu6'),'string');M=Mget(findobj('Tag','popupmenu6'),'value'),:;if strcmp(M,'Logistic') abc0=1,1,0.5;abc=lsqcurvefit(fun,abc0,x,y);factor=abc; elseif strcmp(M,'polynomial') prompt='Input Number'title='Input Number'numlines=1;answer=inputdlg(prompt);m=str2num(answer1); factor=polyfit(x,y,