基于Matlab GUI的醫(yī)學(xué)圖像處理課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

基于MatlabGUI的醫(yī)學(xué)圖像處理課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)基于MatlabGUI的醫(yī)學(xué)圖像處理課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)圖像處理是圖像處理技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所產(chǎn)生的交叉學(xué)科，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，也具有知識面廣、理論難度大、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深的特點(diǎn)[1]。在醫(yī)學(xué)院校開設(shè)醫(yī)學(xué)圖像處理課程，不僅教授醫(yī)學(xué)生醫(yī)學(xué)圖像處理的根本原理、辦法及編程技術(shù)等，更重要的是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識的能力。

醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)需要課堂教授，更需要加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]，但由于課時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，傳統(tǒng)授課有時(shí)難以到達(dá)教學(xué)要求，而虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)敲纯蓮浹a(bǔ)這方面的局限[4]：通過將Matlab仿真技術(shù)與GUI界面設(shè)計(jì)引入到教學(xué)中，開發(fā)可視化的醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，既取得理想的教學(xué)效果，也可培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力和綜合應(yīng)用能力[5]。醫(yī)學(xué)生通過圖像處理仿真熟悉各種醫(yī)學(xué)圖像處理辦法的原理，并通過調(diào)整參數(shù)，了解參數(shù)變化對醫(yī)學(xué)圖像處理效果的影響。

1實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)思想是結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像處理的根本理論，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的辦法強(qiáng)化醫(yī)學(xué)圖像處理的根本思想與核心概念，為醫(yī)學(xué)生的理解和應(yīng)用提供幫忙[6]。

通過GUI界面，醫(yī)學(xué)生可選擇任意感興趣的工程或教師指定的工程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[7]。實(shí)驗(yàn)平臺還提供醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)課件、圖像處理Matlab編程的教學(xué)視頻、仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、拓展實(shí)驗(yàn)題等資料，醫(yī)學(xué)生可利用GUI界面隨時(shí)調(diào)入進(jìn)行自學(xué)。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺還提供腦腫瘤fmri處理例如，此例如選取于臨床影像三維顯示的實(shí)際應(yīng)用，幫忙醫(yī)學(xué)生了解如何將自己所學(xué)的圖像處理知識應(yīng)用到工作實(shí)踐中，從而提高醫(yī)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

根據(jù)教學(xué)方案的要求，醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺包含醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)內(nèi)容中所有典型的實(shí)驗(yàn)工程，具體內(nèi)容如下：

〔1〕圖像插值實(shí)驗(yàn)。主要分析最近鄰插值〔NearestInterpolation〕、雙線性插值〔BilinearInterpolation〕和雙三次插值〔BicubicInterpolation〕的原理[8]和Matlab編碼。

〔2〕圖像銳化實(shí)驗(yàn)。主要分析Roberts算子、Prewitt算子和Sobel算子的原理和Matlab編碼，并且比擬每種邊緣檢測算法對應(yīng)的6個(gè)結(jié)果，包括原圖、直接梯度輸出圖像、門檻判斷圖像、邊緣規(guī)定圖像、背景規(guī)定圖像和二值圖像。

〔3〕圖像去噪實(shí)驗(yàn)。主要分析均值濾波、中值濾波、維納濾波等圖像平滑處理算法[9]的原理和Matlab編碼。

〔4〕圖像融合實(shí)驗(yàn)。主要分析像素灰度值極大/極小融合法、加權(quán)平均融合法、傅里葉變換法的原理[10]和Matlab編碼。

〔5〕圖像分割實(shí)驗(yàn)。主要分析全局閾值法、大津閾值法、迭代法、最大熵分割法和部分閾值法等圖像分割辦法[11]的原理和Matlab編碼。

〔6〕頭動校正實(shí)驗(yàn)。主要研究投影法[12]配準(zhǔn)技術(shù)的原理與Matlab編碼，并且展示投影法頭動校正后的效果。

〔7〕三維可視化實(shí)驗(yàn)。主要研究基于體繪制的三維重建算法[13]原理與Matlab編碼。

示例，在圖像去噪實(shí)驗(yàn)中，參加噪聲的參數(shù)可由用戶自己輸入。針對噪聲圖像，醫(yī)學(xué)生可以選用不同的平滑算法，自行設(shè)置模板參數(shù)，進(jìn)行圖像去噪處理。通過察看加噪效果及比擬各種平滑處理算法處理后的結(jié)果，醫(yī)學(xué)生對平滑算法處理的針對性、參數(shù)取值范圍和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會比擬熟悉，從而到達(dá)教學(xué)目的〔具體操作過程見第3局部〕。

2實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)

使用Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境〔MatlabGraphicalUserInterfaceDevelopmentEnvironment，GUIDE〕創(chuàng)立GUI圖形界面是常用創(chuàng)立MatlabGUI的辦法，該辦法簡單易學(xué)，能方便實(shí)現(xiàn)圖形控件的各種功能。醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的GUI界面主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主界面、課件界面、實(shí)驗(yàn)名稱界面、各實(shí)驗(yàn)工程界面、教學(xué)視頻界面、腦腫瘤fmri處理例如界面等。

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺主界面的主要控件為7個(gè)按鈕〔PushButton〕。按鈕有多個(gè)功能，如函數(shù)的調(diào)入、界面之間的跳轉(zhuǎn)等。將所需控件移入GUI界面，再對各控件按照程序要求進(jìn)行屬性編輯，修改完成后，點(diǎn)擊GUI界面工具欄中的運(yùn)行按鈕，即可運(yùn)行設(shè)計(jì)完成的GUI界面，Matlab系統(tǒng)會自動生成相應(yīng)的M文件。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)，考慮到醫(yī)學(xué)圖像處理的理論知識較多，同時(shí)考慮到醫(yī)學(xué)生自學(xué)的要求，將課件與教學(xué)視頻按照由易到難的順序排列。按照教學(xué)要求，設(shè)置7項(xiàng)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析等工程，因此設(shè)置成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析和返回5個(gè)按鈕，以圖像去噪實(shí)驗(yàn)為例。

通過“實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析〞按鈕就可進(jìn)入仿真界面，進(jìn)行仿真分析，如圖1所示。選取相應(yīng)的文件，輸入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊對應(yīng)按鈕，即可對圖片進(jìn)行加噪去噪處理，并能直接察看比擬處理結(jié)果。

為培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)圖像處理知識的能力，實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)腦腫瘤fmri處理例如板塊。其內(nèi)容是對腦部fmri原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、放大、圖像分割、體重建等操作，對腦部進(jìn)行三維可視化[14]。腦部MRI圖像的三維顯示就是指利用一系列的二維腦部MRI圖像重建三維圖像模型并進(jìn)行定性定量分析的技術(shù)。通過三維重建可以科學(xué)、準(zhǔn)確地重建出被檢物體，防止傳統(tǒng)辦法中臨床醫(yī)生通過自己大《X想象的不確定因素[15]。醫(yī)學(xué)生只有親自對腦部fmri原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入、預(yù)處理、分割、重建等操作才能得到如圖2所示的腦部輪廓三維圖，從而初步認(rèn)識自己所學(xué)圖像處理技能的組合應(yīng)用，明確醫(yī)學(xué)圖像處理對臨床診斷與治療規(guī)劃的意義，到達(dá)學(xué)以致用的效果。3仿真實(shí)例分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)工程都提供仿真演示例如。以圖像去噪實(shí)驗(yàn)為例，如圖3所示。首先參加方差為0.02的高斯噪聲，修改完參數(shù)后，點(diǎn)擊參加噪聲按鈕就能得到噪聲圖像，如果均值參數(shù)修改為除0以外的任何數(shù)，那么不會顯示任何圖像。然后針對生成的噪聲圖像，對其進(jìn)行中值濾波處理、均值濾波處理和維納濾波處理。每次進(jìn)行處理前，都需要輸入模板尺寸，模板尺寸越大，去噪效果越明顯，但是圖像喪失信息也會更加嚴(yán)重。醫(yī)學(xué)生可通過反復(fù)修改模板尺寸，比對每次處理結(jié)果，選出最正確的模板參數(shù)。進(jìn)行三種濾波處理后，醫(yī)學(xué)生可根據(jù)三種濾波處理后的結(jié)果來總結(jié)每種濾波處理的特點(diǎn)與效果。最后，醫(yī)學(xué)生如果有學(xué)習(xí)或者校驗(yàn)代碼的需要，可以點(diǎn)開對應(yīng)的主要代碼查看按鈕進(jìn)行代碼查看。

4虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的使用與評價(jià)

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的Matlab文件編譯完畢后，生成的可執(zhí)行文件需要Matlab運(yùn)行環(huán)境的支持，如果要將此軟件發(fā)布到其他沒有Matlab運(yùn)行環(huán)境的機(jī)器，還需要進(jìn)行一項(xiàng)工作，即打包Matlab組件運(yùn)行環(huán)境〔MatlabComponentRuntime，MCR〕[16]。倡議采用專業(yè)的安裝包制作軟件SetupFactory將MCR與軟件一起打包，設(shè)置代碼使得安裝包解壓完畢后，自動安裝MCR。安裝完成后，點(diǎn)擊編譯的Matlab可執(zhí)行程序，即可運(yùn)行醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

經(jīng)過醫(yī)學(xué)圖像處理選修課投入使用后，醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著提高。除課堂授課外，大多數(shù)醫(yī)學(xué)生在課后通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行理論自學(xué)和題目自測，使得總體考核成績明顯回升，教學(xué)質(zhì)量顯著提