基于MATLAB的醫學圖像處理系統設計與應用

閆秋孟，林 超，高 佳，于 堯，李昕亞，董 默

基于MATLAB的醫學圖像處理系統設計與應用

閆秋孟，林 超，高 佳，于 堯，李昕亞，董 默*

(牡丹江醫學院 醫學影像學院, 黑龍江 牡丹江 157000)

隨著現代醫學的高速發展，醫學影像技術以高效、經濟、無創等優點在醫療活動中得到廣泛應用。醫學圖像已經成為現代醫學不可或缺的一部分，它的質量直接關系到醫生診斷和治療的準確性。本文以MATLAB為基礎，設計并實現了一種便攜式醫學圖像處理軟件系統，其利用MATLAB軟件的圖像處理、GUI開發等工具箱，深入的介紹了醫學圖像處理相關功能。并以具體的操作和醫學實例介紹了MATLAB在醫學圖像處理中的應用和方法

醫學圖像處理；MATLAB；DICOM；醫學開窗技術

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。

長期以來，放射科醫生對醫學圖像所包含的信息的解讀仍然停留在定性階段。隨著醫學成像技術特別是數字化醫學影像技術的發展，對醫學圖像信息的定性解讀方式已經不能滿足臨床的需求。僅憑借醫生自身的經驗容易產生漏診和誤診，而且每位醫生對影像信息的解讀會不同，因此，對醫學圖像的定量分析是醫學影像學發展的必然要求。在此背景下，醫學圖像處理與分析技術應運而生，且發展迅速。

醫學圖像處理與分析就是根據臨床特定的需要利用數學方法及計算機軟件，在眾多軟件當中，尤其屬MATLAB應用最為廣泛，對醫學圖像進行各種加工和處理，突出有用的臨床信息、抑制無用信息以便為臨床提供更多的診斷數據。MATLAB是一款功能強大的軟件，它包含許多工具包，用于解決各類問題，用戶可以通過使用這些工具包，非常便捷地進行計算、分析和設計工作，而MATLAB圖像處理工具箱就是其工具包之一[1-3]。MATLAB軟件中圖像處理功能之所以強大，是由于它能夠極大限度發揮其數組、矩陣計算的優勢，不必在意圖像的格式等細節處理，多樣的函數能夠實現復雜的圖像處理功能，并且還能通過算法的研究和優化來進一步提升圖像處理技術，這樣能夠大幅提高工作效率。此外，在檢查這些算法時不僅能夠便捷地獲得統計數據，還能得到直觀的圖示。臨床中對各種醫學圖像進行后處理時，常需要與大型醫療設備配合使用，圖像處理常常與大型醫療設備綁定且無法移動，而且對于醫學圖像DICOM格式普通的電腦無法讀取，患者除實片外無法從醫院外實際了解到更多病患情況，多種圖像后處理功能無法配合使用。開發設計的本系統是基于MATLAB軟件提供的GUI開發（軟件界面）方法，加上其非常完備的圖像處理工具箱（多種前端圖像處理手段），讓醫學圖像處理功能不再依賴于大型醫療設備，而變的更加便攜化（只需一臺筆記本電腦），更好的為影像學科服務。

1 基于MATLAB的醫學圖像處理系統實現

1.1醫學圖像處理系統的系統概述

根據本文研究的內容,所設計的醫學圖像處理系統應包含的功能模塊可以用圖2.1表示。

圖2.1 醫學圖像處理系統結構功能圖

醫學圖像處理系統的主界面如圖2.2所示。

圖2.2 醫學圖像處理系統主界面

2.2醫學圖像處理系統的功能介紹

本系統屬于便攜式醫學圖像處理軟件，不需要依托于大型影像設備，同時沒有醫學圖像必要格式的限定。操作及使用方便（不需要影像技術專業醫師進行操作），該套軟件系統只依賴于MATLAB軟件，因此具有極其強大且精確的圖像處理功能（該功能可以將多種影像設備進行配合使用，比單一影像設備更強大），對于日常影像科室的醫學圖像處理完全可以滿足需求。同時只需一臺筆記本，增加了與患者以及遠程醫生的溝通便捷性。更好的為醫院工作者及病患提供了幫助。目前系統具有以下功能模塊：

（1）圖片格式轉換模塊

該模塊主要負責醫學圖像格式的讀取及保存轉換工作，眾所周知，醫學圖像DICOM格式相對比普通圖片格式如bmp、JPEG等精度更高，數據量更大，尤其不支持在普通電腦讀取，本模塊利用MATLAB圖像處理工具箱中的DICOM圖片處理功能，可以很好的支持醫學圖像的讀取。除此之前，支持將DICOM圖像保存成多種其他格式，方便患者在普通電腦讀取。

（2）圖像運算模塊

在醫學圖像處理技術當中，圖像的運算是應用最為普遍的處理技術。一般常用的運算方式包括以下幾種：點運算、幾何運算、代數運算及邏輯運算。本模塊目前集成了普通的線性變換功能可以對圖像的亮度、對比度做細微的調整，支持對醫學圖像的放大、縮小、鏡像等處理。與此同時，在該模塊中加入了目前醫院常用的醫學圖像開窗顯示技術，通過設置合適的窗寬、窗位完成醫學圖像的處理任務。

（3）圖像分割模塊

醫學圖像的分割為目標分離、特征提取和參數的定量測量提供了基礎和前提條件，使得更高層的醫學圖像理解和診斷成為可能。在本模塊中集成了常見的分割方式，如通過峰谷來進行圖像分割，同時支持四種常見算子的邊緣檢測功能。

（4）圖像增強模塊

目前圖像增強技術在臨床當中應用非常廣泛，利用MATLAB的圖像處理工具箱，輕松的實現如直方圖顯示、直方圖均衡化、圖像銳化等處理。本模塊的后續拓展功能較多，預計在下一個版本中進行的更新。

（5）保留模塊

實證研究發現，企業是否多元化與企業最初所在的行業有關。當這個行業的技術是由不同種類技術組合而成，并且行業技術的通用性較強，行業內的企業就適合多元化經營。結合樂視宏觀戰略的PEST分析中的技術環境可以發現自2013年之后整個互聯網行業掀起硬件依托的潮流，網站運營與線下企業的聯合加快了全產業鏈業務體系的布局速度。全產業鏈業務體系良好的協同效應造就其技術上的良好通用性才使得樂視期望并在生態上從內容制作向硬件設備等新領域拓展經營。

隨著醫學技術及圖像處理技術的不斷發展，該模塊作為整個系統的保留模塊，在今后的版本更新中不斷的拓展使用。目前正在開發的包括圖像重建功能，支持三維重建等圖像處理。

2.3醫學圖像處理系統的應用實例

現通過以下三個示例，向讀者進行本系統功能的展示。

2.3.1 DICOM圖像讀入及轉換格式

（1）醫學圖像的導入

該部分由一個“導入圖片”按鈕和一個圖片顯示坐標軸組成，通過按鈕將要處理的目標圖片導入并顯示到坐標軸上。如圖2.3所示。

（2）醫學圖像的轉換

2.3.2 醫學圖像的邊緣檢測

打開系統主界面后選擇圖像分割處理功能模塊后界面如圖2.5所示，在“邊緣檢測”下拉菜單中選擇采用的檢測算子，如圖2.5選擇sobel算子，后在坐標軸處顯示處理后的圖片。

圖2.3 醫學圖像讀入及顯示處理

2.3.3 醫學圖像的開窗技術應用

在醫學圖像處理中，我們經常使用的高精度醫學圖像的開窗顯示技術就是對部分線性灰度變換的最主要應用之一。開窗技術也稱窗口技術[8]。臨床上，開窗顯示對醫學圖像診斷有非常重要的作用，通過開窗顯示技術，在不影響視覺效果的前提下將高精度醫學圖像的較大范圍內的灰度值逐段映射為0～255灰度范圍來顯示[8]。即開窗顯示就是在高精度醫學圖像的較大灰度范圍內開設一個窗口，將這個窗口范圍內的灰度值映射為0～255范圍內的灰度值來顯示，并通過不斷地調節窗寬和窗位將所有的高精度醫學圖像信息逐段顯示出來。進入圖像運算功能模塊后，在“開窗顯示處理”顯示功能旁邊輸入窗寬、窗位數值后，點擊“確定”按鈕，在坐標軸中顯示該圖像在輸入窗寬、窗位下的處理效果，如圖2.6所示。

3 總結

本軟件實現便攜式醫學圖像處理系統的開發任務。目前完成的該系統具有如下優點：1、除具有一般影像設備所具有的圖像處理功能外，可以將多種大型影像設備圖像進行配合使用；2、實現便攜式醫學圖像處理的目的，醫生只帶一個普通筆記本可以在任意地點對醫學圖像（DICOM格式）進行處理，方便與患者或者其他醫院醫生進行溝通。3、功能可拓展性，目前開發的版本中并未加入過多的功能，在后續的開發過程中將加入更多的主流處理技術，如圖像融合功能、圖像重建功能。本系統將以使用普通電腦安裝MATLAB軟件作為基礎，普通電腦攜帶方便，操作簡單，可更有效的與患者及遠程醫生進行交流，將更有效的幫助醫生進行診斷。

圖2.6 醫學圖像開窗顯示處理結果

[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(8): 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] 孫亦博, 朱玲利. DIOCM醫學圖像與BMP格式的轉換研究[J]. 現代計算機, 2010, 8: 121-124.

[5] 姜炳旭, 劉杰, 孫可. Sobel邊緣檢測的細化[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版), 2010, 28(4): 503-506.

[6] 王娟, 周金芝. 基于Matlab的形態學圖像處理研究[J]. 現代交際, 2010, (4): 135-136.

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

[8] 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.

A Design and Application of Medical Image Processing System based on MATLAB

YAN Qiu-meng, LIN Chao, GAO Jia, YU Yao, LI Ya-xin, DONG Mo*
(Mudanjiang Medical University, Mudanjiang City, Heilongjiang 157000, China)

With the rapid development of modern medicine, medical imaging technology has been widely used in medical activities for its advantages of high efficiency, economy and non invasion.Medical image has become an integral part of modern medicine, its quality is directly related to the accuracy of medical diagnosis and treatment.In this paper, a portable medical image processing software system based on MATLAB is designed and implemented,it uses the image processing and GUI development toolbox of MATLAB software, and further introduces the medical image processing related functions.The application and method of MATLAB in medical image processing are introduced in detail.

Medical image processing; MATLAB; DICOM; Medical windowing technique

TP319

: A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.02.012

2016年黑龍江省大學生創新創業訓練計劃立項(201610229062)；黑龍江省高等教育學會“十三五”高等教育科研課題(16G456)

閆秋孟(1995-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫學院醫學影像學院，醫學學士，主要研究方向醫學圖像處理與醫學影像診斷；林超(1993-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫學院醫學影像學院，醫學學士，主要研究方向醫學圖像處理與醫學影像診斷；3高佳(1996-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫學院醫學影像學院，醫學學士，主要研究方向醫學圖像處理與醫學影像診斷；于堯(1995-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫學院醫學影像學院，醫學學士，主要研究方向醫學圖像處理與醫學影像診斷；李昕亞(1995-)，女，黑龍江省牡丹江市牡丹江醫學院醫學影像學院，醫學學士，主要研究方向醫學圖像處理與醫學影像診斷。

董默(1986-)，男，黑龍江省牡丹江人，牡丹江醫學院 醫學影像學院 醫學圖像處理教研室，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

本文著錄格式：閆秋孟，林超，高佳，等. 基于MATLAB的醫學圖像處理系統設計與應用[J]. 軟件，2017，38（2）：51-55