醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬仿真教學(xué)平臺的構(gòu)建

陸雪松　謝勤嵐

摘 要 為解決醫(yī)學(xué)圖像處理傳統(tǒng)教學(xué)中算法構(gòu)造復(fù)雜、授課方式單一、學(xué)生參與較少等問題，采用Qt等開源工具包構(gòu)建了醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬仿真教學(xué)平臺，將課程知識點(diǎn)融入平臺之中，在課堂上實(shí)施虛擬仿真教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深入討論。平臺內(nèi)包含醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)讀取、顯示、濾波、三維可視化、分割和配準(zhǔn)等核心模塊。這種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)手段不僅能讓學(xué)生加深對課程知識的理解、提高學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力，而且還可以降低教學(xué)成本、提高教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞 醫(yī)學(xué)圖像處理 虛擬仿真教學(xué)平臺 自主學(xué)習(xí)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.023

Construction of Virtual Simulation Teaching Platform for

Medical Image Processing

LU Xuesong， XIE Qinlan

（College of Biomedical Engineering， South-Central University for Nationalities， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract The conventional teaching of medical image processing is faced with some problems such as complicated algorithm structure， boring teaching methods and a few practice opportunities， etc. For this reason， a teaching platform of the virtual simulation for medical image processing is established using the open source toolkit like Qt. The virtual simulation teaching can be implemented in class by combining curriculum knowledge， in order to lead the students to deep discussions. This platform includes medical image data reading， display， filtering， 3d visualization， segmentation and registration. This teaching method which combines theory and practice can help the students to enhance their understanding of the knowledge， and improve the interest and autonomous ability in learning. The teaching cost can also be reduced， and the teaching efficiency can be promoted.

Keywords medical image processing； virtual simulation teaching platform； autonomous learning

虛擬仿真技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有交互性、真實(shí)性以及多感知性等特點(diǎn)。它以計(jì)算機(jī)軟件及硬件為基礎(chǔ)，相關(guān)的技術(shù)手段為輔助，通過對已知或未知世界的仿真，使人獲得真實(shí)感受的一種先進(jìn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)已普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如訓(xùn)練、教學(xué)、仿真和娛樂等諸多方面。[1， 2]

醫(yī)學(xué)圖像學(xué)科的教學(xué)已明顯落后于臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，使用傳統(tǒng)膠片教學(xué)難以提供和顯示發(fā)展迅速而豐富多彩的圖像醫(yī)學(xué)內(nèi)容，教師難以組織有效的教學(xué)，學(xué)生不易充分理解多種成像的圖像信息。2015年，中南民族大學(xué)整合了生物醫(yī)學(xué)工程及相關(guān)學(xué)科的教學(xué)科研資源，建設(shè)了虛擬仿真湖北省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。為發(fā)揮我院學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，在教學(xué)中充分展現(xiàn)數(shù)字化圖像所固有的對人體和疾病虛擬仿真顯示的診斷特性，以培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，建立醫(yī)學(xué)圖像處理課程的虛擬仿真教學(xué)平臺。

1 相關(guān)背景

（1）虛擬仿真教學(xué)迅速興起，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)，融合虛擬仿真技術(shù)的圖像教學(xué)已成為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科教學(xué)的研究前沿和發(fā)展方向。[3， 4]

（2）醫(yī)學(xué)圖像學(xué)科的飛速發(fā)展，先進(jìn)高檔、昂貴的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的迅速普及，迫切需求醫(yī)學(xué)圖像人才，融合虛擬仿真的圖像處理教學(xué)，是適應(yīng)高效率培養(yǎng)合格的高層次生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)專門人才需要的良好方式。

（3）生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)交叉性強(qiáng)，需要大量的實(shí)踐教學(xué)。通過虛擬仿真平臺的操作，使學(xué)生將自己置身于虛擬現(xiàn)實(shí)的圖像形成、處理、分析和診斷的環(huán)境當(dāng)中，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。這種教學(xué)模式的革新對于專業(yè)的發(fā)展也將起到促進(jìn)作用。

2 虛擬仿真教學(xué)平臺主要目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)課堂隨時(shí)的學(xué)習(xí)。整個(gè)平臺以Qt、Itk和Vtk等開源工具包為基礎(chǔ)構(gòu)建，可供上課老師隨時(shí)操作進(jìn)行講解。

（2）構(gòu)建豐富、完整的醫(yī)學(xué)圖像處理模塊。充分利用平臺的良好展示功能，將完整的醫(yī)學(xué)圖像處理知識體系置于其中，便于學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。包括數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)濾波模塊、三維可視化模塊、數(shù)據(jù)分割模塊和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊（見圖1）。

（3）形成易于擴(kuò)展的框架結(jié)構(gòu)。平臺構(gòu)建完成之后，可以展示學(xué)院的特色科研成果，教師還可以將自己拓展的圖像處理方法嵌入其中供學(xué)生學(xué)習(xí)。

（4）追蹤學(xué)生學(xué)習(xí)情況。在課程的每一章節(jié)，了解和掌握虛擬教學(xué)平臺的使用情況，跟蹤記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

（5）節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，提高學(xué)習(xí)效率。充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。實(shí)現(xiàn)資源共享。[5， 6]

3 虛擬仿真教學(xué)平臺主要模塊

虛擬仿真教學(xué)平臺中的教學(xué)資源建設(shè)是核心內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容的選擇，不但注重知識的完整性，而且注重發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的特殊性，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。主要模塊不僅包括圖像數(shù)據(jù)讀取、顯示，而且涵蓋了多種圖像處理方法。[7]

3.1 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)讀取模塊

可以打開2D圖像，3D圖像和DICOM專用格式圖像，通過菜單Data IO或快捷方式打開圖像，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。同時(shí)，在Data IO里可以將2D PNG圖像序列和DICOM圖像序列轉(zhuǎn)換為3D體數(shù)據(jù)Meta Image格式。

3.2 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)顯示模塊

可以單平面顯示2D圖像。在對3D圖像進(jìn)行顯示時(shí)，有兩種模式可供選擇。通過界面右邊操作區(qū)域的Reslice Mode中AxisAligned和Oblique兩個(gè)按鈕切換，這兩種模式有著各自特有的功能。在界面的右下角同時(shí)顯示了打開的圖像的基本信息。

在兩種模式下都可以實(shí)現(xiàn)：（1）在三個(gè)不同剖面顯示框中通過拖動鼠標(biāo)左鍵改變圖像的對比度和拖動鼠標(biāo)右鍵改變圖像大小的功能，并且在3D顯示框（右下角）中拖動鼠標(biāo)左鍵查看三個(gè)剖面組成的3D圖像的各個(gè)視角；（2）通過點(diǎn)擊Distance Measurement中的axial、sagittal和coronal三個(gè)按鈕分別實(shí)現(xiàn)在三個(gè)剖面上測距的功能；（3）快捷欄的最后兩個(gè)快捷鍵可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的圖像顯示界面。

在AxisAligned模式下，可以通過鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)查看每個(gè)剖面里所疊加的圖層。Oblique模式下鼠標(biāo)移動到每個(gè)剖面中的十字線上時(shí)，光標(biāo)變成手形時(shí)，點(diǎn)擊左鍵，并拖動，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)這個(gè)剖面的功能；當(dāng)鼠標(biāo)移動到十字線的中央時(shí)，光標(biāo)變成十字形，點(diǎn)鼠標(biāo)左鍵，上下拖動，可以將這個(gè)剖面不同位置的圖像顯示出來。

3.3 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)濾波模塊

可以實(shí)現(xiàn)Canny邊緣檢測、圖像梯度計(jì)算、Laplacian濾波、中值濾波、均值濾波、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作等技術(shù)。

3.4 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)三維可視化模塊

可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)三維數(shù)據(jù)的面重建和體重建處理。其中體重建示例見圖2。

3.5 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)分割模塊

可以實(shí)現(xiàn)閾值分割、區(qū)域生長、K均值聚類分割、分水嶺分割、snake模型分割、水平集分割等技術(shù)。

3.6 醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊

可以實(shí)現(xiàn)2D圖像、3D圖像的全自動配準(zhǔn)。配準(zhǔn)模型包括平移、旋轉(zhuǎn)、仿射、B樣條等，配準(zhǔn)度量包括灰度差值法、互相關(guān)法、互信息法等。其中2D圖像的配準(zhǔn)示例見圖3。

4 結(jié)束語

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬仿真教學(xué)平臺可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像學(xué)科的教學(xué)中，可為本科生科技創(chuàng)新等活動設(shè)立虛擬實(shí)踐平臺，還可以為相關(guān)科研工作提供資源共享平臺和軟件支持服務(wù)。該系統(tǒng)解決了醫(yī)學(xué)圖像處理傳統(tǒng)教學(xué)中算法構(gòu)造復(fù)雜、授課方式單一、學(xué)生參與較少等問題，將課程理論知識嵌入系統(tǒng)之中，在提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)踐能力方面發(fā)揮了重要作用。[8， 9]

基金項(xiàng)目：中南民族大學(xué)校級教學(xué)研究項(xiàng)目（JYX16053）

參考文獻(xiàn)

[1] 吳亞東，趙思蕊，楊文超.讓人機(jī)交互更加真實(shí)[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2015.11（11）：50-51.

[2] 李知菲，何林知，洪震.體感交互技術(shù)在“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國信息技術(shù)教育，2014（5）：115-117.

[3] 楊淑瑩，張樺.模式識別與智能計(jì)算：MATLAB技術(shù)實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4] 張永清.基于多線程的水中微生物圖像預(yù)處理系統(tǒng)[D].昆明：云南大學(xué)，2011.

[5] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013.32（12）：5-8.

[6] 李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)，提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013.32（11）：6-8.

[7] Gonzalez R C， Woods R E. 數(shù)字圖像處理[M].阮秋琦，阮宇智，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[8] 姜顯揚(yáng)，唐向宏.虛擬仿真無人駕駛汽車跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016.33（11）：117-120.

[9] 李媛媛，吳洪娟，劉雨清.醫(yī)學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的定位及應(yīng)用前景[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2015.17（4）： 362-364.