基于SIMULINK的醫學圖像仿真教學模型的研究

劉欣 張凱 趙若晗

摘 ?要： 隨著計算機技術的高速發展，醫學圖像在現代醫學中占有越來越重要的地位，醫學圖像處理技術是醫學院校授課過程中必不可少的專業課。本文針對醫學院校的《醫學圖像處理》實踐教學進行了改革，學生設計了以SIMULINK為基礎的醫學圖像仿真教學模型，改變了傳統的講授式的教學方法，增加了學生的學習興趣及動手實踐能力，更生動直觀的輔助學生進行圖像處理相關課程的學習，為廣大一線教師提供一個新的教學思路。

關鍵詞： 醫學圖像處理;SIMULINK;仿真教學模型

中圖分類號： G434 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.021

本文著錄格式：劉欣，張凱，趙若晗，等. 基于SIMULINK的醫學圖像仿真教學模型的研究[J]. 軟件，2019，40（5）：106109

【Abstract】： With the rapid development of computer technology， medical image plays an increasingly important role in modern medicine. Medical image processing technology is an indispensable professional course in the teaching process of medical universities.In this paper， the practice teaching of Medical Image Processing in medical universities has been reformed.The students designed a medical image simulation teaching model based on SIMULINK， which changed the traditional teaching method， increased the students'interest in learning and practical ability， and more vividly and intuitively assisted the students in the course of image processing， providing a new teaching idea for the front-line teachers.

【Key words】： Medical image processing; SIMULINK; Simulation teaching model

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[1]。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。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。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。

醫學圖像處理的基本方法是按照實際需要利用數學方法針對特定的處理對象，設計出一套切實可行的圖像算法，然后利用計算機實現對醫學圖像的處理。在圖像處理發展如此迅速的今天，以“醫學圖像處理”為中心的課程體系在很多醫學高校甚至工學（部分生物醫學工程專業）高校得到了高度重視，諸如《醫學圖像處理分析》、《醫學影像成像原理》、《醫學影像質量控制》等課程也都作為重要專業課向醫學和工學生展開。但是對于學習醫學圖像處理課程，它需要以多門課程作為基礎（如數學、物理、計算機等），圖像處理理論知識十分復雜且枯燥，針對以應用為主的醫學生而言，學習很吃力[2]。經筆者在多所醫學院校調查得知，很多高校在此課程講授過程中提高了實踐課的授課比例，讓學生增加動手應用的機會，并以此更深刻的了解醫學圖像處理的實際意義。由于醫學圖像處理是建立在數學建模、計算機仿真以及醫學影像技術等諸多學科基礎上的一門現代綜合性的前沿科學，筆者在近年來也不斷的以計算機軟件為中心推動該課程的教學改革，在此之前，利用了諸如MATLAB、Photoshop、MIMICS等多種醫學圖像處理軟件并加入到實踐課程當中，取得了積極良好的效果。本文是基于SIMULINK仿真模塊在醫學圖像處理應用中的又一次探索。

1 ?SIMULINK模擬仿真模塊介紹

建模仿真是二十一世紀以來非常流行的技術，一個合適的模型可以幫助學生透徹的理解遇到的問題，而在建模這個領域中，SIMULINK是絕對的領先者。SIMULINK是MATLAB的一個組成部分，提供了大量以圖形方式給出的內置功能模塊，可以進行系統級建模與動態仿真[5] 。SIMULINK隨著MATLAB新版本的推出不斷更新。實際操作中SIMULINK與常用的軟件相比具有如下優點：

（1）無需進行編程處理：相對比VC++、ImageJ、OpenCV，甚至MATLAB本身的圖像處理工具箱，SIMULINK 可以讓學生把精力從編程轉向模型構造，從而省去重復代碼的編寫工作;

（2）多拓展的工具箱：與MATLAB有很多擴展工具箱一樣，SIMULINK也提供了一系列的系統工具箱，不同的仿真功能具有不同的仿真工具箱，例如：本文使用的視頻和圖像處理模塊集;

（3）操作簡單，仿真模塊自由搭配無限制：針對醫學圖像處理課程，學生無需過多掌握圖像處理的算法技術，只要掌握了這種可視化的仿真工具的基本模塊間的原理，即可快速地搭建仿真模型，更好地理解和掌握課程的知識點，為其相關課程學習帶來極大的便利。

本文基于SIMULINK仿真模型對我校《醫學圖像處理》的實踐課程進行了又一次的改革嘗試，建立了以SIMULINK為基礎的醫學圖像處理仿真教學模型的設計與研發，并成功的應用于課堂實踐教學中，下文向讀者進行詳細介紹。

2 ?基于SIMULINK的醫學圖像仿真教學模型的實現

2.1 ?醫學圖像仿真教學模型功能介紹

本模型針對醫學圖像處理理論課程中所涉及到的常用圖像處理手段進行了概括總結，并且為了進一步提高學生的動手能力及學習效果，以SIMULINK所提供的模塊為基礎，設計了如表1的醫學圖像仿真教學模型以供學生實踐課程操作學習。在使用SIMULINK模型操作的過程中有部分功能需要使用的MATLAB代碼，針對不同的專業的學生開展不同的實驗項目。

2.2 ?醫學圖像仿真教學模型模塊介紹

本仿真教學模型主要使用了SIMULINK提供的以下8類模塊：

Analysis & Enhancement（分析和增強）

Conversions（轉換）

Filtering（濾波）

Geometric Transformations（幾何變換）

Morphological Operations（形態學操作）

Sinks（接收器）

Sources（輸入源）

Transforms（變換模塊庫）

2.3 ?醫學圖像仿真教學模型模塊介紹教學應用演示

醫學圖像仿真教學模型將從本校PACS系統提供的醫學圖像中選取需要處理的圖像，下面向讀者展示本教學模型中兩個典型的應用。本次教學模型使用了MATLAB提供的圖形界面工具（GUI），打開系統界面后，如圖1所示，選擇模型進行相應實驗。每個實驗模型中的模塊參數均在建立模型時已經設計好，學生只需要進行圖片打開觀察相應的結果。關于模型參數的設置部分，教師會在課堂授課中提前加以簡單講解。

2.3.1 ?醫學圖像灰度變換增強

在圖1中選擇實驗一醫學圖像的灰度變換增強后，點擊確定后彈出圖2所示的仿真模塊界面。

繼續點擊圖2中Image From File模塊后選擇相應的醫學圖像MRITest.jpg，運行該模型，可以看到通過灰度變換增強后的實際處理效果，左側為原始圖像，右側為灰度變換增強處理后圖像，如圖3所示。

2.3.2 ?醫學圖像直方圖均衡化處理

同醫學圖像灰度變換增強操作相同，選擇仿真系統主界面圖1實驗二醫學圖像的直方圖均衡化，點擊確定后彈出圖4所示的仿真模塊界面。

繼續點擊圖4中Image From File模塊后選擇相應的醫學圖像CTTest.jpg，運行該模型，可以看到通過直方圖均衡化后的實際處理效果，左側為原始圖像，右側為處理后圖像，如圖5所示。

通過以上兩個實驗的操作，學生可以清楚的認識到醫學圖像的灰度變換以及直方圖均衡化所帶來的實際效果，且整個過程中，學生沒有進行計算機編碼操作，使學生更加直觀的學習了解到了圖像處理的方法。

3 ?總結

本次所設計的醫學圖像處理仿真教學模型以學生設計為主，教師做輔助指導，并且已經在《醫學圖像處理》實踐教學中展開了一學期的應用，針對本校醫學影像學、醫學影像技術及生物醫學工程專業中由淺入深的逐步實施，且針對工科的專業的生物醫學工程結合撰寫MATLAB程序代碼一并應用，總體效果良好。學生在學習過程中更好的接受復雜的醫學圖像處理方法，既鍛煉了學生動手操作能力，也使多學科交叉得到了應用[2] 。隨著計算機技術及軟件應用的不斷發展，醫學圖像處理技術在未來勢必會不斷的進步，關于醫學院校的醫學圖像處理的教學改革仍會有很長的道路要走。筆者希望通過本文為廣大一線教師提供一個新的教改思路。

參考文獻

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