“新医科”背景下医学图像处理教学软件的研究与开发.pdf

第41卷第3期2024年3月DOI:10.3969/j.issn.1005-202X.2024.03.011“新医科”背景下医学图像处理教学软件的研究与开发中国医学物理学杂志Chinese Journal of Medical PhysicsVol.41 No.3March 2024医学影像物理-333-刘燕茹,毕宇越,汪宇航,朱婷？，贾俊妮,唐思源21.包头医学院医学技术学院，内蒙古包头0 140 30；2.包头医学院计算机与科学技术系，内蒙古包头0 140 30【摘要】针对“新医科”背景下医学图像处理课程所面临的形势和教学现状，开发了与其教学过程高度契合的医学图像处理教学软件，该教学软件可实现医学图像的线性灰度变换、开窗显示、缩放、旋转、镜像、中值滤波、微分锐化、边缘检测、直方图获取和直方图均衡，并可在一定范围内调节线性灰度变换、开窗显示、缩放、旋转、中值滤波、微分锐化、边缘检测的参数，同时用不同算法实现了医学图像的缩放功能。该教学软件用于包头医学院医学图像处理课程理论与实验教学中，可提高学生学习的主动性和积极性，能强化学生对放射技师考点知识的理解，为后续课程的学习打下坚实基础，最终实现“新医科”背景下包头医学院医学影像技术专业“医工”“医理”的深度交叉融合。【关键词】医学图像处理；新医科；教学软件开发【中图分类号】R318；T P391.4Research and development of teaching software for medical image processing under thebackground ofnewmedical science【文献标志码】A【文章编号】10 0 5-2 0 2 X（2 0 2 4)0 3-0 333-0 7LIU Yanru,BI Yuyue,WANG Yuhang,ZHU Ting,JIA Junni,TANG Siyuan?1.School of Medical Technology,Baotou Medical College,Baotou 014030,China;2.School of Computer and Science Technology,Baotou Medical College,Baotou 014030,ChinaAbstract:In response to the current situation and teaching status of the medical image processing course on the backgroundof new medical science,a teaching software which is highly compatible with the teaching process of medical imageprocessing is developed.The teaching software allows for linear grayscale transformation,windowing display,scaling,rotation,mirroring,median filtering,differential sharpening,edge detection,histogram acquisition,and histogramequalization of medical images.Additionally,it enables parameter adjustments within a certain range for linear grayscaletransformation,windowing display,scaling,rotation,median filtering,differential sharpening,and edge detection.Meanwhile,it employs different algorithms to achieve the scaling of medical images.The teaching software is used in thetheoretical and experimental teaching of medical image processing courses at Baotou Medical College.It can improvestudents initiative and enthusiasm in learning,strengthen their understanding of the examination points for radiologytechnicians,lay a solid foundation for subsequent courses,and ultimately achieve the goal of in-depth integration ofMedicalEngineering and Medical Science in the medical image technology major at Baotou Medical College under thebackground ofnew medical science.Keywords:medical image processing;new medical science;development of teaching software前言【收稿日期】2 0 2 3-10-0 9【基金项目】内蒙古自治区教育科学研究“十四五”规划课题（NG JG H 2 0 2 2 2 18）；内蒙古自治区大学生创新创业训练计划项目（S202310130011）；包头医学院“问学计划”“为学计划”“践学计划 研究项目（2 0 2 1BYWWJ-YB-34)【作者简介】刘燕茹，硕士，副教授，研究方向：医学图像处理，E-mail:liumin_【通信作者】唐思源，硕士，教授，研究方向：医学图像处理，E-mail:医学影像技术专业作为医学类高等院校的一个专业，是集物理学、信息工程学、医学等多学科相互渗透的综合性技能学科1-2。包头医学院医学影像技术专业人才培养目标为：培养能在医疗卫生机构从事医学影像检查、放射治疗及影像设备维护、图像处理等相关工作，能在医疗设备生产企业从事影像设备售后维护等工作的应用型人才。医学图像处理第3期2.2教学软件菜单栏介绍滤波锐化属于图像增强的范畴，图像增强即改善图像质量的方法，或加强图像某些特征的措施。教学软件中主要实现了基于参数可调的中值滤波、微分锐化和边缘检测功能2 0-2 1。图像的灰度直方图是医学图像中各灰度值与图像中具有该灰度值的像素点总数间的统计关系图形，它反应了图像亮暗的整体效果，其应用包括直方图均衡、边缘检测中的自动阈值选取和图像分割中的自动阈值选取等，直方图的均衡将变换后的图像灰度直方图在较大的动态范围内趋于均衡，具体表现在一方面可使图像的灰度动态范围变大，另一方面让灰度频率较小的灰度级经变换后其频率变得大一些,从而使像素个数增多以醒目2 2-2 3。软件主要实现了直方图的获取和直方图均衡两个功能，将其作为教学工具用于课堂，教师通过操作软件或让学生实时修改源代码，可让学生亲眼看到图像的直方图以及直方图均衡后的图像，以及修改代码后的运行结果，能增加学生学习的主动性和积极性,提高课堂教学质量，并把透过现象看本质、精益求精的工匠精神，认真细致的处事态度，以及积极科研探究和创新精神等思政元素引入课堂教学中，实现润物细无声的思政教育。几何运算是把图像像素点的空间位置或图像的空间尺寸按某种映射关系映射为不同的空间位置或不同的空间尺寸，临床中常见的几何运算包括医学图像的放大、缩小、旋转和镜像等。该软件主要实现医学图像的缩放、旋转和镜像2 42 5。其中，缩放和旋转功能中缩放系数和旋转度数可以分别调节,且缩放分别用直接缩放法、局部均值缩小法和双线性插值放大算法进行实现。将其应用于课堂教学，除了可获得直方图获取与直方图均衡的课堂效果外，在理论课讲解直接缩放、局部均值缩小和双线性插值放大算法对比时，用软件演示可帮助学生理解知识点的同时，把矛盾的哲学原理引人课堂中，实现课堂思政教育。界面设计利用VC+6.0中的对话框(Dialog)类，静态文本框控件（StaticText）、滑动空间滑动控件(Slider)和编辑框控件(EditBox)等获得缩放、旋转功能的组合界面，如图3所示。点运算又称图像的对比度拉伸，基本特点是输出图像某像素点的灰度值仅与输入图像对应点的像素值有关，而与输人图像的其他像素值无关，临床中常见的点运算有线性灰度变换和开窗显示等。该软刘燕茹，等。“新医科”背景下医学图像处理教学软件的研究与开发缩放系数缩放系数缩放系数缩放系数上上.0.00直接法图3缩放旋转功能的组合界面Figure 3 Combination interface of zooming-rotation件主要实现了医学图像的线性灰度变换和开窗显示，且两种方法的参数均可以调节。下面重点介绍这两种方法。2.3线性灰度变换线性灰度变换按线性灰度映射关系对医学图像进行灰度变换,其数学模型如式(1)所示：G,(n,k)=c*G,(n,k)+a其中,G。(n,k)表示原始图像(n,k)点的灰度值，G,(n,k)表示线性变换之后目标图像(n,k)点的灰度值，c表示线性灰度变换系数，a表示亮度调节系数，线性灰度变换结果受c和的影响。线性灰度变换功能基于如下设计意图：（1)在理论课教学中,通过教师对该教学软件的操作,调整c和，或让学生实时修改源代码，让学生亲眼看到经灰度变换的图像及修改代码后的运行结果,增加学生学习的主动性和积极性，便于将透过现象看本质、精益求精的工匠精神，认真细致的处事态度，以及积极进行科研探究和创新精神等思政元素引人课堂教学中。（2)基于新医科背景，为实现“医工”“医理”的融合和临床诊断医学图像后处理打下坚实的理工类基础，让学生操作后处理工作站时真正做到知其然知其所以然。利用VC+6.0中的对话框(Dialog)类，静态文本框（StaticText）、滑动空间滑动控件（Slider）和编辑框控件(EditBox)等获得线性灰度变化参数调整界面（图4），利用Windows消息函数OnInitDialog为线性灰度变换系数和亮度调节系数设置调节范围，c和a可分别在(-1 5)和(-2 0 0 2 8 0)的范围之内调节。线性灰度变换系数和亮度调节系数范围设置核心源代码如下：GrayCoefCtrl.SetRange(-10,50);-335-缩放系数0F1.001.00双线性局部均值360旋转(1)-336-GrayCoefCtrl.SetPos(10);GrayCoef-GrayCoefCtrl.GetPosO/10.0;BrightCoefCtrl.SetRange(0,60);BrightCoefCtrl.SetPos(25);BrightCoef-(BrightCoefCtrl.GetPosO-25)3;另外，线性灰度变换函数通过动态链接库的内层类插入，其中核心代码为：for(n=O;nnHeight;n+)(for(k=0;k255)nGtnk=255;if(nGtnk0)nGtnk=0;图4线性灰度变化参数调整界面Figure 4 Interface of parameter adjustment based on linear grayscale中国医学物理学杂志当打开任意一幅.bmp图像时，调节线性灰度变换系数c和亮度调节系数，可改变线性灰度变换的结果。实验结果如图5和图6 所示。由图5ac可知，当固定线性灰度变换系数c为1.3时，调节亮度调节系数时，越大图像会越亮，越小图像越暗；由图5df可知，当固定亮度调节系数a为2 55时，调节线性灰度变换系数c时，c越大图像会越亮，c越小图像越暗。由图5d所示，当c=-1，a=2 55时，即可实现临床DR后处理中常用到的图像黑白反转。由图6ac可知，当线性灰度变换系数c为1时，a越大图像越亮，a越小图像越暗；由图6 df可知，当亮度调节系数a为0 时，c越大图像会越亮，c越小图像越暗。对比图6 a和图6 d虽然图像均变暗，但相比较于图6 d中c=0.2，a=0 的线性变换图像而言，图6 a中c=1,a=-72的图像对比度更好。对比图6 c和图6 f,00:34灰度调灰度调节系数节节系数11.000第41卷虽然图像均变亮，相比较于图6 c图中c=1,a=56的线性变换图像而言,图6 f图中c=1.2,a=0图像对比度更好。2.4开窗显示开窗显示是针对图像某一感兴趣灰度进行灰度扩展，其余部分进行灰度压缩的图像处理方法，CT等成像设备在临床中用该方法显示图像2 6。软件采用部分线性灰度变换的数学模型实现开窗显示功能，具体数学模型见式（2）：00:3400:3400:34a:c=1.3,a=-88b:c=1.3,a=-800:34c:c=1.3,a=800:3400:34d:c=-1,a=255e:c=-0.5,a=255图5不同c和a参数对图像亮度的影响Figure 5 Effects of c and a on image brightnessf:c=-0.1,a=255第3期刘燕茹，等。“新医科 背景下医学图像处理教学软件的研究与开发00:34-337=00:3400:34a:c=1,a=-72b:c=1,a=000:34c:c=1,a=5600:3400:34d:c=0.2,a=0e:c=1,a=0图6 不同c和参数对图像对比度的影响Figure 6 Effects of c and a on image contrastf:c=1.2,a=0Gw(n,k)=0,255(G。(n,k)W255,其中，G。(n,k)表示原始图像(n,k)点的灰度值，G(n,k)表示开窗显示之后目标图像(n,k)点的灰度值，C表示窗位，W表示窗宽，开窗显示结果受C和W的影响。开窗显示功能用于教学可实现：(1)与线性灰度变换相同；(2)对大量放射技师考试的模拟试题进行验证。开窗显示功能的实现类似于线性灰度变换，也是利用VC+6.0中的对话框类，静态文本框（StaticText）、滑动空间滑动控件（Slider)和编辑框控件(EditBox)等获得如图7 所示的线性灰度变化参数调整界面，并利用Windows消息函数OnInitDialog为线窗宽和窗位设置了调节范围，窗宽和窗位分别可在(-10244096)和(0 512 0)范围调节。开窗显示的窗宽、窗位范围设置核心源代码如下：WCenterCtrl.SetRange(-16,64);WCenterCtrl.SetPos(30);WCenter=(WCenterCtrl.GetPosO)6;WWidthCtrl.SetRange(0,80);WWidthCtrl.SetPos(5);(n,k)Cw+2Width=(WWidthCtrl.GetPosO)6;WW(2)22WWindow.sho.窗位窗宽3842112图7 开窗显示参数调整界面Figure 7 Interface of parameter adjustment for windowing display另外，开窗显示函数也是通过动态链接库的内层类插人，其中核心代码为：for(n=O;nnHeight;n+)(for(k=0;knWidth;k+)(nGonk=*(pnlmgBufIn+k+n*n Width);if(nGonk=nHighVal)nGwnk=255;elsenGwnk=(int)(nGonk-lowVal)*(255.0/-338-nWindowWidth);*nRowBytes)=nGwnk;当打开任意一幅.dcm图像时，调节窗位C.和窗中国医学物理学杂志宽Ww，可以改变开窗显示的显示结果。实验结果如图8 和图9所示。第41卷a：窗位10 14,窗宽350Figure 8 Effects of window width on windowing display when fixing window positionb：窗位10 14,窗宽7 50图8 固定窗位时，窗宽对开窗显示的影响c：窗位10 14,窗宽2 430a：窗宽2 55,窗位10 14Figure 9 Effect of window position on windowing display when fixing window widthb：窗宽2 55，窗位117 8图9固定窗宽时，窗位对开窗显示的影响c：窗宽2 55，窗位1433由图8 可知,固定窗位Cw,调整窗宽W,时,W,越大，压缩掉的灰度值越多，图像对比度越差。由图9可知，固定窗宽Ww，调整窗位C,时，C越小越亮，Cw越大越暗。3结论针对包头医学院医学图像处理课程所面临的形势和教学现状，特开发与其教学过程高度契合的医学图像处理教学软件，该教学软件将应用于包头医学院医学图像处理课程的实验教学和理论教学中。（1)用于理论教学的教学模具：在理论课中,讲解图像处理方法数学模型推导、算法优缺点比较、参数作用分析、源代码讲解时，可用该软件直观演示，以实现不同算法对同一图像处理的对比，加深学生对课堂知识点的理解，便于将精益求精的工匠精神、认真细致的处事态度与风格、用积极或消极的思想看待事物的哲学观点、科研探究精神、创新精神等思政元素引人课堂中，实现润物细无声的思政教育。（2)作为医学图像处理实验教学的实验器材，实验教学时,将软件存储在任何一台电脑上，学生通过操作该教学软件中的各种图像处理方法，调节与之相关的参数，分析图像发生变化的原因以及参数对图像处理结果的影响，实现实验教学对理论教学内容的验证和促进作用，提高课堂教学效果，强化学生对放射技师考点知识的理解，为医学影像诊断学、医学影像检查技术等后处理操作打下坚实基础，以实现“新医科”背景下医学影像技术专业“医工”“医理”的深度交叉融合。【参考文献】1潘玉梅，张雪君，于春水，等.新时代下医学影像本科人才培养模式的改革与实践J.医学教育管理,2 0 18,4(4):2 7 2-2 7 5.Pan YM,Zhang XJ,Yu CS,et al.Reform and practice ofundergraduate training mode in medical imaging technology in thenew eraJ.Medical Education Management,2018,4(4):272-275.2】董晓军，管海辰，曾令容，等.应用型本科院校医学影像技术专业人第3期才培养方案修订前后对比分析J.教育教学论坛,2 0 2 1(39):52-55.Dong XJ,Guan HC,Zeng LR,et al.Comparative analysis of beforeand after revision of talent cultivation program of medical 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