《医学图像处理》实验教学大纲

《医学图像处理》实验教学大纲课程名称：医学图像处理适应专业：影诊、生物医学工程、影像技术专业实验指导书名称：《医学图像处理实验》自编一、学时：总学时：16二、实验教学目的：培养学生的动手能力，使学生在物理实验的基础知识、基本方法和实验技能等方面得到严格的训练，掌握基本物理量测量的原理和方法，学会正确选择和使用基本物理仪器、对实验数据进行正确判断和处理并对实验结果进行合理分析。通过对实验现象的观察、对物理量的测量和对实验结果的分析，使学生加深对物理学基本理论和定律的理解和掌握，熟悉某些物理现象，逐步提高观察、分析实验现象和总结实验规律的能力。学习用所学过的理论知识分析和解决实验中所存在的问题。在独立操作的实验过程中，逐步培养学生独立思考和独立工作的能力，培养学生用实验手段解决实际问题的能力，同时培养学生严肃认真、实事求是的科学作风。三、实验基本要求：1.端正学习态度，充分认识物理学实验课的重要性。学生应充分利用较短的实验课教学时间。实验前充分地预习，并对实验要求合理进行实验操作，仔细观察认真思考实验现象，正确记录实验数据，并对实验结果加以全面分析，实验结束后认真写好实验报告，认真上好每一次实验课。2.实验前要认真预习好基本物理仪器的原理和使用方法，实验过程中要创造更多的使用和熟悉物理仪器的机会，尽可能做到熟练操作，为掌握复杂的医疗仪器打下基础。3.要注意养成良好的实验习惯。首先确保安全第一。根据实验场所的环境和实验所需的装置，正确合理地安排好各种装置、电源及导线的位置，做到实验线路一目了然，尽可能减少实验过程中可能发生的人为故障，使实验得以准确、无误、顺利进行。4.要注意掌握实验中所采用的基本测量方法。基本测量方法是复杂测量方法的基础，实验过程中不但要理解其原理，同时要劲力熟悉和牢记。5.养成真实记录原始实验数据的习惯，字迹一定要清楚、整洁。对原始实验数据一定要实事求是地进行记录。对于原始数据决不能随意更改。有些学生当看到自己的实验结果与所预期的不相符合时便随意改动原始数据，这是物理实验的大忌。所以真实地记录原始数据是取得正确实验结果的前提。6.培养对实验结果进行分析、判断的能力。当实验结果与所预期的结果不相符合时，先根据不合理程度的大小来判断问题可能存在的环节，加以改正后重作实验，从而提高判断分析问题的能力。7.珍惜每次实验课的时间。有时在完成规定测量内容后还有剩余的时间，可以用来分析一下实验可能存在的问题，找出本实验的关键步骤所在，怎样做才能使实验更准确。四、医学图像处理实验课的三个教学环节：物理学实验课是学生在教师指导下独立进行实验的课程。因此在整个实验课过程中要充分发挥学生的主观能动性，通过以下三个教学环节培养学生独立的工作能力和严肃认真、实事求是的工作作风。1.课前认真预习认真阅读实验教材，充分了解本次实验的目的、原理和方法、内容和注意事项，同时对验所用的仪器、设备、元件及实验步骤有一个大概地了解，在充分预习的基础上写出预习报告，并设计好数据记录表格。2.实验中正确操作实验时要遵守实验室的规章制度，仔细阅读仪器的使用方法和注意事项，在教师指导下正确使用仪器。实验进行时应合理操作，认真思考、仔细观察，及时认真的把原始数据记录在预先设计好的表格内，测量完毕后请教师检查实验数据，合格后方可结束实验并请教师签字。3.写好实验报告先对实验数据进行整理计算，然后用简洁的文字写好实验报告。实验报告要字迹清晰、文理通顺、图表正确完整。实验报告的内容为：实验题目、日期。实验目的：实验所要达到的基本目标。实验器材：实验原理：实验内容及步骤：完成数据表格及图线、图表等：实验结果的表示及讨论：原始数据：五、实验室规则1.实验室内肃静和整洁，指导教师和学生一律穿白服进入实验室。2.实验前根据指导教师的讲述或实验书上的说明检查仪器、元器件，如有缺损应立即向指导教师报告。3.未了解仪器性能之前切勿动手操作，使用仪器时必须严格遵守操作规程，不得拆卸仪器，不做与本实验内容无关的实验。4.使用消耗品时要注意节约。5.实验完毕后，要清理仪器及元器件，填写仪器使用登记表。关闭电源和水道，做好卫生清扫。6.损坏仪器或丢失器材，按情节轻重，有关责任者要赔偿损失并交出书面检查。参加实验人员要严格遵守上述规则。六、实验项目[实验名称一]图像处理软件PhotoshopCS的基本知识[项目性质]验证性实验[实验目的]1．熟悉Photoshop的界面及基本操作。2．掌握图像的基本编辑方法。3．熟练掌握工具栏的使用方法。4．掌握图像的融合与剪裁。5.学会橡皮擦的使用方法。[实验原理]图层是PhotoshopCS中的重中之重，可以说没有图层就没有Photoshop，在Photoshop中执行的所有操作都离不开图层。通俗地讲，一个图层好比一张透明的纸，不同的图像绘制在不同的透明纸上，然后相互叠加既可以得到最终效果。每个图层相互独立但又彼此联系，既可单独编辑修改，又可相互叠加形成不同效果。[实验时数]2学时[实验要求]1．熟悉Photoshop的界面及基本操作。2．掌握图像的基本编辑方法。3．图像的融合与剪裁。4．橡皮擦的使用思考题1．通过对图像进行“融合与剪裁”处理后，你怎样理解“图层”这一概念？2．说出工具箱中的几种常用工具名称。3.试着应用PhotoshopCS的图像“滤镜/抽出”功能。[实验名称二]医学图像的PhotoshopCS处理方法[项目性质]验证性实验[实验目的]1．掌握医学图像平滑处理方法。2．掌握医学图像锐化处理方法。3．掌握医学图像边缘化处理方法。4．掌握医学图像曲线处理方法。5.掌握处理前后医学图像的拼接方法。[实验原理]滤镜是PhotoshopCS最有特色的功能之一，在PhotoshopCS中可以用滤镜来完成大多数数字化设备不能完成的图像处理工作。其工作原理是利用对图像中像素的分析，按每种滤镜的特殊数学运算进行像素色彩、亮度等参数的调节，从而完成原图像部分或全部像素的属性参数的调节或控制，其结果使图像明显化，粗糙化或实现图形的变形。[实验时数]2学时[实验要求]1．医学图像的平滑处理。2．医学图像的锐化处理。3．医学图像的边缘化处理。4．用曲线法调整图像的色调、对比度、对图像进行负片翻转。5.图像的拼接与融合。思考题1．说出几种应用滤镜功能对图像进行处理的方法。2．“图像的拼接与融合”步骤中，在保存之前为什么要“合并可见图层”？3.在锐化处理中如何理解“阈值”这一参数？4.负片翻转的效果是什么？[实验名称三]图像处理软件MATLAB的基本知识[项目性质]验证性实验[实验目的]1．熟悉MATLAB界面。2．熟悉MATLAB的M文件编辑调试窗口。3．读入与显示图像文件。4．掌握【Help】的用法，学会工具箱及相关功能与命令，熟悉命令的查询。5.掌握MATLAB的基本运算。6.掌握MATLAB的基本绘图函数。[实验原理]MAYLAB是一套数值计算软件分为总包和若干个工具箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理等若干个领域的计算和图形显示功能。它将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库，使用时直接调用这些函数并附与实际参数就可以解决问题，快速而且准确。（MATLAB的内核采用C语言编写，自1982年推出第一个版本以来不断对系统进行改进，MATLAB6.0版本已成为一个功能比较强大、性能稳定的软件，得到了广泛的重视和应用）。[实验时数]2学时[实验要求]通过练习，熟悉MATLAB工作界面与工作环境，掌握M文件的创建、打开、存储与运行。掌握MATLAB工具箱的查询与使用方法，学会查找命令的方法。掌握MATLAB的基本运算，及基本绘图函数的使用方法为医学图像处理打下基础。。思考题1．命令语句“t=0:pi/50:10*pi;”中各部分分别代表什么意义？2．利用M文件编辑窗口如何修改实验讲义中的程序语句?3.MATLAB图像处理工具箱提供了哪几类图像处理函数？4.试述查询命令“lookfor”与“help”的区别。[实验名称四]医学图像的MATLAB处理方法[项目性质]验证性实验[实验目的]1．显示医学图像的轮廓与边界。2．对医学图像进行模糊化、去模糊化及锐化处理。3．对医学图像进行彩色处理。4．对医学图像进行直方图均衡化处理。[实验原理]现代医学成像系统提供了人体结构的多种形式的三维数据，甚至四维数据（三维空间加时间），采用可视化技术对其进行处理，可为疾病诊断提供直观和定量的三维信息，也可为手术治疗提供决策、计划和模拟的有效的辅助手段。医学体积数据的分析与显示，就是从离散的含有噪声的三维图像中提取特征数据，以表示器官的结构、功能信息，并将结果以二维图像的形式快速准确地显示出来。研究范围包括：准确的物体分割、3D物体造型、多模式数据融合等。外科手术计划与模拟式三维医学图像分析与显示系统是主要应用之一。系统能把相互重叠、相互关联的人体组织器官分别显示出来。外科大夫可以通过计算机模拟复杂的手术过程、比较不同的手术方案、观察不同的结果，从而得到最佳方案。整形外科手术的计划与模拟，可以使术后结果更为美观。由于人脑结构的复杂性，颅脑神经的外科手术难度很大，用三维医学图像系统进行手术计划和模拟，可以确定最佳手术路径，从而最大限度地减少正常脑组织的损伤。然而由于受到各种医学成像设备的条件、状态、质量、环境以及成像的人体器官的体位等一些其它外界因素的影响，二维图片的清晰度要受到不同程度的影响，从而加大了医生对疾病正确诊断的难度。即便是很清晰的断层图片有时由于疾病的特殊性，也很难下结论。在这种情况下图像的再加工和处理与分析对疾病的正确判断将会起到至关重要的作用。[实验时数]2学时[实验要求]1．通过练习，熟悉MATLAB读入与显示图像文件，采用MATLAB图像处理工具箱中的方法，对图像分别进行边界处理，从而有效地提取人组织的轮廓。2．对医学图像进行彩色处理可以清晰地分辨出头部血管的分布与走向。3．对图像实施了灰度处理，有效地提高了影像的清晰度，突出了所要研究部位的特征。4．同时掌握医学图像的MATLAB处理与分析过程中图像过滤，对医学图像进行彩色处理，直方图均衡化处理等基本的医学图像处理方法。思考题1．何谓二值图像？如何将灰度图像转变为二值图像?2．何谓直方图均衡化？直方图均衡化后的效果是什么？3.如何理解对图像进行滤波处理？4.试述对医学图像进行彩色处理的重要步骤。[实验名称五]头部MATLAB三维重建[项目性质]验证性实验[实验目的]1．熟练掌握读入与显示多帧、单帧MRI断层扫描图像文件。2．学会改变图像数据的格式。3．掌握二维图像的地形图的处理方法。4．掌握3D地形图的叠加图的构建方法。5.掌握基于体绘制法的人体头部MRI图像的三维重建方法。[实验原理]随着现代应用数学以及计算机技术的飞速发展，人体器官的数学和计算机建模方法在3D成像领域发展迅速。由二维断层图像重建三维模型有以下几种方法：（1）断面表示法。利用内插的数学方法重现断面以外的断面图像，对颅骨和其它器官的局部修复，拟合有很重要的应用。（2）线框法。将各断层图像中的边缘轮廓线提取出来，然后形成经线，经过平滑处理得出网状立体图。（3）表面法。（4）实体法。其中（1）（2）两种方法是我们主要研究的对象。我们首先选用一个标准的成人头骨为原型，进行MRI断层扫描，由于图片的数据量巨大，无法应用个人PC机进行数据处理，所以必须对所得到的若干断层图片进行数据压缩，图像边缘平滑处理，采用有限元方法获得了三维立体颅骨的平滑图像。同时对颅骨内外边缘的处理分别得出了大脑的立体网状图和颅骨的立体网状图。[实验时数]2学时[实验要求]通过练习，熟悉MATLAB读入与显示图像文件，采用MATLAB图像处理实现MRI二维图像的地形图的处理，3D地形图的叠加图的构建，并掌握对人体头部进行三维重建的体构建方法。在实验中学生应独立编辑与运行程序，得到要形成的医学图像，并把所得到的图像编辑到实验报告的结论中。思考题1．目前将二维断层图像重建为三维模型有哪几种方法？2．如何理解“批处理”方法？3.试述基于体绘制法显示人体头部三维重建图像的步骤。4.你如何理解“二维地形图”和“三维地形图的叠加图”的概念？[实验名称六]PAL格式图像实时采集并显示[项目性质]验证性实验[实验目的]1．掌握CodeComposerStudio2.2的安装和配置。2．掌握DSP开发系统和计算机与目标系统的连接方法。3．熟练CCS集成开发环境的操作环境和基本功能。4．了解视频编码的相关基本知识。5．熟悉视频显示程序的运行过程、控制过程，搞清数据处理、传输途径。[实验原理]视频编码：1．数字图像：数字图像是指经过数字化转换并可以用数字表示、处理的图像。由象素点组成，其中横向的点数称为水平分辨率，纵向的为垂直分辨率，一幅完整的图分为若干行，称为一帧图像。每个象素根据量化精度不同其取值也不同，例如取三个色彩分量均为8位二进制数的RGB表示方法，用连续的三个8位二进制数表示一个彩色点，(200,100,64)描述的点的红色分量为200，绿色分量100，蓝色分量64，其中每个分量的取值均为0—255表示从最暗到最亮256个等级。许多静态的图像可以经连续播放产生动态效果，25帧/秒或30帧/秒的帧速可产生较平滑的动态显示效果。2．色彩空间RGB色彩空间：图像采集和显示设备采用，例如CCD、CMOS摄像头，CRT监视器等。因其色彩分量之间有较大的相关性，不适于做图像处理。YCbCr色彩空间：Y表示亮度，Cb和Cr表示色差。各色彩分量之间相关性小，适于进行处理操作。色差信号常做2:1抽样处理以节省带宽。3．视频图像视频简单地说就是活动图像。电影也是活动图像，电影把大量静止图像记录在胶片上，一张一张地连续显示出来，就成了我们看到的电影。对于电视视频，每秒钟包含几十帧静止图像，每一帧静止图像由几百个行组成，每一行又由几百个像素点组成。1秒钟包含的图像帧数为帧频，1秒钟包含的总行数为行频，1秒钟包含的总像素数实际上就是相当于视频带宽。模拟视频：遥想起来，在当年有限的条件下，用电子管做出电视机是一件非常不容易的事情，但是，用现在的眼光来看，当年的电视技术又实在是很简陋的。我国的黑白视频信号帧频为25Hz，就是说每秒显示25幅图像，之所以规定为25Hz，而不是其它的某个值，主要是因为两个原因。一个与人的视觉生理特点有关，当图像的刷新速度达到5帧/秒的时候，人开始感觉图像是活动的，而达到24帧/秒的时候，人感觉图像是完全连续和流畅的（电影所使用的帧频就是24Hz），所以视频信号帧频应大于等于24Hz。理论上来说帧频越高越好，但是帧频越高，对电路的要求也越高，技术越复杂，成本也越高（现在有的电脑彩显帧频已达到200Hz），在当时的条件下，只能选择一个大于24的尽量小的值。另一个原因是因为我国的电网频率是50Hz，当采用25Hz帧频时，隔行扫描时的场频为50Hz，正好与电网同频，这样，电源对图像的干扰是固定的，人眼不容易感觉出来，或者换个角度说：电源就可以不必做得那么精密（那个时候开关电源还很少使用，整流电源缺乏稳压措施，纹波很大）。所以选择了25Hz帧频。说到这里，又要说说“场频”。电视在显示图像的时候，把一帧分成了两场来显示，一个场由帧中的奇数行组成，叫做奇场，另一个场由帧中的偶数行组成，叫做偶场。之所以要这样做，主要是因为在CRT显象管上一秒钟显示25帧图像时，人眼感觉到连续性还是不太好，而且还有明显的闪烁，一帧分成两场后，场频为50Hz，图像更加连续一些。当然还有一些别的原因，与电路设计方面有关。我国的黑白视频信号规定每帧图像共625行，每场为312.5行，行频15625Hz，视频带宽6MHz。在每场的312.5行中，有一些行要用作场消隐，是不包含视频信号的，按照CCIR656标准规定的行编号方法，奇场的行号为第1至312.5行，偶场的行号为第312.5至625行，其中，奇场的第23.5至310行包含有效的视频信号，共287.5行，偶场的第336至622.5行包含有效的视频信号，共287.5行。所以一帧中有效的总行数为576行，由最上面的半行加上中间的574行加上最下面的半行组成。[实验时数]2学时[实验要求]1．实验准备。2．先将实验程序（TH-VPM642目录）拷贝到CCS的myprojects目录下，打开工程。3．编译、连接、下载程序并运行。思考题1．总结实验心得和体会。[实验名称七]图像的反色处理[项目性质]验证性实验[实验目的]1．掌握CodeComposerStudio2.2的安装和配置。2．了解DSP开发系统和计算机与目标系统的连接方法。3．了解CCS集成开发环境的操作环境和基本功能。4．熟悉视频显示程序的运行过程、控制过程，搞清数据处理、传输途径。5．结合实例学习如何在视频显示程序中增加图像处理算法。6．了解图像反色的算法和用途。[实验原理]1．理论基础将图像按象素进行求反，取得类似照相底片效果。求反处理的图像与原始图“黑白颠倒”，可以看清原始图中灰黑区域的情况。求反的图像一般用于数字图像的初步处理。设Da表示输入图像的灰度，Db表示输出图像的灰度。灰度变换方程为：Db=f(Da)=255−Da2．程序设计在视频显示任务的循环中，程序首先将视频数据从输入缓冲区读入自己开设的临时图像处理缓冲区，再在临时图像处理缓冲区上进行处理，处理后的数据再输出到输出缓冲区中。对需要处理的每个像素进行如下处理：*(Uint8*)(tempYbuffer+i*numPixels+j)=0xFF-*(Uint8*)(tempYbuffer+i*numPixels+j);具体详见：dm642main.c程序清单中的进行图像反色处理的函数ColorReverse()。[实验时数]2学时