基于MATLAB的医学超声图像处理仿真平台的设计与研究

  1.1 课题背景及研究的目的和意义

  随着生活质量的提高和现代医疗科技的发展，人们对科技辅助的依赖性越来越强。医学图像技术己经成为当今医疗领域内必不可少的辅助技术。医学图像是表达人体海量信息的一种有效方式，它在病情诊断、手术规划和检测、治疗疾病等方面有着不可替代的作用。如何获取、处理和显示人体信息，将其理解并转变成知识，提出科学的诊断和治疗方法，一直是临床医生和研究人员面临的挑战。影像一词最初是指基于光学原理由镜子或透镜所反映出的物体，在摄影技术产生后，影像也指感光材料经曝光、显影等过程形成的、与被摄物体基本一致的平面形象。X 射线成像、超声成像、核医学成像、磁共振成像、内窥镜成像等形成的医学图像在我国的医学临床上通常称为医学影像。其中超声成像以其使用安全，成像速度快、价格便宜和使用方便等优势在临床诊断中被大量使用，是临床诊断的重要工具之一。医学影像处理属于图像处理与生物医学两个不同学术方向的交叉领域。与普通的图像处理方法相比，医学影像处理方法既与其类似，也自有特殊性。医学影像的处理需要多领域的知识进行融合分析。医学影像处理涉及的研究内容包括:医学影像的图像获取（也就是医学成像技术）医学影像的滤波、恢复与增强、医学影像的边缘提取与分割、医学图像配准、医学影像的图像重建、医学影像的形态学处理等。随着面向对象技术的兴起，图形用户界面(Graphical User Interface, GUI)设计成为了一种趋势。它不仅可以加快程序的设计工作，还可以减轻设计工作者的负担，因此许多带有图形用户界面设计功能的程序设计软件纷纷推出，图形用户界面(GUI)是人与计算机(或程序)之间进行交流互动的重要工具和方法，它主要是以诸如窗口、文本、按钮图标、工具栏以及菜单等图形对象的形式呈现给用户，给用户提供了一个操作界面，这样，用户就可以用某种方式来选择或者激活图像对象，从而使计算机去执行该图像对象所对应的相关程序，来回应用户的操作。图形用户界面的最大优势在于，用户在使用的过程中无需了解和关心回调程序是如何进行编写的，用户只需要掌握图形界面所提供的各种功能的使用方法就可以轻松的与计算机进行交流互动，而且这种交流互动非常的直观和方便。最为重要的是 MATLAB 恰恰为用户设计图形界面提供了一个高效、方便的集成环境。在 MATLAB 中，基本的图形对象主要包括坐标轴对象(Axes)、空间对象(Uicontrol)、下拉菜单对象(Uimenu)和内容式菜单对象(Uicontexmenu)。用户可以利用这些对象，根据自己的实际设计需求来设计具有界面友好，功能强大，操作简单的图形用户界面。因此，本课题尝试利用 MATLAB GUI搭建一个针对改善超声图像质量的仿真平台，用户可以通过平台上的图像处理功能，实现对超声图像的复杂处理，以提高用户对图像识别、判断的准确度。  

  1.2 MATLAB 软件在图像处理中的应用

  MATLAB 软件是一个用于数据处理和精确计算的可视化交互软件，由 Math Works公司在 1984 年开发并发行，具有非常强大的科学仿真和计算功能，因此在各种科学和工程计算领域得到了广泛的应用。MATLAB 的名称起源于矩阵实验室(Matrix Laboratory)，它能够在操作方便的独立窗口界面环境中，将不同科学领域的算法功能集成在一起，比如精确计算、建模仿真和图形化显示等，这个显著的特点使得 MATLAB 能够更加全面地覆盖不同的科学研究和工程设计领域。目前，MATLAB 的应用领域涉及到了嵌入式和控制系统、图形、图像、视频和数字信号的处理和分析，同时也在通信、电子、测绘、生物、金融、财政等领域有着非常重要的应用价值。MATLAB 的所有主包文件和工具包文件都具有读写功能，用户可以不用编写相关的基础程序，直接调用工具箱里的函数就可以完成回调例程。同时，基于 MATLAB 工具箱的函数源程序具有对外开放性的特点，用户可以根据个人需要对文件进行必须的修改或改进。MATLAB 软件包含了三十多种应用于不同科学领域的工具箱，用户可以通过编程来构造所需的新的工具箱。MATLAB 最突出的特点是它的简单性。MATLAB 将 C 语言和 Fortran 语言的长代码替换为符合人们思维习惯的更直观的代码。MATLAB 为用户带来了更为直观的编程界面，其主要的语言特征包括:MATLAB 是一种高级的矩阵/阵列语言，其包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出以及面向对象编程等特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M 文件）后再一起运行。新版本的 MATLAB 语言是基于流行的 C++语言基础的，因此语法特征与 C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写习惯，使之更利于非计算机专业的科技人员使用。另外，这种语言可移植性好、可拓展性强，这也是 MATLAB 能够深入到科学研究以及工程计算等各个领域的重要原因。MATLAB 是用 C 语言编写的，其提供了和 C 语言几乎一样多的运算符，灵活使用运算符将使程序更加简短。MATLAB 自产生之日起就具有数据可视化功能，易将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图像处理、动画和表达式作图，可用于科学计算和工程绘图。新版本的 MATLAB 对整个图形处理功能做了很大的改进和完善，它不仅对一般数据可视化软件都具有的功能更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照、色度处理以及四维数据的表现等），也具有出色的处理能力。对一些特殊的可视化要求（例如图形对话等），MATLAB 也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版 MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上做了很大的改善，满足了对这方面有特殊要求的用户。MATLAB 既有结构化的控制语句（如 for 循环、while 循环、break 语句和 if 语句），又有面向对象编程的特性。程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在 MATLAB中，用户无须对矩阵预定义即可使用。新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 编译器以及 C/C++数字库和图形库，将自己的 MATLAB 程序自动转换为独立于 MATLAB 运行的 C 和 C++代码。允许用户编写可以和 MATLAB 进行交互的 C 或 C++语言程序。另外，MATLAB 网页服务程序还允许在 Wab 应用中使用自己的 MATLAB 数学和图形程序。MATLAB 的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB 函数的子程序库，每个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面应用。在开发环境中，使用户更方便的控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持函数嵌套、有条件中断等；在图形化方面，有更强大的图形标注和处理功能，包括对图形添加标注和对语句进行注释等；在输入/输出方面，可以直接与 Excel 和 HDF5 进行连接。

  2.1 平台的层次结构和设计原则

  医学超声图像处理仿真平台的图形对象包括图形窗口、坐标轴、用户菜单、用户控件、文字、图像、区域块和方框等。如图 2.1 所示，是本平台句柄图形体系的对象层次结构。在设计医学超声图像处理仿真平台时应遵循以下的界面设计原则：（1）简单性。设计界面时，应力求简洁、直接、清晰的提现界面的功能和特征。设计的界面要直观，应尽量减少窗口数目，避免在许多不同的窗口之间来回切换。（2）一致性。即要求界面的风格尽量一致，不要和已经存在的界面风格截然相反。（3）习常性。设计界面时，应尽量使用人们熟悉的标志和符号。以至于用户可能并不了解新界面的具体含义及操作方法，但是可以根据熟悉的标志做出正确的猜测，容易自学。（4）其他考虑因素。除了以上对界面的静态要求外，还应该注意界面的动态性能。面对用户操作的响应要迅速、连续。

  2.2 平台的设计步骤

  MATLAB GUI 界面设计有两种设计方法：一种是采用直接编写 M 文件的方法完成 GUI 设计；另一种是通过 MATLAB GUIDE 来开发系统界面。本平台界面设计利用两种方法相结合的方式，先采用 GUIDE 构建界面，如图 2.2 为 MATLAB 新建 GUI界面，新建的 GUI 包含两个文件：一是包含 callback 函数的 M 文件，二是包含 GUI控件的 fig 文件。然后在生成的 M 文件中编写子模块弹出的子界面窗口中的控件。该医学超声图像处理仿真平台的主界面及各级子界面由静态文本（Static Text）、按钮（Push Button）、滚动条（Slider）、按钮组（Button Group）、坐标轴（Axes）等控件组合而成，本课题以 MATLAB 提供的图形用户界面（GUI）为平台对医学超声图像处理仿真平台进行设计。依据软件开发原则，确定了设计的一般步骤，具体如下：①明确系统所要实现的主要功能，应该具有哪些模块。②绘出基本的用户界面草图，并对其进行修改，最终确定一个方案。③根据最终确定的方案，利用 MATLAB GUI 制作用户操作界面以及其他菜单项目。④编写界面及其菜单里的每个功能的回调程序，并且逐项进行功能检测。