医学图像处理虚拟仿真教学平台的构建

陆雪松　谢勤岚

摘 要 为解决医学图像处理传统教学中算法构造复杂、授课方式单一、学生参与较少等问题，采用Qt等开源工具包构建了医学图像处理虚拟仿真教学平台，将课程知识点融入平台之中，在课堂上实施虚拟仿真教学，引导学生深入讨论。平台内包含医学图像数据读取、显示、滤波、三维可视化、分割和配准等核心模块。这种理论与实践相结合的教学手段不仅能让学生加深对课程知识的理解、提高学习兴趣和自主学习能力，而且还可以降低教学成本、提高教学效率。

关键词 医学图像处理 虚拟仿真教学平台 自主学习

中图分类号：G642 文献标识码：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

虚拟仿真技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，具有交互性、真实性以及多感知性等特点。它以计算机软件及硬件为基础，相关的技术手段为辅助，通过对已知或未知世界的仿真，使人获得真实感受的一种先进计算机应用技术。虚拟仿真技术已普遍应用于各个领域，如训练、教学、仿真和娱乐等诸多方面。[1， 2]

医学图像学科的教学已明显落后于临床医学的发展，使用传统胶片教学难以提供和显示发展迅速而豐富多彩的图像医学内容，教师难以组织有效的教学，学生不易充分理解多种成像的图像信息。2015年，中南民族大学整合了生物医学工程及相关学科的教学科研资源，建设了虚拟仿真湖北省实验教学示范中心。为发挥我院学科专业优势，在教学中充分展现数字化图像所固有的对人体和疾病虚拟仿真显示的诊断特性，以培养学生的主动学习能力和创新能力为出发点，建立医学图像处理课程的虚拟仿真教学平台。

1 相关背景

（1）虚拟仿真教学迅速兴起，与传统教学模式相互补充、相互促进，融合虚拟仿真技术的图像教学已成为现代生物医学工程学科教学的研究前沿和发展方向。[3， 4]

（2）医学图像学科的飞速发展，先进高档、昂贵的医学成像设备的迅速普及，迫切需求医学图像人才，融合虚拟仿真的图像处理教学，是适应高效率培养合格的高层次生物医学工程学专门人才需要的良好方式。

（3）生物医学工程专业交叉性强，需要大量的实践教学。通过虚拟仿真平台的操作，使学生将自己置身于虚拟现实的图像形成、处理、分析和诊断的环境当中，增加学生的学习兴趣，为工程实践奠定基础。这种教学模式的革新对于专业的发展也将起到促进作用。

2 虚拟仿真教学平台主要目标

（1）实现课堂随时的学习。整个平台以Qt、Itk和Vtk等开源工具包为基础构建，可供上课老师随时操作进行讲解。

（2）构建丰富、完整的医学图像处理模块。充分利用平台的良好展示功能，将完整的医学图像处理知识体系置于其中，便于学生的学习和实践。包括数据读取模块、数据显示模块、数据滤波模块、三维可视化模块、数据分割模块和数据配准模块（见图1）。

（3）形成易于扩展的框架结构。平台构建完成之后，可以展示学院的特色科研成果，教师还可以将自己拓展的图像处理方法嵌入其中供学生学习。

（4）追踪学生学习情况。在课程的每一章节，了解和掌握虚拟教学平台的使用情况，跟踪记录学生的学习情况。

（5）节约实验费用，提高学习效率。充分调动学生的学习兴趣、培养学生的想象力和创造力。实现资源共享。[5， 6]

3 虚拟仿真教学平台主要模块

虚拟仿真教学平台中的教学资源建设是核心内容。教学内容的选择，不但注重知识的完整性，而且注重发挥虚拟实验的特殊性，实现人机交互。主要模块不仅包括图像数据读取、显示，而且涵盖了多种图像处理方法。[7]

3.1 医学图像数据读取模块

可以打开2D图像，3D图像和DICOM专用格式图像，通过菜单Data IO或快捷方式打开图像，并进行相应的操作。同时，在Data IO里可以将2D PNG图像序列和DICOM图像序列转换为3D体数据Meta Image格式。

3.2 医学图像数据显示模块

可以单平面显示2D图像。在对3D图像进行显示时，有两种模式可供选择。通过界面右边操作区域的Reslice Mode中AxisAligned和Oblique两个按钮切换，这两种模式有着各自特有的功能。在界面的右下角同时显示了打开的图像的基本信息。

在两种模式下都可以实现：（1）在三个不同剖面显示框中通过拖动鼠标左键改变图像的对比度和拖动鼠标右键改变图像大小的功能，并且在3D显示框（右下角）中拖动鼠标左键查看三个剖面组成的3D图像的各个视角；（2）通过点击Distance Measurement中的axial、sagittal和coronal三个按钮分别实现在三个剖面上测距的功能；（3）快捷栏的最后两个快捷键可以实现两种不同的图像显示界面。

在AxisAligned模式下，可以通过鼠标滚轮实现查看每个剖面里所叠加的图层。Oblique模式下鼠标移动到每个剖面中的十字线上时，光标变成手形时，点击左键，并拖动，可以实现旋转这个剖面的功能；当鼠标移动到十字线的中央时，光标变成十字形，点鼠标左键，上下拖动，可以将这个剖面不同位置的图像显示出来。

3.3 医学图像数据滤波模块

可以实现Canny边缘检测、图像梯度计算、Laplacian滤波、中值滤波、均值滤波、数学形态学操作等技术。

3.4 医学图像数据三维可视化模块

可以实现医学三维数据的面重建和体重建处理。其中体重建示例见图2。

3.5 医学图像数据分割模块

可以实现阈值分割、区域生长、K均值聚类分割、分水岭分割、snake模型分割、水平集分割等技术。

3.6 医学图像数据配准模块

可以实现2D图像、3D图像的全自动配准。配准模型包括平移、旋转、仿射、B样条等，配准度量包括灰度差值法、互相关法、互信息法等。其中2D图像的配准示例见图3。

4 结束语

医学图像处理虚拟仿真教学平台可应用于医学图像学科的教学中，可为本科生科技创新等活动设立虚拟实践平台，还可以为相关科研工作提供资源共享平台和软件支持服务。该系统解决了医学图像处理传统教学中算法构造复杂、授课方式单一、学生参与较少等问题，将课程理论知识嵌入系统之中，在提升教学质量，提高学生学习、实践能力方面发挥了重要作用。[8， 9]

基金項目：中南民族大学校级教学研究项目（JYX16053）

参考文献

[1] 吴亚东，赵思蕊，杨文超.让人机交互更加真实[J].高科技与产业化，2015.11（11）：50-51.

[2] 李知菲，何林知，洪震.体感交互技术在“虚拟现实技术”课程教学中的应用[J].中国信息技术教育，2014（5）：115-117.

[3] 杨淑莹，张桦.模式识别与智能计算：MATLAB技术实现[M].北京：电子工业出版社，2015.

[4] 张永清.基于多线程的水中微生物图像预处理系统[D].昆明：云南大学，2011.

[5] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013.32（12）：5-8.

[6] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013.32（11）：6-8.

[7] Gonzalez R C， Woods R E. 数字图像处理[M].阮秋琦，阮宇智，译.3版.北京：电子工业出版社，2015.

[8] 姜显扬，唐向宏.虚拟仿真无人驾驶汽车跨学科实验平台的构建[J].实验技术与管理，2016.33（11）：117-120.

[9] 李媛媛，吴洪娟，刘雨清.医学虚拟仿真实验室的定位及应用前景[J].基础医学教育，2015.17（4）： 362-364.