計算機仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用.doc

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計算機仿真技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 學(xué)院：電氣與控制工程學(xué)院 班級：測控技術(shù)與儀器08-2班 姓名： 學(xué)號： 摘要 本文主要介紹了計算機仿真技術(shù)及Matlab在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。當(dāng)今世界上絕大多數(shù)科學(xué)雜志在收集論文發(fā)表時都推薦作者采用MATLAB的分析方法，所以掌握這一方法來處理科研中所采集的數(shù)據(jù)，并進行分析是當(dāng)今科學(xué)研究中科研人員必須掌握的工具。近年來，計算機仿真技術(shù)在各種領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。在機械制造和醫(yī)學(xué)方面都有了廣泛的應(yīng)用。隨著社會的進步，計算機的廣泛應(yīng)用，Matlab在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸顯示出它的先進性和可靠性。本文就Matlab在醫(yī)學(xué)的各個方面的應(yīng)用，給出了詳細的介紹。 【關(guān)鍵詞】Matlab，醫(yī)學(xué)，應(yīng)用，圖像 目錄 前言………………………………………………………………………. 1.計算機仿真技術(shù)簡介………………………………………………….. 1.1計算機仿真技術(shù)概述…....................................................................... 1.2計算機仿真的實現(xiàn)………………………………………………… 1.2.1．模型的建立……………………………………………………… 1.2.2．模型的轉(zhuǎn)換……………………………………………………… 1.2.3．模型的仿真實驗………………………………………………… 1.3計算機仿真的發(fā)展方向 …………………………………………… 1.3.1．網(wǎng)絡(luò)化仿真……………………………………………………… 1.3.2．虛擬制造技術(shù)…………………………………………………… 2.Matlab簡介…………………………………………………………… 2.1、MATLAB語言簡介………………………………………………… 2.2、MATLAB軟件組成………………………………………………… 3.Matlab在醫(yī)學(xué)圖像分割處理中的應(yīng)用……………………………… 3.1基于邊緣的分割…………………………………………………… 3.2基于Matlab的實驗分析…………………………………………… 3.3討論………………………………………………………………… 4.Matlab在醫(yī)學(xué)影像后處理中的應(yīng)用………………………………… 5. Labview在指紋識別系統(tǒng)中的應(yīng)用………………………………… 總結(jié)……………………………………………………………………… 參考文獻………………………………………………………………… 前言 MATLAB已成為一個功能比較強大、性能穩(wěn)定的軟件，得到了廣泛的重視和應(yīng)用。在歐美大學(xué)里，諸如應(yīng)用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字與信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把MATLAB作為內(nèi)容，幾乎成了90年代教科書與舊版書籍的區(qū)別性標(biāo)志。在那里MATLAB是攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具。在國際學(xué)術(shù)界，MATLAB已經(jīng)被確認為是準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)計算標(biāo)準(zhǔn)軟件。在許多國際一流的學(xué)術(shù)刊物上（尤其是信息科學(xué)刊物），都可以看到MATLAB的應(yīng)用。MATLAB集計算、可視化及編程于一身。在MATLAB中無論是問題的提出，還是結(jié)果的表達都采用習(xí)慣的數(shù)學(xué)描述方法，而不需要傳統(tǒng)的編程語言進行前后處理。這一特點使MATLAB成為了數(shù)學(xué)分析、算法開發(fā)及應(yīng)用程序開發(fā)的良好環(huán)境。它在數(shù)據(jù)分析、科學(xué)計算、仿真、自動控制、信號處理與通訊、圖形分析與處理、圖像處理等領(lǐng)域起著越來越大的作用。 1.計算機仿真技術(shù)簡介 1.1計算機仿真技術(shù)概述 計算機仿真技術(shù)是以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計算機及其相應(yīng)的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法來分析和解決問題的一門綜合性技術(shù)。計算機仿真（模擬）早期稱為蒙特卡羅方法，是一門利用隨機數(shù)實驗求解隨機問題的方法。其原理可追溯到1773年法國自然學(xué)家G.L.L.BuffON為估計圓周率值所進行的物理實驗。根據(jù)仿真過程中所采用計算機類型的不同，計算機仿真大致經(jīng)歷了模擬機仿真、模擬－數(shù)字混合機仿真和數(shù)字機仿真三個大的階段。20世紀(jì)50年代計算機仿真主要采用模擬機；60年代后串行處理數(shù)字機逐漸應(yīng)用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)對仿真時限的要求；到了70年代模擬－數(shù)字混合機曾一度應(yīng)用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應(yīng)堆仿真等眾多高技術(shù)研究領(lǐng)域；80年代后由于并行處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字機才最終成為計算機仿真的主流。現(xiàn)在，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)在機械制造、航空航天、交通運輸、船舶工程、經(jīng)濟管理、工程建設(shè)、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 1.2計算機仿真的實現(xiàn) 對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質(zhì)，又易于被計算機處理的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型將研究對象的實質(zhì)抽象出來，計算機再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對象的某些特質(zhì)，當(dāng)然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。通過這個關(guān)系還可以看出，數(shù)學(xué)建模的精準(zhǔn)程度是決定計算機仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實驗。 1.2.1．模型的建立 對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關(guān)學(xué)科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學(xué)模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。 1.2.2．模型的轉(zhuǎn)換 所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是對上一步抽象出來的數(shù)學(xué)表達式通過各種適當(dāng)?shù)乃惴ê陀嬎銠C語言轉(zhuǎn)換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關(guān)鍵。實現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運用現(xiàn)在市場上已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用MAGMAsoft軟件來進行仿真。 1.2.3．模型的仿真實驗 將上一步得到的仿真模型載入計算機，按照預(yù)先設(shè)置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”。 1.3計算機仿真的發(fā)展方向 隨著計算機應(yīng)用技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)也在不斷的發(fā)展之中。如利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)異地仿真、應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行的虛擬制造等。 1.3.1．網(wǎng)絡(luò)化仿真 現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出來的仿真系統(tǒng)，多數(shù)不能相互兼容，可移植性差，實現(xiàn)共享困難。較之于開發(fā)的高成本和長時間，實在物未盡其用。解決這些問題，第一就是采用兼容性好的計算機語言編寫仿真系統(tǒng)，第二就是采用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實現(xiàn)仿真系統(tǒng)共享。尤其是后者，在將來的仿真系統(tǒng)開發(fā)中有著重要地位。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)共享，既可以在一定程度上避免重復(fù)開發(fā)以節(jié)約社會資源，又可以通過適當(dāng)收費以補償部分開發(fā)成本。 1.3.2．虛擬制造技術(shù) 計算機仿真技術(shù)發(fā)展的另一大方向就是在虛擬制造技術(shù)領(lǐng)域的深入應(yīng)用。虛擬制造技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)。它利用計算機仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機上實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品出廠以及企業(yè)各級過程的管理與控制等制造的本質(zhì)。這使得制造技術(shù)不再主要依靠經(jīng)驗，并可以實現(xiàn)對制造的全方位預(yù)測，為機械制造領(lǐng)域開辟了一個廣闊的新天地。 2.Matlab簡介 2.1.Matlab語言 Matlab是集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學(xué)計算語言。作為強大的科學(xué)計算平臺，它幾乎能夠滿足所有的計算需求。 2.2、MATLAB軟件組成 Matlab包括五個組成部分： （1）開發(fā)環(huán)境。 （2）MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫。 （3）MATLAB語言。 （4）圖形句柄。 （5）MATLAB應(yīng)用程序接口 3.Matlab在醫(yī)學(xué)圖像分割處理中的應(yīng)用 圖像分割可以理解為將圖像中有意義的特征區(qū)域或者需要應(yīng)用的特征區(qū)域提取出來，這些特征區(qū)域可以是像素的灰度值、物體輪廓特性曲線、紋理特性等，也可以是空間頻譜或直方圖特征等。醫(yī)學(xué)圖像分割是醫(yī)學(xué)圖像處理和分析中的關(guān)鍵技術(shù)，醫(yī)學(xué)圖像由于成像原理和設(shè)備的不同，存在多種成像模式，括(CT)計算機斷層掃描、(MRI)磁共振成像、(Ultrasound)超聲成像、(PET)正電子放射斷層成像、(SPECT)單光子輻射斷層掃描及其它醫(yī)學(xué)影像設(shè)備所獲得的圖像。本研究基于圖像分割的理論基礎(chǔ)，在Manab平臺上，對腦部MRI圖像進行了分割，實驗結(jié)果表明，這一方法可成功地將腦瘤輪廓清晰地標(biāo)記出來。 3.1基于邊緣的分割 邊緣檢測是醫(yī)學(xué)圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，目的是在有噪聲背景的圖像中確定出目標(biāo)物邊界的位置。它在醫(yī)學(xué)圖像匹配、腫瘤病灶確定、造影血管檢測、冠心病診斷、左心室邊緣抽出等方面占有舉足輕重的地位。在圖像處理上，一般都認為局部極值點或灰度發(fā)生急劇變化的點即為邊緣。它可以粗略地分為：階躍邊緣(step edge)和屋頂邊緣(roof edge)以及線性邊緣(Line edge)三種。為了在圖像中尋找邊緣點，人們設(shè)計了各種各樣的邊緣檢測算子(edge detectors)，然后跟蹤檢測出的邊緣點以構(gòu)成邊緣。常用的有微分算子、拉普拉斯高斯算子(109)、canny算子。微分算子有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子以及Isotropicobel算子。本文介紹拉普拉斯高斯算子——該算子首先用高斯函數(shù)對圖像作平滑濾波處理，然后才使用Laplaeian算子檢測邊緣(109)和canny算子。為了敘述方便，下面記為一個原始的二維斷層圖像。拉普拉斯高斯算子(109)對于階躍型邊緣，其一階導(dǎo)數(shù)取得局部極值，其二階導(dǎo)數(shù)為零。在離散的數(shù)字圖像中，階躍型邊緣點是二階導(dǎo)數(shù)的過零點(Zero．Crossing)，即可以發(fā)現(xiàn)二階導(dǎo)數(shù)為零交叉點來尋找邊緣，而Laplacian算子是最常用的二階導(dǎo)數(shù)算子。 Canny算子邊緣提取的基本問題是解決增強邊緣與抗噪能力間的矛盾，由于圖像邊緣和噪聲在頻率域中同是高頻分量，簡單的微分提取運算同樣會增加圖像中的噪聲，所以一般在微分運算之前應(yīng)采取適當(dāng)?shù)钠交瑸V波，減少噪聲的影響。Canny運用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法對此問題進行了分析，推導(dǎo)出由幾個指數(shù)函數(shù)線性組合形式的最佳邊緣提取算子網(wǎng)，其算法的實質(zhì)是用一個準(zhǔn)高斯函數(shù)作平滑運算，然后以帶方向的一階微分定位導(dǎo)數(shù)最大值，Canny算子邊緣檢測是一種比較實用的邊緣檢測算子，具有很好的邊緣檢測性能。Canny邊緣檢測法利用高斯函數(shù)的一階微分，它能在噪聲抑制和邊緣檢測之間取得較好的平衡。 3.2基于Matlab的實驗分析 圖像處理程序： clear； close all； I=imread(腦瘤．jPg‘)； imshow(I)； BWl=edge(I，‘log‘)； figure，imshow(BWl)； BW2=edge(I，‘canny‘)； figure，imshow(BW2)； 相比而言，Canny算子提取的邊緣最為完整，而且邊緣的連續(xù)性很好，但是提取的結(jié)果比較雜亂。雖然edge函數(shù)提取了圖像的大概輪廓，邊緣線存在斷裂的情況，沒有完整而準(zhǔn)確地描繪出腦瘤的輪廓，在這里，可以通過strel函數(shù)利用線性的結(jié)果甬?dāng)?shù)對邊緣進行膨脹操作，填充邊緣的縫隙。Se90=strel(‘line‘，3，90)； seO=strel(‘line‘，3，0)； BW3=imdilate(BWI，[se90 seO])； figure，imshow(BW3)； 對于分割的結(jié)果，邊緣不是很平滑，需要利用菱形結(jié)構(gòu)元素對圖像進行平滑處理BW4=imerode(BW3，seD)； figure，imshow(BW4)； 最后，需要把分析的對象標(biāo)記出來。獲得清晰的輪廓，以便進行醫(yī)學(xué)圖像分析。 Bwoufline=bwperrim(BW4)； Segout=I： Segout(Bwoutline)=255； figure，imshow(Segout)； 3.3討論 圖像分割方法又可分為結(jié)構(gòu)分割方法和非結(jié)構(gòu)分割方法兩大類。結(jié)構(gòu)分割方法是根據(jù)圖像的局部區(qū)域像素的特征來實現(xiàn)圖像分割，如閾值分割、區(qū)域生長、邊緣檢測、紋理分析等，非結(jié)構(gòu)分割法包括統(tǒng)計模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法或其他利用景物的先驗知識實現(xiàn)的方法等。在醫(yī)學(xué)臨床實踐中，經(jīng)常需要觀察組織或器官的形態(tài)，來判斷它們是處于正常狀態(tài)還是處于病態(tài)中。這些操作一般都是人工通過某些觀察儀器來完成的，其精度顯然是有限的。利用Marlab處理軟件可以在計算機平臺上對醫(yī)學(xué)圖像標(biāo)記、分析和處理；在臨床診斷、病理分析、輔助治療等方面發(fā)揮越來越大的作用，對實際的診斷工作有很重要的意義。 4.Matlab在醫(yī)學(xué)影像后處理中的應(yīng)用 醫(yī)學(xué)圖像后處理技術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像與計算機技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的重要應(yīng)用,也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。在這方面國外已經(jīng)發(fā)展了很多年,我國目前尚處于初步探討研究階段,而制約其發(fā)展的首要原因之一就是后處理技術(shù)的應(yīng)用,其中最為關(guān)鍵的是實現(xiàn)影像醫(yī)學(xué)圖像后處理技術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像與計算機技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的重要應(yīng)用,也是當(dāng)前醫(yī)學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。在這方面國外已經(jīng)發(fā)展了很多年,我國目前尚處于初步探討研究階段,而制約其發(fā)展的首要原因之一就是后處理技術(shù)的應(yīng)用,其中最為關(guān)鍵的是實現(xiàn)影像醫(yī)生通過簡單的操作即可從原始圖像中提取更的信息,進一步提高疾病的診斷水平。目前,相對研究機構(gòu)、部分大型醫(yī)療單位已將研究重點逐漸轉(zhuǎn)向圖象三維重建、圖像融合及可視化技,能夠普及應(yīng)用于臨床的具有同一標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)的圖像處理與分析軟件還是空白。由于各大醫(yī)院的設(shè)備及使用軟件的差別,其醫(yī)學(xué)圖像的處理方法難以實現(xiàn)廣泛使用,效果也難得到一致認可。而MATLAB軟件完全可以實現(xiàn)影像醫(yī)生對圖像初期處理的要求,統(tǒng)一的處理過程及結(jié)果也對后期圖像三維重建,可視化技術(shù)的研究有著重要價值。本文圍繞著通過MATLAB圖像處理工具箱對醫(yī)學(xué)圖像的平滑降噪、邊緣提取等多種圖像處理的過程及結(jié)果進行了比較研究,在驗證各種方法的有效性的同時,選取其最優(yōu)化處理方法;并對針對影像醫(yī)生非編程人員特點說明通過MATLAB實現(xiàn)全部處理過程自動實現(xiàn)的方法,方便醫(yī)生此基礎(chǔ)上自行研究改進處理方法,這對于二維醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理的研究有著重要的現(xiàn)實意義。 5. Labview在指紋識別系統(tǒng)中的應(yīng)用 通過Labview仿真軟件分別對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指紋識別算法，濾波特征和不變指紋識別算法及指紋匹配算法進行仿真實驗與分析。經(jīng)過比對后，我們發(fā)現(xiàn)，LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，只通過內(nèi)部單元的互相作用，就可以完成十分復(fù)雜模式識別的分類處理，具有很好的模式識別特征。 濾波特征和不變矩指紋識別算法的優(yōu)勢在于它是基于直線線性變換得，因而無需確定與應(yīng)用相關(guān)的自適應(yīng)參數(shù)，矩技術(shù)類型很多，現(xiàn)已被應(yīng)用于圖像分類識別與處理的許多方面，從數(shù)學(xué)角度上看，矩是很簡單，它的局限性在于無法對特定的目標(biāo)特性進行精細計算，而且只能被應(yīng)用于全局目標(biāo)識別任務(wù)中。指紋匹配算法具有速度快，指紋模板小得優(yōu)點，但是容易受指紋圖像噪聲干擾?；谌痔卣髌ヅ浞绞街饕褂弥讣y紋理特征，具有特征穩(wěn)定，信息豐富的優(yōu)點，但是匹配精度不高，指紋模板比較大。 總結(jié) MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB 函數(shù)集）擴展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復(fù)數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。就是因為它的功能較為強大，因而在當(dāng)今醫(yī)學(xué)界引起了廣泛的關(guān)注，也漸漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，為人類創(chuàng)造更多的奇跡。 參考文獻 l羅輝．馮平，哈力旦A，等．編著MATLAB 7．0在圖像處理中 的應(yīng)用．北京：機械下業(yè)出版社．2005，205 2飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心編著MATLAB 6．5輔助圖像處理．北京：電子工業(yè)出版社．2003，190 3趙于前．柳建新．劉劍．基于形態(tài)學(xué)重構(gòu)運算的醫(yī)學(xué)圖像分割．計算機工程與應(yīng)用，2007，43(10)：238 4余成波主編．?dāng)?shù)字圖像處理及Matlab實現(xiàn)．重慶：重慶大學(xué)出版社，2003，223 5.胡曉燕．蔣先剛，郟國陽．目標(biāo)特征識別技術(shù)在醫(yī)學(xué)圖像處理中的應(yīng)用．華東交通大學(xué)學(xué)報，2005，22(5)：82 6.陳玉珠. 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