1、I摘 要随着计算机技术的迅速发展，数字图像处理技术在医学领域的研究和应用日益深入和广泛。现代医学已越来越离不开医学图像处理技术。医学图像处理技术在临床诊断、教学科研等方面发挥了重要的作用。计算机图像处理技术与影像技术的结合从根本上改变了医务人员进行诊断的传统方式。充分地利用这些技术可以提高诊断的正确性和准确性，提高诊断效率，降低医疗成本，可以更加充分地发挥各种医疗设备的功能。而且，随着数字化、智能化进程的深人，图像处理技术在医疗卫生领域将会有更加广阔的应用前景。Java 是 Sun 公司推出的一种面向对象编程语言。Java 非常适合于企业网络和Internet 环境，现已成为 Internet
2、 中最受欢迎、最有影响的编程语言之一。目前国内使用 Java 语言开发的图像处理系统比较少，这也增加了这方面的研究价值。本文首先对图像增强和图像分割中的几种算法进行了介绍，包括线性灰度变换，伪彩色处理，平滑处理，中值滤波，阈值分割，边缘检测等。然后用 Java 语言对上述各算法编程实现，并设计 Java GUI（图形用户界面）用来显示图像处理的结果，以及创建一个数据库用于存储医学图像。关键词：医学图像；图像增强；图像分割；面向对象IIAbstractAs the computer techniques quickly development, the image process techniq
3、ue having been more deeply and widely in the use and study of medical science. The modern medical science can not work well without the medical image processing technology; it has made an important use in clinical diagnosis and education study. The combination of the image processing technique and i
4、maging technique has changed the way that traditional diagnosis. Make adequately use of this techniques will be increase accuracy, increase the efficiency of diagnosis, decrease the cost of medical treatment and make the most use of function with medical treatment equipments. Moreover, as the deeply
5、 with the arithmetic figure and the intelligence, the image processing technique will have a more wonderful future.Java is a kind of object-oriented programming language from the company of Sun. The Java is becoming a most welcome and influence programming language which suits for the business netwo
6、rk and the environment of internet. Currently, use Java language to developed image processing system is not very frequency in our country. So, this is a cause of increasing the value of study.This project introduces some kinds of algorithms in image enhancement and image segmentation. It includes l
7、inear grey level transformation, pseudo-color processing, smooth processing, median filter, threshold segmentation, edge detection and so on. Then, use Java to program and realize. And show the result of image processing using Java GUI (Graphical User Interface), as well as create a database to stoc
8、k medical image.Key Words: medical image; image enhancement; image segmentation; object-orientedIII目录1 引言 .12 医学图像处理概述 .32.1 什么是医学图像处理 .32.2 医学图像处理及研究内容 .32.2.1 超声图像 .32.2.2 X 射线图像 .42.2.3 磁共振成像 .52.2.4 核医学成像 .62.3 医学图像处理技术新进展 .73 Java 语言的特点 .113.1 面向对象编程 .113.1.1 抽象 .113.1.2 面向对象编程的 3 个原则 .123.2 Ja
9、va 的特性 .133.3 Java 语言的前景 .154 Java 语言实现图像处理 .164.1 图像增强技术 .164.1.1 灰度变换 .174.1.2 伪彩色处理 .194.1.3 平滑化处理 .224.1.4 其他图像增强技术 .244.2 图像分割技术 .254.2.1 阈值分割法 .254.2.2 边缘检测法 .284.3 图像复原技术 .314.4 本章小结 .335 设计流程 .345.1 主流程图 .34IV5.2 图像处理界面 .355.3 图像的加载 .365.4 图像的处理 .385.5 数据库的建立 .426 开发工具 .446.1 JCreator 概述 .44
10、6.2 JCreator 编辑界面的组成 .44结 论 .47致 谢 .48参考文献 .49附录 A 英文原文 .50附录 B 中文翻译 .59附录 C 源程序 .6611 引言数字图像处理技术是20世纪60年代随着计算机技术和超大规模集成电路的发展而产生、发展和不断成熟起来的一个新兴技术领域，它在理论上和实际应用中都取得了巨大的成就。视觉是人类最重要的感知手段，图像又是视觉的基础。早期图像处理的目的是改善图像质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像。常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。首次获得成功应用的是美国喷气推进
11、实验室(JPL)。他们对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片进行图像处理，如几何校正、灰度变换、去除噪声等，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理，获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图，为人类登月创举奠定了坚实的基础，也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术探测研究中，数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。数字图像处理技术取得的另一个巨大成就是在医学上。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，也就是我们通常
12、所说的CT(Computer Tomograph)。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT 装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年，这项无损伤诊断技术被授予诺贝尔奖，以表彰它对人类做出的划时代贡献。从20世纪70年代中期开始，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理技术向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像，类似人类视觉系统理解外部世界，这被称为图像理解或计算机视觉。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究，取得了不少重要的研究成果。
13、其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr 提出的视觉计算理论，这个理论成为计算机视觉领域其后十多年的主导思想。20世纪80年代末期，人们开始将其应用于地理信息系统，研究海图的自动读入、自动生成方法。数字图像处理技术的应用领域不断拓展。2数字图像处理技术的大发展是从20世纪90年代初开始的。自1986年以来，小波理论与变换方法迅速发展，它克服了傅里叶分析不能用于局部分析等方面的不足之处，被认为是调和分析半个世纪以来工作之结晶。Mallat在1988年有效地将小波分析应用于图像分解和重构。小波分析被认为是信号与图像分析在数学方法上的重大突破。随后数字图像处理技术迅猛发展，到目前为止，图像处理在
14、图像通讯、办公自动化系统、地理信息系统、医疗设备、卫星照片传输及分析和工业自动化领域的应用越来越多。进入21世纪，随着计算机技术的迅猛发展和相关理论的不断完善，数字图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就。属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等。该技术成为一门引人注目、前景远大的新型学科。32 医学图像处理概述近年来，随着计算机及其相关技术的迅速发展，图像处理技术日益成熟，使得该技术深入到医学领域的方方面面，开创了数字医疗的新时代。借助图像处理技术的有力手段，医学图像的质量和显示方法可以得到极大的改善，从而使得诊断水平
15、可以借助于图像处理与分析手段来得到极大的改善，这不仅可以基于现有的医学图像设备来极大地提高医学临床诊断水平，而且能为医学培训、医学研究与教学、计算机辅助临床外科手术等提供电子实现手段，为医学的研究与发展提供坚实的基础，具有无可估量的价值。2.1 什么是医学图像处理医学图像处理就是利用计算机系统对生物医学图像进行的具有临床医学意义的处理和分析。医学图像处理是一个很复杂的过程。医学图像作为一种信息源，也和其它有关病人的信息一样，是医生做出判断时的依据。医生在判读医学图像时，要把图像与他的解剖学、生理学和病理学等知识作对照，还要根据经验来捕捉图像中的有重要意义的细节和特征。所以要从一幅或几幅医学图像
16、中判断出是否有异常，或属于什么疾病，是一种高级的脑力劳动。任意拿一张有异常的 CT 图像、X 线照片或超声图像来看，如果不是训练有素的医生，是难以发现图像上的异常的。所以对医学图像进行处理显得尤为重要。2.2 医学图像处理及研究内容2.2.1 超声图像超声是超过正常人耳能听到的声波，频率在 20 000 赫兹(Hertz ，Hz) 以上。超声检查是利用超声的物理特性和人体器官组织声学性质上的差异，以波形、曲线或图像的形式显示和记录，借以进行疾病诊断的检查方法。40 年代初就已探索利用超声检查人体，50 年代已研究、使用超声使器官构成超声层面图像，70 年代初又发展了实时超声技术，可观察心脏及胎
17、儿活动。超声诊断由于设备不似 CT 或 MRI 设备那样昂贵，可4获得器官的任意断面图像，还可观察运动器官的活动情况，成像快，诊断及时，无痛苦与危险，属于非损伤性检查，因此，在临床上应用已普及，是医学影像学中的重要组成部分。不足之处在于图像的对比分辨力和空间分辨力不如 CT 和 MRI 高。超声在介质中以直线传播,有良好的指向性。这是可以用超声对人体器官进行探测的基础。当超声传经两种声阻抗不同相邻介质的界面时其声阻抗差大于 0.1%,而界面又明显大于波长，即大界面时，则发生反射，一部分声能在界面后方的相邻介质中产生折射，超声继续传播，遇到另一个界面再产生反射，直至声能耗竭。反射回来的超声为回声
18、。声阻抗差越大，则反射越强，如果界面比波长小，即小界面时，则发生散射。超声在介质中传播还发生衰减，即振幅与强度减小。衰减与介质的衰减系数成正比，与距离平方成反比，还与介质的吸收及散射有关。人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织，包括病理组织有它特定的声阻抗和衰减特性。因而构成声阻抗上的差别和衰减上的差异。超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。将接收到的回声，根据回声强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像，称这为声像图。人体器官表面有被膜包绕，被膜同其下方
19、组织的声阻抗差大，形成良好界面反射，声像图上出现完整而清晰的周边回声，从而显出器官的轮廓。根据周边回声能判断器官的形状与大小。图 2.1 急性阑尾超声影像52.2.2 X 射线图像X 线图像是当前临床应用最广泛的一种医学图像，如何从 X 线图像获得更多的信息，是提高诊断技术水平的一个重要方向。X 线图像建立在当 X 线透过人体时，各种脏器与组织对 X 线的不同吸收程度的基础上，因而在接收端将得到不同的射线强度。接收端射线强度的变化，如被记录在底片上就变成灰度的变化。基于这个原理，所得的 X 线图像是把三维结构的人体在二维空间中投影成像的技术，是人体内各层结构重叠后的图像。因此，处理的基本目的是
20、要在图片上把特定的脏器轮廓从周围的结构中分离出来。几十年来，X 线技术的发展可以说大都是为了提高 X 线图像的分辨能力。例如，各种 X 线照片的处理技术(包括增强，分割，识别等)，X 线断层摄影技术，X 线 CT 技术，X 线减影技术等。此外，也要尽可能减少病人和医生所受到的 X 线辐射剂量。图 2.2 骨纤维异常增殖症 X 光片2.2.3 磁共振成像核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。是继 CT 后医学影像学的又一重大进步。自 80 年代应用以来，它以极快的速度得到发展。其基本原理：是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲
21、后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被6体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。 核磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领域，到 1973 年才将它用于医学临床检测。为了避免与核医学中放射成像混淆，把它称为核磁共振成像术(MR)。 MR 是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。MR 提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生 CT 检测中的伪影；不需注射造影剂；无电离辐射，对机体没有不良影响。MR 对检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉血管畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病非常有效，同时对腰椎椎间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。图 2.3 颅脑病变 MR 影像MR 也存在不足之处。它的空间分辨率不及 CT，带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的部位不能作 MR 的检查，另外价格比较昂贵。2.2.4 核医学成像将放射性同位素(RI) 作为示踪物质，直接注入人体，并在体外用测定器对它的分布、
