醫學圖形圖像處理識別技術與醫學信息分析劉燕E-Mail:lyan@PhoneNo.87331856-811目錄內容序醫學信息學簡述第一講醫學信號處理概述第二講醫學圖形信號的采集、存儲與處理第三講Mathlab與圖形信號的處理識別第四講醫學圖像信號的采集、存儲格式、處理方法第五講Mathlab、Vtk、Mtk與醫學圖像的處理第六講醫學信息挖掘第七講用于教學的醫學圖片處理技術作業第三講Mathlab與圖形信號的處理識別MATLAB軟件的使用介紹圖形信號的處理與識別程序介紹臨床電生理數據分析實驗模擬軟件介紹實驗

一、MATLAB軟件的使用介紹1.MATLAB的簡介(1)MATLAB—高級交互式軟件包(2)MATLAB典型應用數學計算算法推導建模和仿真模擬數據分析和結果的可視化工程圖形繪制應用程序開發（包括用戶圖形界面的建立）(3)MATLAB產生的歷史背景調用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫→EISPACK和LINPACK的接口程序→MATLAB→發展成為適合多學科，多種工作平臺的功能強大的大型軟件。美國MathWorks公司設計的“科學和工程計算的高級交互式軟件包”CleveMoler、NewMexico、JohnLittleMATLAB軟件_續1(3)MATLAB的語言特點語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數極其豐富。運算符豐富。MATLAB既具有結構化的控制語句，又有面向對象編程的特性。程序限制不嚴格，程序設計自由度大。程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統上運行。MATLAB的圖形功能強大。MATLAB的缺點是程序的執行速度較慢。功能強大的工具箱。源程序的開放性。如：解方程組Ax=bx=A\bMATLAB軟件_續22.MATLA的安裝進入MATLAB軟件安裝程序目錄，然后單擊“Setup”程序，在安裝程序的引導下，逐步完成以下操作:(1)選擇“Install”安裝或”Updatelicense…”升級許可證，單擊[Next]；然后輸入姓名、公司與序列號，單擊[Next]。(2)選擇接受許可證協議，單擊“Yes”→單擊[Next]，然后選擇“Typical”典型安裝，單擊[Next]。(3)選擇或輸入安裝目的路徑，單擊[Next]，后單擊“Yes”(4)單擊[Install]，系統開始安裝。MATLAB軟件_續3(5)在提示插入第2張CD時，插入CD2，然后單擊[OK]，接著在文件擴展名警示對話框內單擊[Yestoall]。(6)單擊[Next]，接著單擊[Finish]。(7)如果在單擊[Finish]按鈕之前，選擇了“Start”選項，則此時進入MATLAB工作環境。MATLAB軟件_續43.MATLAB啟動與退出啟動MATLAB，進入MATLAB工作環境啟動MATLABMATLAB軟件_續5結束MATLAB，退出MATLAB工作環境鍵入exit鍵入quit直接關閉MATLAB的命令視窗退出MATLABMATLAB軟件_續6-14.MATLAB變量與基本輸入輸出變量命名的規則：①第一個字母必須是英文字母；②字母間不可留空格；③最多只能有19個字母，MATLAB會忽略多余字母。變量定義與輸入輸出向量與標量矩陣——行和列組成的數據表行向量——矩陣只有一行時，稱為行向量。列向量——矩陣只有一列時，稱為列向量。標量——矩陣只有1個元素時，稱為標量。MATLAB軟件_續6-2變量定義var=expt;expt可可以是數字字、變量、、操作符和和函數等組組成。例如：X=7A=[123;456;789]B=[11121314]C=[21;22;23;24]D=X*B注意：用方括號““[]””確定的的范圍內逐逐行給定元元素，相同同行元素由由空格“””或逗號號“,”分分隔，不同同行數據由由分號“;”或回車車鍵分隔。。語句結尾沒沒有分號的的命令在屏屏幕顯示結結果；有分分號的命令令只執行而而不顯示。。MATLAB軟件_續75.MATLAB常用命令令(1)MATLAB常用的的基本數學學函數abs(x)：純量量的絕對值值或向量的的長度sqrt(x)：開開平方round(x)：：四舍五入入至最近整整數fix(x)：無論論正負，舍舍去小數至至最近整數數sign(x)：符符號函數(Signumfunction)exp(x)：自然然指數pow2(x)：2的指數log(x)：以e為底的對對數log10(x)：：以10為為底的對數數舉例:4x2+58x-89=0（a=4,b=58,c=89）MATLAB軟件_續8(2)適適用于向量量的常用函函數min(x):向向量x的元元素的最小小值max(x):向向量x的元元素的最大大值mean(x):向向量x的的元素的平平均值median(x):向量量x的元素素的中位數數std(x):向向量x的元元素的標準準差diff(x):向向量x的的相鄰元素素的差sort(x):對對向量x的元素進進行排序（（Sorting））length(x):向量量x的元素素個數sum(x):向向量x的元元素總和舉例:對130名正正常成年男男子紅細胞胞數(RBC,萬萬/mm)的數據進進行描述性性統計。(x=zeros(130,1))平均、中位位數、眾數數、標準差差MATLAB軟件_續9適用于向量量的常用函函數_續prod(x):向向量x的的元素總乘乘積cumsum(x):向量量x的累計計元素總和和cumprod(x):向向量x的累累計元素總總乘積dot(x,y):向量量x和y的的內積cross(x,y):向向量x和和y的外積積MATLAB軟件_續10一些常用的的操作函數數format語句是是控制輸出出的顯示格格式，句法法如下：format設設置置默認顯示示格式5位位的定點數數formattype設設置按指定定的type格式輸輸出顯示。。例如：formatratRatioofsmallintegersformat('type')與與上面語語句一樣，，但以函數數形式出現現disp(x)顯顯示矩陣陣函數%注注釋語語句zeros、ones預先先定義矩矩陣的大大小。例如：h=zeros(6);%生成6×6的0矩陣MATLAB軟軟件_續11(3)重重復命命令1）for循環環（for-loop），其其基本形形式為：：for變變量=矩矩陣；運算式；；end變量值會會被依次次設定為為矩陣的的每一行行，來執執行for和end之之間的運運算式。。因此，，若中斷斷情況，，運算式式執行的的次數等等于矩陣陣的行數數。其中中“;””是終結結內語句句的可抑抑制的重重復顯示示。舉例:產生生一個長度度為6的調調和數列x=zeros(1,6);%x是是一個1××6的矩陣陣fori=1:6,x(i)=1/i;endMATLAB軟件_續122）while循環環，其基本本形式為：：while條件式式；運算式；End實現功能：：只要條件件成立，就就會一再執執行運算式式。舉例:用while循環產生生一個長度度為6的調調和數列x=zeros(1,6);%x是一一個1×6的零矩陣陣i=1;whilei<=6,x(i)=1/i;i=i+1;endformatshortMATLAB軟件_續13(4)邏輯命命令if,...,end，，其基本形形式為：if條件件式；運算式；end實現功能：：條件成立立，執行運運算式。舉例:產生生一個隨機機數ifrand(1,1)>0.5disp('Givenrandomnumberisgreaterthan0.5.');elsedisp('Givenrandomnumberislessthan0.5.');endMATLAB軟軟件件_續續14(5)將將多多個個命命令令寫寫入入一一個個M文文件件若要要一一次次執執行行大大量量的的MATLAB命命令令，，可可將將這這些些命命令令存存于于一一個個文文件件類類型型為為m的的文文件件中中，，并并在在MATLAB提提示示號號下下鍵鍵入入此此文文件件名名即即可可執執行行。。包包含含MATLAB命命令令的的文文件件以以m為為擴擴展展名名，，通通稱稱M文文件件（（M-files））。。舉例例:名名為為test.m的的M文文件件有有以以下下內內容容：：%ThisismyfirsttestM-file.%RogerJang,March3,1997fprintf('Startoftest.m!\n');fori=1:3,fprintf('i=%d--->i^3=%d\n',i,i^3);endfprintf('Endoftest.m!\n');MATLAB軟軟件件_續續15①建建立立test.m的的M文文件件進入入MATLAB編編輯輯器器File→→New→→M-File在編編輯輯器器內內輸輸入入以以下下內內容容%ThisismyfirsttestM-file.%RogerJang,March3,1997fprintf('Startoftest.m!\n');fori=1:3,fprintf('i=%d--->i^3=%d\n',i,i^3);endfprintf('Endoftest.m!\n');保存文件件到指定定或默認認的目錄錄下File→Save→→輸入文文件名““test.m”MATLAB軟軟件_續16②執行文文件“test.m””進入文件件所在目目錄或查查看文件件>>CD>>dir執行test.m>>testStartoftest.m!i=1--->i^3=1i=2--->i^3=8i=3--->i^3=27Endoftest.m!>>MATLAB軟軟件_續17注意：M檔案案可分為為命令集(Scripts)及及函數(Functions)。前前述的test.m即即為命令令集，其其效用和和將命令令逐一輸輸入完全全一樣，，因此在在命令集集直接使使用工作作空間的的變量，，則在命命令集中中設定的的變量，，可在工工作空間間中看得得到。函數則需需要用到到輸入參參數(Inputarguments)和輸出參數數(Outputarguments)來來傳遞資資訊。例如：計計算一個個正整數數的階乘乘（Factorial），，可以寫寫一個如如下的MATLAB函函數并將將之存檔檔于fact.m：functionoutput=fact(n)%FACTCalculatefactorialofagivenpositiveinteger.output=1;fori=1:n,output=output*i;end其中fact是函數數名，n是是輸入參數數，output是是輸出參數數，而i則則是此函數數用到的暫暫時變量。。MATLAB軟件_續18要使用此函函數，直接接鍵入函數數名及適當當輸入參數數值即可。。>>y=fact(5)y=120注意：在執行fact之前前，你必須須先進入fact.m所在的的目錄。在執行fact(5)時，MATLAB會進入入一個下層層的暫時工工作空間（（Temperaryworkspace）），將變量量n的值設設定為5，，然后進行行各項函數數的內部運運算，所有有內部運算算所產生的的變量都存存在此暫時時工作空間間中。運算算完畢后，，MATLAB會將將最后輸出出參數output的值設定定給上層的的變量y，，并將清除除此暫時工工作空間及及其所含的的所有變量量。MATLAB軟件_續19(6)MATLAB的文件、、目錄等操操作指令顯示當前目目錄pwd顯顯示當前工工作目錄s=pwd將將當前前工作目錄錄賦予變量量s改變工作目目錄cd顯顯示當前前工作目錄錄w=cd將將當前前工作目錄錄賦予wcd('directory')設設置當前前工作目錄錄為directory指定定的目錄cd('..')將將當前工作作目錄改為為它的上級級目錄cddirectoryorcd..與與上面面兩條指令令等同MATLAB軟件_續20MATLAB的文件件、目錄等等操作指令令_續顯示目錄列列表dir列列示當前工工作目錄的的文件dirname列列示指定的的文件files=dir('directory')將將指定目目錄的文件件列表信息息返回到files中。例如如：：>>afiles=dir(‘‘d:/work/*.*')>>afiles(3).name>>afiles(3).date顯示示文文件件內內容容type('filename')typefilenamefilename是是要要被被顯顯示示的的文文件件的的路路徑徑和和名名字字MATLAB軟軟件件_續續21MATLAB的的文文件件、、目目錄錄等等操操作作指指令令_續續瀏覽覽或或改改變變MATLAB目目錄錄的的搜搜尋尋路路徑徑path顯顯示示當當前前MATLAB搜搜索索路路徑徑。。初始始搜搜索索路路徑徑由由toolbox/local/pathdef.m文文件件定定義義的的。。path('newpath')將將搜搜索索路路徑徑改改變變為為一一個個新新路路徑徑，，這這里里新新路路徑徑是是一一個個目目錄錄的的字字符符串串數數組組。。path(path,'newpath')將將一一個個新新路路徑徑增增加加到到當當前前的的搜搜索索路路徑徑后后。。path('newpath',path)將將一一個個新新路路徑徑加加到到當當前前的的搜搜索索路路徑徑前前。。p=path(...)將將指指定定的的路路徑徑返返回回到到一一個個字字符符串串變變量量。。MATLAB軟軟件件_續續22瀏覽覽或或改改變變MATLAB目目錄錄的的搜搜尋尋路路徑徑_續續舉例例:>>pathMATLABPATHd:\matlab5\toolbox\matlab\generald:\matlab5\toolbox\matlab\ops┋d:\matlab5\toolbox\simulink\deed:\matlab5\toolbox\local查詢詢某某一一命命令令是是在在搜搜尋尋路路徑徑的的何何處處，，用用which命命令令：：>>whichtestc:\data\mlbook\test.m將c:\data\mlbook加加入入MATLAB的的搜搜尋尋路路徑徑，，用用path>>path(path,'c:\data\mlbook')MATLAB軟軟件件_續續23(7)資資料料的的儲儲存存與與載載入入_續續1)將將計計算算所所得得的的儲儲存存倒倒文文件件的的命命令令savesave將將工工作作空空間間的的所所有有變變量量儲儲存存到到名名為為matlab.mat的的二二進進制制文文件件。。savefilename將將工工作作空空間間的的所所有有變變量量儲儲存存到到名名為為filename.mat的的二二進進制制文文件件。。savefilenamexyz將將變變量量x、、y、、z儲儲存存到到名名為為filename.mat的的二二進進制制文文件件。。savefilenamex––ascii將將變變量量x以以八八位位數數存存到到名名為為filename的的ASCII文文件件。。savefilenamex-ascii–double將將變變量x以十六六位數存到名名為filename的的ASCII文件。注意:①命令令后不加任何何選項時，save會將將變量以二進進制（Binary）的的方式儲存至至擴展名為mat的文件件；②另一一個選項是-tab，可可將同一列相相鄰的數目以以定位鍵（tab）隔開開。MATLAB軟件_續24將計算所得的的儲存倒文件件的命令save_續舉例：>>who列列出工作空空間的變量Yourvariablesare:Bhjyansixz>>savetestBy將將變數B與與y儲存至test.mat>>dir列列出出現在目錄中中的文件.2plotxy.docfact.msimulink.doctest.m~$1basic.doc1basic.docbook.dotgo.mtemplate.doctestfile.dat>>deletetest.mat刪刪除除test.matMATLAB軟件_續252)將文件載載入儲存得變變量命令loadloadfilename尋尋找名名稱為filename.mat的的文件，并以以二進制格式式載入。若找找不到filename.mat，，則尋找名稱稱為filename的的文件，并以以ASCII格式載入。。loadfilename–ascii尋尋找找名稱為filename的文件，，并以ASCII格式載載入。若以ASCII格格式載入，則則變量名稱即即為文件名稱稱（但不包含含擴展名）。。若以二進制制載入，則可可保留原有的的變量名稱。。舉例：>>clearall;%清清除工作空空間中的變數數>>x=1:10;>>savetestfile.datx-ascii%將x以以ASCII格式存至testfile.dat文件>>loadtestfile.dat%載入入testfile.dat>>who%列列出工作空空間中的變量量Yourvariablesare:testfilex注意：上述過過程由于是以以ASCII格式儲存與與載入，所以以產生了一個個與文件名稱稱相同的變量量testfile，此此變量的值和和原變量x完完全相同。MATLAB軟件_續26(8)基本xy平面繪圖圖命令1)length獲獲得一組數數的個數或一一個向量的長長度>>x=ones(1,8);>>n=length(x)2)linspace產產生線性間間隔向量y=linspace(a,b)在在[a,b]之間產生生一組100點的線性間間隔的行向量量。generatesarowvectoryof100pointslinearlyspacedbetweenandincludingaandb.y=linspace(a,b,n)在在[a,b]之間間產生生一組組n點點的線線性間間隔的的行向向量。。generatesarowvectoryofnpointslinearlyspacedbetweenandincludingaandb.舉例：：t=linspace(0.005,0.005*length(y1),length(y1));MATLAB軟件_續27基本xy平平面繪圖命命令_續3）plot繪繪制一維曲曲線的基本本函數，使使用此函數數之前，需需先定義曲曲線上每一一點的x及及y座標。。舉例:畫出出一條正弦弦曲線>>closeall;>>x=linspace(0,2*pi,100);%1產產生00個個點的x座座標>>y=sin(x);%生成對應應的y座標標>>plot(x,y);關于MATLAB基基本繪圖函函數的應用用說明:繪圖刻度plot:x軸和和y軸均為為線性刻度度（Linearscale）loglog:x軸和y軸軸均為對數數刻度（Logarithmicscale）semilogx:x軸為為對數刻度度，y軸為為線性刻度度semilogy:x軸為為線性刻度度，y軸為為對數刻度度MATLAB軟件_續28關于MATLAB基基本繪圖函函數的應用用說明_續畫出多條曲曲線，只需需將座標對對依次放入入plot函數plot(x,sin(x),x,cos(x));若要改變顏顏色，在座座標對後面面加上相關關字串plot(x,sin(x),'c',x,cos(x),'g');若要同時改改變顏色及及圖線型態態（Linestyle）），也是在在座標對後後面加上相相關字串plot(x,sin(x),'co',x,cos(x),'g*');MATLAB軟件_續29關于MATLAB基基本繪圖函函數的應用用說明_續plot繪繪圖函數的的叁數說明明在用plot(a,b,s)繪圖時，，可以使用用各類線型型、圖符、、顏色，這這里s是由由下表中的的任一元素素或3列中中所有元素素組合的字字符串。MATLAB軟件_續304)將一一圖形窗口口劃分為多多個顯示區區，使之同同時畫出數數個小圖形形於同一個個視窗之中中。subplot(m,n,p)實現功能：：將圖形窗窗口劃分為為m×n矩矩陣的顯示示區，同時時激活第p個顯示區區。舉例：subplot(2,2,1);plot(x,sin(x));subplot(2,2,2);plot(x,cos(x));subplot(2,2,3);plot(x,sinh(x));subplot(2,2,4);plot(x,cosh(x));MATLAB軟件_續315)其他他各種二維維繪圖函數數bar長長條圖errorbar圖圖形加加上誤差范范圍fplot較精精確的函數數圖形polar極座座標圖hist累累計圖圖rose極極座標標累計圖stairs階階梯圖stem針針狀圖圖fill實實心圖圖二、圖形信信號的處理理程序介紹紹1.峰值值程序fori=1:length(u)ifu(i)==max(u)m=i;breakendendp_h=h(m)處理程序_續1求起點和終終點的程序序%judge_startfori=5:(length(y2_7s)-5)ify2_7s(i-4)<=0&y2_7s(i-3)<=0&y2_7s(i-2)<=0&y2_7s(i-1)<=0&y2_7s(i)>0&y2_7s(i+1)>0&y2_7s(i+2)>0&y2_7s(i+3)>0&y2_7s(i+4)>0y2_7s(i+5)>0k=ibreakendend%judge_endfori=1:(length(y2_7s)-6)ify2_7s(i)>0&y2_7s(i+1)<=0&y2_7s(i+2)<=0&y2_7s(i+3)<=0&y2_7s(i+4)<=0&y2_7s(i+5)<=0&y2_7s(i+6)<=0j=ibreakendend處理程序_續22.時時距程序>>judge_start>>judge_end>>u=y2_7s(k:j);%宮宮縮單波數數據>>h=y1(k:j);%對對應應單單波波宮宮縮縮的的心心率率數數據據>>t0=(length(u)-1)*0.005;處理程序_續33.面積積程序>>t=linspace(0.005,0.005*length(h),length(h));>>subplot(2,1,1),plot(t,h);%心率率-時間圖;>>subplot(2,1,2),plot(t,u);%宮宮縮-時間間圖;>>area=0.005*sum(u)*15./1024%計算算面積三、臨床電生生理數據分析析實驗模擬軟軟件介紹1.實驗模擬擬軟件簡介臨床電生理數數據分析實驗驗模擬軟件Med.exe是用于對對臨床功能類類的信號進行行初步分析的的軟件，該軟軟件是用VisualBasic程序語言來來編寫的。目目前具有如下下功能：（1）可以瀏瀏覽醫學儀器器采集的電生生理信號數據據，人工干預預信號截取，，并以二進制制格式和文本本格式來保存存截取的信號號數據；（2）可以利利用面板按扭扭工具，對胎胎心率信號、、孕婦的宮縮縮信號進行人人工干預的信信號處理和分分析，包括：：奇異點處理理，平均心率率、瞬時心率率、宮縮峰值值、宮縮時距距和宮縮面積積的計算；（3）可以進進行信號數字字平滑濾波、、基線調整、、自動計算部部分時域參數數。2.軟件的的使用說明實驗模擬軟件件介紹_續1（1）原始采采樣數據回顯顯①“臨床信號號截取”→““選取數據源源位置”→確確定位置后，，單擊[OK]②在輸入病歷歷號的輸入框框內輸入：A0012③在選擇文件件框內選擇項項目：R0012A_5④單擊[開始始]→單擊[回放]（2）進行人人工干預操作作①在需要截波波或人工分析析時，單擊[凍結]②截取波形，，計算時距、、面積和平均均心率，或去去除奇異項時時，要用鼠標標在視圖瀏覽覽區內拖出選選區，然后分分別單擊相應應的操作按鈕鈕注意：如要取消選選區，可以單單擊瀏覽視圖圖的任意位置置即可。③計算峰值或或瞬時心率時時，按著[Alt]鍵，，然后單擊曲曲線的選取點點，接著單擊擊相應的操作作按鈕（3）結束軟軟件使用單擊窗口的關關閉按鈕。四、實驗1．均值計算算2.時距計計算3.峰值計計算4.面積計計算5.作圖平均值：平均幅幅值：實驗_續11.MatLab實實驗內內容的的介紹紹（1））利用用matlab計算算宮縮縮的峰峰值、、宮縮縮時的的平均均心率率，以以及宮宮縮峰峰值對對應的的順時時心率率、計計算宮宮縮波波的面面積、、宮縮縮持續續時間間實驗步步驟①啟動動matlab；②增加加路徑徑：>>path(path,'D:\matlab_dat')③導入入數據據>>clearall;%清除除變量量心率：：>>y1=load('r0012A0h.txt');宮縮：：>>y2=load('r0012a0u.txt');④曲線線作圖圖建立XY坐坐標軸軸與繪繪圖時時間數數組點點>>t=linspace(0.005,0.005*length(y1),length(y1));繪制心心率與與宮縮縮圖>>subplot(2,1,1),plot(t,y1);%心率率-時時間圖圖;>>subplot(2,1,2),plot(t,y2);%宮宮縮-時間間圖；；實驗_續2宮縮局局部加加權平平滑濾濾波(七點點平滑滑)>>n=length(y2)fori=4:n-3y2_7s(i)=(-2*y2(i-3)+3*y2(i-2)+6*y2(i-1)+7*y2(i)-2*y2(i+3)+3*y2(i+2)+6*y2(i+1))/21;end;y2_7s([123n-2n-1n])=[y2(1)y2(2)y2(3)y2(n-2)y2(n-1)y2(n)]再次繪繪制心心率與與宮縮縮圖，，觀察察曲線線變化化的情情況>>subplot(2,1,1),plot(t,y1);%心率率-時時間圖圖;>>subplot(2,1,2),plot(t,y2_7s);%宮宮