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首页Java驱动的医学图像处理:算法实现与GUI设计
本文主要探讨了基于Java的图形图像处理在医学领域的设计与实现。随着计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术在医学中的应用日益凸显,对于临床诊断、教育科研以及医疗设备的效能提升起到了关键作用。通过计算机图像处理技术,如图像增强和图像分割,医生能够更准确地分析医学图像,提高诊断精度,减少误诊风险,同时节省时间和成本。 Java作为一种广泛应用的面向对象编程语言,其在企业网络和互联网环境中表现出色,已经成为众多开发者首选的工具。尽管在国内,使用Java开发的图像处理系统相对较少,这为该领域的研究提供了独特的机会和挑战。本文作者首先介绍了图像处理中的几种关键技术,包括线性灰度变换,这种技术用于调整图像的亮度和对比度;伪彩色处理,用于赋予图像更丰富的颜色层次;平滑处理,用于去除图像噪声;中值滤波,用于平滑图像并保留细节;阈值分割,用于分离图像中的不同区域;以及边缘检测,帮助识别图像中的轮廓。 作者运用Java编程实现了这些算法,并且设计了一个图形用户界面(GUI),使得图像处理结果直观展示,方便用户理解和操作。此外,为了长期保存和管理医学图像数据,文中还提及了建立数据库的过程,确保数据的安全性和可追溯性。 在整个研究过程中,关键词“医学图像”、“图像增强”和“图像分割”贯穿始终,突出了文章的核心内容。通过对Java平台的深入研究和实践,本文不仅提供了一种实用的图像处理方法,也展示了Java在医学图像处理领域的潜力和应用前景,为今后相关研究和实际应用提供了有价值的技术参考。
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MR 对骨组织和钙化点信号较弱,融合后的图像对病变的定性、定位有很大的帮助。由
于不同医学成像设备的成像机制不同,其图像质量、空间与时间特性有很大差别。因此,
实现医学图像的融合、图像数据转换、图像数据相关、图像数据库和数据理解都是亟待
解决的关键技术。
对一幅黑白图像,人眼一般只能辨别出 4 到 5 比特的灰度级别,而人眼能辨别出上
千种不同的颜色。针对这一特点,人们往往将黑白图像经过处理变为彩色图像,充分发
挥人眼对彩色的视觉能力,从而使观察者能从图像中取得更多的信息,这就是伪彩色图
像处理技术。经过伪彩色处理技术,即密度分割技术,提高了对图像特征的识别。通过
临床研究对 X 线、CT、MRI、B 超和电镜等图片均进行了伪彩色技术的尝试,取得了
良好的效果,部分图片经过处理后可以显现隐性病灶。
纹理是人类视觉的一个重要组成部分,迄今为止还难以适当地为纹理建模。为此有
关专家进行了大量的探索研究,但未能获得有关纹理的分析、分类、分割及其综合的有
效解释。有研究针对肝脏疾病难以根除、危害面广的问题,采用灰度梯度共生矩阵的方
法,分别提取纤维化肝组织和正常肝组织的 CT 图像的纹理特征,提出了基于友度梯度
共生矩阵的小梯度优势、灰度均方差、灰度嫡等参数作为图像的纹理特征量。通过选取
的纹理参数,可以看到正常组和异常组之间存在显著性差异,为纤维化 CT 图像临床诊
断提供了依据。
2.三维医学图像的可视化
三维医学图像的可视化通常是利用人类的视觉特性,通过计算机对二维数字断层图
像序列形成的三维体数据进行处理,使其变换为具有直观立体效果的图像来展示人体组
织的三维形态。三维医学图像可视化技术通常分为面绘制和体绘制两种方法。
医学数据的可视化,已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。实现三维
数据可视化的方法很多,空间域方法的典型算法包括:射线投射法、足迹法、剪切一曲
变法(目前被认为是一种速度最快的体绘制算法)等;变换域方法的典型算法有频域体绘
制法和基于小波的体绘制法,其中小波的体绘制技术显现出较好的前景。
随着互联网技术不断发展,跨越空间限制的远程虚拟现实技术已经逐步成为可能。
基于虚拟现实技术利用美国国家医学图书馆 VHP(Visible Human Project)完整数据重建
可视人体,综合 VTK, VRML 和 OperFGL 等可视化平台的优势,采用三维互动、空间
电磁定位、立体视觉等虚拟现实技术,实现了全数字可拆装人体骨骼的本地和远程互动
学习。三维虚拟现实让邀游人体世界成为可能,可以呈现一个物理上并不存在但又实实
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在在看得见、摸得着的真实人体,使用者可以无数次地解剖这个虚拟人以了解人体的结
构。
在临床方面,提出了一种用 AVS/Express 开发的基于 PC 的 Le Fort 手术模型系统原
型。利用 AVS 用 xpress 大量预制的可视化编程对象模块,快速构建系统的结构框架和
功能模块,生成的原型能对以 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)
格式存储的颅颌面 CT 序列断层图像进行预处理,并进行三维重建,在交互式操作环境
中,显示颅颌面各种组织的解剖结构,进行相应的三维测量,模拟 Le Fort I 手术的截骨
头,对截骨段实行任意的平移颌旋转。在体视化方面一直致力于提高重建速度(实时显
示利于交互操作),使重建效果理想,减少冗余信息及存储空间。
3.针对 PACS 的图像压缩
图像存档及通信系统(picture archiving and communication system,PACS)是近年来国
内外新兴的医学影像信息技术,是专门为医学图像管理而设计的,包括图像获取、处理、
存储、显示或打印的软硬件系统,是医学影像、数字化图像技术、计算机技术和网络通
信技术相结合的产物。显然,计算机网络是 PACS 的重要组成部分,它负责提供底层图
像传输服务,是 PACS 的软硬件基础,正是通过各个层次的网络才将 PACS 中的图像获
取、存储显示以及医疗数据的管理等单元连为一体,使之形成一个统一、高性能的系统.
PACS 需要解决数据传输和图像存储的问题,如何利用有限的存储空间存储更多的图像,
医学图像压缩是关键的技术之一,也是近年来图像处理技术中的一个重点研究的问题。
医学图像的压缩无疑是减低应用系统成本,提高网络传输效率,减少存储空间的一
个重要途径。DICOM 作为医学图像与通信的重要标准,加入了对图像压缩算法的支持。
目前 DICOM 正在研究对最新的压缩标准 JPEG2000 支持的可能性。随着新一代静态图
像压缩标准 JPEG2000 的发展,小波理论在这个领域成为研究的热点。
医学图像是医学诊断和疾病治疗的重要根据,在临床上具有非常重要的应用价值。
确保医学图像压缩后的高保真度是医学图像压缩首要考虑的因素,现在医学图像上常常
采用无损压缩,因为它能够精确地还原原图像。但是无损图像压缩的压缩比很低,一般
为 1∶2~4,而有损图像压缩的压缩比可以高达 1∶50,甚至更高。所以将这两种压缩方法在
保证使用要求的基础上结合起来,在获取高的压缩质量的前提下提高压缩比,这也是目
前医学图像研究领域的一个热点。
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3 Java 语言的特点
3.1 面向对象编程
Java 的核心是面向对象编程。事实上,所有的 Java 程序都是面向对象的,你别无
选择。这一点与 C++不同,因为在那里你可以选择是否面向对象编程。面向对象编程与
Java 密不可分,因此,在你编写哪怕是最简单的 Java 程序以前,也必须理解它的基本
原则。
3.1.1 抽象
面向对象编程的一个实质性的要素是抽象。人们通过抽象(abstraction)处理复杂性。
例如,人们不会把一辆汽车想象成由几万个互相独立的部分所组成的一套装置,而是把
汽车想成一个具有自己独特行为的对象。这种抽象使人们可以很容易地将一辆汽车开到
杂货店,而不会因组成汽车各部分零件过于复杂而不知所措。他们可以忽略引擎、传动
及刹车系统的工作细节,将汽车作为一个整体来加以利用。
使用层级分类是管理抽象的一个有效方法。它允许你根据物理意义将复杂的系统分
解为更多更易处理的小块。从外表看,汽车是一个独立的对象。一旦到了内部,你会看
到汽车由若干子系统组成:驾驶系统,制动系统,音响系统,安全带,供暖,便携电话,
等等。再进一步细分,这些子系统由更多的专用元件组成。例如,音响系统由一台收音
机、一个 CD 播放器、或许还有一台磁带放音机组成。从这里得到的重要启发是,你通
过层级抽象对复杂的汽车(或任何另外复杂的系统)进行管理。
复杂系统的分层抽象也能被用于计算机程序设计。传统的面向过程程序的数据经过
抽象可用若干个组成对象表示,程序中的过程步骤可看成是在这些对象之间进行消息收
集。这样,每一个对象都有它自己的独特行为特征。你可以把这些对象当作具体的实体,
让它们对告诉它们做什么事的消息做出反应。这是面向对象编程的本质。
面向对象的概念是 Java 的核心,对程序员来讲,重要的是要理解这些概念怎么转化
为程序。你将会发现,在任何主要的软件工程项目中,软件都不可避免地要经历概念提
出、成长、衰老这样一个生命周期,而面向对象的程序设计,可以使软件在生命周期的
每一个阶段都处变不惊,有足够的应变能力。例如,一旦你定义好了对象和指向这些对
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象的简明的、可靠的接口,你就能很从容很自信地解除或更替旧系统的某些组成部分。
3.1.2 面向对象编程的 3 个原则
所有面向对象的编程语言都提供帮助你实现面向对象模型的机制,这些机制是封装,
继承及多态性。当然,Java 也不例外。
封装:封装(Encapsulation)是将代码及其处理的数据绑定在一起的一种编程机制,
该机制保证了程序和数据都不受外部干扰且不被误用。理解封装性的一个方法就是把它
想成一个黑匣子,它可以阻止在外部定义的代码随意访问内部代码和数据。对黑匣子内
代码和数据的访问通过一个适当定义的接口严格控制。封装代码的好处是每个人都知道
怎么访问它,但却不必考虑它的内部实现细节,也不必害怕使用不当会带来负面影响。
Java 封装的基本单元是类。一个类(class)定义了将被一个对象集共享的结构和行为
(数据和代码)。一个给定类的每个对象都包含这个类定义的行为和结构,好像它们是从
同一个类的模子中铸造出来似的。因为这个原因,对象有时被看作是类的实例(instances
of a class)。所以,类是一种逻辑结构,而对象是真正存在的物理实体。
当创建一个类时,你要指定组成那个类的代码和数据。从总体上讲,这些元素都被
称为该类的成员(members)。具体地说,类定义的数据称为成员变量(member variables)
或实例变量(instance variables)。操作数据的代码称为成员方法(member methods)或简称
方法(methods)。如果你对 C/C++熟悉,可以这样理解:Java 程序员所称的方法,就是
C/C++程序员所称的函数(function)。在完全用 Java 编写的程序中,方法定义如何使用
成员变量。这意味着一个类的行为和接口是通过方法来定义的,类这些方法对它的实例
数据进行操作。
既然类的目的是封装复杂性,在类的内部就应该有隐藏实现复杂性机制。类中的每
个方法或变量都可以被标记为私有(private)或公共(public)。类的公共接口代表类的外部
用户需要知道或可以知道的每件事情;私有方法和数据仅能被一个类的成员代码所访问,
其他任何不是类的成员的代码都不能访问私有的方法或变量。既然类的私有成员仅能被
程序中的其他部分通过该类的公共方法访问,那么你就能保证不希望发生的事情就一定
不会发生。当然,公共接口应该小心仔细设计,不要过多暴露类的内部内容。
继承:继承(Inheritance)是一个对象获得另一个对象的属性的过程。继承很重要,
因为它支持了按层分类的概念。大多数知识都可以按层级(即从上到下)分类管理。使用
了继承,一个对象就只需定义使它在所属类中独一无二的属性即可,因为它可以从它的
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