《醫(yī)學(xué)圖像處理》教學(xué)大綱

《醫(yī)學(xué)圖像處理》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：06151041課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)必修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí)（理論40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)）先修課程：醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用、數(shù)字信號(hào)處理等后續(xù)課程：無(wú)適用專(zhuān)業(yè)：醫(yī)學(xué)信息工程開(kāi)課單位：電子信息工程學(xué)院一、課程說(shuō)明《醫(yī)學(xué)圖像處理》是醫(yī)學(xué)信息工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉數(shù)字圖像形成、分析及處理的基本過(guò)程，掌握醫(yī)學(xué)圖像處理的基本方法和編程技能，掌握數(shù)字圖像處理的基本理論和常用算法，包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)(頻域及時(shí)域)、圖像恢復(fù)、圖像重建、圖像分割等技術(shù)的理論及實(shí)現(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)圖像處理重要進(jìn)展，具有初步分析、處理醫(yī)學(xué)圖像的能力。課程中也穿插思政案例，使學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的價(jià)值觀。二、課程目標(biāo)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到如下目標(biāo)：課程目標(biāo)1：了解數(shù)字圖像及醫(yī)學(xué)圖像處理產(chǎn)生的歷史背景及發(fā)展過(guò)程，掌握?qǐng)D像處理的基本理論、基本算法和實(shí)現(xiàn)方法，熟悉圖像形成、分析及處理的原理，以及掌握常用的各種算法，包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像重建、圖像分割、圖像配準(zhǔn)及融合等技術(shù)的理論及基本算法實(shí)現(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)圖像處理的重要進(jìn)展。課程目標(biāo)2：學(xué)會(huì)圖像處理常用算法，能夠用于日常圖像的處理及分析，具有初步分析、處理醫(yī)學(xué)圖像的能力，初步具備運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為其從事與醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的科研及實(shí)際應(yīng)用打下必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。具有一定的創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)、人文情懷、工匠精神，富有愛(ài)國(guó)熱情和民族自豪感，建立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀。接受勞動(dòng)觀念熏陶，培養(yǎng)基本操作規(guī)范、安全意識(shí)，樹(shù)立正確的勞動(dòng)觀。課程目標(biāo)3：掌握醫(yī)學(xué)圖像處理基本的研究方法，具備一定的編程技能和算法實(shí)現(xiàn)能力，能夠綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)及解剖生理學(xué)知識(shí)，了解成像特點(diǎn)，恰當(dāng)選擇成像裝置，能夠改進(jìn)或設(shè)計(jì)算法解決一般生物醫(yī)學(xué)影像處理過(guò)程中存在的常見(jiàn)問(wèn)題。三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求《醫(yī)學(xué)圖像處理》課程教學(xué)目標(biāo)對(duì)醫(yī)學(xué)信息工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求的支撐見(jiàn)表1。表1課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)支撐強(qiáng)度2.問(wèn)題分析2.3能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，并通過(guò)文獻(xiàn)研究，證實(shí)問(wèn)題分析的合理性。課程目標(biāo)1：了解數(shù)字圖像及醫(yī)學(xué)圖像處理產(chǎn)生的歷史背景及發(fā)展過(guò)程，掌握?qǐng)D像處理的基本理論、基本算法和實(shí)現(xiàn)方法，熟悉圖像形成、分析及處理的原理，以及掌握常用的各種算法，包括圖像數(shù)字化、圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、圖像重建、圖像分割、圖像配準(zhǔn)及融合等技術(shù)的理論及基本算法實(shí)現(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)圖像處理的重要進(jìn)展。H4.研究4.2能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)器件、電路、功能模塊、軟件系統(tǒng)制定實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施。課程目標(biāo)2：學(xué)會(huì)圖像處理常用算法，能夠用于日常圖像的處理及分析，具有初步分析、處理醫(yī)學(xué)圖像的能力，初步具備運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為其從事與醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的科研及實(shí)際應(yīng)用打下必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。具有一定的創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)素養(yǎng)、人文情懷、工匠精神，富有愛(ài)國(guó)熱情和民族自豪感，建立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀。接受勞動(dòng)觀念熏陶，培養(yǎng)基本操作規(guī)范、安全意識(shí)，樹(shù)立正確的勞動(dòng)觀。H5.使用現(xiàn)代工具5.2能夠開(kāi)發(fā)和利用現(xiàn)代工程工具、信息技術(shù)工具對(duì)復(fù)雜醫(yī)學(xué)信息工程問(wèn)題進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)和模擬。課程目標(biāo)3：掌握醫(yī)學(xué)圖像處理基本的研究方法，具備一定的編程技能和算法實(shí)現(xiàn)能力，能夠綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)及解剖生理學(xué)知識(shí)，了解成像特點(diǎn)，恰當(dāng)選擇成像裝置，能夠改進(jìn)或設(shè)計(jì)算法解決一般生物醫(yī)學(xué)影像處理過(guò)程中存在的常見(jiàn)問(wèn)題。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)理論學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.概論1.1圖像處理技術(shù)的分類(lèi)1.2數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)1.3數(shù)字圖像處理的方法和主要內(nèi)容1.4數(shù)字圖像處理領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展動(dòng)向教學(xué)要求：使學(xué)生了解數(shù)字圖像處理技術(shù)的起源及其發(fā)展；了解圖像處理技術(shù)的分類(lèi)；掌握數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)、方法和主要內(nèi)容；了解數(shù)字圖像處理領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展動(dòng)向。重點(diǎn)：數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)、方法和主要內(nèi)容。難點(diǎn)：數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)、方法和主要內(nèi)容。212.醫(yī)學(xué)圖像處理基礎(chǔ)2.1圖像的數(shù)字化2.2數(shù)字圖像的數(shù)值描述2.3數(shù)字圖像的類(lèi)型2.4圖像文件格式2.5灰度直方圖2.6圖像像素間的關(guān)系教學(xué)要求：使學(xué)生掌握?qǐng)D像的基本概念、圖像的數(shù)字化；了解關(guān)于圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí)。重點(diǎn)：圖像的基本概念、圖像的數(shù)字化。難點(diǎn)：圖像的數(shù)字化。41、23.醫(yī)學(xué)圖像的運(yùn)算3.1圖像的點(diǎn)運(yùn)算3.2圖像的代數(shù)運(yùn)算3.3圖像的幾何運(yùn)算教學(xué)要求：使學(xué)生掌握?qǐng)D像的點(diǎn)運(yùn)算、代數(shù)運(yùn)算及其幾何運(yùn)算的方法。重點(diǎn)：圖像的點(diǎn)運(yùn)算、代數(shù)運(yùn)算及其幾何運(yùn)算的方法。難點(diǎn)：圖像的點(diǎn)運(yùn)算、代數(shù)運(yùn)算及其幾何運(yùn)算的方法。621、24.醫(yī)學(xué)圖像變換4.1傅里葉變換4.2離散余弦變換4.3小波變換教學(xué)要求：使學(xué)生了解機(jī)傅里葉變換在圖像處理中的意義；重點(diǎn)掌握傅里葉變換在圖像處理中的應(yīng)用方法；了解離散余弦變換和小波變換的概念和應(yīng)用。重點(diǎn)：傅里葉變換在圖像處理中的應(yīng)用方法。難點(diǎn)：離散余弦變換和小波變換的概念和應(yīng)用。822、35.醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)5.1直方圖增強(qiáng)5.2圖像平滑5.3圖像銳化5.4偽彩色增強(qiáng)教學(xué)要求：使學(xué)生掌握?qǐng)D像增強(qiáng)的概念和方法，包括直方圖增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化、偽彩色增強(qiáng)。重點(diǎn)：圖像增強(qiáng)的概念和方法。難點(diǎn)：直方圖增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化、偽彩色增強(qiáng)。822、36.醫(yī)學(xué)圖像分割6.1基于邊界的圖像分割6.2基于閾值的圖像分割6.3基于區(qū)域的圖像分割教學(xué)要求：使學(xué)生掌握基于邊界的圖像分割方法；了解閾值分割的方法及其原理。重點(diǎn)：基于邊界的圖像分割方法。難點(diǎn)：閾值分割的方法及其原理。422、37.醫(yī)學(xué)圖像重建和可視化7.1醫(yī)學(xué)圖像重建算法7.2圖像三維可視化教學(xué)要求：使學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)圖像重建算法；重點(diǎn)掌握傅里葉變換在圖像處理中的應(yīng)用方法；了解圖像三維可視化。重點(diǎn)：醫(yī)學(xué)圖像重建算法。難點(diǎn)：圖像三維可視化。42、38.醫(yī)學(xué)圖像的配準(zhǔn)與融合8.1醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)技術(shù)8.2醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)8.3醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的主要方法8.4醫(yī)學(xué)圖像融合技術(shù)教學(xué)要求：使學(xué)生了解醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)技術(shù)；掌握醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)；了解醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的主要方法。重點(diǎn)：醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)。難點(diǎn)：醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的主要方法。42、3合計(jì)4082.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表3。表3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)1.圖像的運(yùn)算實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：圖像的點(diǎn)運(yùn)算（線(xiàn)性點(diǎn)運(yùn)算、非線(xiàn)性點(diǎn)運(yùn)算）、圖像的代數(shù)運(yùn)算（加法運(yùn)算、減法運(yùn)算）、圖像的幾何運(yùn)算（縮放、旋轉(zhuǎn)）。實(shí)驗(yàn)要求：熟悉使用MATLAB進(jìn)行數(shù)字圖像的讀出和顯示；掌握運(yùn)用點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行圖像處理的基本原理；熟悉運(yùn)用MATLAB指令進(jìn)行圖像代數(shù)運(yùn)算和幾何運(yùn)算。21、2、32.圖像的變換實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：繪制一幅二值圖像，并顯示其傅里葉幅度譜；設(shè)計(jì)頻域理想低通濾波器，并加以驗(yàn)證其應(yīng)用效果；對(duì)圖像加入椒鹽噪聲后，實(shí)現(xiàn)Butterworth低通濾波；對(duì)圖像進(jìn)行DCT變換。實(shí)驗(yàn)要求：了解圖像的傅里葉變換的原理；學(xué)會(huì)顯示圖像的傅里葉變換頻譜；學(xué)會(huì)運(yùn)用理想低通濾波、Butterworth濾波對(duì)圖像進(jìn)行濾波操作；了解圖像的DCT變換原理和應(yīng)用。21、2、33.圖像的增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：直方圖均衡化；圖像的平滑；圖像的銳化。實(shí)驗(yàn)要求：通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握?qǐng)D像灰度增強(qiáng)的基本方法；學(xué)會(huì)根據(jù)圖像的不同情況選用不同的增強(qiáng)方法。21、2、34.圖像的分割實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：圖像閾值分割，學(xué)會(huì)函數(shù)im2bw、graythresh的使用方法；邊緣檢測(cè)，分別采用Roberts算子、Sobel、Prewitt、Canny算子方法來(lái)檢測(cè)圖像的邊緣，并比較各種邊緣檢測(cè)算子的效果。實(shí)驗(yàn)要求：利用MATLAB研究圖像分割的常用算法原理；掌握MATLAB圖像域值分割與邊緣檢測(cè)函數(shù)的使用方法；了解邊緣檢測(cè)的算法和用途，比較Sobel、Prewiit、Canny等算子邊緣檢測(cè)的差異。21、2、3合計(jì)8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。學(xué)生比較全面地理解醫(yī)學(xué)圖像處理的基本理論與算法，以基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)來(lái)奠定學(xué)生扎實(shí)的數(shù)字圖像分析技術(shù)的應(yīng)用能力和培養(yǎng)靈活擴(kuò)展的應(yīng)用能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生基本數(shù)字圖像處理技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)教學(xué)著重講授如何用科學(xué)的手段來(lái)完成理論的驗(yàn)證；如何組織實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；介紹常用設(shè)備和儀器的原理、構(gòu)造和使用維護(hù)方法以及綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的思路和方案設(shè)計(jì)等。采用教師講授和學(xué)生動(dòng)手操作的方法；在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)；在實(shí)驗(yàn)中要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按規(guī)定對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，要認(rèn)真完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。六、課程資源1.推薦教材：（1）聶生東等.醫(yī)學(xué)圖像處理[M].北京:科學(xué)出版社,2022.（2）龔聲蓉等.數(shù)字圖像處理與分析（第2版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2019.2.參考書(shū)：（1）阮秋琦.數(shù)字圖像處理（第4版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2022.（2）余勝威,吳婷,羅建橋.MatlabGUI設(shè)計(jì)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.（3）程遠(yuǎn)航.數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2018.（4）楊丹,趙海濱.Matlab圖像處理實(shí)例詳解[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.3.期刊：（1）程鋼,張春義,張桓.基于Matlab的在線(xiàn)數(shù)字圖像處理平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,36(04):55-59.（2）JunGeunShin,JuWanKim,TaeJoongEom.Frequencydomainzeropaddingforaccurateautofocusingbasedondigitalholography[J].Journal-KoreanPhysicalSociety,2018,72(1):57-65.（3）SarrafzadehM,LaHJ,LeeJY,etal.MicroalgaebiomassquantificationbydigitalimageprocessingandRGBcoloranalysis[J].JournalofAppliedPhycology,2014,27(1):1-5.（4）Soomro,ShoaibR,Ulusoy,Erdem,Urey,Hakan.DecouplingofRealandDigitalContentinProjection-basedAugmentedRealitySystemsUsingTimeMultiplexedImageCapture[J].JournalofImagingScience&Technology,2017,61(1):10401-10406.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）中國(guó)大學(xué)MOOC:數(shù)字圖像處理（武漢大學(xué)），/course/WHU-1002332010（2）西瓜視頻學(xué)堂在線(xiàn):現(xiàn)代圖像分析（西安電子科技大學(xué)），/6802809894907937293?logTag=5ab8afb64945beaf9833（3）西瓜視頻視覺(jué)與學(xué)習(xí)青年學(xué)者研討會(huì):醫(yī)學(xué)圖像分割（上海交通大學(xué)等），/6912305972912325133?logTag=68f42721772ddaf7ba0f七、課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐課程成績(jī)由過(guò)程性考核成績(jī)和期末考核成績(jī)兩部分構(gòu)成，具體考核/評(píng)價(jià)細(xì)則及對(duì)課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見(jiàn)表4。表4課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評(píng)價(jià)細(xì)則課程目標(biāo)123過(guò)程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問(wèn)題情況進(jìn)行考核，滿(mǎn)分100分。（2）以平時(shí)考核成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?42實(shí)驗(yàn)20（1）根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作完成情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量單獨(dú)評(píng)分，滿(mǎn)分100分；（2）每次實(shí)驗(yàn)單獨(dú)評(píng)分，取各次實(shí)驗(yàn)成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以實(shí)驗(yàn)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?104作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿(mǎn)分100分；（2）每次作業(yè)單獨(dú)評(píng)分，取各次成績(jī)的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績(jī)。（3）以作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?42期末考核60（1）考核形式：大作業(yè)。（2）主要考核醫(yī)學(xué)圖像處理的基礎(chǔ)知識(shí)，針對(duì)工程問(wèn)題圖像處理算法的選用、分析與設(shè)計(jì)。（3）大作業(yè)分值100分，以大作業(yè)成績(jī)乘以其在總評(píng)成績(jī)中所占的比例計(jì)入課程總評(píng)成績(jī)?！獭獭?52510合計(jì)：100分394318八、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定1.考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、期末大作業(yè)等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。考核基本要求：考核總成績(jī)由期末大作業(yè)成績(jī)和過(guò)程性考核成績(jī)組成。其中：期末大作業(yè)成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重為60%），試題類(lèi)型為針對(duì)工程應(yīng)用的醫(yī)學(xué)圖像處理算法設(shè)計(jì)，作業(yè)要求中的基本知識(shí)、基本理論不超過(guò)50%，綜合分析與應(yīng)用設(shè)計(jì)不低于50%；課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)