《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)：專業(yè)必修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時：48學(xué)時（理論40學(xué)時，實驗8學(xué)時）先修課程：醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用、數(shù)字信號處理等后續(xù)課程：無適用專業(yè)：醫(yī)學(xué)信息工程開課單位：電子信息工程學(xué)院一、課程說明《醫(yī)學(xué)圖像處理》是醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。通過本課程的學(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(頻域及時域)、圖像恢復(fù)、圖像重建、圖像分割等技術(shù)的理論及實現(xiàn)，了解國內(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)生掌握專業(yè)知識的同時，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的價值觀。二、課程目標(biāo)通過本課程的學(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)展過程，掌握圖像處理的基本理論、基本算法和實現(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、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現(xiàn)，了解國內(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，初步具備運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，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、科學(xué)素養(yǎng)、人文情懷、工匠精神，富有愛國熱情和民族自豪感，建立正確的人生觀、價值觀和世界觀。接受勞動觀念熏陶，培養(yǎng)基本操作規(guī)范、安全意識，樹立正確的勞動觀。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現(xiàn)能力，能夠綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機及解剖生理學(xué)知識，了解成像特點，恰當(dāng)選擇成像裝置，能夠改進(jìn)或設(shè)計算法解決一般生物醫(yī)學(xué)影像處理過程中存在的常見問題。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)對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表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)點課程目標(biāo)支撐強度2.問題分析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，并通過文獻(xiàn)研究，證實問題分析的合理性。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)展過程，掌握圖像處理的基本理論、基本算法和實現(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、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現(xiàn)，了解國內(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)方法對器件、電路、功能模塊、軟件系統(tǒng)制定實驗方案并實施。課程目標(biāo)2：學(xué)會圖像處理常用算法，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，初步具備運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，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、科學(xué)素養(yǎng)、人文情懷、工匠精神，富有愛國熱情和民族自豪感，建立正確的人生觀、價值觀和世界觀。接受勞動觀念熏陶，培養(yǎng)基本操作規(guī)范、安全意識，樹立正確的勞動觀。H5.使用現(xiàn)代工具5.2能夠開發(fā)和利用現(xiàn)代工程工具、信息技術(shù)工具對復(fù)雜醫(yī)學(xué)信息工程問題進(jìn)行輔助設(shè)計、預(yù)測和模擬。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現(xiàn)能力，能夠綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機及解剖生理學(xué)知識，了解成像特點，恰當(dāng)選擇成像裝置，能夠改進(jìn)或設(shè)計算法解決一般生物醫(yī)學(xué)影像處理過程中存在的常見問題。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)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.概論1.1圖像處理技術(shù)的分類1.2數(shù)字圖像處理的特點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；掌握數(shù)字圖像處理的特點、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)展動向。重點：數(shù)字圖像處理的特點、方法和主要內(nèi)容。難點：數(shù)字圖像處理的特點、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)生掌握圖像的基本概念、圖像的數(shù)字化；了解關(guān)于圖像處理的基礎(chǔ)知識。重點：圖像的基本概念、圖像的數(shù)字化。難點：圖像的數(shù)字化。41、23.醫(yī)學(xué)圖像的運算3.1圖像的點運算3.2圖像的代數(shù)運算3.3圖像的幾何運算教學(xué)要求：使學(xué)生掌握圖像的點運算、代數(shù)運算及其幾何運算的方法。重點：圖像的點運算、代數(shù)運算及其幾何運算的方法。難點：圖像的點運算、代數(shù)運算及其幾何運算的方法。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)生了解機傅里葉變換在圖像處理中的意義；重點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：傅里葉變換在圖像處理中的應(yīng)用方法。難點：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5.1直方圖增強5.2圖像平滑5.3圖像銳化5.4偽彩色增強教學(xué)要求：使學(xué)生掌握圖像增強的概念和方法，包括直方圖增強、圖像平滑、圖像銳化、偽彩色增強。重點：圖像增強的概念和方法。難點：直方圖增強、圖像平滑、圖像銳化、偽彩色增強。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：基于邊界的圖像分割方法。難點：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：醫(yī)學(xué)圖像重建算法。難點：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：醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)。難點：醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的主要方法。42、3合計4082.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標(biāo)1.圖像的運算實驗內(nèi)容：圖像的點運算（線性點運算、非線性點運算）、圖像的代數(shù)運算（加法運算、減法運算）、圖像的幾何運算（縮放、旋轉(zhuǎn)）。實驗要求：熟悉使用MATLAB進(jìn)行數(shù)字圖像的讀出和顯示；掌握運用點運算進(jìn)行圖像處理的基本原理；熟悉運用MATLAB指令進(jìn)行圖像代數(shù)運算和幾何運算。21、2、32.圖像的變換實驗內(nèi)容：繪制一幅二值圖像，并顯示其傅里葉幅度譜；設(shè)計頻域理想低通濾波器，并加以驗證其應(yīng)用效果；對圖像加入椒鹽噪聲后，實現(xiàn)Butterworth低通濾波；對圖像進(jìn)行DCT變換。實驗要求：了解圖像的傅里葉變換的原理；學(xué)會顯示圖像的傅里葉變換頻譜；學(xué)會運用理想低通濾波、Butterworth濾波對圖像進(jìn)行濾波操作；了解圖像的DCT變換原理和應(yīng)用。21、2、33.圖像的增強實驗內(nèi)容：直方圖均衡化；圖像的平滑；圖像的銳化。實驗要求：通過實驗掌握圖像灰度增強的基本方法；學(xué)會根據(jù)圖像的不同情況選用不同的增強方法。21、2、34.圖像的分割實驗內(nèi)容：圖像閾值分割，學(xué)會函數(shù)im2bw、graythresh的使用方法；邊緣檢測，分別采用Roberts算子、Sobel、Prewitt、Canny算子方法來檢測圖像的邊緣，并比較各種邊緣檢測算子的效果。實驗要求：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函數(shù)的使用方法；了解邊緣檢測的算法和用途，比較Sobel、Prewiit、Canny等算子邊緣檢測的差異。21、2、3合計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、實驗等教學(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)知識的學(xué)習(xí)來奠定學(xué)生扎實的數(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。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過啟發(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、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。實驗教學(xué)著重講授如何用科學(xué)的手段來完成理論的驗證；如何組織實驗、處理數(shù)據(jù)和分析實驗現(xiàn)象；介紹常用設(shè)備和儀器的原理、構(gòu)造和使用維護(hù)方法以及綜合實驗內(nèi)容的思路和方案設(shè)計等。采用教師講授和學(xué)生動手操作的方法；在實驗前學(xué)生應(yīng)復(fù)習(xí)和掌握與本實驗有關(guān)的教學(xué)內(nèi)容、認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書；在實驗中要嚴(yán)格遵守實驗紀(jì)律，按操作規(guī)程使用儀器；實驗結(jié)束后，按規(guī)定對儀器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；每完成一項實驗，要認(rèn)真完成一份實驗報告。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：（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)計入門與實戰(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的在線數(shù)字圖像處理平臺設(shè)計與開發(fā)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(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:現(xiàn)代圖像分析（西安電子科技大學(xué)），/6802809894907937293?logTag=5ab8afb64945beaf9833（3）西瓜視頻視覺與學(xué)習(xí)青年學(xué)者研討會:醫(yī)學(xué)圖像分割（上海交通大學(xué)等），/6912305972912325133?logTag=68f42721772ddaf7ba0f七、課程考核對課程目標(biāo)的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細(xì)則及對課程目標(biāo)的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標(biāo)的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細(xì)則課程目標(biāo)123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進(jìn)行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。√√√442實驗20（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?104作業(yè)10（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！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，針對工程問題圖像處理算法的選用、分析與設(shè)計。（3）大作業(yè)分值100分，以大作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?52510合計：100分394318八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、期末大作業(yè)等方式對學(xué)生進(jìn)行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┐笞鳂I(yè)成績和過程性考核成績組成。其中：期末大作業(yè)成績?yōu)?00分（權(quán)重為60%），試題類型為針對工程應(yīng)用的醫(yī)學(xué)圖像處理算法設(shè)計，作業(yè)要求中的基本知識、基本理論不超過50%，綜合分析與應(yīng)用設(shè)計不低于50%；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)