郭　翌， 汪源源

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子工程系， 上海 200433)

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“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”課程教學(xué)與實驗改革探索

郭翌， 汪源源

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子工程系， 上海 200433)

摘要：本文根據(jù)理工科學(xué)生特點，從“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容、方式和實驗三方面進行改革。注重基本物理原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合臨床實踐和最新科研成果，增加醫(yī)學(xué)圖像處理內(nèi)容與實驗。教學(xué)改革有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強對課程內(nèi)容的理解與掌握。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)成像技術(shù)；教學(xué)與實驗改革

0引言

“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”課程是高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程。通過對多種臨床醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的原理、特點及應(yīng)用的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生理解醫(yī)學(xué)成像的過程和方法，并進一步識別、處理和評價醫(yī)學(xué)圖像。課程要求學(xué)生具有大學(xué)物理、高等數(shù)學(xué)、模擬與數(shù)字電路理論、信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理和醫(yī)學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識，涉及的知識面廣，內(nèi)容豐富，是一門醫(yī)理工結(jié)合、多學(xué)科交叉的課程。

“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”作為一門多科交叉課程，在醫(yī)學(xué)院和理工科院校均有開設(shè)。由于不同的培養(yǎng)對象及不同的應(yīng)用目標(biāo)，講授的內(nèi)容應(yīng)有所區(qū)別。本文針對理工科或綜合性大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特點，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和未來需求，對“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實驗進行了改革探索。

1教學(xué)方法靈活，突出物理原理

“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”課程主要介紹臨床上常用的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，包括X射線投影成像、計算機斷層成像CT(Computed Tomography)、超聲成像、磁共振成像MRI(Magnetic Resonance Imaging)和放射性核素成像。每一類成像技術(shù)對應(yīng)的設(shè)備其物理原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成像算法、臨床應(yīng)用、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀等都很復(fù)雜，涉及的基礎(chǔ)知識多，范圍廣，然而教學(xué)課時少，因此必須有效梳理教學(xué)內(nèi)容，突出重點。

對于理工科學(xué)生，應(yīng)重點講解成像設(shè)備的基本物理原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、成像算法及應(yīng)用，使學(xué)生理解如何根據(jù)微觀粒子的物理特性研制醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，并將其應(yīng)用于臨床診斷，掌握堅實的理論知識。例如核磁共振(MRI)成像原理復(fù)雜，學(xué)生較難理解。我們講授時緊緊抓住 “核”、“磁”、“共振”這一主線，即“核”涉及原子核自旋、磁矩、角動量和能態(tài)等物理概念，“磁”涉及靜磁場和射頻磁場，“共振”涉及塞曼效應(yīng)與拉莫爾方程等。將這些零碎的知識點有機串聯(lián)起來，使學(xué)生充分理解原子核在磁場作用下發(fā)生共振現(xiàn)象的整個物理過程。在介紹MRI成像算法時，可以結(jié)合“信號與系統(tǒng)”課程中的頻譜分析和傅里葉變換等知識，使學(xué)生在重溫知識的同時，感受到這些抽象理論知識在實際成像中的應(yīng)用。

五種成像設(shè)備由于成像原理不同，故在臨床上的應(yīng)用方向有所區(qū)別。另外，縱觀其發(fā)展歷史，每種成像設(shè)備都經(jīng)歷了循序漸進的革新。每一次革新不僅解決了之前存在的問題，更有所創(chuàng)新與發(fā)展。因此可以采用比較教學(xué)法講解不同成像設(shè)備的區(qū)別和發(fā)展過程[2]。例如，X射線投影成像利用X射線在人體內(nèi)不同器官和組織衰減程度的差異而成像，適合密度差異大的器官檢查，如骨骼和肺部。而超聲在骨骼中衰減大，傳播速度快，故較難對骨骼成像。同時超聲傳播時遇到聲阻抗差異很大的界面時會發(fā)生全反射，因而也較難對肺部成像。又如，CT成像是在X射線投影成像的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，兩者的基本物理原理相同，信源都是X射線。但是投影X射線得到的是二維圖像，缺乏深度信息，而CT成像采用了新穎的掃描方式和圖像重建技術(shù)，可以獲得某一個斷層的人體圖像，并借助三維重建技術(shù)得到三維圖像。這樣的比較教學(xué)法可以使學(xué)生對整個課程有一個系統(tǒng)的認(rèn)識，在宏觀上把握不同成像設(shè)備之間的區(qū)別和聯(lián)系，理解由于基本物理原理不同所帶來的成像算法及臨床應(yīng)用的差異，有效促進知識點的理解，提高分析歸納能力，便于總結(jié)知識的內(nèi)在規(guī)律性。

2結(jié)合臨床實踐，理論聯(lián)系實際

我校擁有多家附屬的三甲醫(yī)院，它們的放射科和超聲科醫(yī)生都擁有豐富的經(jīng)驗，病例眾多。我們充分挖掘附屬醫(yī)院資源，收集五種成像設(shè)備的典型影像學(xué)資料，建立病例素材庫[3，4]。每個病例包括患者的手術(shù)病例診斷結(jié)果、影像學(xué)圖像或視頻、影像學(xué)表現(xiàn)和臨床表現(xiàn)等。在課堂上講解成像技術(shù)的理論后，便可結(jié)合素材庫中的病例，介紹影像學(xué)在臨床診斷中的實際應(yīng)用。同時，若部分病例采取了一種以上的影像學(xué)檢查方式，則可進一步作對比分析。例如，一個患者同時拍攝了CT圖像和正電子發(fā)射斷層成像PET(Positron Emission Tomography)圖像，可以將這兩幅圖像放在一起，讓學(xué)生觀察解剖成像和功能成像的區(qū)別，并進一步介紹多模態(tài)圖像同機檢查及圖像配準(zhǔn)和融合的技術(shù)問題。通過圖像教學(xué)，讓學(xué)生很快建立起形態(tài)學(xué)思維，使所學(xué)知識更加形象化和具體化，提高理解力。

此外，我們還邀請臨床醫(yī)生做專題報告，從臨床角度出發(fā)談成像技術(shù)對于疾病診斷的幫助，包括如何利用超聲成像技術(shù)檢測胎兒宮內(nèi)發(fā)育情況，CT成像技術(shù)在腎上腺疾病中的診斷價值等。這些臨床病例開拓了理工科學(xué)生的思路，讓他們能從一個全新的角度認(rèn)識醫(yī)學(xué)成像問題，提高學(xué)習(xí)興趣，更將所學(xué)的理論聯(lián)系實際應(yīng)用，為今后從事科研工作打下扎實的基礎(chǔ)。

3開展計算機輔助教學(xué)

根據(jù)臨床診斷與治療需要，現(xiàn)有的五種醫(yī)學(xué)成像設(shè)備不是僅局限于傳統(tǒng)圖像采集，還拓展了醫(yī)學(xué)圖像后處理功能，如圖像增強、目標(biāo)分割、目標(biāo)識別與壓縮傳輸?shù)萚5]。

這些數(shù)字圖像處理技術(shù)涵蓋內(nèi)容豐富，但由于課時數(shù)有限，我們以計算機輔助醫(yī)學(xué)診斷系統(tǒng)為主線，從中挑選出與醫(yī)學(xué)圖像分析相關(guān)的技術(shù)，主要包括圖像讀入、圖像降噪與增強、感興趣區(qū)域分割、多模態(tài)圖像配準(zhǔn)、特征提取與目標(biāo)識別等。醫(yī)學(xué)圖像處理要求扎實的數(shù)字理論知識，有較多的數(shù)學(xué)模型與公式推導(dǎo)。同時，它又十分直觀，學(xué)生可以從二維、三維、四維圖像或視頻上直接看到處理結(jié)果。因此授課時可采用“理論+實例”的教學(xué)方法，除了闡明基本算法外，還講解如何使用Matlab軟件編程實現(xiàn)算法和展示圖像處理前后的結(jié)果對比，以生動形象的方式使學(xué)生加深對理論知識的理解。介紹各種算法時必須緊緊圍繞五種醫(yī)學(xué)圖像的特點，有的放矢。例如CT圖像含有高斯噪聲，超聲圖像為瑞利噪聲，而MRI圖像包含萊斯噪聲，故我們選擇了針對以上三種噪聲的優(yōu)秀降噪算法，分別用它們進行圖像處理得到結(jié)果。通過實例，讓學(xué)生了解每個算法的優(yōu)點、缺點和適用范圍，并留下了進一步思考的空間。

4增加實驗內(nèi)容，培養(yǎng)研究能力

醫(yī)學(xué)圖像處理是一門實踐性很強的課程。在課程的課堂演示基礎(chǔ)上，我們還設(shè)計了各種實驗，分為基礎(chǔ)仿真實驗與應(yīng)用課題實驗兩類?；A(chǔ)仿真實驗包括圖像基本灰度變化、代數(shù)運算與仿射變換、醫(yī)學(xué)圖像噪聲模擬、降噪與增強算法比較等，讓學(xué)生熟悉Matlab軟件。應(yīng)用課題實驗針對某一類臨床問題展開，如超聲心動圖中胎兒左心室提取與分析、腦部檢查中MRI圖像和單光子發(fā)射計算機斷層成像SPECT (Single-Photon Emission Computed Tomography)圖像配準(zhǔn)等。在實驗中引入臨床影像學(xué)知識，使學(xué)生將所學(xué)的知識應(yīng)用于實際醫(yī)學(xué)問題，對圖像處理有更深入系統(tǒng)的認(rèn)識。應(yīng)用實驗不設(shè)標(biāo)準(zhǔn)答案，允許采用各種算法和模型，全面培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。

5以科研為導(dǎo)向，更新教學(xué)內(nèi)容

隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和移動醫(yī)療的興起，醫(yī)學(xué)成像技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，各種新型的成像設(shè)備層出不窮。傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容僅介紹五種常用的成像系統(tǒng)，內(nèi)容滯后。為適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，授課時可增加最新研發(fā)的成像儀器，介紹新動向和新成果，注重課程的先進性和實用性[6]。比如雙源CT的新進展、超聲全息成像、便攜式成像儀器、磁共振功能成像的影像歸檔和通信系統(tǒng)PACS(Picture Archiving and Communication Systems)等。

近年來也涌現(xiàn)出一批新穎的成像方式，如彈性成像、分子成像、光聲成像和太赫茲成像等。這些新技術(shù)提高了成像分辨率和效率，使成像技術(shù)從宏觀水平進入微觀水平，可以更好地甄別人體任何結(jié)構(gòu)以及許多重要生物過程，對臨床應(yīng)用有顯著意義。課堂上，我們以講座形式介紹這些革命性的新技術(shù)，實行教學(xué)、科研相結(jié)合，讓學(xué)生了解領(lǐng)域內(nèi)的最新研究成果，為今后從事科研工作奠定良好基礎(chǔ)。

6結(jié)語

本文針對理工科學(xué)生特點，以提高教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，對于“醫(yī)學(xué)成像技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與實驗提出了一些改革措施。采用靈活的教學(xué)方法，注重基本物理概念和算法的講解；結(jié)合臨床經(jīng)驗，提高學(xué)習(xí)興趣，理論聯(lián)系實際；增設(shè)醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)相關(guān)內(nèi)容與實驗，在實踐中加深對計算機輔助醫(yī)學(xué)診斷系統(tǒng)的認(rèn)識；教學(xué)科研相結(jié)合，介紹前沿技術(shù)，展望未來趨勢。教學(xué)實踐證明，這些教學(xué)改革與創(chuàng)新有助于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，鞏固理論基礎(chǔ)，鍛煉實驗技能，提高綜合知識水平并激發(fā)其科研創(chuàng)新思維。

參考文獻(xiàn):

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[4]涂蓉, 余遠(yuǎn)波, 黃旭等. 多種醫(yī)學(xué)影像素材庫建設(shè)與教學(xué)方法改革[J]. 武漢:放射學(xué)實踐, 2007, 22(8):875-877.

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Research of Teaching and Experiments Reform on Medical Imaging Technology Course

GUO Yi, WANG Yuan-yuan

(DepartmentofElectronicEngineering,SchoolofInformationScienceandTechnology,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract:According to characteristics of students from the area of the science and engineering, three aspects, including teaching contents, methods and experiments of Medical Imaging Technology course are reformed. We focus on physics principle and system structure, extend the content and experiments of medical image processing, and introduce the clinical practice and latest technology. The reforms effectively motivate students'learning interests, strength their understanding and cultivate creative thinking ability.

Keywords:medical imaging technology; reform of teaching and experiment

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0017-03

中圖分類號：G642.0

收稿日期:2015-03-18;修回日期:2015-12- 03基金項目：復(fù)旦大學(xué)本科教學(xué)研究課題(2012-34)

第一作者：郭翌(1983-)，女，博士，工程師，主要從事醫(yī)學(xué)圖像處理的教學(xué)和研究，E-mail: guoyi@fudan.edu.cn