王遠軍,陳兆學(xué),聶生東(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

截至2016年,國內(nèi)有20多家院校都開設(shè)了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè),該專業(yè)核心課程之一是針對醫(yī)學(xué)圖像的程序設(shè)計,即“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”。由于各院校開設(shè)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的學(xué)科背景差異很大,很多院校醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的課程設(shè)置參考了生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、數(shù)字圖像處理等相近專業(yè)的課程設(shè)置,其課程內(nèi)容與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)有相似性,但沒有緊密結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標和社會需求。本文所討論的“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程是專門為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)設(shè)計,課程的內(nèi)容和教學(xué)目標與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標結(jié)合更緊密,與上述相近專業(yè)的相關(guān)課程存在較大區(qū)別。作為一門多學(xué)科交叉、應(yīng)用方向明確的專業(yè),醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的發(fā)展對該專業(yè)的課程建設(shè)有直接的要求,因此首先介紹一下近年來醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的發(fā)展背景,其次結(jié)合專業(yè)建設(shè)情況分析“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程在該專業(yè)課程體系中的地位,最后結(jié)合教學(xué)實踐詳細論述“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程建設(shè)的具體內(nèi)容及設(shè)想。

一、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)發(fā)展背景

近10年來,醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展非常迅速,據(jù)上海市食品藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械司統(tǒng)計,醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展速度遠高于國家GDP增速,近年來平均增速為20%～21%左右。隨著醫(yī)療器械行業(yè)的快速發(fā)展,國內(nèi)醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和維修企業(yè)大量涌現(xiàn),這些企業(yè)對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的人才需求非常旺盛。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的迅速發(fā)展,大批二甲以上級別的醫(yī)院放射科、放療科、核醫(yī)學(xué)科及設(shè)備科大量配備醫(yī)學(xué)影像設(shè)備,以應(yīng)對大量病人的檢查,對醫(yī)學(xué)影像設(shè)備操作及維護人員的需求增加。此外,隨著醫(yī)療器械行業(yè)的快速發(fā)展,大量的與醫(yī)療器械注冊認證、監(jiān)管等相關(guān)的政府機構(gòu)或事業(yè)單位相關(guān)崗位對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才的需求也持續(xù)增大。

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院從2003年建院開始招收醫(yī)學(xué)影像工程方向的本科生,每年大概有70名本科畢業(yè)生。學(xué)院的培養(yǎng)目標是使畢業(yè)生熟悉醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成,掌握醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的成像原理,掌握醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的獲取和處理方法,能夠熟練操作設(shè)備并會基本的維護和修理,具備初步的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備研發(fā)能力。在這一培養(yǎng)目標指導(dǎo)下,畢業(yè)生就業(yè)率一直保持在98.5%以上,其中在國內(nèi)和國外繼續(xù)研究生階段學(xué)習(xí)的比例大概在25%,進入國內(nèi)醫(yī)院(一般為三甲)相關(guān)科室工作的比例大概在30%,到醫(yī)療器械企業(yè)生產(chǎn)、研發(fā)和銷售及維修的學(xué)生大概有35%,剩余10%左右的學(xué)生可能會考取政府及事業(yè)單位與醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)相關(guān)的職位,也有極個別的學(xué)生畢業(yè)后從事了與專業(yè)不太相關(guān)的職業(yè)。從近10年來辦學(xué)的總體情況看,針對醫(yī)學(xué)影像工程方向的人才培養(yǎng)是十分成功的。

根據(jù)教育部普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄及修訂情況,醫(yī)學(xué)影像工程方向的專業(yè)代碼設(shè)置變動情況如下:從2004年學(xué)院首次向教育部申請醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)(試點專業(yè),專業(yè)代碼:080629S)起,至2012年9月份教育部頒布新的目錄止,共招收醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)本科生9屆。2012年9月份教育部頒布了新修訂的普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄,在新目錄中將醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)(專業(yè)代碼:080629S)和部分醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)(專業(yè)代碼:100303*)統(tǒng)一調(diào)整為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)(專業(yè)代碼:101003),學(xué)制為4年,授予理學(xué)學(xué)士學(xué)位。原醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)中五年制培養(yǎng)部分,調(diào)整到特設(shè)專業(yè)——醫(yī)學(xué)影像學(xué)(專業(yè)代碼:100203TK),適用于醫(yī)科院校招生培養(yǎng),授予醫(yī)學(xué)學(xué)士學(xué)位。上海理工大學(xué)從2013年開始招收醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)本科生,至今已招收4屆學(xué)生。

教育部高等學(xué)校學(xué)科代碼的修訂為學(xué)校醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的辦學(xué)目標進一步指明了方向。培養(yǎng)熟悉醫(yī)學(xué)技術(shù)的4年制理學(xué)學(xué)士,以滿足當前醫(yī)療器械企業(yè)、醫(yī)療機構(gòu)以及政府事業(yè)單位等對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才的需求,并進一步明確了4年制醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)和5年制醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)在培養(yǎng)目標上的區(qū)別。這也說明了當前醫(yī)療器械行業(yè)的快速發(fā)展對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)方向的人才需求是非常大的。

二、“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程的地位

隨著人們對醫(yī)學(xué)影像檢查要求的不斷提高,醫(yī)學(xué)影像設(shè)備軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展,各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的成像質(zhì)量也不斷提高。這在影像數(shù)據(jù)上的直接體現(xiàn)是所采集的病人影像分辨率越來越高,針對病灶的成像越來越精確,斷層成像的層厚更薄,圖像的數(shù)據(jù)量越來越大。在不斷滿足臨床醫(yī)生診斷需求、提高影像檢查精確度的同時,影像檢查數(shù)據(jù)量的大幅增加也給影像科醫(yī)生讀片、定量化衡量病灶結(jié)果帶來了很大的挑戰(zhàn)。一方面,由于目前主要依靠影像科醫(yī)生人工讀片、撰寫檢查報告,成倍增加的影像數(shù)據(jù)量造成影像科醫(yī)生讀片的工作量成倍增加,從幾百幅檢查圖像中尋找病灶,并對病灶進行定量化分析,面對每天數(shù)百位的病人檢查量,工作的艱巨是可想而知的。另一方面,隨著影像技術(shù)檢查的不斷精細化,臨床醫(yī)生也希望從影像數(shù)據(jù)中獲得更多的病灶信息,以幫助更好的診斷疾病,而其中很多病灶信息的提取方法,已經(jīng)超出了具有醫(yī)學(xué)背景的影像科醫(yī)生的學(xué)科背景,需要具有更多的醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計知識的專業(yè)人才協(xié)助處理影像數(shù)據(jù),才能獲得大量的影像數(shù)據(jù)中的有價值的信息[1-2]。

近年來,隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)學(xué)影像的結(jié)合,為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力;作為大數(shù)據(jù)研究的一部分,醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)庫的建立和使用,基于醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)的疾病診斷等研究的發(fā)展,都促使醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)作為一個交叉學(xué)科,吸取不同學(xué)科的優(yōu)勢不斷發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展,推動了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的發(fā)展,在這一過程中,作為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才,需要具備醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的程序設(shè)計和編程實踐能力[3-4]。針對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的圖像處理算法和程序設(shè)計方法不同于計算機軟件或生物醫(yī)學(xué)工程的程序設(shè)計,前者是針對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)這一特殊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),滿足影像醫(yī)學(xué)的一些特殊約束來設(shè)計算法和程序,而后者則屬于比較自由的程序設(shè)計方法或生物醫(yī)學(xué)信息處理方法。

“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程是針對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的程序設(shè)計,該課程是有針對性的講授醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理方法和編程技能,這些程序設(shè)計技能的實踐是連接醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的理論課程和實踐的橋梁。在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的高年級理論課程,如醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)、核磁共振成像、CT及X線成像、醫(yī)學(xué)圖像處理等,介紹了大量的針對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的理論及方法[5-6],學(xué)生只有親自動手編程實踐才能真正的掌握醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的專業(yè)理論體系,這正是“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程所關(guān)注的主要內(nèi)容。因此,加強“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程的建設(shè),有助于學(xué)生進一步加深對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)理論知識的掌握,提高針對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的編程實踐能力,更好地為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿的學(xué)科交叉發(fā)展打下良好的基礎(chǔ),也有助于滿足臨床醫(yī)生對影像數(shù)據(jù)定量化分析、針對病灶精細特征提取的要求[7-8]。

三、“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程建設(shè)的實踐

“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程建設(shè)中,以醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標為根據(jù),緊密結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像的特點進行程序設(shè)計內(nèi)容的有效安排,注重編程實踐。在課程建設(shè)的過程中,主要從教材及課程網(wǎng)站建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容與方法改革、大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面對原課程內(nèi)容進行了改進。

(一)教材及課程網(wǎng)站建設(shè)

教材是一門課程的授課基礎(chǔ),一本內(nèi)容合適、難易程度適中的教材是課程建設(shè)的根本。據(jù)調(diào)查了解,目前尚沒有“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程的專用教材,國內(nèi)開設(shè)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的院校在講授“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”內(nèi)容時,主要參考了岡薩雷斯的Matlab版的《數(shù)字圖像處理》教材,該教材包含了豐富的Matlab數(shù)字圖像處理程序,能夠使學(xué)生較快地掌握數(shù)字圖像處理的基本方法,對使用Matlab語言進行編程實踐也很有幫助。但是考慮到醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的編程和數(shù)據(jù)處理的特點,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理程序設(shè)計適合于兩維的數(shù)字圖像,對于三維的醫(yī)學(xué)影像處理效率較低;醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)不同于常見的數(shù)字圖像,其包含的解剖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在程序設(shè)計過程中需要考慮到一些解剖結(jié)構(gòu)的拓撲保形;在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層面上,醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)有其特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在算法程序設(shè)計中需要結(jié)合這一特點進行編程,才會獲得更好的醫(yī)學(xué)圖像處理效果。

基于上述針對醫(yī)學(xué)影像處理的特點,筆者結(jié)合最近5年來的上課實踐,對原課程內(nèi)容進行了修訂,自編了“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”講義,由上海理工大學(xué)教務(wù)處負責(zé)印制。在自編教材中,主要包含兩部分內(nèi)容:1)基于Matlab的編程基礎(chǔ),包括變量、數(shù)組、語句、函數(shù)等程序設(shè)計的基本內(nèi)容,對于高級的Matlab編程內(nèi)容則不再介紹,既節(jié)省了課程的課時數(shù),又重點掌握了對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)處理最關(guān)鍵的內(nèi)容;2)針對醫(yī)學(xué)影像處理的程序設(shè)計,包括DICOM圖像的解析、醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)灰度變換、醫(yī)學(xué)圖像空域和頻域增強、醫(yī)學(xué)圖像分割、醫(yī)學(xué)圖像配準與融合、醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化,在這些授課內(nèi)容的安排上,重在培養(yǎng)學(xué)生的編程實踐能力,對同一問題只介紹最經(jīng)典、簡潔的算法程序設(shè)計,不追求在復(fù)雜算法上的細節(jié),對于研究領(lǐng)域內(nèi)最前沿的算法不會涉及,僅在課程講授過程中提及。

考慮到講義還存在一些不足之處,尚且沒有正式出版,所以初步打算再經(jīng)過兩到三屆的學(xué)生授課,進一步對教材進行完善,以便正式出版,便于兄弟院校參考使用。課程的教學(xué)大綱、教學(xué)進度、電子教案、課程資料以及上機習(xí)題等內(nèi)容都在課程網(wǎng)站(網(wǎng)址:http:∥cc.usst.edu.cn/Able.Acc2.Web/Tem-plate/View.aspx?action=view&courseType=0&courseId=3090)中保存,可供學(xué)生下載學(xué)習(xí)。此外還有專門的師生互動模塊,學(xué)生有問題可以在線提交,老師公開答疑,這樣其他的同學(xué)也可以看到所有同學(xué)提出的疑難問題,互動模塊中還包括學(xué)習(xí)論壇、作業(yè)、在線考試題庫、問卷調(diào)查等模塊。

(二)教學(xué)內(nèi)容與方法改革

根據(jù)教材修訂,對課程的教學(xué)大綱進行了相應(yīng)的調(diào)整,基于這些修訂,在教學(xué)內(nèi)容上也做了相應(yīng)改革:對理論教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)內(nèi)容都進行了改革。在理論教學(xué)內(nèi)容改革中,首先刪減了原教學(xué)內(nèi)容中過多的程序設(shè)計章節(jié),保留了關(guān)鍵的程序設(shè)計內(nèi)容;其次,結(jié)合每部分醫(yī)學(xué)圖像處理相對獨立的章節(jié),增加了相應(yīng)的課程設(shè)計學(xué)習(xí)材料,這樣在自編教材的基礎(chǔ)上,即豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容,又不影響教材的簡潔性。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié),上機實踐學(xué)時數(shù)從原來的要占總學(xué)時的四分之一到目前的略多于三分之一,增加了上機學(xué)時數(shù);同時,原來的上機實驗旨在鍛煉學(xué)生的編程能力,現(xiàn)在根據(jù)培養(yǎng)目標提出了旨在提高學(xué)生針對醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計能力,在上機內(nèi)容的安排上,從較為籠統(tǒng)的編程實踐內(nèi)容調(diào)整為針對具體的醫(yī)學(xué)圖像處理的內(nèi)容,這樣的教學(xué)內(nèi)容安排極大地提高了學(xué)生的積極主動性,使上機實驗課不再枯燥,同時也使學(xué)生經(jīng)過該課程的學(xué)習(xí),可較快地掌握對臨床醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的有效處理。

在教學(xué)方法上,可從以下幾點進行改進:1)針對醫(yī)學(xué)影像算法的講解,重新啟用以板書為主的教學(xué)模式,因為單純依靠多媒體課件的方式不易于學(xué)生的理解,且算法的演化和細微改進,多媒體課件不方便實時反映出來,而板書的效果比較理想;2)在對課程經(jīng)典的算法講解時,堅持以經(jīng)典算法為主,講清楚講細致,同時引入科研的前沿內(nèi)容,向?qū)W生介紹這些經(jīng)典算法的最新發(fā)展,讓有興趣的學(xué)生課下進一步深入學(xué)習(xí);3)在上機實踐課上,增加輔導(dǎo)教師,讓更多的學(xué)生可以及時地對編程過程中遇到的疑問、錯誤得到指導(dǎo)和幫助,提高解決編程疑難問題的效率;4)在上機實踐課結(jié)束后,要求學(xué)生撰寫實驗報告,在報告中除撰寫實驗報告目的、內(nèi)容、結(jié)果外,還要總結(jié)上機遇到的問題及解決方法,如學(xué)生有一些對問題的不同解決辦法或新的見解,也都可以在實驗報告中寫出來,以便老師在評閱中給予解答;5)在理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié),繼續(xù)堅持啟發(fā)引導(dǎo)為主的教學(xué)模式,讓學(xué)生積極主動地尋找問題的解決途徑,避免死板接受問題的固有解決辦法。

下面給出一個醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計的具體例子,程序設(shè)計基于MATLAB軟件平臺,從下述步驟中可以發(fā)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計不同于數(shù)字圖像處理程序設(shè)計,它是對醫(yī)學(xué)圖像信息、醫(yī)學(xué)文件頭信息的完整處理,而不僅僅是數(shù)字圖像信息。

Step1從DICOM文件中讀取圖像數(shù)據(jù):

I=dicomread('CT.dcm');

Step2從DICOM文件中讀取文件頭信息:

info=dicominfo('CT.dcm');

Step3對CT圖像進行具體處理:

Imodified=I;

Step4生成新的DICOM文件UID:

uid=NewDicomuid;

Step5修改DICOM文件頭信息的UID:

info.SeriesInstandUID=uid;

Step6保存處理后的圖像到新的DICOM文件:

Inew=dicomwrite(Imodified,'CTnew.dcm',info)。

(三)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程的教學(xué)目標主要是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力,因此在課程學(xué)習(xí)的過程中,基于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,老師提出一些難度適中的研究題目,學(xué)生以5人為一個興趣小組選一個題目在老師的指導(dǎo)下獨立完成小課題的研究,研究成果和算法程序要求詳細的撰寫成研究報告。對表現(xiàn)非常優(yōu)秀的興趣小組,課題組將繼續(xù)指導(dǎo)他們申請上海市大學(xué)生創(chuàng)新基金項目或者上海理工大學(xué)校級創(chuàng)新基金項目,進一步深入研究課題,爭取將研究成果發(fā)表在專業(yè)期刊上。到目前為止,以課程建設(shè)中培養(yǎng)的興趣小組為基礎(chǔ),成功申請到上海市大學(xué)生創(chuàng)新基金項目6項,上海理工大學(xué)校級創(chuàng)新項目2項,參與興趣小組的學(xué)生大多數(shù)選擇了繼續(xù)就讀研究生。通過“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程建設(shè),提高了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力,并培養(yǎng)了很多研究型人才。

四、結(jié)論

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)是一個注重實踐技能培養(yǎng)的專業(yè),近年來社會發(fā)展對該專業(yè)人才需求旺盛,“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才實踐能力的重要課程。因此,加強“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程建設(shè)對于提高醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量至關(guān)重要。本文結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)建設(shè)的情況,對在“醫(yī)學(xué)圖像處理程序設(shè)計”課程中的建設(shè)實踐進行了總結(jié),對于近期發(fā)展迅速的人工智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像實踐課程建設(shè)中的調(diào)研還存在一些不足,值得在深入的課程建設(shè)中進一步加強。

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