医学图像处理课程的教学探索与实践

胡春红，郑旭媛

(天津医科大学生物医学工程学院，天津 300070)

医学图像处理课程的教学探索与实践

胡春红，郑旭媛

(天津医科大学生物医学工程学院，天津 300070)

医学图像处理是生物医学工程专业重要的专业基础课程。基于提高课程教学水平和培养学生实践及创新能力，对课程教学模式开展了探索与实践。通过研究型的课堂讲解和讨论、课程实验、课程设计等教学环节，把教学与科研很好地结合起来，提高了学生的综合素质，培养了学生的创新意识和科研能力。

医学图像处理;生物医学工程;创新意识;教学实践

创办研究型大学正成为越来越多高校所追求的目标。研究型大学是以创新性知识的传播、生产和应用为中心，以产出高水平的科研成果和培养高层次精英人才为首要目标，在社会发展和经济建设等领域发挥重要作用的大学［1］。早在1810年，德国威廉·冯·洪堡创办柏林大学时就第一次提出“教学和科研相统一”的原则。他要求教师不仅要向学生传授现成的知识，而且要传授教师自己的创造性思想和新的研究成果。1876年，约翰·霍普金斯大学的创建成为现代意义上研究型大学诞生的里程碑。经过100余年的发展，研究型大学所取得的成就使其在世界科学与高等教育界居于主导地位［1－2］。人才培养是研究型大学的重要组成部分，也是研究型大学发展中的重点和难点。为了更好地培养具有创新意识和创新能力的研究型人才，在高校的教学中，需要对教学内容、课程体系、实践环节和教学组织形式等多方面进行人才培养模式的综合改革，为研究型人才的培养打下基础。

生物医学工程是理工医结合的交叉学科，它是应用工程技术的理论和方法，研究解决医学防病治病，保障人民健康的新兴边缘科学，是多种工程技术学科向生命科学渗透和相互交叉的结果，并已成为生命科学的重要支柱。《医学图像处理》是以《数字图像处理》为基础，结合医学院校的特点和教学要求，以医学图像为处理方向而开展的一门课程，是生物医学工程专业重要的专业基础课程。如何结合生物医学工程专业特点和数字图像处理本身的特点，提高课程教学水平，培养学生的创新意识和科研能力，是重要的教学研究课题。为了更好地培养具有创造新知识的研究型人才，医学图像处理课程在教学课程建设的同时，进行了研究型教学模式的改革与实践，主要在研究型的课堂讲解和讨论、课程基础实验、课程设计等教学环节进行了探索［3－5］。

1 课堂讲解和讨论

课堂教学是学生进行理论学习的主要场所，也是他们接触课程的第一场所，因此，课堂教学方法的改革应放在重要位置。为了让学生真正对这门课程感兴趣，达到好的教学效果，利用多媒体，采取教学和科研相结合的教学方法，将理论知识和相关的科研成果以丰富、直观的形式展现给学生，并通过增强教与学的互动性，提高学生学习的积极性，激发学生的参与热情，从而牢固掌握理论知识和加深对课程的了解。

在课程的理论教学中，由于医学图像处理课程学习需要学生具有一定的数学和数字信号处理等方面的知识，而医科类学校学生的理工知识相对较弱，因此，如果在课堂上过于注重医学图像处理的理论知识，会使得学生对相关的数学公式推导产生恐惧感，容易失去学习兴趣，导致不能理解所学的内容。针对上述问题，对教学方法进行了改进，通过将抽象的概念具体化来促进学生对重要理论知识的理解与掌握，激发学生的学习兴趣。在教学过程中，教师尽量淡化相关理论的数学推理，更多地强调医学图像处理的实际应用。教师上课时结合医学图像处理教学的具体内容，充分利用多媒体，通过在课件中插入示例图像和动画等引入生动形象的医学图像处理实例，进一步帮助学生加深对教学内容的理解。此外，为了更好地使教学和科研相结合，教学在教授课程具体内容时，增加了相关内容的国内外最新研究进展和成果，使学生对相关理论的当今发展状况、发展趋势和研究成果有进一步地认识。通过把科学研究与本科教学密切结合，能够更好地拓宽学生学术视野和激发其创新灵感，为培养具有创造新知识的研究型人才打下基础。在教学过程中，课程与就业的关系也一直是学生们关注的问题。因此，在教学内容中融入了相关的就业方向介绍，介绍了医学图像处理在医院和医疗器械公司等的应用状况，同时简单介绍了课程中没涉及到而与工作相关的医学图像处理知识，供学生们自学。通过这些与工作相关的讲解，一方面增强了学生的自信，获得了更好的教学效果，另一方面拓宽了学生的视野，引导他们寻找自己发展的方向和目标。

2 课程基础实验

实验教学是课程教学的重要组成部分，通过实践动手环节，不仅能加深对理论的理解，而且能培养学生独立思考和创新实践能力。实验教学在高校研究型人才的培养过程中担当着重要的角色，是当前高校教学改革研究的重要方向之一。通过对医学图像处理课程基础实验的研究，对相关的实验内容和教学方法等进行了相应的改革，使学生能更深入地理解图像处理的基本概念、基础理论以及解决问题的基本思想方法，掌握基本的图像处理技术，为将来应用于实际和进行科学研究打下良好的基础，同时，也为下一步的图像处理课程设计打下基础。

在基础实验教学过程中，首先对实验内容进行了改革，虽然目前有很多现成的matlab图像处理的实验指导书，但它们都存在一些相应的问题，对医科类学校的学生并不适用。针对此问题，结合matlab在图像处理中的应用，以及所教授的图像处理理论内容，重新编写了医学图像处理实验讲义。实验内容进一步细化，将原来的大实验细分成多个小实验，每次实验教学的学时数也由原来的4个学时改为3个学时。具体的实验内容根据教学进度和循序渐进原则设计，包括数字图像处理基础、直接灰度映射和直方图变换、空域滤波的实现、频域图像增强、图像恢复和投影数据采集与图像重建等，实验内容基本覆盖了所教授的理论内容，实验的要求和难度也随着实验的推进而增加。在实验教学方法上，首先，为了加深对所学理论的理解，根据理论教学进度适当地安排实验。例如，在教授了图像质量和采样与量化的内容后，马上安排相应的实验，通过实验让学生更好地理解图像空间分辨率和幅度分辨率对图像质量的影响。其次，对实验的完成过程进行了改变，减少了实验前的详细讲解，增加了对学生的单独讲解，并要求学生提前预习，在实验室独立完成实验内容。学生在预习后带着问题来上课，同时，由于没有了实验前的详细讲解，学生需要自己独立思考来完成，当学生遇到自己无法独立解决的问题后，再由教师进行详细讲解，这样不仅能加深学生对实验的印象，而且能培养学生的独立思维能力。最后，对实验内容进行了改革，增加了更多的分析思考内容，使学生不但能得到正确的结果，还要明白为什么会得到这样的结果，从而从本质上理解相应的图像处理理论。例如，在利用直方图均衡方法进行图象增强时，不仅要求得到直方图均衡前后的图像及相应的灰度直方图分布，而且还要求画出直方图均衡前后图像的变换函数，并根据变换函数分析直方图均衡原理。同样，在进行频域图像增强实验时，不仅要求掌握频域增强的基本原理，而且增加了画出相应滤波器的三维图形的内容，滤波器的三维图形能够更形象生动地显示其性质，使学生更易理解相应的滤波原理。

3 课程设计

经过图像处理理论和基础实验的教学，学生具备了基本的图像处理理论知识和相应的实践能力。为了更好地提高学生在医学图像处理上的实践和创新能力，我校生物医学工程专业设置了医学图像处理课程设计教学环节。课程设计以《医学图像处理》知识为主，同时综合了《医学成像系统》等相关课程的知识，通过以解决实际问题为中心的综合性和设计性实验，将理论知识与科研实践相结合，重点培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的实践能力，并通过课程设计扩大学生知识面，培养学生创新思维和能力，为今后的研究和工作打下坚实的基础。课程设计选取科研和实际应用中常用到的医学图像，包括X线图像、CT图像、MRI图像和造影图像等，根据常用到的图像处理方法设计出不同的题目，辅导学生完成其中一个常见医学图像的分析处理系统的设计和信息处理。课程设计以能力培养为主，不规定具体的实现手段，只提出实验设计目标，锻炼学生独立分析和解决问题的能力。

课程设计为36学时，内容包括医学图像的边缘提取、CT重建和定量分析等，由不同的教师结合自己的科研给出题目和设计目标。课程设计内容具体过程包括:①给学生讲解课程设计要求，指导教师给学生下达课程设计任务书，课程设计任务书主要包括:课程设计题目、课程设计目的、实验内容、技术指标等，此外，课程设计报告书的格式要求、课程设计答辩要求以及课程进度要求等相关资料也同时发给学生;②学生在教师指导下自行检索、查阅相关文献资料，对课程设计的内容和国内外研究现状有一定的了解;③学生独立进行研究课题的设计和实验，同时指导教师要根据实际中出现的问题给予指导和把握课题完成进度;④学生按照规范格式撰写课程设计报告，进行课程设计答辩，要求每个学生根据自己的实验内容和结果做成课件，并进行口头答辩，每个学生完成口头报告后由教师或学生进行提问和答辩。答辩委员会由5位指导教师组成，他们分别给出每个学生的答辩成绩，最后的答辩成绩为答辩的平均成绩。课程设计的总成绩由课程设计报告和答辩成绩组成。课程设计的安排与操作和毕业设计类似，由于课程设计安排在大四上学期，因此，这样的安排不仅能提高学生利用图像处理解决实际问题的能力以及语言表达能力，而且为下学期的毕业设计打下了基础。

课程设计起到了教学和科研相结合的桥梁作用，能够很好地培养学生将理论知识与科研实践相结合的能力，它不仅有利于学生创新思维的培养，同时也是教学的重要补充。下面以本专业2007级本科生的课程设计为例，说明如何通过课程设计将教学和科研相结合，培养学生的创新意识和科研能力。本专业2007级共2个班，57人，每5－6人一组，由课程设计教学组给出10个课题，通过学生自选和教学组讨论的形式来决定每个小组的选题，每个小组成员自己独立完成课题，同时鼓励学生创新。设计题目大多是与指导教师相关的科研课题，其中，2个题目是基于DSP的医学图像处理，其它的题目包括冠脉造影图像心血管边缘提取、耳蜗的CT重建及三维可视化、造影图像中冠状动脉定量分析研究、MRI图像的有约束恢复和几何失真校正、CT图像的空域增强、x－ray图像的空域增强和滤波处理、基于图像纹理特征的肝疾病辅助诊断、磁共振弥散张量图像的中值滤波处理。这些题目很好地将教学与科研结合起来，以耳蜗的CT重建及三维可视化为例，在教授图像重建理论及实验时，目前大多数高校利用Shepp-Logan头模型来讲解原理或进行重建实验。然而，Shepp-Logan头模型仅是人工构造出来的一个模型，而且仅能重建出一个层面的图像。在该课题中，学生需要利用科研中得到的180°范围内不同角度下豚鼠耳蜗的投影图像重建出耳蜗的不同层面的图像，并分析不同的采样角度间隔对CT重建结果的影响，同时在CT重建的基础上，利用amira等三维可视化软件重建出耳蜗的三维结构。该课题不仅是课堂上教授的图像重建理论的延伸，而且很好地与科研结合起来，能够培养学生将课堂上的理论知识与科研结合起来的能力。同样，在x-ray图像的空域增强和滤波处理、CT图像的空域增强和磁共振弥散张量图像的中值滤波处理等课题中，需要学生把相关的图像处理知识应用到实际中的科研课题中。此外，为了满足不同层次的学生，适当增加了一些需要难度稍大的题目，如造影图像中冠状动脉定量分析研究和基于图像纹理特征的肝疾病辅助诊断等，这些课题需要的知识课堂上没有详细讲解，需要学生自学并灵活应用，从而更好地培养他们的创新能力。

通过课程设计的训练，一方面使学生掌握的图像处理基本理论和分析方法得到进一步巩固和扩展，拓宽了学生在医学图像处理领域的视野，并使他们能够很好地将理论知识和科研实践紧密结合，同时具备了解决一般医学图像处理相关问题的能力;另一方面，通过撰写课程设计报告和进行口头答辩，培养了学生分析和总结实验结果的能力，以及科学论文写作和口头表达能力。

4 总结

教学和科研相统一原则是创办研究型大学的重要标志，在高校的创新人才培养体系中占有重要作用。《医学图像处理》是生物医学工程专业的主干课程。在实际的教学中，结合生物医学工程专业特点和数字图像处理本身的特点，对课程的研究型教学模式不断进行探索和实践，通过理论讲解、基础实验操作和课程设计等教学环节，把教学与科研很好地结合起来，提高了学生的综合素质，培养了学生的创新意识和科研能力。

《医学图像处理》教学探索与实践是一项长期而艰巨的任务，为了更好地培养学生在医学图像处理方面的创新思维和科研能力，在下一步的工作中，还需要进一步地探索与实践。例如，把实验环节的题目根据不同的主题进一步细分，适当增加相关的内容;对于课程设计，需要在增加题目的同时对课题进行不断改进，让其更好地与科研结合起来;依托学院的国家级人才培养模式创新实验区，鼓励本科生进入创新实验区，参加医学图像处理相关的科研工作。

［1］郭广生.关于研究型大学人才培养若干问题的思考［J］.中国高教研究，2006(6):7－9.

［2］傅树京.高等教育学［M］.北京:首都师范大学出版社，2007:175－188.

［3］李 露，谢凤英，姜志国，等.关于在实验课程中培养研究生创新实践能力的探索－以数字图像处理实验课程教学改革为例［J］.实验技术与管理，2010，27(11):235－237，248.

［4］郑旭媛，田 心.“数字信号处理”课程研究型教学改革与实践［J］.西北医学教育，2007，15(3):513－514.

［5］田 心，郑旭媛，刘 婷，等.生物医学工程本科研究型教学模式探索与实践［J］.西北医学教育，2007，15(5):899，931.

Teaching Exploration and Practice of Medical Image Processing Course

HU Chun-hong，ZHENG Xu-yuan
(College of Biomedical Engineering，Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China)

Medical image processing is an important basic specialized course in biomedical engineering specialty.In order to improve the teaching of this course and cultivate undergraduates’practical ability and creativity，we have explored the teaching mode of the course.By means of research-oriented class explanations and discussions，course experiments and course design，teaching and research can be well combined to improve students’comprehensive quality and cultivate their research ability and consciousness of creativity.

medical image processing;biomedical engineering;consciousness of creativity;teaching practice

G434

A

1006－2769(2011)06－1153－04

2011－08－15

国家自然科学基金(30900333)

胡春红(1977－)，男，云南玉溪人，博士，副教授，主要从事医学图像处理方向的科研和教学工作。