“医学成像技术”课程教学与实验改革探索

郭　翌， 汪源源

(复旦大学 信息科学与工程学院 电子工程系， 上海 200433)



“医学成像技术”课程教学与实验改革探索

郭翌， 汪源源

(复旦大学 信息科学与工程学院 电子工程系， 上海 200433)

摘要：本文根据理工科学生特点，从“医学成像技术”课程的教学内容、方式和实验三方面进行改革。注重基本物理原理与系统结构，结合临床实践和最新科研成果，增加医学图像处理内容与实验。教学改革有效激发学生的学习兴趣，加强对课程内容的理解与掌握。

关键词：医学成像技术；教学与实验改革

0引言

“医学成像技术”课程是高校生物医学工程专业一门重要的专业课程。通过对多种临床医学成像设备的原理、特点及应用的学习，让学生理解医学成像的过程和方法，并进一步识别、处理和评价医学图像。课程要求学生具有大学物理、高等数学、模拟与数字电路理论、信号与系统、数字图像处理和医学等方面的基础知识，涉及的知识面广，内容丰富，是一门医理工结合、多学科交叉的课程。

“医学成像技术”作为一门多科交叉课程，在医学院和理工科院校均有开设。由于不同的培养对象及不同的应用目标，讲授的内容应有所区别。本文针对理工科或综合性大学生物医学工程专业的特点，根据学生的学习情况和未来需求，对“医学成像技术”课程的教学内容、教学方法和实验进行了改革探索。

1教学方法灵活，突出物理原理

“医学成像技术”课程主要介绍临床上常用的医学成像技术，包括X射线投影成像、计算机断层成像CT(Computed Tomography)、超声成像、磁共振成像MRI(Magnetic Resonance Imaging)和放射性核素成像。每一类成像技术对应的设备其物理原理、系统结构、成像算法、临床应用、发展历史及现状等都很复杂，涉及的基础知识多，范围广，然而教学课时少，因此必须有效梳理教学内容，突出重点。

对于理工科学生，应重点讲解成像设备的基本物理原理、系统结构、成像算法及应用，使学生理解如何根据微观粒子的物理特性研制医学成像设备，并将其应用于临床诊断，掌握坚实的理论知识。例如核磁共振(MRI)成像原理复杂，学生较难理解。我们讲授时紧紧抓住 “核”、“磁”、“共振”这一主线，即“核”涉及原子核自旋、磁矩、角动量和能态等物理概念，“磁”涉及静磁场和射频磁场，“共振”涉及塞曼效应与拉莫尔方程等。将这些零碎的知识点有机串联起来，使学生充分理解原子核在磁场作用下发生共振现象的整个物理过程。在介绍MRI成像算法时，可以结合“信号与系统”课程中的频谱分析和傅里叶变换等知识，使学生在重温知识的同时，感受到这些抽象理论知识在实际成像中的应用。

五种成像设备由于成像原理不同，故在临床上的应用方向有所区别。另外，纵观其发展历史，每种成像设备都经历了循序渐进的革新。每一次革新不仅解决了之前存在的问题，更有所创新与发展。因此可以采用比较教学法讲解不同成像设备的区别和发展过程[2]。例如，X射线投影成像利用X射线在人体内不同器官和组织衰减程度的差异而成像，适合密度差异大的器官检查，如骨骼和肺部。而超声在骨骼中衰减大，传播速度快，故较难对骨骼成像。同时超声传播时遇到声阻抗差异很大的界面时会发生全反射，因而也较难对肺部成像。又如，CT成像是在X射线投影成像的基础上发展而来的，两者的基本物理原理相同，信源都是X射线。但是投影X射线得到的是二维图像，缺乏深度信息，而CT成像采用了新颖的扫描方式和图像重建技术，可以获得某一个断层的人体图像，并借助三维重建技术得到三维图像。这样的比较教学法可以使学生对整个课程有一个系统的认识，在宏观上把握不同成像设备之间的区别和联系，理解由于基本物理原理不同所带来的成像算法及临床应用的差异，有效促进知识点的理解，提高分析归纳能力，便于总结知识的内在规律性。

2结合临床实践，理论联系实际

我校拥有多家附属的三甲医院，它们的放射科和超声科医生都拥有丰富的经验，病例众多。我们充分挖掘附属医院资源，收集五种成像设备的典型影像学资料，建立病例素材库[3，4]。每个病例包括患者的手术病例诊断结果、影像学图像或视频、影像学表现和临床表现等。在课堂上讲解成像技术的理论后，便可结合素材库中的病例，介绍影像学在临床诊断中的实际应用。同时，若部分病例采取了一种以上的影像学检查方式，则可进一步作对比分析。例如，一个患者同时拍摄了CT图像和正电子发射断层成像PET(Positron Emission Tomography)图像，可以将这两幅图像放在一起，让学生观察解剖成像和功能成像的区别，并进一步介绍多模态图像同机检查及图像配准和融合的技术问题。通过图像教学，让学生很快建立起形态学思维，使所学知识更加形象化和具体化，提高理解力。

此外，我们还邀请临床医生做专题报告，从临床角度出发谈成像技术对于疾病诊断的帮助，包括如何利用超声成像技术检测胎儿宫内发育情况，CT成像技术在肾上腺疾病中的诊断价值等。这些临床病例开拓了理工科学生的思路，让他们能从一个全新的角度认识医学成像问题，提高学习兴趣，更将所学的理论联系实际应用，为今后从事科研工作打下扎实的基础。

3开展计算机辅助教学

根据临床诊断与治疗需要，现有的五种医学成像设备不是仅局限于传统图像采集，还拓展了医学图像后处理功能，如图像增强、目标分割、目标识别与压缩传输等[5]。

这些数字图像处理技术涵盖内容丰富，但由于课时数有限，我们以计算机辅助医学诊断系统为主线，从中挑选出与医学图像分析相关的技术，主要包括图像读入、图像降噪与增强、感兴趣区域分割、多模态图像配准、特征提取与目标识别等。医学图像处理要求扎实的数字理论知识，有较多的数学模型与公式推导。同时，它又十分直观，学生可以从二维、三维、四维图像或视频上直接看到处理结果。因此授课时可采用“理论+实例”的教学方法，除了阐明基本算法外，还讲解如何使用Matlab软件编程实现算法和展示图像处理前后的结果对比，以生动形象的方式使学生加深对理论知识的理解。介绍各种算法时必须紧紧围绕五种医学图像的特点，有的放矢。例如CT图像含有高斯噪声，超声图像为瑞利噪声，而MRI图像包含莱斯噪声，故我们选择了针对以上三种噪声的优秀降噪算法，分别用它们进行图像处理得到结果。通过实例，让学生了解每个算法的优点、缺点和适用范围，并留下了进一步思考的空间。

4增加实验内容，培养研究能力

医学图像处理是一门实践性很强的课程。在课程的课堂演示基础上，我们还设计了各种实验，分为基础仿真实验与应用课题实验两类。基础仿真实验包括图像基本灰度变化、代数运算与仿射变换、医学图像噪声模拟、降噪与增强算法比较等，让学生熟悉Matlab软件。应用课题实验针对某一类临床问题展开，如超声心动图中胎儿左心室提取与分析、脑部检查中MRI图像和单光子发射计算机断层成像SPECT (Single-Photon Emission Computed Tomography)图像配准等。在实验中引入临床影像学知识，使学生将所学的知识应用于实际医学问题，对图像处理有更深入系统的认识。应用实验不设标准答案，允许采用各种算法和模型，全面培养学生的科研创新能力。

5以科研为导向，更新教学内容

随着科学技术的创新和移动医疗的兴起，医学成像技术取得了突飞猛进的发展，各种新型的成像设备层出不穷。传统的教学内容仅介绍五种常用的成像系统，内容滞后。为适应现代医学成像技术的发展，授课时可增加最新研发的成像仪器，介绍新动向和新成果，注重课程的先进性和实用性[6]。比如双源CT的新进展、超声全息成像、便携式成像仪器、磁共振功能成像的影像归档和通信系统PACS(Picture Archiving and Communication Systems)等。

近年来也涌现出一批新颖的成像方式，如弹性成像、分子成像、光声成像和太赫兹成像等。这些新技术提高了成像分辨率和效率，使成像技术从宏观水平进入微观水平，可以更好地甄别人体任何结构以及许多重要生物过程，对临床应用有显著意义。课堂上，我们以讲座形式介绍这些革命性的新技术，实行教学、科研相结合，让学生了解领域内的最新研究成果，为今后从事科研工作奠定良好基础。

6结语

本文针对理工科学生特点，以提高教学质量为目标，对于“医学成像技术”课程教学内容、教学方式与实验提出了一些改革措施。采用灵活的教学方法，注重基本物理概念和算法的讲解；结合临床经验，提高学习兴趣，理论联系实际；增设医学图像处理技术相关内容与实验，在实践中加深对计算机辅助医学诊断系统的认识；教学科研相结合，介绍前沿技术，展望未来趋势。教学实践证明，这些教学改革与创新有助于调动学生学习积极性，巩固理论基础，锻炼实验技能，提高综合知识水平并激发其科研创新思维。

参考文献:

[1]唐光健, 刘文亚, 秦乃姗. 临床医学专业学生医学影像学教学改革初探[J]. 北京:中华医学教育杂志, 2010, 30(4):542-544.

[2]许凤, 张益兰, 张慧丽. 比较教学法在《医学影像检查技术》教学中的应用与体会[J]. 重庆:重庆医学, 2012, 41(9):928-929.

[3]张淑丽, 田春华. 医学影像物理学教学内容的改革与研究[J]. 齐齐哈尔:齐齐哈尔医学院学报, 2010, 31(22):3630-3631.

[4]涂蓉, 余远波, 黄旭等. 多种医学影像素材库建设与教学方法改革[J]. 武汉:放射学实践, 2007, 22(8):875-877.

[5]邱建峰, 谢晋东, 王晓燕等. 医学影像物理学(医学影像成像理论)教学与实验改革的探讨[J].广州:中国医学物理学杂志, 2008, 25(3):700-702.

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

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0017-03

中图分类号：G642.0

收稿日期:2015-03-18;修回日期:2015-12- 03基金项目：复旦大学本科教学研究课题(2012-34)

第一作者：郭翌(1983-)，女，博士，工程师，主要从事医学图像处理的教学和研究，E-mail: guoyi@fudan.edu.cn