“医学超声仪器原理”教学设计浅谈

[摘 要] 超声成像技术是当代四大医学成像技术之一，超声设备也是广泛应用于各级医院的常用设备之一。对于工科专业而言，了解超声成像技术及超声设备原理，提升设备性能，为医生提供更丰富、更精确的诊断信息非常重要。通过“医学超声仪器原理”课程理论及实验设计的探索，使该门课程更具专业趋向性，提高学生的学习兴趣，使其形成专业知识的系统化概念。

[关键词] 医学超声仪器;课程设计;教学设计

[基金项目] 2019年度南方医科大学校级高等教育教学改革基金项目“基于双创和混合教学单片机课程设计教学改革探索”（JG201929）

[作者简介] 罗敏敏（1980—），女，四川遂宁人，工学博士，南方医科大学生物医学工程学院讲师（通信作者），主要从事医学信息处理研究。

[中图分类号] G426.9   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）47-0062-04    [收稿日期] 2021-08-29

一、引言

超声成像与X-CT、ECT及MRI被公认为当代四大医学成像技术，为人们提供了更高效、更丰富的疾病诊断信息。其中超声成像与其他三种成像方式相比，具有无辐射、操作方便灵活、价格便宜、各级医院普适的优点，对软组织和胎儿医学成像不可或缺。对临床学生来说，应该了解超声图像的特点，通过熟练使用超声成像仪器作出正确的诊断。而对工程学生而言，则应该掌握医学超声成像的基本原理，了解当前超声成像技术的优缺点，设计更先进的超声成像仪器，为医生和病人提供更好的医学信息。因此，在“医学超声仪器原理”这门课程中，如何让学生学习到更有针对性的知识非常重要。笔者在多年的教学实践中总结了一些经验，希望能对这门课的课程设计有所帮助。

二、课程内容设计

生物医学工程是结合生物医学和工程技术的专业，医学超声学是一门将超声学与医学结合起来的应用科学，是理工医相互合作与相互渗透的结果，也是生物医学工程学重要的课程。

对于工程本科的学生来说，要掌握超声成像仪器的成像原理，需要熟悉超声在生物组织中传播的规律和特点，了解超声设备是如何使用这些规律和特点得到最终的图像信息。课程的理论部分包含概述、超声物理学基础、超声波换能器及声场、医学超声成像原理、B型超声诊断仪扫描原理、B超回波的接收与预处理、多普勒效应和血液动力学、超声多普勒血流检测原理、超声图像的伪影及质量控制等九个章节。概述介绍声学的发展、超声学的医学应用以及最新的超声技术;超声物理学基础主要介绍振动与波的理论等理论基础;在这些理论基础之上介绍超声设备最重要的部件探头（超声换能器）的结构及声场特性;结合这些基础知识，介绍超声成像设备的原理、主要参数、分类及基本结构;以B超为例，介绍医学超声中发射部分的扫描方式、聚焦和控制等关键技术;在发射控制的基础上，对应介绍B超回波的接收、预处理和DSC（数字信号扫描）;介绍血液动力学和多普勒效应，让学生了解血液的特点以及多普勒相关成像理论;在此基础之上介绍超声多普勒成像仪的原理和图像特点;最后介绍超声图像的伪影特点以及如何进行质量控制。

以上大部分章节是讲授医学超声设备课程涉及的基础内容[1]，相对而言，我们增强了超声物理学基础、多普勒效应和血液动力学两部分的理论讲授。这两部分一个是基础超声的成像理论原理，一个是彩色多普勒血流超声成像的理论基础，只简单给出相关结论，不影响对超声设备成像原理的理解，但并不利于学生从根本上认识超声成像。对于超声物理学基础，主要介绍惠更斯原理、波的叠加、声波动方程、声波的吸收衰减、超声波的生物效应等超声波成像的背景知识，一方面是在推导过程中让学生看到以前所学知识在超声成像中的应用;另一方面也让学生了解从理论到实际设备使用过程中所应该满足的条件或者忽略的微小差异，让学生知道现有产品的不足和改进的方向。介绍血液动力学，使学生认识到人体血液系统不再是一个流经身体各处的液体系统，而是从流体力学角度认识血液的粘性特点、循环系统中的湍流和扰动流型、脉动流的剖面、脉搏波形的数值分析、动脉管壁的弹性特点、弹性血管中的脉动流、波的反射、波速和衰减等。在讲授多普勒彩色血流成像原理之前，方便学生对到底要获得什么信息有一个更充分的认识，从而可以更正确地使用多普勒效应和其他数学物理方法来处理和获得信息，并且认识到现有的方法还有什么不足，新的技术提供了什么新的信息，什么信息是目前的技术没有获得的，启发学生去思考，从更宏观的角度来看待多普勒超声成像技术的发展[2]。

当然，从科技和物理等工科角度去掌握医学超声仪器原理是课程的教学目的。然而，也要考虑到医学超声仪器的使用对象和环境，一方面希望将各种先进的技术应用于超声设备，提升设备性能，提供更多、更精确的信息用于医生诊断及治疗;另一方面，设备存在的问题及医生的需求，也是我们在以后的设计和开发中需要着重关注的内容;因此，在课程的最后部分安排了超声伪影和质量控制的内容。通过前面部分的学习，学生基本掌握了超声设备的物理学原理和工学电路原理，了解了从声音到图像的流程。超声图像是最终要呈现给医生和设备使用者的信息，所以超声图像的伪影是一个颇为复杂而又必须面对的问题，正确认识伪影及其产生的原因和条件，有助于正确评价用各种不同设备得到的各种超声图像，以便去伪存真地判读超声图像，得出正确的医学诊断，而超声医学工程人员则可能借此改进超声诊断设备的设计。所谓伪影是指任一回波信号被超声诊断设备所显示的位置与被检体内回波界面的实际位置不符，或被显示的信号振幅、灰度变化不与被显示的回波界面特性变化相关。有的伪影会带来虚假的信息，比如声波旁瓣会产生虚像，跟声波主瓣产生的图像同时出现在超声图像上，如果不识别，会带来错误的诊断信息。又如，理想声束是指单指向性的、声束宽度固定为一个波长且穿透性极强的声束，实际的声束只在焦区处可获得较细的声束，离开焦区声束明显变粗，直径可达数毫米到1厘米，垂直于扫描面方向的聚焦特性与沿扫描面方向的聚焦特性往往也不一样，前者由于大多仅采用固定声透镜聚焦，其聚焦特性更不理想，结果声束的扫描线并非一条细线，其扫描面亦非一层很薄的断层切面，在近场区则更差。在轴向上，声束由一定脉宽的声脉流形成，这样所显示的切面图像，实际上是由有一定体积的分辨元扫描被检体而被模糊了的声图像，这样，如有一直径小于该处切片厚度的病灶为声束所切割，则声图像上所显示的是病灶区的回波与病灶区周围的回波所叠加的图像;同样，不在一平面上的声反射结构，可同时叠加在包含一定厚度的一个声图像上显示出来，这样得到的图像也与人体的真实信息不一致。这些是會带来误诊的伪影信息，需要被识别或者告知设备使用者，可能会有小的病灶被忽略。同时，对于工程师或者设计师来说，需要在了解其原理的基础上，去进行改进和设计。对于这类伪影，目前主要通过对换能器材料和工艺过程的研究改进，采用新型高分子压电材料、声透镜、高反射镜、高斯型电极、费涅尔分布电极等自聚焦方式来改善声学特性。除了这些需要避免和改进的伪影，也有部分伪影信息，其实被用来辅助诊断，比如结石或者肿瘤后的深影，实际上并不存在这样一条实物，医生看到这样的图像，可以知道这是因为探头前方存在比周围组织密度更大的结构（比如结石或者肿瘤），通过这样的伪影来确诊病情。伪影还有很多种，有些由声束特性不理想而造成的伪影及其控制，有些由扫描方法和显示而形成的伪影及其控制，有些由超声传播特性而造成的伪影等。质量控制也是同样，这部分内容是任何一台设备在出厂和实际应用时都需要着重关注的部分，而很多时候我们的课程只介绍理想化的原理，碰到真正问题时不知如何归类和处理，因此我们便增加了相关内容。

通过以上的课程内容安排，明确了“医学超声仪器原理”课程的教学重点和目的。将其与目前大多数面向医学生为主的超声图像诊断课程区分开来，以培养工科医学工程师为目的，同时针对其使用对象和环境增加了实际应用时的相应问题，为课程的实际应用打下了基础。

三、实验实践设计

医学超声成像设备是一个在临床广泛使用的常见医疗设备，对于这样的成熟仪器，将理论与实践结合起来，可以加深学生对理论知识应用的理解，并且发现实际产品与理论的差异[3，4]。

作为生物医学工程的学生，医工结合是基本的要求，学生以后的工作也大多是医疗相关，因此，从一开始便能充分了解产品的需求来源非常重要。我们计划安排一次到医院超声科的观摩，一是可以让学生了解目前医用超声设备的性能指标;二是了解超声设备目前可以诊治的相关病症;三是对伪影和噪声等图像特点形成更直观的感受。通过观摩，了解医生操作的一些基本手法，甚至可以通过与医生的沟通，了解医生对超声图像的意见与建议，从而激发学生的兴趣。目前，超声设备在医院各个科室均广泛使用，各个科室针对的部位以及病灶却大不相同，所使用的超声设备以及配备的部件也各有特点。

一方面，对于超声诊断设备，早期的数字黑白超声，其图像是大部分人印象中的经典超声图像，噪声颗粒大，与其他医学成像设备如磁共振图像相比，学生第一印象会觉得超声图像分辨率非常低，那在后续的理论课程当中，就可以从这里入手，讲述超声成像的横向纵向分辨率的影响因素，如何改进，有哪些限制等。有了这样的直观印象之后，学生的理解和接受程度会远远高于凭空想象。除了早期黑白超声之外，目前大部分科室使用的都是数字彩色超声，也就是多普勒超声成像，其最大的特点是可以颜色标注血流方向，如果是在做心脏彩超，那么同一部位很可能伴随着心脏跳动，血流输入输出呈现不同颜色;心肌功能正常是怎样的，不正常又是怎样的，不同的状态可能对应不同的病理生理。虽然学生有一定的基础知识，但是有了这样的直观感受之后，在详细介绍多普勒超声原理时，学生会有更切身的体会。常规的超声设备都是固定在超声诊疗室，病人自行前往配合医生作诊断，但是也有很多病人行动不便。超声设备与其他成像设备相比，一个最大的优点是没有辐射，不需要屏蔽，对病人和医生都十分安全。所以在工程技术解决了尺寸问题，实现了超声设备的便捷化以后，超声可以随身携带，实现超声的床边成像，甚至是便捷移动成像。现在做成笔记本大小的便携式彩色超声系统已经在医院配置，目前最小的超声设备可以跟一台智能手机尺寸相当，而其成像质量与常规超声设备相比并没有减弱。

另一方面，超声除了诊断之外，还可以用于治疗。小型的有超声雾化治疗仪，通过超声波将药物雾化，由口腔或者鼻腔吸入，更直接地对呼吸和消化器官进行治疗。大型的如体外冲击碎石，在不开刀的条件下，将结石击碎排出体外，极大地减小了病人的损伤。现在也有新型的超声聚焦刀，在肿瘤消融等方面提供了更多的治疗途径。这些设备和功能都是利用超声，只是利用其不同的特性。有了这些直观观摩，在讲授超声特性和应用时，学生都可以一一印证。同时，通过与医生的交流，了解医生的需求，也可以从工程技术方面去改善超声设备性能，增强功能及优点，更进一步的话，开发新的设备，给医生更多的信息，这也是医疗设备蓬勃发展到今天的必经之路。

在通过观摩对超声设备和图像有了一定的直观感受之后，我们准备了不同设备在实验室供学生使用。有与医院相同型号的常规超声设备，学生可以配合凝胶自行操作，观察甲状腺、肾脏、心脏等真实人体部位，对超声成像有更直观的认识。准备更多的是超声示教仪，其电路连线和节点完全可见，结合示波器，让大家分析各个电路模块的波形原理、每个节点的信号成因，将课堂上所讲的发射控制和接收预处理等理论知识与实际电路相结合，从声波到图像，一步步明确每组电路的作用，加深学生的理解。

对于部分希望以后在设计和研发方面更进一步的学生，我们也提供了相应的实践环境。学生在前期学习中已经完成了单片机和医疗仪器设计原理等课程，有了一定的软硬件基础，在相应先导课程结束后，我们安排了综合实验设计，其中就包括超声仪器设计的选题。当然，超声设备硬件结构要求高（尤其是探头），软件算法复杂，对时间控制精度要求高，让学生从无到有地全程搭建不太现实。我们目前计划购置部分基础硬件（比如探头），先行搭建电路的基础框架平台，然后将超声设备设计这样一个大的题目分解成各个实际小电路设计。学生可以自己选择设计其中一个电路模块，比如发射控制模块，购买元器件制作PCB板然后焊接，编写该部分的软件代码，将自己完成的电路放入基础框架平台中，看是否能得到超声图像。学生可以根据自己的兴趣和能力，完成一个或者多个模块。虽然目前还没有学生完成一个整机的设计和制作，但是各个部分都有学生分别完成，因此，最终整机成品应该也只是时间问题。让学生在此基础上完成整体软硬件设计和控制，不管出来的成品效果如何，这都会是从理论到实践的极大进步，大大提高学生对理论知识的理解和动手能力。同时也巩固了前期的各门理论课程知识，将大学几年所学都综合应用了起来，真正地实现了理论和实践相结合，为学生以后的工作打下了基础。

四、总结展望

“医学超声仪器原理”是工科专业的一门基础专业课，我们努力将其与专业发展相联系，培养学生探索超声设备成像的兴趣，增強了大家对相关专业课程的系统性掌握，加强了理论知识与实际应用的联系，提升动手能力，为社会培养更多合格的专业人才。

参考文献

[1]蔡双双，姜培培，曾碧新.生物医学工程专业《医学超声仪器原理》的教学体会[J].考试周刊，2011（56）：188-189.

[2]舒贞权，姚锦钟.医学超声影像新技术综述[C]//首届全国医疗器械学术与产业论坛，2002.

[3]王翠萍，孟超，颜家珍，等.《医学仪器原理》课程以形成性评价为中心的考试改革探索[J].中华医学教育探索杂志，2012（4）：422-425.

[4]张敬晶.超声物理教学研究与实践[J].中国医学物理学杂志，2012，29（4）：3584-3585.