探索新型实验教学 提高解决实际问题能力

卜俊杰 姚文君 杨硕 刘菂斐 徐玲 吴小龙

摘 要：基于提高医学图像处理实验课上学生的实践操作能力，加强其对理论知识系统性的掌握。本文分析了传统该实验课在引导学生医学图像系统性处理上的不足，并提出了新型实验教学的探索方案，即以得到脑功能激活区域为目标，通过对实际脑功能磁共振图像进行系统性处理，有机结合基础和前沿方法。该方案不仅能增强学生创新型实践能力，并且提高了他们对理论知识的理解和对实际问题的解决能力，为学生更好的从事医学图像相关工作奠定了基础。

关键词：医学图像处理实验;功能磁共振成像;脑功能激活;教学探索

中图分类号：G4 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.05.071

0 引言

随着成像技术在临床医学中的广泛应用，医学成像与图像处理成了一门生物医学工程专业本科生的专业核心课，该课程包括数学、计算机、医学和信号处理分析等多个学科领域的专业知识，因此，它是一门典型的交叉综合性课程。该课程一般包括两个方面的内容：首先是医学成像的介绍，临床上最常见的X光、核素、超声、磁共振四大成像，该部分内容使学生初步掌握常用医学成像方法的原理与过程，为后续医学图像处理分析奠定基础;其次是基于医学图像数据，对医学成像常用分析方法的介绍，比如图像校正、分割、标准化、配准、可视化等，使学生具备初步的图像处理分析的理论基础和算法实现能力。通过对该课程以上两个方面的学习，使学生具有初步分析处理医学图像的能力，运用所学知识解决临床实际问题，为其从事与医学图像处理相关领域的工作打下必要的理论与技术基础。

实验教学是实践教学过程的重要内容之一，并且医学图像处理这门课具有复杂抽象性高、理论性强的特点。所以为了帮助学生更好的理解和运用这门课的知识，实验教学显得尤其重要。然而在理论知识向实践转变的过程中会出现各种各样的问题，实验课上，教师可以对学生进行手把手式教学，及时的发现学生在实验过程中的不规范甚至错误操作，并帮助其纠正。医学图像处理实验课存在的重要原因就是为了保证学生能够运用理论知识实现对医学图像的处理分析，解决实际的医学图像问题，和理论课程互为补充，做到理论与实践相结合，形成“理论—应用”的教学模式，真正做到让学生学以致用。所以提高学生在实验课上的动手分析和解决图像问题的能力，做到理论和实践融会贯通，有着重要的意义。

1 传统医学图像处理实验现状和问题

（1）传统医学图像处理实验课一般是使用MATLAB直接对简单的图像进行处理。主要是通过常用的MATLAB内置函数，对图像进行比如大津法、分水岭法等算法的图像分割，通过聚类算法对图像进行分类等。但这些图像操作相对独立，没有很强的逻辑性和系统性，从而造成了学生对于这些知识点快速遗忘的问题，也难以系统性地培养学生解决实际问题的能力。

（2）此外在传统该实验课上，老师首先为同学进行相关图像实验理论的介绍，从每次实验的目的，实验所需的材料，具体的实验步骤到调试过程都一一进行讲解。虽然这种固定重复的方式保证了课程顺利地进行，但是在课程的实践过程以及课后学生的反馈中发现：大部分同学都被动接受老师所传授的思维方式，这一过程中没有体现学生的主体地位，整体给学生带来的感觉是教师在“照本宣科”，学生的课堂参与性很低，难以锻炼学生自主完成实验的能力。

（3）随着医学成像技术的快速发展，医学上不断涌现出新的处理方法，但是在实验教学中却没有很好地体现出这一特点，存在实验内容的滞后、实验内容仍然长期不变的问题，无法让学生将所学到的知识更好地应用于之后的工作实践中，致使学生在学校学习的内容与实际工作中所需的知识脱节。

2 新型医学图像处理课程设计

基于以上传统医学图像处理实验课存在的不足，我們结合科技热点，以前沿中需要解决的医学图像问题为牵引，将医学图像处理分析中所需要的各个知识点有逻辑地衔接起来，从而形成知识点在实践应用上的系统性。具体是以得到人脑功能脑激活区域图为目标，对实际采集到的功能磁共振医学图像进行分析，处理过程中涉及对图像的校正、配准、分割，空间标准化、图像统计分析建模、可视化等操作。此外，在每一次操作中，我们让学生自己探索不同的图像处理算法对结果的影响，从而帮助学生更好地从实践中理解分析算法的功能，同时更加积极灵活地处理医学图像。

2.1 脑功能磁共振图像数据

现有的医学图像处理实验中所用到的图像源更多的是简单的二维图像，有的甚至是日常生活场景图片，即使用的医学图像，但是这些图像往往不是实际医学影像中完整的图像，只是选取了其中几张图片作为分析对象。这让学生在一开始就降低了利用医学图像处理分析解决实际医学问题的主动性。

在我们新型的实验课中，采用的是一个受试者在完成听觉实验任务下完整的脑功能磁共振图像数据。该数据主要以四维形式呈现，其中包含三维的空间信息和一维的时间信息，格式也是医院中常用的DICOM格式（该格式文件包含了医学图像、病人姓名、图像大小等信息，直接来自临床实践中）。由于磁共振成像技术具有无创，无辐射，空间分辨率较高，大脑功能区定位准确等特点，已广泛应用于临床医学和基础研究，磁共振图像作为标准医学成像工具，它的建立引起了观察人体内部结构的革命性变革，是目前医学图像中有代表性的图像之一。这些脑功能磁共振图像数据既有丰富的实际临床医学信息，又可以很好的作为教学中分析处理的素材。相较而言，我们与通用的图像处理课程有着明显的不同，在原有基础上充分结合医学图像的特点，体现了医学图像处理的特色，更好地提高了学生的积极能动性，引导学生积极主动地去用各种方法分析处理这些图像。

2.2 脑激活为目标的图像处理过程

传统的医学图像处理实验课更多的是将各种分析的方法独立地应用于图像处理上，很难提高对图像操作系统性的把握，会造成学生对知识点死记硬背的现象，强行记忆的知识也会快速遗忘，实际图像分析中的问题很难得到解决，不能举一反三。

在新型的实验课上，结合脑功能磁共振图像的特点，我们以得到受试者听觉相关的脑区激活为目标，并完成相应图像软件包的安装，图像校正、配准、分割，空间标准化、图像统计分析建模、脑激活图的可视化等操作流程，这些过程是得到脑区激活的必要过程。我们通过七次课程来实现这一目标，上次课的结果是下次课的输入，每次课之间都有着紧密的联系。所以学生必须掌握每次课程有关图像操作的处理分析过程，否则最终的脑区激活无法实现。在这七次课程中，通过老师自上而下的指导与学生自下而上的理解相结合，从而提高学生对医学图像处理过程的理解以及自己动手操作解决实际问题的能力。简单的课程内容如下：

（1）掌握如何安装基于MATLAB平台的SPM（Statistical Parametric Mapping）工具包。对应操作：安装SPM到MATLAB中保存并打开，利用SPM菜单栏显示图像功能打开功能磁共振数据图像（包括功能像和结构像）进行操作，查看功能像图和结构像图，也可以进行脑功能图像的动画放映，图像叠加及颜色填充等其它基本操作。

（2）头动校正：给磁共振每幅图像分配一个参考扫描，然后对原数据重新校正，来减少头部运动而引起的图像偏差。对应操作：第一步，估计每幅图像和参考图像间的运动情况，使用时间序列中的中間图像。第二步，获得的每幅图像的参数将用于创建与参考图像最匹配图像的重建模板。第三步，比较头动校正前后的区别以及不同的算法对头动校正的影响，这里可以选用课程中提到的不同算法（包括傅里叶插值等算法），了解不同算法对校正的影响。

（3）图像配准：将不同模态下的功能像和结构像进行匹配、叠加的过程。对应操作：第一步，利用SPM完成配准前图像显示。第二步，进行头动校正后平均值图像与原图像头动估计的比较。第三步，完成图像配准的操作，比较不同算法对图像配准的影响等。

（4）图像分割：将脑组织分割成不同的成分（灰质、白质和脑脊液），根据加权像不同组织的亮度不同这一特性，可以设定阈值来鉴别每种成分。对应操作：第一步，提前利用SPM完成配准。第二步，在配准的基础上完成分割后图像的显示。第三步，观察不同的参数对图像分割的影响。

（5）图像空间标准化：把数据变换到一个共同空间的处理过程，便于减少个体间的差异从而成功地进行有意义的组间分析，从而在进行解剖定位。对应操作：第一步，提前利用SPM完成分割。第二步，将功能像与结构像标准化前后图像进行比较。第三步，观察不同算法参数对标准化的影响（比如三位插值算法）。

（6）图像空间平滑：是将噪声所在像素点的像素值处理为其周围临近像素点值的近似值，通过增加图像的平滑度来加大空间信号的信噪比。对应操作：第一步，提前利用SPM完成空间标准化。第二步，用一个三维高斯滤波器的三维图像的卷积的半高宽对图像进行处理。

（7）图像统计分析建模和脑激活图的可视化：首先，得到脑部功能像平滑后脑激活图像，完成图像统计分析设计部分，并显示过程。图像统计分析设计部分导入全部功能图像，设置相关参数后，提取单个体素的广义线性模型建模和对比绘制图像，最后显示相关内容。其次，得到广义线性模型计算的文件，实现脑激活的可视化，也可立体显示。

3 总结

该新型实验课程通过以得到人脑活动激活区域为目标（即医学中脑功能定位的问题），使学生完成了医学图像处理分析中的图像校正、配准、分割，空间标准化、图像统计分析建模、脑激活图的可视化等关键性分析过程。初步建立了利用医学图像处理分析方法解决实际问题的系统性思维，将理论课的关键知识点与实验教学内容以及生物医学工程专业的特点生动的串联起来，在整个过程中，不仅提高了学生的积极性，使学生发现了更多的兴趣点，还提高了学生对于理论实践的融会贯通，既锻炼了学生对于图像分析的动手处理能力，也提高了其对于医学图像分析理论的理解。将实践分析和图像基础理论相结合，真正意义上提高了学生利用所学知识解决实际问题的能力，为今后更深入地研究和应用奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]王克难，王亚平，李福星，等.面向创新能力培养的“医学图像处理”实验教学改革研究[J].新课程（下），2015，（06）：26-28.

[2]李振伟，杨晓利，胡志刚，等.以学生为中心的专业课实验方式研究与实践——以医学图像处理实验为例[J].中国医学教育技术，2015，29（01）：87-91.

[3]杨润怀，陈月明，高天昀，等.基于增材制造技术的创新型医学传感器实验教学探索[J].科教文汇（上旬刊），2018，（01）：70-72.

[4]王莉，邱明国，桑林琼，等.医学图像处理课程的实验教学设计[J].中国科教创新导刊，2010，（25）：39.

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