Matlab 在骨科教学的应用

任海龙，张明慧

（1.南方医科大学附属南方医院，广东 广州 510515；2.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515）

0 引言

骨科教学具有非常强的专业性，如何在骨科教学过程中，让学生清晰地掌握骨骼、血管、神经和肌肉等基本结构及其在人体的位置和其毗邻关系是骨科教学的重点和难点。传统的多媒体软件，如微软的Powerpoint等办公软件一般是针对自然图像，很少涉及医学领域，用它制作的人体组织、器官的图像或图形不够逼真，尤其是立体结构难以表达清楚，不利于学生理解和掌握。而IrfanView等医学图像的阅片软件只能显示冠状面、矢状面和横截面等二维图像，并不能对骨骼或其他器官进行三维重建。上述教学问题都可以借助Matlab软件轻松解决，Matlab除了可以绘制逼真形象的图形，还可以利用自带的工具箱对人体正常组织、器官或病变部位进行更直接、更清晰观察，并根据需要对重要的器官或骨骼进行分割、三维重建及数据可视化，因此，将Matlab应用于骨科教学势在必行。

1 Matlab简介

Matlab全称为Matrix Laboratory，是由美国密西根大学的Moler教授于1980年首次创立，最早致力于矩阵等数学运算。它有强大的科学运算、简单而灵活的程序设计流程、高质量且快速的图形可视化的功能，经过几十年的发展，应用范围涵盖通信、医疗、人工智能、计算机、图像处理、动态仿真等领域，国内越来越多的高校开设了Matlab课程，并将Matlab应用到教学中[1-2]。

Matlab主要是针对矩阵（Matrix）运算，而医学数字图像本质就是矩阵，所以Matlab特别适合于医学图像处理。用Matlab编程简单，类似于书写数学公式，编程效率非常高，编程难度和运行时间大大减少。Matlab自带的库函数非常丰富，计算功能强大，而且很多是用C语言或C++编译成动态链接库，调用方便，非常适用于科学和工程计算。Matlab编写语言简单、灵活，集成环境将编译、链接、执行融为一体，方便用户编写、修改和调试，即使是临床医生也可以很快掌握它的基本功能。Matlab具有先进的数据可视化功能，提供了大量的二维和三维图形功能，可方便地实现数据可视化，并提供多种图形命令，可以快速绘制出曲线图、柱状图、表面图等十多种类型的二维、三维图形。Matlab易于扩充，可以根据骨科教学的需要建立文件库和函数，方便调用，从而提高了运算和使用效率，扩充了计算功能。Matlab还具有丰富的工具箱（Toolbox），如图像处理工具箱，深度学习工具箱，可视化工具箱等，可以为通信、医疗等领域的研究和工程应用提供强有力的帮助。Matlab的这些简单易学，方便使用，功能强大的特点使其很快应用到各个学科，成为图像处理、信号处理、数据分析、人工智能等领域中必不可少的应用软件[3]。

2 Matlab应用于骨科教学的必要性

随着计算机和多媒体技术的普及，各种先进的教学手段在骨科教学中得到广泛应用。减少了黑板板书和手写教案，降低了重复教学工作量，增加图片图形、动画、视频等信息，丰富了教学内容，帮助学生更好的理解和认识各个复杂的人体组织、器官，激发了学生学习兴趣。但是目前的骨科教学尚存在一些不足。比如，当前骨科教学大多使用Powerpoint作为教学辅助工具，仅是简单地将教材中的文字和图片通过课件投放出来讲解，其实质就是将传统的纸质教案转换为电子图片，并不是真正的计算机多媒体教学。而且忽视与学生的互动，学生在课堂上的只是被动的接收课本知识，缺乏针对性和趣味性。并且由于教学内容多、进度快，学生课上缺少理解和思考的时间，未必能够准确完整地理解教学内容，教学效果差强人意。

几乎所有临床医学教学都需要借助图像对所学知识进行演示和解释，并且需要借助图像对一些重要结构或器官进行科学而直观形象的说明，因此医学图像是医学教学的重要的工具和媒介。比如在骨科教学中，椎管狭窄的形成过程，腰椎间盘突出的致病因素等。学生理解和记忆起来比较困难，而如果这些基础理论学不好，将会影响后续的学习和手术操作。因此，将一些复杂的结构、器官在教学过程中利用图像或者视频进行深入浅出地描述就显得至关重要。如在讲解椎管狭窄的形成过程时，只需几行简单的Matlab命令，制作成动画，就能360度旋转显示椎管及其变成狭窄的过程。因此，在骨科教学中根据具体问题和知识点利用Matlab制作图像和动画，一方面能使帮助并加深学生理解所学的知识，另一方面可以充分调动学生的学习积极性，查找资料，编写程序，完成对所学知识的巩固和拓宽；同时也在一定程度上培养了学生的创新和动手能力，让医学生学习计算机、医学信息学、人工智能等工科知识，有利于将学生培养成为复合型人才，为将来从事科研和临床工作奠定扎实基础[5]。

3 Matlab应用于骨科教学的优点

3.1 教学中的快速直观性

Matlab可以快速制作各种图形，其图形可以是来自现有图片，也可以进行编程得到，特别是Matlab制作的课件渲染效果更丰富，绘图更易修改。Matlab图形显著的特点是高度的逼真性，可以显示二维、三维甚至四维图像，帮助学生在学习组织、器官的结构及其毗邻时更加得心应手。再比如MR、CT等医疗仪器采集到的数据类型大多是dicom形式，而Matlab自带的函数可以直接快速读取dicom文件信息，这些信息不仅仅包括被试者的图像信息，还有采集机器的有关信息，如核磁共振的场强等，还包括被试者的性别、名字等身份信息。

尽管Matlab并不是专门的教学软件，但其强大的绘图和兼容功能使得教学过程中的抽象概念直观易懂。如图1所示，是对512×512×200的CT三维数据进行体绘制的结果。利用Matlab可以快速地对三维数据进行可视化显示，便于学生观察骨骼或其他组织的内部结构。

图1 CT三维数据体绘制

3.2 教学中良好的互动性

教师可以让学生手动的点出脊椎骨，然后利用Matlab工具包勾画出整个完整的脊椎，如图2所示。教师同时对章节所授知识的重点与难点予以演示和答疑，这样就可以在课堂上形成教师与学生的良好互动与反馈，从而活跃课堂教学气氛，明显提高学生学习的主观能动性和思维的创造性，提高课堂教学的综合质量。

图2 Matlab交互勾画脊椎骨

3.3 教学手段的丰富性

Matlab的应用丰富了多媒体教学手段，改变单调的授课方式，提高了教学质量，为教学改革提供了新的工具。作为医学生来说，了解Matlab编程及相应的图像处理功能尤为重要，不仅有利于医学知识的学习，而且对于将来的论文书写和科研工作都有极大的帮助。如图3（P125）所示，是利用Matlab进行剖切显示，可有效去除骨骼对颅内血管的遮挡，便于观察颅内血管与骨骼之间的空间关系。

图3 利用Matlab进行颅骨剖切显示

4 结论

Matlab作为一种高效、新颖、直观的教学辅助手段，将其引入到骨科教学中，可以有效借助丰富生动的图形图像和动画表达抽象难懂的专业医学知识，可以将大量抽象的医学知识与现代计算机的先进手段和方法结合起来，不仅克服了传统教学模式中，讲解内容过于抽象、空泛且难以扩展等方面的不足，还可以加深学生对问题的理解和认识，激发学习兴趣。分析Matlab引入骨科教学之后学生的学习数据，发现学生平均出勤率为97.32%，明显高于未引入Matlab时的平均出勤率的80.68%，说明学生的学习兴趣明显提高；期末理论考试平均成绩85.12分，明显高于未引入Matlab时的平均成绩76.89分，说明学生的学习效果得到了有效提升。医学生学习使用Matlab，还可以提升他们借助现代信息技术进行学习和科研的能力，进而提高独立分析和解决实际问题的能力。我校医学专业学生参加大学生数学建模竞赛，累计荣获全国一等奖8项，全国二等奖24项，广东省一等奖37项，名列全国医科院校第一；参加全国大学生生物医学工程创新设计竞赛，荣获国家一等奖2项、二三等奖多项。在这些竞赛中，医学生借助Matlab生动展示实际问题，建立数学模型，然后又利用Matlab求解数学模型，进而解决实际问题，可以说Matlab是培养“新医科”背景下卓越创新型人才的有力工具。