生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育的思考

摘要：生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育是生物醫(yī)學(xué)工程教育的一個關(guān)鍵組成部分，在整個生物醫(yī)學(xué)工程的人才培養(yǎng)中發(fā)揮著十分重要的作用。它涉及物理原理、數(shù)學(xué)推導(dǎo)、工程實現(xiàn)、影像生成、影像重建、影像建模、影像分析與臨床應(yīng)用等多個方面，具有綜合性、理論性與實踐性強的特點。隨著高等教育改革的不斷深入，如何結(jié)合我國生物醫(yī)學(xué)工程教育目前的現(xiàn)狀，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上改進(jìn)我國生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育是一項艱巨的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；生物醫(yī)學(xué)影像；人才培養(yǎng)

作者簡介：林嵐（1974-），男，廣東潮州人，北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，副教授；吳水才（1964-），男，江西九江人，北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，教授。（北京 100124）

基金項目：本文系北京工業(yè)大學(xué)2013年本科教育工程校長基金研究項目（項目編號：ER2013B21）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0134-02

21世紀(jì)以來，生命科學(xué)延續(xù)了自20世紀(jì)中葉以來的迅猛發(fā)展勢頭，在整個科技領(lǐng)域中的重要性日益增強。目前，全世界的生命科學(xué)在自然科學(xué)領(lǐng)域中的比重已經(jīng)達(dá)到50%。在美國，生命科學(xué)在自然科學(xué)中所作的貢獻(xiàn)率已達(dá)到60%。生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，BME）是一門綜合生命科學(xué)與工程技術(shù)的交叉學(xué)科，具有綜合面廣和交叉性強的特點。BME是運用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，在多層次上研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系，是揭示其生命現(xiàn)象的一門綜合性、高技術(shù)的學(xué)科。BME崛起于20世紀(jì)50年代初，它與醫(yī)學(xué)工程和生物技術(shù)有著十分密切的關(guān)系，而且發(fā)展非常迅速，成為世界各國競爭的重要領(lǐng)域之一。目前美國已有60余所大學(xué)BME本科專業(yè)通過了美國工程技術(shù)認(rèn)定委員會的認(rèn)定。我國BME專業(yè)教育始于20世紀(jì)70年代末，1998年時，全國僅17所大學(xué)有此專業(yè)，經(jīng)歷近40年的發(fā)展，已有近150所高校開辦BME本、?？平逃?。

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)是BME學(xué)科中的一個不斷發(fā)展與壯大的分支學(xué)科。[1，2]生物醫(yī)學(xué)成像從倫琴1895年發(fā)現(xiàn)X射線開始，在100多年的時間里得到迅猛的發(fā)展，現(xiàn)在已擁有十多種成像模式。不同成像模式可以揭示出不同的影像學(xué)特征（如物理密度、電子密度、透射比、暗度、發(fā)射率，反射性、傳導(dǎo)性，磁性、分子釋放常量等）及它們隨時間發(fā)生變化的情況。醫(yī)學(xué)影像所反映出來的這些特征在時間和空間上是隨著機體組織結(jié)構(gòu)和功能的改變而變化的，現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)影像已被廣泛應(yīng)用在基礎(chǔ)科學(xué)研究、醫(yī)療診斷和評估以及治療干預(yù)的指導(dǎo)之中。

一、生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)在生物醫(yī)學(xué)工程中的地位

BME的重要目標(biāo)之一是發(fā)展非侵入式的診斷技術(shù)用于治療和診斷疾病。生物醫(yī)學(xué)影像是一種非常有效的對結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行診斷的非侵入式技術(shù)?，F(xiàn)在，生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)已成為現(xiàn)代化醫(yī)院的主要標(biāo)志之一，它是臨床研究的一種主要工具，也是醫(yī)院開展新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的重要基礎(chǔ)。

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)是如此的重要，美國國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）在20世紀(jì)初就改變了它們傳統(tǒng)的疾病和器官的機構(gòu)模式，建立了國立生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)與生物工程學(xué)研究院（National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering，NIBIB）。而在我國國家基金的醫(yī)學(xué)科學(xué)三處，影像醫(yī)學(xué)不再是BME中的一個分支，而是被放到與BME同等的地位。美國最近開展的一項被認(rèn)為可與人類基因組計劃相媲美的腦科學(xué)研究計劃，正是生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用。根據(jù)美國勞工部的統(tǒng)計顯示，[3]BME專業(yè)是美國就業(yè)領(lǐng)域中需求增長最快的專業(yè)，從2010年到2018年預(yù)計有72%的增長，而生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)又是BME中增長最快的領(lǐng)域。

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)隨時間在飛速地發(fā)展，被廣泛應(yīng)用在臨床和基本生理和生物學(xué)的研究之中。大量的新發(fā)明出現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，被用于創(chuàng)建新的影像模式；提高圖像的空間與時間分辨率與對比度；提供更為方便使用的影像數(shù)據(jù)分析和可視化；進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療等。生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)是一門交叉學(xué)科，它的飛速發(fā)展不僅需要優(yōu)秀的生物醫(yī)學(xué)影像從業(yè)人員，也對生物醫(yī)學(xué)影像的教育提出了更高要求和全新的挑戰(zhàn)。如何提高生物醫(yī)學(xué)影像人才隊伍的綜合水平，已迫在眉睫。

二、生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育

1.生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)從業(yè)者的變化

現(xiàn)代化的大型生物醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是集物理、材料、機械、電子、計算機、自動化、網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)于一體的精密儀器。它的操作、維護(hù)和保養(yǎng)均十分復(fù)雜，對操作者的素質(zhì)要求比較高。數(shù)十年前，大型生物醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的從業(yè)者是一些受過醫(yī)學(xué)圖像培訓(xùn)的物理學(xué)家。隨后，這項工作主要由本科物理專業(yè)、研究生醫(yī)學(xué)物理專業(yè)的畢業(yè)生充當(dāng)。而在今天，大型生物醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的操作者主要來自于BME專業(yè)畢業(yè)的本科生和研究生。BME的教育由于融合了物理科學(xué)、工程方法和技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)，使得BME專業(yè)的畢業(yè)生極為適合生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)方面的工作。

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)從業(yè)者的變化給人們提出了三個教育中的問題：是否所有的BME學(xué)生都需要對生物醫(yī)學(xué)成像有一些基本的了解和認(rèn)識？BME專業(yè)的學(xué)生需要掌握哪些生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)知識？如何使學(xué)生更好地了解、設(shè)計及使用成像系統(tǒng)？

2.生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)的知識結(jié)構(gòu)和應(yīng)掌握的基本知識

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)的知識來自于多個學(xué)科領(lǐng)域，包括電氣工程學(xué)、機械工程學(xué)、生物物理學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)等。生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)需要具備基本能量物理、輻射、輻射能量與物質(zhì)的交互、硬件設(shè)計與實現(xiàn)、數(shù)據(jù)收集、分析和可視化、組織器官基于圖像的建模、數(shù)學(xué)變換、信號和圖像處理、軟件工程、信息論以及高性能計算等多方面的知識。

由于生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)在BME教育中的重要性，BME的學(xué)生即使未來不從事相關(guān)的工作，他也應(yīng)該學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)成像和生物醫(yī)學(xué)圖像處理的基礎(chǔ)課程。他們應(yīng)該理解常用圖像模式的基本成像原理和它們的優(yōu)缺點，如何進(jìn)行基本的圖像分析與處理，常用模態(tài)圖像的基本解釋等。而未來準(zhǔn)備從事相關(guān)工作的BME學(xué)生，則應(yīng)該選擇一到兩種影像模式，圍繞它們的具體應(yīng)用進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)與研究。

3.生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中存在的挑戰(zhàn)

在生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中，存在著一些挑戰(zhàn)阻礙著高質(zhì)量的生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育。這些挑戰(zhàn)包括有限的動手實踐、教科書中的知識老化等。

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)是一門理論與實踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的學(xué)科，實踐教育可以使學(xué)生快速有效地掌握必要的基礎(chǔ)理論、基本知識，節(jié)省時間，提高授課的效率。醫(yī)療機構(gòu)對生物醫(yī)學(xué)影像專業(yè)大學(xué)生的實際操作能力要求越來越高，因此，必須提高醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)實踐教學(xué)，提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。而在生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中，使用實際影像設(shè)備進(jìn)行教育，往往由于安全問題和成本高而變得不可行。例如，小型x-射線管和在影像中使用的放射線核素在成本上是可行的，但它們所釋放的電離輻射對人體存在安全危害，不適合在高校課堂中使用。如果不考慮安全問題，會發(fā)現(xiàn)一臺基礎(chǔ)的磁共振設(shè)備就需要數(shù)十萬元，而且后期也存在著大量的維護(hù)費用，往往不是高校的教育經(jīng)費可以承擔(dān)的。當(dāng)前，在醫(yī)院的放射科、影像科等科室中，現(xiàn)代化的大型生物醫(yī)學(xué)影像設(shè)備被廣泛地采用。而在大學(xué)的實體教學(xué)中，學(xué)生卻往往沒有機會接觸這些設(shè)備，這就造成了教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)的脫節(jié)。另外，生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)是一個高速發(fā)展的領(lǐng)域，每隔五到十年都會有較重大的突破。而在教學(xué)中教材的建設(shè)是一個較長期的過程，一本教材往往需要數(shù)年才能成形，這就導(dǎo)致了有時教科書和其他教育資源還沒出版就有些過時了。

4.生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中的資源

在生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中，網(wǎng)絡(luò)可以為學(xué)生與教師提供了一個開放、共享與實時的資源平臺，大量的不同影像模式和針對不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的影像被放在網(wǎng)絡(luò)上共享，這就使得學(xué)生們可以更好地理解圖像形成的方式和認(rèn)識如何根據(jù)工程和科學(xué)的需要生成圖像，從而將抽象概念形象化、具體化。一個在線的超聲波教程被證明在幫助BME學(xué)生學(xué)習(xí)超聲波的基本知識上比常規(guī)教程更為有效。[4]當(dāng)前，在課堂中使用真正的成像設(shè)備是有一定難度的，而影像設(shè)備模擬器則是課堂學(xué)習(xí)一種非常有用的輔助手段。仿真大腦數(shù)據(jù)庫[5，6]可以根據(jù)磁共振設(shè)備掃描參數(shù)的不同生成T1、T2以及PD模式的大腦磁共振圖像。美國的MedSim公司也直接提供了超聲圖像仿真儀用于實體仿真。在教學(xué)過程中，應(yīng)加強實驗室、實習(xí)基地、模擬器、網(wǎng)絡(luò)資源等實驗實踐教學(xué)平臺建設(shè)，提供給學(xué)生一些重要的電子資源，便于學(xué)生課外自學(xué)，鞏固知識，鞏固基礎(chǔ)性、實用性、穩(wěn)定性的實踐教學(xué)資源。

根據(jù)教育技術(shù)的發(fā)展，對教學(xué)方式、內(nèi)容與手段等進(jìn)行改革。從過去的以教師傳授，學(xué)生被動接受知識向以學(xué)生為主體，增強對學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力的培養(yǎng)、應(yīng)用與綜合能力的培養(yǎng)，教師積極引導(dǎo)的方式轉(zhuǎn)變，構(gòu)建良好的學(xué)習(xí)與交互平臺，培養(yǎng)學(xué)生主動探索和高級思維的能力，廣泛而深入地參與到教學(xué)過程。

5.生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育中的教學(xué)方法的改進(jìn)

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)的教學(xué)不再是以課堂灌輸為主，傳統(tǒng)的教學(xué)模式必然會導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)積極性下降，它的改革勢在必行。如何高質(zhì)量地完成現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)的教學(xué)成為擺在教師面前的一項艱巨的任務(wù)。[7，8]

學(xué)科的迅速發(fā)展與實際應(yīng)用的需求產(chǎn)生導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)也不斷創(chuàng)新，新的理論、新的方法被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域，如多模態(tài)成像系統(tǒng)的出現(xiàn)，從解剖圖像到功能圖像，從宏觀的組織結(jié)構(gòu)影像到微觀的分子影像，成像技術(shù)與手段不斷更新等。隨之，也出現(xiàn)了一些新的生物醫(yī)學(xué)影像處理方法，包括圖像的融合、三維圖像分割、圖像動態(tài)跟蹤、分子影像分析等。教師的科研方向及課題都具有一定的前瞻性，采用的理論與方法較新。教師可結(jié)合具體的項目，實施“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合，根據(jù)所在領(lǐng)域的國內(nèi)外研究動態(tài)，以專題討論或穿插于課堂教學(xué)的方式，及時跟蹤學(xué)科發(fā)展動態(tài)，將最新的知識與先進(jìn)技術(shù)介紹給學(xué)生，使其掌握本學(xué)科最前沿的學(xué)術(shù)思想與專業(yè)知識。此外，宜結(jié)合國內(nèi)外醫(yī)學(xué)影像乃至生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展，分析國內(nèi)相關(guān)技術(shù)水平與差距，使學(xué)生能從宏觀上把握學(xué)科知識與相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況。

三、小結(jié)

生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育是BME教育的一個主要重點領(lǐng)域。在可預(yù)見的未來對生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)從業(yè)人員會有越來越多的需求。發(fā)展日新月異的生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域，需要有效和高效的教育技術(shù)為從業(yè)人員的持續(xù)高效增長提供動力。舊的教學(xué)內(nèi)容和模式已不能適應(yīng)新的要求，面對21世紀(jì)醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展，要順應(yīng)時代，推陳出新，從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容不斷地更新，用新的內(nèi)容與知識充實學(xué)生，加大動手學(xué)習(xí)練習(xí)，模擬器和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能納入到基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，提高教育的有效性，通過不斷努力，以培養(yǎng)更多的生物醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)人才。

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（責(zé)任編輯：王意琴）