創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下的《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與設(shè)備》教學(xué)改革

黃敏 周到 陳軍波

【摘 要】《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與設(shè)備》是生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)專業(yè)一門重要的專業(yè)課。我們對CT，MRI在工程實(shí)現(xiàn)中所涉及的硬件關(guān)鍵部件、數(shù)據(jù)掃描、圖像重建等重要技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了擴(kuò)展，輔以實(shí)際成像設(shè)備的產(chǎn)品開發(fā)制作的視頻及圖片，提高學(xué)生的工程實(shí)現(xiàn)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)學(xué)成像技術(shù);創(chuàng)新人才;教學(xué)改革

【資助項(xiàng)目】中南民族大學(xué)教研項(xiàng)目資助：JXSHX17020

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）19-000-02

我國在醫(yī)療影像領(lǐng)域的研發(fā)生產(chǎn)與國外三大巨頭“GPS”的差距很大，縮小此差距是中國在“十三五發(fā)展規(guī)劃”醫(yī)療衛(wèi)生健康領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。

近年來，聯(lián)影等公司在此領(lǐng)域發(fā)展迅速，CT、MRI等設(shè)備已拿到醫(yī)療器械許可證，開始裝機(jī)，促使中國醫(yī)療器械從中低端產(chǎn)品向高附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)化[1]。

《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與設(shè)備》是生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)的一門專業(yè)課。結(jié)合國家在醫(yī)療影像裝備上的政策引導(dǎo)，如何把理論知識和工程應(yīng)用結(jié)合起來，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，讓學(xué)生學(xué)以致用，提高工程能力，是新時(shí)期本科教學(xué)在該課程中需要認(rèn)真考慮的問題。

1.教學(xué)內(nèi)容改革

在本科階段，《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與設(shè)備》課程理論教學(xué)一般都涉及五類成像設(shè)備，包含：X線機(jī)、CT、MRI、超聲及核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備。主要講述與各種設(shè)備相關(guān)的成像原理，結(jié)構(gòu)組成，以及在臨床上的不同應(yīng)用范圍[2]。但長期以來，國內(nèi)的教材幾乎都只有理論內(nèi)容，連設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖片都很少看見，書本內(nèi)容局限性很大。我們通過與國內(nèi)大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備公司的調(diào)研與合作，獲得一些很有價(jià)值的工程實(shí)現(xiàn)的材料，提供給學(xué)生進(jìn)行理論和實(shí)踐的結(jié)合學(xué)習(xí)。

教學(xué)內(nèi)容上，要講述的設(shè)備多達(dá)5類。由于傳統(tǒng)X線機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)在被DR所代替，我們對書本上占1/3篇幅的X-線機(jī)的內(nèi)容進(jìn)行刪減，對膠片模式簡單帶過，而將空出來的時(shí)間分配到更關(guān)鍵的工程實(shí)現(xiàn)部分。我們主要以CT和MRI設(shè)備相關(guān)內(nèi)容作為改革試點(diǎn)，再后續(xù)擴(kuò)展到其它設(shè)備。

2.CT教學(xué)改革

CT設(shè)備主要包含兩部分：硬件主要是X線管，前后準(zhǔn)直器，探測器，以及為X線管提供高壓支持的高壓發(fā)生器等;軟件部分則主要是對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建的方法以及結(jié)果顯示技術(shù)。

在CT的教學(xué)中，首先對硬件的組成增加了很多實(shí)物圖片，比如CT的全貌，準(zhǔn)直器的實(shí)物，探測器的組合等，并以視頻的方式播放設(shè)備的安裝和使用過程。學(xué)生通過觀看從病人擺位，定位，到數(shù)據(jù)掃描，圖片顯示等一套完整的過程，射線的發(fā)射模式有扇形和錐形，與探測器的結(jié)構(gòu)和排數(shù)有密切關(guān)系。

然后，授課內(nèi)容增加了CT重建算法部分，從簡單到復(fù)雜循序漸進(jìn)地介紹了：直接圖像重建法，并以程序演示的方式來對比幾種方法在圖像重建質(zhì)量上的差異，并且給出了采用快速FFT的重建方法。

重建后的CT圖像反應(yīng)的是組織的衰減系數(shù)，CT值范圍很大，從-1000到+1000，顯示采用窗寬-窗位調(diào)節(jié)，才能清晰的觀察不同部位，得到正確的臨床診斷結(jié)果。以實(shí)際的胸部，腹部等CT重建圖像為例，展示了不同部位窗位的選取方法和窗寬的設(shè)置。通過肺窗，軟組織窗舉例，以及臨床病例展示，教會(huì)學(xué)生如何進(jìn)行程序設(shè)置，以更好的觀察肺區(qū)，縱隔，肝臟等。

在教學(xué)中采用“理論—工程應(yīng)用”的模式，將理論知識和工程應(yīng)用密切結(jié)合起來講解，和專業(yè)實(shí)踐及以后的工作是密不可分的。學(xué)生體會(huì)到了令他們‘討厭的FFT在設(shè)備開發(fā)中是必不可少的，讓病灶“大白于天下”。這種“理論—工程應(yīng)用”的教學(xué)模式極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，潛移默化地培養(yǎng)了工程思維。

3.MRI教學(xué)改革

MRI設(shè)備主要包含兩部分：硬件主要是磁體，梯度線圈，射頻線圈等;軟件則主要是脈沖序列的編寫，數(shù)據(jù)采集方法以及圖像重建方法。MRI是幾大類設(shè)備中最難理解的一種，我們采用工程實(shí)現(xiàn)步驟中與脈沖序列運(yùn)行時(shí)序相對應(yīng)的方式來講解。

從（N）MRI四個(gè)字母，從四個(gè)方面清晰明了地對成像過程進(jìn)行說明。N就是人體組織中水里的氫核，而不是核輻射！M是人置身磁場后產(chǎn)生的磁化矢量，R是通過射頻線圈作用后的共振信號，I就是為了得到圖像要采用梯度磁場對空間每個(gè)不同位置進(jìn)行磁場的改變，以進(jìn)行空間定位。數(shù)據(jù)掃描過程中，硬件部件都會(huì)順序工作，從而引入脈沖序列的概念，讓學(xué)生可以想象在每個(gè)步驟中是哪個(gè)硬件開始工作，而工作的時(shí)候送入的是什么頻率及幅值的電流，以及該電流波形如何實(shí)現(xiàn)，序列的編寫要注意哪些問題。為方便學(xué)生理解MRI關(guān)鍵部件，展示了大量的實(shí)物圖片。播放重要的超導(dǎo)磁體的線圈繞制，磁體安裝，液氦的添加等視頻，體會(huì)超導(dǎo)磁體制作的難度和在MRI中的重要性。對于射頻線圈部分，我們都以實(shí)物進(jìn)行講解，三個(gè)梯度線圈是MRI成像進(jìn)行空間定位的關(guān)鍵部件。選層梯度決定了選層方向?qū)儆谳S位、矢狀位和冠狀位中的一種;而剩余的兩個(gè)梯度方向的波形決定了k空間數(shù)據(jù)采集的頻率域軌跡。各種快速成像方法的實(shí)質(zhì)是改變數(shù)據(jù)采集的采樣位置，以及TR的重復(fù)次數(shù)。

授課內(nèi)容增加MRI重建算法。由于MRI數(shù)據(jù)掃描要根據(jù)脈沖序列的不同形式來進(jìn)行，從而圖像重建方法也要根據(jù)不同的成像技術(shù)進(jìn)行改變。介紹FT圖像重建算法。由于MRI采集的數(shù)據(jù)是復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，而且是頻率域采集的k空間數(shù)據(jù)，這完全顛覆了學(xué)生平時(shí)的簡單認(rèn)識，他們以為設(shè)備采集數(shù)據(jù)都是時(shí)間域或者空間圖像域的數(shù)據(jù)！在講解的時(shí)候，將上學(xué)期的數(shù)字信號處理課程中的FFT變換與MRI結(jié)合起來講解，為什么FFT也是復(fù)數(shù)運(yùn)算。

MRI成像速度慢，引入快速成像方法，介紹工程上通用的螺旋MRI，并行多線圈MRI技術(shù)，體會(huì)k空間采用不同編碼后，成像速度如何快速提高。提高速度和儀器的硬件配置密切相關(guān)，梯度的切換率是必須考慮的問題。

配以實(shí)例展示，以軟件演示方式讓學(xué)生體會(huì)這幾種技術(shù)對應(yīng)的圖像重建結(jié)果的差異。而是要知道各個(gè)知識點(diǎn)在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中都是如何實(shí)現(xiàn)的，這樣才能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

4.結(jié)束語

我們就《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與設(shè)備》課程的特殊性進(jìn)行了分析，以CT和MRI授課內(nèi)容的改革和講課方式為例，使學(xué)生對在開發(fā)和生產(chǎn)該類設(shè)備中要注意的關(guān)鍵問題及實(shí)現(xiàn)方法有直觀的印象。這些改革對提高《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與設(shè)備》的教學(xué)質(zhì)量有很好的參考價(jià)值，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，為其畢業(yè)后在大型影像設(shè)備公司的就業(yè)提供更好的理論和工程基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]全球CT行業(yè)運(yùn)作模式分析與十三五發(fā)展規(guī)劃建議報(bào)告2017-2022年，華研中商研究院，2017.

[2]湯樂民，包志華，李敏，醫(yī)學(xué)成像的物理原理，2017.