“醫(yī)學(xué)超聲儀器原理”教學(xué)設(shè)計(jì)淺談

[摘 要] 超聲成像技術(shù)是當(dāng)代四大醫(yī)學(xué)成像技術(shù)之一，超聲設(shè)備也是廣泛應(yīng)用于各級(jí)醫(yī)院的常用設(shè)備之一。對(duì)于工科專業(yè)而言，了解超聲成像技術(shù)及超聲設(shè)備原理，提升設(shè)備性能，為醫(yī)生提供更豐富、更精確的診斷信息非常重要。通過“醫(yī)學(xué)超聲儀器原理”課程理論及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的探索，使該門課程更具專業(yè)趨向性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其形成專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)化概念。

[關(guān)鍵詞] 醫(yī)學(xué)超聲儀器;課程設(shè)計(jì);教學(xué)設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目] 2019年度南方醫(yī)科大學(xué)校級(jí)高等教育教學(xué)改革基金項(xiàng)目“基于雙創(chuàng)和混合教學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索”（JG201929）

[作者簡介] 羅敏敏（1980—），女，四川遂寧人，工學(xué)博士，南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事醫(yī)學(xué)信息處理研究。

[中圖分類號(hào)] G426.9? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）47-0062-04? ? [收稿日期] 2021-08-29

一、引言

超聲成像與X-CT、ECT及MRI被公認(rèn)為當(dāng)代四大醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，為人們提供了更高效、更豐富的疾病診斷信息。其中超聲成像與其他三種成像方式相比，具有無輻射、操作方便靈活、價(jià)格便宜、各級(jí)醫(yī)院普適的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)軟組織和胎兒醫(yī)學(xué)成像不可或缺。對(duì)臨床學(xué)生來說，應(yīng)該了解超聲圖像的特點(diǎn)，通過熟練使用超聲成像儀器作出正確的診斷。而對(duì)工程學(xué)生而言，則應(yīng)該掌握醫(yī)學(xué)超聲成像的基本原理，了解當(dāng)前超聲成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)更先進(jìn)的超聲成像儀器，為醫(yī)生和病人提供更好的醫(yī)學(xué)信息。因此，在“醫(yī)學(xué)超聲儀器原理”這門課程中，如何讓學(xué)生學(xué)習(xí)到更有針對(duì)性的知識(shí)非常重要。筆者在多年的教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，希望能對(duì)這門課的課程設(shè)計(jì)有所幫助。

二、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

生物醫(yī)學(xué)工程是結(jié)合生物醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)的專業(yè)，醫(yī)學(xué)超聲學(xué)是一門將超聲學(xué)與醫(yī)學(xué)結(jié)合起來的應(yīng)用科學(xué)，是理工醫(yī)相互合作與相互滲透的結(jié)果，也是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重要的課程。

對(duì)于工程本科的學(xué)生來說，要掌握超聲成像儀器的成像原理，需要熟悉超聲在生物組織中傳播的規(guī)律和特點(diǎn)，了解超聲設(shè)備是如何使用這些規(guī)律和特點(diǎn)得到最終的圖像信息。課程的理論部分包含概述、超聲物理學(xué)基礎(chǔ)、超聲波換能器及聲場、醫(yī)學(xué)超聲成像原理、B型超聲診斷儀掃描原理、B超回波的接收與預(yù)處理、多普勒效應(yīng)和血液動(dòng)力學(xué)、超聲多普勒血流檢測原理、超聲圖像的偽影及質(zhì)量控制等九個(gè)章節(jié)。概述介紹聲學(xué)的發(fā)展、超聲學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及最新的超聲技術(shù);超聲物理學(xué)基礎(chǔ)主要介紹振動(dòng)與波的理論等理論基礎(chǔ);在這些理論基礎(chǔ)之上介紹超聲設(shè)備最重要的部件探頭（超聲換能器）的結(jié)構(gòu)及聲場特性;結(jié)合這些基礎(chǔ)知識(shí)，介紹超聲成像設(shè)備的原理、主要參數(shù)、分類及基本結(jié)構(gòu);以B超為例，介紹醫(yī)學(xué)超聲中發(fā)射部分的掃描方式、聚焦和控制等關(guān)鍵技術(shù);在發(fā)射控制的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)介紹B超回波的接收、預(yù)處理和DSC（數(shù)字信號(hào)掃描）;介紹血液動(dòng)力學(xué)和多普勒效應(yīng)，讓學(xué)生了解血液的特點(diǎn)以及多普勒相關(guān)成像理論;在此基礎(chǔ)之上介紹超聲多普勒成像儀的原理和圖像特點(diǎn);最后介紹超聲圖像的偽影特點(diǎn)以及如何進(jìn)行質(zhì)量控制。

以上大部分章節(jié)是講授醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備課程涉及的基礎(chǔ)內(nèi)容[1]，相對(duì)而言，我們?cè)鰪?qiáng)了超聲物理學(xué)基礎(chǔ)、多普勒效應(yīng)和血液動(dòng)力學(xué)兩部分的理論講授。這兩部分一個(gè)是基礎(chǔ)超聲的成像理論原理，一個(gè)是彩色多普勒血流超聲成像的理論基礎(chǔ)，只簡單給出相關(guān)結(jié)論，不影響對(duì)超聲設(shè)備成像原理的理解，但并不利于學(xué)生從根本上認(rèn)識(shí)超聲成像。對(duì)于超聲物理學(xué)基礎(chǔ)，主要介紹惠更斯原理、波的疊加、聲波動(dòng)方程、聲波的吸收衰減、超聲波的生物效應(yīng)等超聲波成像的背景知識(shí)，一方面是在推導(dǎo)過程中讓學(xué)生看到以前所學(xué)知識(shí)在超聲成像中的應(yīng)用;另一方面也讓學(xué)生了解從理論到實(shí)際設(shè)備使用過程中所應(yīng)該滿足的條件或者忽略的微小差異，讓學(xué)生知道現(xiàn)有產(chǎn)品的不足和改進(jìn)的方向。介紹血液動(dòng)力學(xué)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到人體血液系統(tǒng)不再是一個(gè)流經(jīng)身體各處的液體系統(tǒng)，而是從流體力學(xué)角度認(rèn)識(shí)血液的粘性特點(diǎn)、循環(huán)系統(tǒng)中的湍流和擾動(dòng)流型、脈動(dòng)流的剖面、脈搏波形的數(shù)值分析、動(dòng)脈管壁的彈性特點(diǎn)、彈性血管中的脈動(dòng)流、波的反射、波速和衰減等。在講授多普勒彩色血流成像原理之前，方便學(xué)生對(duì)到底要獲得什么信息有一個(gè)更充分的認(rèn)識(shí)，從而可以更正確地使用多普勒效應(yīng)和其他數(shù)學(xué)物理方法來處理和獲得信息，并且認(rèn)識(shí)到現(xiàn)有的方法還有什么不足，新的技術(shù)提供了什么新的信息，什么信息是目前的技術(shù)沒有獲得的，啟發(fā)學(xué)生去思考，從更宏觀的角度來看待多普勒超聲成像技術(shù)的發(fā)展[2]。

當(dāng)然，從科技和物理等工科角度去掌握醫(yī)學(xué)超聲儀器原理是課程的教學(xué)目的。然而，也要考慮到醫(yī)學(xué)超聲儀器的使用對(duì)象和環(huán)境，一方面希望將各種先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于超聲設(shè)備，提升設(shè)備性能，提供更多、更精確的信息用于醫(yī)生診斷及治療;另一方面，設(shè)備存在的問題及醫(yī)生的需求，也是我們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)和開發(fā)中需要著重關(guān)注的內(nèi)容;因此，在課程的最后部分安排了超聲偽影和質(zhì)量控制的內(nèi)容。通過前面部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本掌握了超聲設(shè)備的物理學(xué)原理和工學(xué)電路原理，了解了從聲音到圖像的流程。超聲圖像是最終要呈現(xiàn)給醫(yī)生和設(shè)備使用者的信息，所以超聲圖像的偽影是一個(gè)頗為復(fù)雜而又必須面對(duì)的問題，正確認(rèn)識(shí)偽影及其產(chǎn)生的原因和條件，有助于正確評(píng)價(jià)用各種不同設(shè)備得到的各種超聲圖像，以便去偽存真地判讀超聲圖像，得出正確的醫(yī)學(xué)診斷，而超聲醫(yī)學(xué)工程人員則可能借此改進(jìn)超聲診斷設(shè)備的設(shè)計(jì)。所謂偽影是指任一回波信號(hào)被超聲診斷設(shè)備所顯示的位置與被檢體內(nèi)回波界面的實(shí)際位置不符，或被顯示的信號(hào)振幅、灰度變化不與被顯示的回波界面特性變化相關(guān)。有的偽影會(huì)帶來虛假的信息，比如聲波旁瓣會(huì)產(chǎn)生虛像，跟聲波主瓣產(chǎn)生的圖像同時(shí)出現(xiàn)在超聲圖像上，如果不識(shí)別，會(huì)帶來錯(cuò)誤的診斷信息。又如，理想聲束是指單指向性的、聲束寬度固定為一個(gè)波長且穿透性極強(qiáng)的聲束，實(shí)際的聲束只在焦區(qū)處可獲得較細(xì)的聲束，離開焦區(qū)聲束明顯變粗，直徑可達(dá)數(shù)毫米到1厘米，垂直于掃描面方向的聚焦特性與沿掃描面方向的聚焦特性往往也不一樣，前者由于大多僅采用固定聲透鏡聚焦，其聚焦特性更不理想，結(jié)果聲束的掃描線并非一條細(xì)線，其掃描面亦非一層很薄的斷層切面，在近場區(qū)則更差。在軸向上，聲束由一定脈寬的聲脈流形成，這樣所顯示的切面圖像，實(shí)際上是由有一定體積的分辨元掃描被檢體而被模糊了的聲圖像，這樣，如有一直徑小于該處切片厚度的病灶為聲束所切割，則聲圖像上所顯示的是病灶區(qū)的回波與病灶區(qū)周圍的回波所疊加的圖像;同樣，不在一平面上的聲反射結(jié)構(gòu)，可同時(shí)疊加在包含一定厚度的一個(gè)聲圖像上顯示出來，這樣得到的圖像也與人體的真實(shí)信息不一致。這些是會(huì)帶來誤診的偽影信息，需要被識(shí)別或者告知設(shè)備使用者，可能會(huì)有小的病灶被忽略。同時(shí)，對(duì)于工程師或者設(shè)計(jì)師來說，需要在了解其原理的基礎(chǔ)上，去進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)。對(duì)于這類偽影，目前主要通過對(duì)換能器材料和工藝過程的研究改進(jìn)，采用新型高分子壓電材料、聲透鏡、高反射鏡、高斯型電極、費(fèi)涅爾分布電極等自聚焦方式來改善聲學(xué)特性。除了這些需要避免和改進(jìn)的偽影，也有部分偽影信息，其實(shí)被用來輔助診斷，比如結(jié)石或者腫瘤后的深影，實(shí)際上并不存在這樣一條實(shí)物，醫(yī)生看到這樣的圖像，可以知道這是因?yàn)樘筋^前方存在比周圍組織密度更大的結(jié)構(gòu)（比如結(jié)石或者腫瘤），通過這樣的偽影來確診病情。偽影還有很多種，有些由聲束特性不理想而造成的偽影及其控制，有些由掃描方法和顯示而形成的偽影及其控制，有些由超聲傳播特性而造成的偽影等。質(zhì)量控制也是同樣，這部分內(nèi)容是任何一臺(tái)設(shè)備在出廠和實(shí)際應(yīng)用時(shí)都需要著重關(guān)注的部分，而很多時(shí)候我們的課程只介紹理想化的原理，碰到真正問題時(shí)不知如何歸類和處理，因此我們便增加了相關(guān)內(nèi)容。

通過以上的課程內(nèi)容安排，明確了“醫(yī)學(xué)超聲儀器原理”課程的教學(xué)重點(diǎn)和目的。將其與目前大多數(shù)面向醫(yī)學(xué)生為主的超聲圖像診斷課程區(qū)分開來，以培養(yǎng)工科醫(yī)學(xué)工程師為目的，同時(shí)針對(duì)其使用對(duì)象和環(huán)境增加了實(shí)際應(yīng)用時(shí)的相應(yīng)問題，為課程的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備是一個(gè)在臨床廣泛使用的常見醫(yī)療設(shè)備，對(duì)于這樣的成熟儀器，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)應(yīng)用的理解，并且發(fā)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品與理論的差異[3，4]。

作為生物醫(yī)學(xué)工程的學(xué)生，醫(yī)工結(jié)合是基本的要求，學(xué)生以后的工作也大多是醫(yī)療相關(guān)，因此，從一開始便能充分了解產(chǎn)品的需求來源非常重要。我們計(jì)劃安排一次到醫(yī)院超聲科的觀摩，一是可以讓學(xué)生了解目前醫(yī)用超聲設(shè)備的性能指標(biāo);二是了解超聲設(shè)備目前可以診治的相關(guān)病癥;三是對(duì)偽影和噪聲等圖像特點(diǎn)形成更直觀的感受。通過觀摩，了解醫(yī)生操作的一些基本手法，甚至可以通過與醫(yī)生的溝通，了解醫(yī)生對(duì)超聲圖像的意見與建議，從而激發(fā)學(xué)生的興趣。目前，超聲設(shè)備在醫(yī)院各個(gè)科室均廣泛使用，各個(gè)科室針對(duì)的部位以及病灶卻大不相同，所使用的超聲設(shè)備以及配備的部件也各有特點(diǎn)。

一方面，對(duì)于超聲診斷設(shè)備，早期的數(shù)字黑白超聲，其圖像是大部分人印象中的經(jīng)典超聲圖像，噪聲顆粒大，與其他醫(yī)學(xué)成像設(shè)備如磁共振圖像相比，學(xué)生第一印象會(huì)覺得超聲圖像分辨率非常低，那在后續(xù)的理論課程當(dāng)中，就可以從這里入手，講述超聲成像的橫向縱向分辨率的影響因素，如何改進(jìn)，有哪些限制等。有了這樣的直觀印象之后，學(xué)生的理解和接受程度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于憑空想象。除了早期黑白超聲之外，目前大部分科室使用的都是數(shù)字彩色超聲，也就是多普勒超聲成像，其最大的特點(diǎn)是可以顏色標(biāo)注血流方向，如果是在做心臟彩超，那么同一部位很可能伴隨著心臟跳動(dòng)，血流輸入輸出呈現(xiàn)不同顏色;心肌功能正常是怎樣的，不正常又是怎樣的，不同的狀態(tài)可能對(duì)應(yīng)不同的病理生理。雖然學(xué)生有一定的基礎(chǔ)知識(shí)，但是有了這樣的直觀感受之后，在詳細(xì)介紹多普勒超聲原理時(shí)，學(xué)生會(huì)有更切身的體會(huì)。常規(guī)的超聲設(shè)備都是固定在超聲診療室，病人自行前往配合醫(yī)生作診斷，但是也有很多病人行動(dòng)不便。超聲設(shè)備與其他成像設(shè)備相比，一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是沒有輻射，不需要屏蔽，對(duì)病人和醫(yī)生都十分安全。所以在工程技術(shù)解決了尺寸問題，實(shí)現(xiàn)了超聲設(shè)備的便捷化以后，超聲可以隨身攜帶，實(shí)現(xiàn)超聲的床邊成像，甚至是便捷移動(dòng)成像?，F(xiàn)在做成筆記本大小的便攜式彩色超聲系統(tǒng)已經(jīng)在醫(yī)院配置，目前最小的超聲設(shè)備可以跟一臺(tái)智能手機(jī)尺寸相當(dāng)，而其成像質(zhì)量與常規(guī)超聲設(shè)備相比并沒有減弱。

另一方面，超聲除了診斷之外，還可以用于治療。小型的有超聲霧化治療儀，通過超聲波將藥物霧化，由口腔或者鼻腔吸入，更直接地對(duì)呼吸和消化器官進(jìn)行治療。大型的如體外沖擊碎石，在不開刀的條件下，將結(jié)石擊碎排出體外，極大地減小了病人的損傷?，F(xiàn)在也有新型的超聲聚焦刀，在腫瘤消融等方面提供了更多的治療途徑。這些設(shè)備和功能都是利用超聲，只是利用其不同的特性。有了這些直觀觀摩，在講授超聲特性和應(yīng)用時(shí)，學(xué)生都可以一一印證。同時(shí)，通過與醫(yī)生的交流，了解醫(yī)生的需求，也可以從工程技術(shù)方面去改善超聲設(shè)備性能，增強(qiáng)功能及優(yōu)點(diǎn)，更進(jìn)一步的話，開發(fā)新的設(shè)備，給醫(yī)生更多的信息，這也是醫(yī)療設(shè)備蓬勃發(fā)展到今天的必經(jīng)之路。

在通過觀摩對(duì)超聲設(shè)備和圖像有了一定的直觀感受之后，我們準(zhǔn)備了不同設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生使用。有與醫(yī)院相同型號(hào)的常規(guī)超聲設(shè)備，學(xué)生可以配合凝膠自行操作，觀察甲狀腺、腎臟、心臟等真實(shí)人體部位，對(duì)超聲成像有更直觀的認(rèn)識(shí)。準(zhǔn)備更多的是超聲示教儀，其電路連線和節(jié)點(diǎn)完全可見，結(jié)合示波器，讓大家分析各個(gè)電路模塊的波形原理、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)成因，將課堂上所講的發(fā)射控制和接收預(yù)處理等理論知識(shí)與實(shí)際電路相結(jié)合，從聲波到圖像，一步步明確每組電路的作用，加深學(xué)生的理解。

對(duì)于部分希望以后在設(shè)計(jì)和研發(fā)方面更進(jìn)一步的學(xué)生，我們也提供了相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)境。學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中已經(jīng)完成了單片機(jī)和醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)原理等課程，有了一定的軟硬件基礎(chǔ)，在相應(yīng)先導(dǎo)課程結(jié)束后，我們安排了綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中就包括超聲儀器設(shè)計(jì)的選題。當(dāng)然，超聲設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)要求高（尤其是探頭），軟件算法復(fù)雜，對(duì)時(shí)間控制精度要求高，讓學(xué)生從無到有地全程搭建不太現(xiàn)實(shí)。我們目前計(jì)劃購置部分基礎(chǔ)硬件（比如探頭），先行搭建電路的基礎(chǔ)框架平臺(tái)，然后將超聲設(shè)備設(shè)計(jì)這樣一個(gè)大的題目分解成各個(gè)實(shí)際小電路設(shè)計(jì)。學(xué)生可以自己選擇設(shè)計(jì)其中一個(gè)電路模塊，比如發(fā)射控制模塊，購買元器件制作PCB板然后焊接，編寫該部分的軟件代碼，將自己完成的電路放入基礎(chǔ)框架平臺(tái)中，看是否能得到超聲圖像。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力，完成一個(gè)或者多個(gè)模塊。雖然目前還沒有學(xué)生完成一個(gè)整機(jī)的設(shè)計(jì)和制作，但是各個(gè)部分都有學(xué)生分別完成，因此，最終整機(jī)成品應(yīng)該也只是時(shí)間問題。讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上完成整體軟硬件設(shè)計(jì)和控制，不管出來的成品效果如何，這都會(huì)是從理論到實(shí)踐的極大進(jìn)步，大大提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和動(dòng)手能力。同時(shí)也鞏固了前期的各門理論課程知識(shí)，將大學(xué)幾年所學(xué)都綜合應(yīng)用了起來，真正地實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生以后的工作打下了基礎(chǔ)。

四、總結(jié)展望

“醫(yī)學(xué)超聲儀器原理”是工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)課，我們努力將其與專業(yè)發(fā)展相聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生探索超聲設(shè)備成像的興趣，增強(qiáng)了大家對(duì)相關(guān)專業(yè)課程的系統(tǒng)性掌握，加強(qiáng)了理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，提升動(dòng)手能力，為社會(huì)培養(yǎng)更多合格的專業(yè)人才。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡雙雙，姜培培，曾碧新.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《醫(yī)學(xué)超聲儀器原理》的教學(xué)體會(huì)[J].考試周刊，2011（56）：188-189.

[2]舒貞權(quán)，姚錦鐘.醫(yī)學(xué)超聲影像新技術(shù)綜述[C]//首屆全國醫(yī)療器械學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)論壇，2002.

[3]王翠萍，孟超，顏家珍，等.《醫(yī)學(xué)儀器原理》課程以形成性評(píng)價(jià)為中心的考試改革探索[J].中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2012（4）：422-425.

[4]張敬晶.超聲物理教學(xué)研究與實(shí)踐[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2012，29（4）：3584-3585.