醫(yī)學(xué)圖像處理課程應(yīng)用型教學(xué)的探索與實(shí)踐

王靜 楊鑫 李惠娟

摘?要：醫(yī)學(xué)圖像處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門核心課程。本文結(jié)合獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生特點(diǎn)、現(xiàn)狀和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法的拓展以及課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等方面對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理課程進(jìn)行探索與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像處理;應(yīng)用型教學(xué);Matlab仿真;四段式教學(xué)

《醫(yī)學(xué)圖像處理》是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要核心課程之一，在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)診斷和臨床治療等方面均起著重要的作用[1]。該課程旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)圖像處理的基本原理和重要的常規(guī)算法，并在此基礎(chǔ)上掌據(jù)圖像處理在醫(yī)學(xué)圖像中的特殊之處與發(fā)展趨勢(shì)，使學(xué)生具備獲取、處理和解釋醫(yī)學(xué)圖像的能力。目前《醫(yī)學(xué)圖像處理》的教學(xué)主要采用傳統(tǒng)的以”教材為中心、教師為中心、教室為中心”的教學(xué)模式，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式并不能完全適應(yīng)獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生。本論文根據(jù)獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生特點(diǎn)、現(xiàn)狀和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)要求，將傳統(tǒng)的教學(xué)模式改為“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，嘗試從教學(xué)內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法的拓展以及課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等方面對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理課程進(jìn)行探索與實(shí)踐。

一、醫(yī)學(xué)圖像處理課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

《醫(yī)學(xué)圖像處理》是一門講述如何用計(jì)算機(jī)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析和處理的課程，課程理論比較抽象，涉及醫(yī)學(xué)影像學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、信號(hào)處理和應(yīng)用數(shù)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，這些不同學(xué)科之間的交叉、融合，使得理解相關(guān)知識(shí)和技術(shù)變得困難[2]。尤其對(duì)于獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生，雖然前期課程中已學(xué)習(xí)過(guò)Matlab及其應(yīng)用、信號(hào)處理等課程，但其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱，在理解卷積算子、頻域增強(qiáng)、微分算子邊緣檢測(cè)的算法上就更加困難。目前我校醫(yī)學(xué)圖像處理課程還是以傳統(tǒng)的授課方式為主，學(xué)生往往被動(dòng)的學(xué)，教師怎么教學(xué)生就怎么聽(tīng)，學(xué)生普遍自主性和參與度不強(qiáng)。此外，互聯(lián)網(wǎng)以及智能手機(jī)的普及，使得學(xué)生邏輯思維“碎片化”等特點(diǎn)，這就需要在教學(xué)過(guò)程結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)因材施教，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力[3]。

二、醫(yī)學(xué)圖像處理課程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）仿真軟件課堂化

根據(jù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位，我們將仿真軟件課堂化。由于Matlab工具有可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的計(jì)算環(huán)境，而且擁有圖像處理工具箱[2]。我們選用Matlab仿真軟件作為課堂演示軟件。教師每講完一個(gè)圖像處理算法，就用Matlab軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)應(yīng)用抽象算法的理解，并讓學(xué)生可以客觀直接的看到這個(gè)算法是如何拿來(lái)解決實(shí)際醫(yī)學(xué)問(wèn)題的。如圖1，我們?cè)谥v完圖像增強(qiáng)技術(shù)后，給學(xué)生演示了一個(gè)實(shí)際的例子。

（二）四段式教學(xué)設(shè)計(jì)

“激越四段式”教學(xué)法最早是中山醫(yī)教授王庭槐提出，主要包括“教師精講、個(gè)體自習(xí)、小組討論、成果分享”四階段[4]。我們挑選《醫(yī)學(xué)圖像處理》課程中難度適中或拓展性廣的章節(jié)進(jìn)行四段式教學(xué)。現(xiàn)以第五章《醫(yī)學(xué)圖像分類》為例，具體說(shuō)明“四段式教學(xué)”的設(shè)計(jì)過(guò)程。

（1）教師精講。本章知識(shí)點(diǎn)為單譜圖像分類原理，具體包括基于灰度和紋理參數(shù)的組織分類、基于松弛迭代法的分類;以及多模圖像分類原理，具體以核磁共振圖像（MR）中的Pd、T1、T2加權(quán)像為例講解多模圖像分類方法，如圖2。

（2）個(gè)體自習(xí)?，F(xiàn)代化信息化技術(shù)的發(fā)展以及豐富的圖書(shū)館資源，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了便利。學(xué)生可以通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)、中國(guó)大學(xué)慕課、網(wǎng)易公開(kāi)課及相關(guān)圖書(shū)進(jìn)行自習(xí)，以加深對(duì)理論知識(shí)的理解和延伸。同時(shí)，學(xué)生在這個(gè)階段需要完成教師布置的任務(wù)：①什么是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類有哪些？②BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法原理是什么？每層節(jié)點(diǎn)數(shù)是如何選擇的？

（3）小組討論。在這個(gè)階段將全班學(xué)生按每組4～7人進(jìn)行分組[4]，然后以小組為單位完成一份10道題的小測(cè)驗(yàn)（基于個(gè)體自習(xí)的內(nèi)容為基礎(chǔ)），并隨機(jī)給出一系列已知輸入和輸出的數(shù)據(jù)，讓小組同學(xué)利用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在Matlab軟件上編寫(xiě)程序來(lái)完成非線性函數(shù)的逼近任務(wù)。

（4）成果分享。以小組為單位，各組輪流派成員分享自主學(xué)習(xí)完成的任務(wù)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序。各小組之間可對(duì)展示的內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)、質(zhì)疑、辯論和探討。各小組展示完畢后，老師對(duì)小測(cè)驗(yàn)結(jié)果、小組展示內(nèi)容進(jìn)行小結(jié)、點(diǎn)評(píng)，并用設(shè)計(jì)好的評(píng)分表客觀評(píng)價(jià)其學(xué)習(xí)效果。

（三）研究論文案例式教學(xué)設(shè)計(jì)

在相關(guān)章節(jié)的教學(xué)過(guò)程中，選擇一篇或是幾篇相關(guān)度高的科研論文進(jìn)行閱讀和討論，學(xué)生也可以采用文獻(xiàn)匯報(bào)的方式進(jìn)行講解。學(xué)生通過(guò)對(duì)科研論文的精讀一方面加深了對(duì)課本理論知識(shí)的講解，另一方面使學(xué)生通過(guò)研究論文案例，能夠運(yùn)用所學(xué)內(nèi)容重現(xiàn)科研論文的結(jié)果，得出合理結(jié)論，提高學(xué)生處理實(shí)際醫(yī)學(xué)圖像的能力。同時(shí)，我們也鼓勵(lì)學(xué)有余力的同學(xué)撰寫(xiě)科研論文并發(fā)表。比如我們?cè)谥v圖像配準(zhǔn)這一章時(shí)，有學(xué)生通過(guò)查閱圖像配準(zhǔn)的方法，不僅加深了對(duì)書(shū)中傳統(tǒng)配準(zhǔn)方法的理解，還通過(guò)對(duì)比確定了自己未來(lái)要做的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，如圖3。

（四）課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

在課程結(jié)束后，給學(xué)生兩周的時(shí)間進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，圍繞課程中學(xué)習(xí)過(guò)的算法對(duì)實(shí)際的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)來(lái)源于我們的實(shí)習(xí)合作單位中山大學(xué)腫瘤防治中心。選題涉及的醫(yī)學(xué)圖像，既包括傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)圖像，如超聲、CT圖像、MRI圖像，也包括彌散張量圖（DTI）等一些較新的成像技術(shù)。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)也是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果考核的一種方式，加入這個(gè)環(huán)節(jié)主要是為了進(jìn)一步提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，真正讓學(xué)生做到學(xué)以致用。課程設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)將作為本課程最終成績(jī)的一部份。對(duì)于特別優(yōu)秀的學(xué)生，也可以推薦去參加相關(guān)的省市競(jìng)賽。圖4是一個(gè)學(xué)生做的CT圖像輪廓提取。

三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

（一）學(xué)生給出的教學(xué)評(píng)價(jià)

我們進(jìn)行了兩年的醫(yī)學(xué)圖像處理課程改革，通過(guò)學(xué)生的教學(xué)評(píng)價(jià)以及意見(jiàn)反饋，仿真軟件課堂化、四段式教學(xué)、研究性論文案例式教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)考核方式很受學(xué)生們的歡印，學(xué)生留言說(shuō)仿真軟件課堂化讓枯燥的算法學(xué)習(xí)變得更加直觀和容易接受;四段式教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，并且通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，組間激勵(lì)、促進(jìn)學(xué)生互教互學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)體的超越;研究性論案例式教學(xué)擴(kuò)寬了他們的眼界，提高了讀英文文獻(xiàn)的能力，增加了科研的興趣;課程設(shè)計(jì)考核充發(fā)激發(fā)了他們分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，讓他們覺(jué)得很踏實(shí)的感覺(jué)。近兩年醫(yī)學(xué)圖像處理課程的教學(xué)評(píng)價(jià)在94%以上，相比于傳統(tǒng)教學(xué)提高了2個(gè)百分點(diǎn)。

（二）學(xué)生實(shí)驗(yàn)測(cè)試成績(jī)

在近三年的醫(yī)學(xué)圖像處理課程教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)均采用了一次相同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試題：采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)了基于互信息的圖像配準(zhǔn)，采取改進(jìn)的Powell搜索策略算法，在給定圖像4個(gè)方向上采用黃金分割法。當(dāng)基準(zhǔn)圖像和待配準(zhǔn)圖像的互信息達(dá)到最大時(shí)，兩幅圖像配準(zhǔn)的效果最好，同時(shí)獲得此時(shí)圖像的變換系數(shù)，然后進(jìn)行空間變換，獲得圖像融合圖，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間（120分鐘）完成。學(xué)生完成后提交系統(tǒng)，不能保存和拷備實(shí)驗(yàn)題目及結(jié)果。

從上表可以看出，我們實(shí)施課程改革兩年以來(lái)，學(xué)生對(duì)實(shí)際處理問(wèn)題的能力有很大提升，這正符合我們以培養(yǎng)應(yīng)用人才為目標(biāo)的教學(xué)需求，這說(shuō)明我們的改革初見(jiàn)成效。

四、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)獨(dú)立學(xué)院的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)以及生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開(kāi)設(shè)醫(yī)學(xué)圖像處理課程存在的問(wèn)題，提出將仿真軟件課堂化、四段式教學(xué)設(shè)計(jì)、研究論文案例式教學(xué)以及課程設(shè)計(jì)考核相結(jié)合的教學(xué)方法。通過(guò)筆者近兩年的教學(xué)實(shí)踐以及學(xué)生的成績(jī)和評(píng)價(jià)反饋，表明這些改革措施是有效的，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力得到提高。此外，醫(yī)學(xué)圖像處理是一門密切聯(lián)系臨床醫(yī)學(xué)知識(shí)的課程，我們希望在后期的教學(xué)過(guò)程中能夠加強(qiáng)與醫(yī)院合作，引入以臨床問(wèn)題為導(dǎo)向的PBL教學(xué)法，以期獲得更好的教學(xué)效果。

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基金項(xiàng)目：2018年中山大學(xué)新華學(xué)院高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（2018J025）

作者簡(jiǎn)介：王靜（1985—?），女，漢族，湖北隨州人，碩士，副教授，研究方向：醫(yī)學(xué)信號(hào)及圖像處理。