醫(yī)工融合式“醫(yī)學(xué)成像原理”課程教學(xué)改革

呂丹　郭世俊　嚴(yán)加勇　李曉歐

[摘 要] 新工科背景下，具有鮮明醫(yī)工融合特色的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中迫切需要綜合運(yùn)用理工科的技術(shù)手段解決臨床需求。醫(yī)工融合式“醫(yī)學(xué)成像原理”課程的教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，以臨床為背景，以工程為突破口提升學(xué)生學(xué)習(xí)思維能力，增強(qiáng)學(xué)生的主體意識(shí)，培養(yǎng)勤于觀察、精于思考的醫(yī)工應(yīng)用型人才。

[關(guān)鍵詞] 新工科;醫(yī)工融合;醫(yī)學(xué)成像

[作者簡(jiǎn)介] 呂 丹（1981—），女，山東德州人，工學(xué)碩士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院講師，主要從事醫(yī)學(xué)成像技術(shù)研究;郭世?。?981—），男，湖北襄陽(yáng)人，工學(xué)碩士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院講師，主要從事醫(yī)用光學(xué)技術(shù)研究;嚴(yán)加勇（1974—），男，江蘇鹽城人，工學(xué)博士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院副教授，主要從事醫(yī)學(xué)超聲成像研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）12-0089-04? ? [收稿日期] 2020-06-10

醫(yī)工融合是一種新型的醫(yī)學(xué)交叉研究模式，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要方式，也是推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展和進(jìn)步的重要方式?！吨袊?guó)制造2025》將生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，說(shuō)明醫(yī)工融合將成為引領(lǐng)醫(yī)學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新的中堅(jiān)力量，為新時(shí)期構(gòu)建立體的醫(yī)學(xué)工程發(fā)展框架奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，信息技術(shù)的迅速發(fā)展使得電子信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的結(jié)合日漸緊密，醫(yī)工融合研究和人才培養(yǎng)得到世界范圍內(nèi)的普遍重視[2，3]。隨著人們對(duì)生命健康的日益重視，《“健康中國(guó)2030”規(guī)劃綱要》中明確了“以促進(jìn)健康為中心”的“大健康觀”和“大衛(wèi)生觀”，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展迎來(lái)了新的時(shí)代期望[4]?！搬t(yī)學(xué)成像原理”作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的主干課程，旨在助力學(xué)生掌握生物醫(yī)學(xué)成像方面的基本原理、方法和發(fā)展趨勢(shì)，借助于多種物理能量與人體相互作用，以影像方式表現(xiàn)人體內(nèi)部組織器官結(jié)構(gòu)和功能，呈現(xiàn)給學(xué)生最基本的成像理論和方式方法，培養(yǎng)學(xué)生具備該方面科學(xué)研究的基本知識(shí)和技能，建立醫(yī)學(xué)成像工程方面的知識(shí)基礎(chǔ)，使學(xué)生具有解決一般成像問(wèn)題的能力。

一、面向新工科的醫(yī)工融合內(nèi)涵指向

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的持續(xù)發(fā)展不僅催生出諸多的學(xué)科方向，更重要的是極大地推動(dòng)了跨學(xué)科交叉融合不斷深化的內(nèi)涵發(fā)展之路。廣義上的醫(yī)工融合是圍繞醫(yī)學(xué)實(shí)際需求，將醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)以外的理工科學(xué)科范疇進(jìn)行交叉融合、協(xié)同創(chuàng)新[5]。簡(jiǎn)而言之，綜合運(yùn)用理工科的技術(shù)手段解決臨床需求是醫(yī)工融合最根本的目標(biāo)指向。

跨學(xué)科性和跨專業(yè)性是高等教育發(fā)展的重要趨勢(shì)。加快發(fā)展新興工科專業(yè)和更新、改造傳統(tǒng)工科專業(yè)，培養(yǎng)面向當(dāng)前新經(jīng)濟(jì)及其未來(lái)發(fā)展需要的創(chuàng)新型優(yōu)秀工程科技人才，以應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略的工程教育的中國(guó)模式和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)業(yè)已碩果累累[6]。具有鮮明醫(yī)工融合特色的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為多學(xué)科交叉融合的典型領(lǐng)域之一，其倡導(dǎo)的多學(xué)科交叉融合與新工科建設(shè)理念不謀而合。醫(yī)工融合與新工科背景有著天然內(nèi)生的交叉與融合，從而對(duì)面向新工科的醫(yī)工融合應(yīng)用型人才培養(yǎng)提出了更高的要求。

面向新工科的醫(yī)工融合，從根本上講應(yīng)該是以“醫(yī)院+學(xué)校+生產(chǎn)企業(yè)”的有機(jī)結(jié)合體為基礎(chǔ)，以醫(yī)學(xué)臨床一線需求為根本導(dǎo)向確立醫(yī)工應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，以此為指導(dǎo)思想創(chuàng)建生物醫(yī)學(xué)工程新工科創(chuàng)新發(fā)展新格局，致力于培養(yǎng)醫(yī)工融合型創(chuàng)新人才，以滿足臨床醫(yī)學(xué)工程對(duì)實(shí)踐創(chuàng)新能力的要求。

二、醫(yī)工融合式“醫(yī)學(xué)成像原理”課程的教學(xué)研究

醫(yī)學(xué)成像和影像處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的重要分支之一?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)的多次革命性突破，大多跟醫(yī)學(xué)成像技術(shù)有關(guān)?！搬t(yī)學(xué)成像原理”內(nèi)容較為龐雜，且由于課程內(nèi)容專業(yè)性較強(qiáng)，國(guó)內(nèi)高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)目前均對(duì)“醫(yī)學(xué)成像原理”相關(guān)課程給予極大關(guān)注，在成像理論方面予以多學(xué)時(shí)分配，重點(diǎn)講授生物醫(yī)學(xué)成像方面的基本原理和方法，但教學(xué)方式有局限，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，大大降低了課程的教學(xué)效果。尤其值得注意的是，實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)建設(shè)明顯滯后于理論傳授，大多數(shù)院校的注意力還集中在簡(jiǎn)單易行的成像算法計(jì)算機(jī)仿真上。在尚未充分了解醫(yī)學(xué)臨床需求的前提下展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，往往造成理論教學(xué)和臨床應(yīng)用的內(nèi)生脫節(jié)，不能解決臨床應(yīng)用需求[7]。

目前國(guó)內(nèi)“醫(yī)學(xué)成像原理”新工科教材非常少見(jiàn)，且出版時(shí)間大多較早，內(nèi)容多偏重于成像物理原理或臨床讀圖技能，對(duì)醫(yī)工結(jié)合前沿知識(shí)涉及較少，對(duì)長(zhǎng)期臨床實(shí)踐中凸顯的現(xiàn)實(shí)需求更是鮮有研究。

“醫(yī)學(xué)成像原理”課程改革團(tuán)隊(duì)在多年的一線教學(xué)中，深入探索融合臨床醫(yī)學(xué)需求和工學(xué)特色的可行之路，從課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、臨床需求+工程特色分析、醫(yī)工實(shí)踐通道搭建等多角度開(kāi)展了面向新工科的醫(yī)工融合式“醫(yī)學(xué)成像原理”課程系列研究和改革。

（一）課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

“醫(yī)學(xué)成像原理”課程理論與技術(shù)應(yīng)用并重，從成像媒質(zhì)和生物組織體相互作用的基本現(xiàn)象入手，系統(tǒng)深入介紹所涉及的基本概念、基本原理和方法，通過(guò)介紹醫(yī)學(xué)成像中重要的應(yīng)用實(shí)例，提供一個(gè)關(guān)于本學(xué)科知識(shí)和技術(shù)的簡(jiǎn)明主線。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能對(duì)醫(yī)學(xué)成像的基本概念、基本原理和典型系統(tǒng)有較為深刻的認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)生物醫(yī)學(xué)成像檢測(cè)儀器和從事醫(yī)學(xué)成像研究開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在教學(xué)內(nèi)容的組織與安排上，嚴(yán)格遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，兼顧應(yīng)用型能力培養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展的要求，以醫(yī)學(xué)成像技術(shù)發(fā)展為線索，安排組織教學(xué)，整合、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)應(yīng)用型和研究型學(xué)習(xí)任務(wù)，為培養(yǎng)學(xué)生的崗位應(yīng)用能力和可持續(xù)發(fā)展能力奠定基礎(chǔ)。

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)充分融合國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀教材的優(yōu)勢(shì)所在，輔以技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)，最終形成一套獨(dú)特、系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)類教學(xué)體系，主要覆蓋范圍如表1所示。

（二）臨床需求+工程特色分析

隨著我國(guó)新醫(yī)療體制改革的全面發(fā)展，在提高醫(yī)療質(zhì)量和完善醫(yī)療服務(wù)水平的診療方針的同時(shí)，臨床一線應(yīng)用也迫切需要對(duì)現(xiàn)有方案或方法進(jìn)行進(jìn)一步的探索以及創(chuàng)新，進(jìn)而達(dá)到醫(yī)學(xué)發(fā)展的全新高度。為了使得“醫(yī)學(xué)成像原理”課程真正實(shí)現(xiàn)與臨床需求精準(zhǔn)接軌，且充分汲取醫(yī)學(xué)成像方法的工程經(jīng)驗(yàn)，課程改革團(tuán)隊(duì)深入多家醫(yī)院和影像設(shè)備龍頭生產(chǎn)企業(yè)，將上海地區(qū)多家醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科室的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與影像產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求合而為一，共同呈現(xiàn)在課程知識(shí)點(diǎn)的臨床需求+工程特色分析上。徹底打破“目錄樹(shù)”式知識(shí)搜索的傳統(tǒng)秩序，利用臨床關(guān)鍵詞或者標(biāo)簽可直達(dá)目標(biāo)知識(shí)信息取而代之。將“知識(shí)信息”以全新的方式組合排列，同時(shí)也將“醫(yī)學(xué)成像關(guān)聯(lián)人”重新聚合在一起。切實(shí)考慮影像科醫(yī)務(wù)工作者與影像工程師之間的網(wǎng)狀關(guān)系，為學(xué)生提供豐富的臨床+工程資源和需求定制型的知識(shí)拓?fù)?，有助于學(xué)生開(kāi)闊眼界和個(gè)性化發(fā)展。

例如在學(xué)習(xí)數(shù)字X線成像技術(shù)時(shí)，由“X線臨床應(yīng)用”展開(kāi)知識(shí)拓?fù)?，?duì)于攝影（Radiography）和透視（Fluoroscopy）的臨床需求及其工程實(shí)現(xiàn)展開(kāi)對(duì)照掌握，在此基礎(chǔ)上拓展臨床需求的工程解決方案，以自動(dòng)曝光控制AEC（Automatic Exposure Control）技術(shù)和自動(dòng)程序器官攝影APR（Automatic Programmed Regions）技術(shù)為學(xué)習(xí)框架，幫助學(xué)生切實(shí)從臨床需求出發(fā)，打牢數(shù)字X線成像技術(shù)基礎(chǔ)。圖1、圖2分別為PBL課堂上選課學(xué)生提交的X線攝影和透視模式的算法流程。相較傳統(tǒng)教學(xué)模式下較為單一的理論講解，這一方法取得了更高的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度。與此同時(shí)，在充分考慮最小輻射劑量下的工程原則下，在X線設(shè)備資深工程人員的指導(dǎo)下，以攝影數(shù)據(jù)為例引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展核心數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)（如圖3所示），切實(shí)幫助學(xué)生在醫(yī)工融合框架下密切結(jié)合工學(xué)知識(shí)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

（三）搭建醫(yī)工實(shí)踐通道

“醫(yī)學(xué)成像原理”的高效掌握，離不開(kāi)臨床影像診斷學(xué)這一基礎(chǔ)，因此在課程教學(xué)的整個(gè)流程中始終將成像原理緊密結(jié)合在相關(guān)影像診斷學(xué)知識(shí)點(diǎn)上，尤其強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)踐體會(huì)不同成像方式下臨床影像的特點(diǎn)，通過(guò)臨床病例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深理論知識(shí)的理解。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，特別邀請(qǐng)一線醫(yī)師和工程人員參與課程，共同設(shè)計(jì)了8種臨床常見(jiàn)疾病的不同臨床圖像對(duì)照案例（表2），通過(guò)不同成像原理在同一具體病例中的不同表現(xiàn)，進(jìn)而體會(huì)多種成像原理結(jié)合的內(nèi)在必要性，把課堂知識(shí)與臨床實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，從而真正打破學(xué)科間壁壘，注重工學(xué)知識(shí)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用的密切結(jié)合，使學(xué)生融會(huì)貫通地掌握醫(yī)工學(xué)科的知識(shí)，在知識(shí)融合中激發(fā)學(xué)生尋找更多的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)點(diǎn)。

同時(shí)在醫(yī)工實(shí)踐的全流程中，始終強(qiáng)調(diào)“從臨床來(lái)，到臨床去”的基本宗旨，在每一次實(shí)踐結(jié)束后組織專題討論，以學(xué)生為中心，以臨床為背景，以工程為突破口提升學(xué)生思維能力、學(xué)習(xí)能力和交流能力，增強(qiáng)學(xué)生的主體意識(shí)，努力成為勤于觀察、精于思考的醫(yī)工應(yīng)用型人才。實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感顯著增強(qiáng)。

三、結(jié)語(yǔ)

面向新工科的醫(yī)工融合式“醫(yī)學(xué)成像原理”課程的教學(xué)改革，具有臨床需求明確、工程定位準(zhǔn)確的突出特點(diǎn)，是對(duì)新時(shí)期醫(yī)學(xué)院校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程的創(chuàng)新。以學(xué)生專業(yè)素質(zhì)成長(zhǎng)和發(fā)展為中心，充分整合地區(qū)醫(yī)工資源，突破原有醫(yī)工專業(yè)壁壘，加強(qiáng)新工科知識(shí)體系的重構(gòu)，幫助學(xué)生將臨床應(yīng)用和工程技術(shù)融會(huì)貫通，為培養(yǎng)具有大工程觀素養(yǎng)的醫(yī)工融合應(yīng)用型創(chuàng)新人才提供參考。

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Abstract： As one of the typical fields of multidisciplinary integration and fusion， the major of biomedical engineering， with its distinctive medical-engineering characteristics， is in an urgent need to apply science and engineering technologies to meet the clinical needs under the background of “emerging engineering education”. With students as the center， clinic as the background， and engineering as a breakthrough point， the medical-engineering integrated teaching reform in the course of Medical Imaging Principles focuses on improving students learning and thinking abilities， as well as strengthening students subjective consciousness， and cultivating application-oriented medical talents who are diligent in observation and good at thinking.

Key words： “emerging engineering education”; medical-engineering integrated; medical imaging