基于實(shí)踐教學(xué)的醫(yī)學(xué)圖像分析教學(xué)改革探索

賀碧芳 李博文

摘 要：醫(yī)學(xué)圖像分析是一門(mén)醫(yī)學(xué)影像與圖像處理相結(jié)合的課程。主要講授如何采用信息學(xué)圖像處理方法解決醫(yī)學(xué)影像學(xué)問(wèn)題，是一門(mén)醫(yī)學(xué)與信息學(xué)、實(shí)踐與理論相結(jié)合的課程。筆者在醫(yī)學(xué)院從事該課程教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)目前該課程的教學(xué)過(guò)于偏向于圖像處理算法理論知識(shí)的講述，忽略了學(xué)生的實(shí)踐操作，使得他們難以運(yùn)用圖像處理算法理論解決實(shí)際醫(yī)學(xué)影像問(wèn)題。針對(duì)教學(xué)中存在的問(wèn)題，筆者提出在教學(xué)環(huán)節(jié)加入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)：（1）利用醫(yī)學(xué)院本身優(yōu)勢(shì)，加入部分醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)實(shí)際采集環(huán)節(jié)，了解各種醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn);（2）圖像處理算法教學(xué)環(huán)節(jié)加入實(shí)踐操作，讓學(xué)生親身感受各類圖像處理算法的用處。在后續(xù)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生能夠更好地掌握其學(xué)習(xí)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，本文還提出了一套醫(yī)學(xué)圖像分析實(shí)踐教學(xué)流程，為醫(yī)學(xué)院相關(guān)專業(yè)學(xué)生的醫(yī)學(xué)圖像分析教學(xué)提供了一種切實(shí)可行的實(shí)踐教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像分析;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)改革

一、課程背景

醫(yī)學(xué)圖像分析是一門(mén)醫(yī)學(xué)影像與信息學(xué)圖像處理相結(jié)合的課程。主要學(xué)習(xí)如何采用圖像處理方法對(duì)醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)、勾畫(huà)、分割、識(shí)別等操作[1]。主要授課對(duì)象為醫(yī)工結(jié)合專業(yè)如生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)信息工程等的本科生或研究生。其主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)圖像的采集原理，各種不同類型的醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)，不同醫(yī)學(xué)圖像主要面臨的問(wèn)題，不同醫(yī)學(xué)圖像遇到的問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方法，并啟發(fā)學(xué)生思考新的解決思路[2]。近幾年，由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的進(jìn)步以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像分析發(fā)展迅速，在醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用越來(lái)越廣，例如肺結(jié)節(jié)的識(shí)別、腦灰質(zhì)白質(zhì)的分割以及輔助診斷等。總之，醫(yī)學(xué)圖像分析在臨床上扮演著越來(lái)越重要的角色。

目前醫(yī)學(xué)圖像分析在產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展迅速，相關(guān)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，國(guó)內(nèi)目前相關(guān)企業(yè)超過(guò)100家，融資上億的企業(yè)近20家。因此，該課程的重要性也逐漸突顯。醫(yī)工結(jié)合是醫(yī)學(xué)與工科學(xué)科結(jié)合而產(chǎn)生的未來(lái)醫(yī)學(xué)的重要發(fā)展方向。近幾年，綜合類大學(xué)紛紛創(chuàng)辦醫(yī)學(xué)院，其中醫(yī)工結(jié)合是這些綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院的重要方面，而醫(yī)學(xué)圖像分析又是目前醫(yī)工結(jié)合的優(yōu)秀范例[3]。

然而，目前醫(yī)學(xué)圖像分析課程的教學(xué)存在重視理論講述，忽略實(shí)踐操作的現(xiàn)象。同時(shí)醫(yī)學(xué)圖像與傳統(tǒng)自然圖像存在著較大差異，例如信噪比低、圖像維度更高、與自然圖像紋理顯著不一致等問(wèn)題。因此，醫(yī)學(xué)圖像分析與傳統(tǒng)圖像處理課程存在較大差異。筆者在教學(xué)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)該門(mén)課程后，存在理論與實(shí)際脫節(jié)的情況。大部分學(xué)生反饋在進(jìn)行課程學(xué)習(xí)之后，嘗試將學(xué)會(huì)的圖像處理方法用于實(shí)際醫(yī)學(xué)圖像分析時(shí)，遇到各種問(wèn)題，例如：由于數(shù)據(jù)維度不一，傳統(tǒng)二維自然圖像處理方法無(wú)法用于三維或者四維的醫(yī)學(xué)圖像中;由于信噪比的問(wèn)題，傳統(tǒng)自然圖像處理方法運(yùn)用到醫(yī)學(xué)圖像上后效果不佳。因此，醫(yī)學(xué)圖像分析的教學(xué)應(yīng)該與傳統(tǒng)自然圖像的處理課程有所區(qū)分，需要針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析與教學(xué)。

二、現(xiàn)存教學(xué)問(wèn)題分析

在教學(xué)完成后，通過(guò)學(xué)生反饋，獲得的教學(xué)反饋問(wèn)題如下：（1）課程中講授的圖像處理方法多基于二維圖像，但醫(yī)學(xué)影像中存在大量其他維度影像，如腦電信號(hào)為一維圖像，CT、磁共振為三維圖像，PET、功能磁共振為四維圖像，不知如何處理;（2）課程講授中出現(xiàn)的自然圖像大多分辨率較高，而醫(yī)學(xué)圖像分辨率較低，將算法運(yùn)用于圖像分析后效果不佳;（3）構(gòu)建輔助診斷模型時(shí)，自然圖像樣本量較大，而醫(yī)學(xué)影像樣本量相對(duì)較小，同時(shí)數(shù)據(jù)維度更高，構(gòu)建出的模型效果較差。

如圖1所示，筆者分析與總結(jié)現(xiàn)存教學(xué)問(wèn)題之后，認(rèn)為主要是以下三個(gè)原因?qū)е鲁霈F(xiàn)了上述教學(xué)問(wèn)題。

（一）自然圖像與醫(yī)學(xué)圖像存在差異

如表1所示，傳統(tǒng)自然圖像與醫(yī)學(xué)圖像存在較大差異，目前醫(yī)學(xué)圖像分析課程講授的大部分課程內(nèi)容與傳統(tǒng)圖像處理一致，涉及的醫(yī)學(xué)圖像多為與自然圖像性質(zhì)相近的二維X光圖像或單層CT圖像。這種差異導(dǎo)致課程所學(xué)算法難以直接用于醫(yī)學(xué)圖像的分析與處理。

（二）學(xué)生缺乏對(duì)醫(yī)學(xué)圖像特性的了解

學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的時(shí)候?qū)︶t(yī)學(xué)圖像的采集過(guò)程以及圖像特性不了解，導(dǎo)致難以對(duì)現(xiàn)有圖像處理方法進(jìn)行改進(jìn)或者提出新的圖像處理方法以適用醫(yī)學(xué)圖像。圖2所示為一個(gè)典型的三維大腦MRI醫(yī)學(xué)圖像，該圖像具有分辨率低、維度高等特點(diǎn)。

（三）缺乏與臨床影像科醫(yī)生的交流

本門(mén)課程的教學(xué)主要由圖像處理相關(guān)老師完成，臨床醫(yī)生沒(méi)有參與教學(xué)。這種缺失進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)圖像以及醫(yī)學(xué)圖像在臨床上遇到的實(shí)際問(wèn)題缺乏了解，難以提出真正解決臨床實(shí)際問(wèn)題的醫(yī)學(xué)圖像處理方法。

三、教學(xué)改革方案

鑒于目前醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)存在的問(wèn)題，筆者結(jié)合綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)條件，提出以下五方面的教學(xué)改革措施，并設(shè)計(jì)了一套醫(yī)學(xué)圖像分析教學(xué)流程。

（一）增加醫(yī)學(xué)成像原理教學(xué)

醫(yī)學(xué)成像原理是一門(mén)講解各種醫(yī)學(xué)影像的采集原理、采集方法的課程。該課程可幫助學(xué)生深入理解醫(yī)學(xué)圖像的由來(lái)，從圖像成像原理的部分深入理解各種醫(yī)學(xué)圖像的特性，例如腦電信號(hào)的位置坐標(biāo)系統(tǒng)、磁共振圖像的無(wú)標(biāo)度特性、PET圖像如何從四維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿S圖像等。學(xué)生通過(guò)該部分理論的學(xué)習(xí)，了解不同醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)。

（二）圖像處理老師與臨床影像科醫(yī)生攜手教學(xué)

綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院教學(xué)相對(duì)于其他學(xué)院的一大重要優(yōu)勢(shì)在于學(xué)院具有大批一線臨床工作者。相對(duì)于學(xué)校教師而言，一線臨床工作者對(duì)于目前醫(yī)學(xué)影像在臨床實(shí)踐中需要解決的問(wèn)題更為熟悉。臨床醫(yī)生參與教學(xué)，可進(jìn)一步讓學(xué)生了解自己所學(xué)知識(shí)可用于解決哪些臨床實(shí)際問(wèn)題。在了解到這些的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠理清今后工作中的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)實(shí)際問(wèn)題有了進(jìn)一步的了解后才能思考如何對(duì)所學(xué)理論方法進(jìn)行融會(huì)貫通，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

（三）增加醫(yī)學(xué)影像采集教學(xué)環(huán)節(jié)

在完成醫(yī)學(xué)成像原理的理論教學(xué)之后，為進(jìn)一步讓學(xué)生理解醫(yī)學(xué)影像采集原理及其特點(diǎn)，結(jié)合醫(yī)學(xué)院條件，可安排學(xué)生進(jìn)行各種醫(yī)學(xué)影像采集的實(shí)踐操作。在影像采集實(shí)踐操作過(guò)程中，學(xué)生不僅能深入理解各種醫(yī)學(xué)影像的成像原理，還能進(jìn)一步了解到各種圖像常見(jiàn)噪聲的來(lái)源與特點(diǎn)，例如磁共振圖像的運(yùn)動(dòng)偽影的由來(lái)及其特點(diǎn)。學(xué)生在進(jìn)行圖像處理算法學(xué)習(xí)之后，能夠針對(duì)性地對(duì)各種不同噪聲進(jìn)行處理分析，或者在了解噪聲特點(diǎn)的情況下，能夠針對(duì)性地提出圖像處理算法降低噪聲的影響。

（四）結(jié)合Octave進(jìn)行實(shí)踐算法教學(xué)

傳統(tǒng)圖像處理是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，近些年，該門(mén)課程的教學(xué)更多地提倡理論與實(shí)踐融合。Octave是一個(gè)類似MATLAB的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，其語(yǔ)法模仿了MATLAB。MATLAB是目前世界上最常用的數(shù)學(xué)分析軟件之一，其具有強(qiáng)大的圖像處理能力，是目前科研界常用的圖像處理平臺(tái)。Octave在繼承MATLAB語(yǔ)法的同時(shí)，還具有免費(fèi)開(kāi)源的優(yōu)點(diǎn)。在講授完圖像算法理論之后，將要求學(xué)生基于醫(yī)學(xué)影像采集環(huán)節(jié)得到的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，基于Octave進(jìn)行編程實(shí)踐，在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生將切實(shí)感受到各種圖像處理算法的作用，以及在醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)上與自然圖像不一致的效果，從而激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探索，對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)以適用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)。

（五）改變課程考核方式

基于實(shí)踐教學(xué)的醫(yī)學(xué)圖像分析課程在考核環(huán)節(jié)應(yīng)該更加注重考核實(shí)踐操作[4]。筆者在教學(xué)過(guò)程中，最終考核環(huán)節(jié)題目設(shè)置為：基于課程講授以及實(shí)踐教學(xué)，提出一個(gè)醫(yī)學(xué)圖像問(wèn)題，并給出解決方法。答題模板如表2。

學(xué)生通過(guò)回顧與總結(jié)本門(mén)課程中的醫(yī)學(xué)圖像實(shí)踐采集環(huán)節(jié)與后續(xù)圖像處理算法理論，思考一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)遇到的醫(yī)學(xué)圖像問(wèn)題，最后選用合適的圖像處理方法或者對(duì)現(xiàn)有的圖像處理方法進(jìn)行改進(jìn)來(lái)解決該問(wèn)題。上述考核方式注重考核學(xué)生“提出問(wèn)題”與“解決問(wèn)題”的能力。

（六）醫(yī)學(xué)圖像分析的實(shí)踐教學(xué)流程總結(jié)

前面筆者提出了不同的醫(yī)學(xué)圖像分析課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，最后對(duì)全部環(huán)節(jié)進(jìn)行一個(gè)總結(jié)，提出一套醫(yī)學(xué)圖像分析的實(shí)踐教學(xué)流程，如圖3所示。希望上述教學(xué)模式能給具備相應(yīng)條件的綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)提供一定的幫助與啟示。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)與分析醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)中遇到的問(wèn)題與學(xué)生反饋，結(jié)合本單位的實(shí)際情況與優(yōu)勢(shì)，本文提出在醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)中增加諸多實(shí)踐環(huán)節(jié)，以提升學(xué)生對(duì)本門(mén)課程的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)醫(yī)學(xué)影像原理及問(wèn)題的深入理解，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)與提高學(xué)生“提出問(wèn)題”的能力。在圖像處理教學(xué)環(huán)節(jié)，提出基于Octave的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在圖像處理理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力。最終通過(guò)實(shí)踐考核，考核學(xué)生“提出問(wèn)題”與“解決問(wèn)題”的能力，通過(guò)提出并解決醫(yī)學(xué)圖像相關(guān)問(wèn)題達(dá)到對(duì)本門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容的深入理解，從而培養(yǎng)出能夠?qū)W以致用，并能解決實(shí)際臨床醫(yī)學(xué)影像問(wèn)題的學(xué)生。

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作者簡(jiǎn)介：賀碧芳（1988— ），女，漢族，湖南益陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向：醫(yī)學(xué)信息工程。