多物理場(chǎng)仿真在生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉學(xué)超，張 濤，徐燦華，楊 濱，劉本源，李 磊，付 峰

（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032）

0 引言

在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的支撐下，生物醫(yī)學(xué)工程（biomedical engineering，BME）將成為塑造多元化、創(chuàng)新人才的重要高地[1-2]。BME 是一門(mén)高度融合的交叉學(xué)科[3-4]，對(duì)BME 專(zhuān)業(yè)學(xué)員的教學(xué)也必須更加注重學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)學(xué)員解決問(wèn)題的能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力[5]。然而，在教學(xué)過(guò)程中，如何將多學(xué)科知識(shí)有效融合，使課堂教學(xué)真正做到“授之以漁”[6]，使學(xué)員樂(lè)于學(xué)習(xí)、善于交叉融合，增強(qiáng)學(xué)員專(zhuān)業(yè)認(rèn)同感一直是BME 專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的難點(diǎn)問(wèn)題。

醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用是空軍軍醫(yī)大學(xué)BME 專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的本科必修專(zhuān)業(yè)課程，在BME 專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中起重要作用。為滿(mǎn)足多元化、創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要，該課程不僅要求學(xué)員能夠理解各種醫(yī)學(xué)設(shè)備的基本原理，還要求學(xué)員能夠掌握并靈活運(yùn)用以往學(xué)習(xí)的電子、計(jì)算機(jī)、物理學(xué)、生理學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，為創(chuàng)新醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用與研發(fā)奠定基礎(chǔ)。該課程內(nèi)容多、綜合性強(qiáng)，學(xué)員掌握難度大、學(xué)習(xí)熱情和參與感較低，因此需要在以往理論講授的基礎(chǔ)上探索融入一些新的教學(xué)手段。

目前，仿真技術(shù)已在BME 教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。例如：陸軍軍醫(yī)大學(xué)利用高級(jí)智能模擬人等仿真技術(shù)，在BME 專(zhuān)業(yè)生物醫(yī)學(xué)傳感器教學(xué)中大大提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情[7]；華中科技大學(xué)建立的磁共振成像虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)一步提升了BME 專(zhuān)業(yè)學(xué)員的綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力[8]?；诖?，仿真技術(shù)有望為醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程高端醫(yī)療設(shè)備的教學(xué)提供一種新的教學(xué)方法。然而，目前的仿真教學(xué)大都局限于設(shè)備的使用方面，與其數(shù)學(xué)物理原理結(jié)合的教學(xué)案例較少。COMSOL 作為一款多物理場(chǎng)仿真軟件，已被廣泛用于其他專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中，特別是在聲學(xué)理論[9]、電磁場(chǎng)理論[10]、熱傳導(dǎo)[11]、力學(xué)[12]等課程中的應(yīng)用大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)抽象理論的理解。COMSOL 軟件用于BME 本科教學(xué)中，也有望提升教學(xué)效果。COMSOL 軟件中與BME 相關(guān)的主要物理場(chǎng)模塊包括電磁、傳熱、聲學(xué)、結(jié)構(gòu)/固體力學(xué)、電化學(xué)、物質(zhì)傳遞等。在BME 研究中通常需要使用多種物理場(chǎng)之間的耦合才能有效模擬真實(shí)情況。然而，目前基于COMSOL 的仿真教學(xué)局限于單個(gè)物理場(chǎng)的講解，沒(méi)有涉及多物理場(chǎng)耦合的思想，而B(niǎo)ME 所關(guān)注的醫(yī)療設(shè)備研發(fā)、醫(yī)學(xué)傳感器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域通常涉及多種物理場(chǎng)的耦合，因此加強(qiáng)學(xué)員的多物理場(chǎng)仿真思維、學(xué)習(xí)和掌握必要的仿真技術(shù)對(duì)培養(yǎng)具備設(shè)備研發(fā)能力的復(fù)合型人才也具有重要意義。

基于此，本文在BME 專(zhuān)業(yè)醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程中探索使用COMSOL 軟件引入多物理場(chǎng)仿真教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員理解和掌握醫(yī)療設(shè)備中涉及到的復(fù)雜的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)其多物理場(chǎng)耦合的思維和實(shí)踐創(chuàng)新能力，為其今后學(xué)習(xí)、工作奠定基礎(chǔ)。

1 醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程教學(xué)難點(diǎn)分析

醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程融合了生物醫(yī)學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、信號(hào)測(cè)量與處理、傳感器技術(shù)等多課程的核心內(nèi)容，在BME 專(zhuān)業(yè)第四學(xué)年上學(xué)期開(kāi)展該課程教學(xué)。一方面，學(xué)員經(jīng)過(guò)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、醫(yī)用傳感器、數(shù)字信號(hào)處理等專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)，已打下較好的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，在課程教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)員將所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行交叉融合與實(shí)踐。另一方面，課程教學(xué)要著眼于幫助學(xué)員理解并掌握儀器工作的基本原理、了解儀器設(shè)計(jì)的基本方法，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的應(yīng)用型、研究型人才。因此，分析醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程教學(xué)過(guò)程面臨以下教學(xué)難點(diǎn)：

（1）課程中涉及的一些操作較難的設(shè)備以及新型醫(yī)療設(shè)備無(wú)法進(jìn)行實(shí)物教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)員在理論學(xué)習(xí)中參與感和學(xué)習(xí)熱情較低，課后自主學(xué)習(xí)投入不足。

（2）課程中講授各類(lèi)醫(yī)學(xué)設(shè)備常涉及電磁、流體、結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、傳熱等物理場(chǎng)過(guò)程。學(xué)員通常容易掌握上述基本過(guò)程，但對(duì)于設(shè)計(jì)原理復(fù)雜、公式較多、內(nèi)容涉及多物理場(chǎng)耦合的醫(yī)療設(shè)備，如射頻治療設(shè)備、高強(qiáng)度聚焦超聲等，學(xué)員難以理解其多物理場(chǎng)耦合及計(jì)算過(guò)程，知識(shí)掌握難度大。

（3）傳統(tǒng)的板書(shū)和多媒體教學(xué)主要包含文字、靜態(tài)圖片、視頻等內(nèi)容，雖然可以闡述理論知識(shí)，但醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)不夠直觀(guān)，教學(xué)效果仍需提高。純粹的理論講授已難以滿(mǎn)足培養(yǎng)具備設(shè)備研發(fā)能力的高層次人才需求。

2 多物理場(chǎng)仿真教學(xué)實(shí)踐

針對(duì)醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程教學(xué)中常見(jiàn)的多物理場(chǎng)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)員開(kāi)展利用電磁熱耦合的射頻消融仿真實(shí)驗(yàn)[13]、基于流固耦合的蠕動(dòng)泵仿真實(shí)驗(yàn)、基于壓電耦合的壓電傳感器仿真實(shí)驗(yàn)以及聲熱耦合的生物組織聚焦超聲加熱實(shí)驗(yàn)等。以生物組織聚焦超聲加熱為例，在教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展多物理場(chǎng)仿真教學(xué)，將仿真演示、學(xué)員實(shí)踐與理論講授相結(jié)合，幫助學(xué)員理解抽象的數(shù)學(xué)物理過(guò)程，使學(xué)員加深對(duì)知識(shí)的理解與掌握，提高學(xué)習(xí)興趣和技能。

2.1 理論講授

課堂教學(xué)以理論講授為主，主要采用幻燈片進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解，并通過(guò)板書(shū)和多媒體視頻滿(mǎn)足學(xué)員知識(shí)學(xué)習(xí)的需要。如教學(xué)中首先向?qū)W員講解聚焦超聲引起的人體組織發(fā)熱現(xiàn)象，主要包含聲場(chǎng)和生物傳熱2 個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合。其次向?qū)W員闡述如何實(shí)現(xiàn)2 個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合及計(jì)算。第一步，對(duì)生物組織中的聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，獲得聲強(qiáng)分布，在該過(guò)程中主要利用Westervelt 方程進(jìn)行計(jì)算[14]；第二步，計(jì)算吸收的聲能，將其作為熱源引入生物傳熱的物理場(chǎng)得到溫度場(chǎng)分布結(jié)果，在該過(guò)程中主要通過(guò)Pennes生物傳熱方程計(jì)算[15]；最后，講解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的假設(shè)條件以及邊界條件設(shè)定。

同時(shí)，教學(xué)中注重運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)方法。醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程包括生理檢查類(lèi)儀器、治療類(lèi)儀器、光學(xué)類(lèi)儀器、臨床檢驗(yàn)類(lèi)儀器、生命支持類(lèi)儀器等主要內(nèi)容，每一大類(lèi)儀器中各種設(shè)備之間存在一定的相關(guān)性、差異性、互通性，復(fù)雜儀器的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程也存在相通之處。因此，在教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)和總結(jié)不同設(shè)備之間的異同點(diǎn)，有助于學(xué)員快速掌握所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)不同設(shè)備原理的理解與應(yīng)用。

2.2 仿真演示

教學(xué)過(guò)程中加強(qiáng)模擬法教學(xué)，通過(guò)引入多物理場(chǎng)仿真演示，將枯燥的數(shù)學(xué)物理過(guò)程及公式可視化，以更加形象地展示設(shè)備結(jié)構(gòu)，從而幫助學(xué)員理解所學(xué)知識(shí)，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣，如課程中采用COMSOL軟件自帶案例庫(kù)中的模型進(jìn)行生物組織聚焦超聲加熱過(guò)程演示操作。在理論講授基礎(chǔ)上，教員通過(guò)分步驟操作演示，引導(dǎo)學(xué)員認(rèn)識(shí)聲-熱耦合仿真過(guò)程及理解其基本原理。首先，建立用于仿真的幾何模型：仿真模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中聲換能器呈碗形，假設(shè)生物體為圓柱體，生物組織與聲換能器均浸在水中。簡(jiǎn)化后的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)分布如圖2 所示。其次，設(shè)置邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算：利用壓力聲學(xué)模塊可以求得聲場(chǎng)分布；將聲場(chǎng)的解作為熱源引入生物傳熱模塊，計(jì)算生物組織的熱量分布。最后，分析結(jié)果：聲場(chǎng)的有限元計(jì)算結(jié)果如圖3 所示，可以看出聚焦區(qū)域與圖2 中預(yù)設(shè)區(qū)域幾乎一致；生物傳熱過(guò)程的計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，可以看出加熱位置、大小與圖2 所示超聲聚焦區(qū)域大致相同，且聚焦區(qū)域外的組織損傷范圍很小。

圖1 仿真模型的幾何結(jié)構(gòu)

圖2 簡(jiǎn)化后的仿真模型

圖3 聲場(chǎng)有限元計(jì)算結(jié)果

圖4 生物傳熱過(guò)程計(jì)算結(jié)果

同時(shí)，教學(xué)中注重運(yùn)用互動(dòng)式教學(xué)方法。在教員的演示、引導(dǎo)和指導(dǎo)下，學(xué)員可自主完成多物理場(chǎng)仿真建模和求解，提高學(xué)員課堂參與度、學(xué)習(xí)積極性和實(shí)驗(yàn)效果，強(qiáng)化相關(guān)理論知識(shí)。

2.3 學(xué)員實(shí)踐

教學(xué)過(guò)程中注重理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)員的建模思維和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)動(dòng)力和融合創(chuàng)新能力。在課堂的有限時(shí)間內(nèi)，通過(guò)教員的理論講授和仿真演示，學(xué)員可以認(rèn)識(shí)并了解所學(xué)設(shè)備的相關(guān)知識(shí)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，但很難做到真正掌握并靈活運(yùn)用于解決實(shí)際問(wèn)題。因此，我們采用以課后作業(yè)為牽引，加強(qiáng)學(xué)員對(duì)知識(shí)的掌握和運(yùn)用，鍛煉其實(shí)踐動(dòng)手能力的教學(xué)方法。教學(xué)組自2004 年起不斷探索醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程課后作業(yè)的內(nèi)容與形式，確定了“項(xiàng)目式”課后作業(yè)的基本模式[16]。在此基礎(chǔ)上，一方面要求學(xué)員根據(jù)仿真演示完成相應(yīng)內(nèi)容的課后仿真實(shí)踐，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析；另一方面要求學(xué)員能夠“舉一反三”，在所學(xué)內(nèi)容中可選擇任意一種設(shè)備開(kāi)展多物理場(chǎng)仿真實(shí)踐，通過(guò)數(shù)學(xué)物理理論分析、構(gòu)建仿真模型、設(shè)定邊界條件、仿真計(jì)算及結(jié)果分析的基本過(guò)程，完成課后作業(yè)。這種方式既能鍛煉學(xué)員的實(shí)踐能力，也有助于培養(yǎng)其邏輯思維能力和科研思維，為今后學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

此外，我們鼓勵(lì)學(xué)生積極參與學(xué)科相關(guān)競(jìng)賽，在比賽中靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，提高個(gè)人能力。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

授課過(guò)程中通過(guò)COMSOL 軟件向?qū)W員傳達(dá)多物理場(chǎng)仿真理念、講授多物理場(chǎng)仿真技術(shù)，對(duì)于學(xué)員理解醫(yī)療設(shè)備的數(shù)學(xué)物理原理具有重要作用。同時(shí)，針對(duì)具備醫(yī)療設(shè)備研發(fā)能力的BME 專(zhuān)業(yè)人才而言，多物理場(chǎng)仿真技術(shù)也是應(yīng)該具備的一個(gè)重要技能。

在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)員普遍反映基于COMSOL 軟件的仿真將枯燥的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行可視化實(shí)現(xiàn)的教學(xué)方法，能夠幫助大家理解和掌握設(shè)備的基本原理。課后學(xué)員能夠自主利用仿真軟件，探索和設(shè)計(jì)與BME應(yīng)用相關(guān)的仿真案例，在掌握了基本的操作后，也可以自己動(dòng)手設(shè)置不同參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，觀(guān)察理解不同參數(shù)的真正含義。這種教學(xué)模式提高了學(xué)員課堂參與的積極性，激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。近3 a 的課程考核表明學(xué)員成績(jī)明顯提高，成績(jī)優(yōu)秀及良好比例分別為23.08%、35.71%和42.75%。

學(xué)員在課后實(shí)踐中，逐步探索完成了仿真模型建立、物理場(chǎng)求解、仿真結(jié)果可視化、實(shí)驗(yàn)結(jié)果深度分析的“實(shí)踐小閉環(huán)”操作流程。這有助于學(xué)員從復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的實(shí)際問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)本質(zhì)，理解物理現(xiàn)象，提高自身的實(shí)踐創(chuàng)新能力和邏輯思維能力。通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷發(fā)現(xiàn)，上課前學(xué)員對(duì)多物理場(chǎng)仿真概念的了解度幾乎為零。課后的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)員能夠接受多物理場(chǎng)仿真案例教學(xué)方法，對(duì)授課滿(mǎn)意度有所提高。此外，學(xué)員通過(guò)仿真實(shí)踐，認(rèn)為自己掌握了一項(xiàng)重要技能，增加了自身對(duì)編程的興趣和自信心，能夠更積極主動(dòng)參與相關(guān)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽（如生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽）。

此外，開(kāi)展仿真案例教學(xué)促進(jìn)了教員自身能力的提升。教員在教學(xué)過(guò)程中除了講解簡(jiǎn)單的多物理場(chǎng)耦合過(guò)程，幫助學(xué)員理解知識(shí)以及開(kāi)展課后實(shí)踐，還需要掌握BME 前沿的一些仿真研究作為案例展示來(lái)拓寬學(xué)員視野。這些都對(duì)教員自身緊跟BME 研究熱點(diǎn)，加深對(duì)醫(yī)療設(shè)備數(shù)學(xué)物理過(guò)程的理解有明顯的推動(dòng)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程中醫(yī)學(xué)儀器涉及的復(fù)雜數(shù)學(xué)物理原理講解難、學(xué)員掌握難度大、課后自主學(xué)習(xí)不足等問(wèn)題，提出將多物理場(chǎng)仿真案例引入課堂，向?qū)W員講授醫(yī)療設(shè)備中蘊(yùn)含的多物理場(chǎng)過(guò)程。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)員提高了學(xué)習(xí)興趣并加深了對(duì)知識(shí)的理解，掌握了多物理場(chǎng)仿真技能，鍛煉了將實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行抽象建模仿真的能力，這為培養(yǎng)具備設(shè)備研發(fā)能力的融合創(chuàng)新型BME 專(zhuān)業(yè)人才打下了良好的基礎(chǔ)。