X 射線診療創(chuàng)新平臺助力醫(yī)學(xué)物理本碩博學(xué)生培養(yǎng)

摘 要 實踐教學(xué)是提升醫(yī)學(xué)物理人員專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。本文探索一種基于X射線診療科研創(chuàng)新平臺開展醫(yī)學(xué)物理人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)新模式。通過分析X射線診療平臺的優(yōu)勢，結(jié)合學(xué)生課題研究與能力培養(yǎng)，總結(jié)培養(yǎng)經(jīng)驗。研究表明學(xué)生通過直接參與X 射線診療平臺開發(fā)與應(yīng)用，培養(yǎng)了程序設(shè)計與分析、實驗設(shè)計與動手、科研思維與創(chuàng)新、社會協(xié)作與協(xié)調(diào)能力。所提實踐教學(xué)模式能教研相長，為培養(yǎng)高素質(zhì)醫(yī)學(xué)物理學(xué)生創(chuàng)新實踐能力提供了新的思路。

關(guān)鍵詞 X射線診療平臺;醫(yī)學(xué)物理;學(xué)生培養(yǎng);實踐教學(xué)

1 背景介紹

醫(yī)學(xué)物理學(xué)是把物理學(xué)的原理和方法應(yīng)用于人類疾病的預(yù)防、診斷、治療和保健的一門交叉學(xué)科[1]。該學(xué)科綜合了物理、數(shù)學(xué)、工程、計算機(jī)、人工智能、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，包含放射治療物理、醫(yī)學(xué)影像物理、核醫(yī)學(xué)物理、放射生物物理、放射防護(hù)物理、放射工程物理6 個專業(yè)方向[2]。醫(yī)學(xué)物理主要就業(yè)方向包括與醫(yī)學(xué)成像和物理放射治療相關(guān)的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、醫(yī)療服務(wù)、教學(xué)培訓(xùn)，在臨床上支撐了醫(yī)院影像科、核醫(yī)學(xué)科、放射治療科等醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制、安全運(yùn)行，新型診療技術(shù)研發(fā)以及治療方案質(zhì)量和效率的提升等，對推動現(xiàn)代醫(yī)療科技進(jìn)步和提升人民生命健康發(fā)揮著不可替代的作用[2-5]。

醫(yī)學(xué)物理學(xué)科的發(fā)展需要大量的高素質(zhì)人才，國外已有成熟的醫(yī)學(xué)物理師培養(yǎng)體系，然而，我國醫(yī)學(xué)物理學(xué)仍處于發(fā)展的初期，醫(yī)學(xué)物理人才培養(yǎng)數(shù)量、質(zhì)量和專業(yè)水平面臨著極大挑戰(zhàn)[2，4-9]。相較于歐美發(fā)達(dá)國家的醫(yī)師物理師比例接近1∶1，我國2018年同期為3.5∶1，醫(yī)學(xué)物理師仍有很大的人才缺口[9]。由于國內(nèi)醫(yī)學(xué)物理師教育體制不夠健全，教育資源和培訓(xùn)規(guī)范性與國際差距較大，部分醫(yī)學(xué)物理師能力欠缺，就業(yè)難度大，難以滿足實際需求[4]。盡管近十年該領(lǐng)域已通過優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)大綱[6，10，11]、創(chuàng)新培養(yǎng)模式[12，13]、增強(qiáng)臨床培訓(xùn)[14，15]、融入科研活動[16]等多舉措提升醫(yī)學(xué)物理人才專業(yè)水平，但是醫(yī)學(xué)物理學(xué)科涉及學(xué)科廣、專業(yè)要求高，學(xué)生需要較高的實踐與創(chuàng)新能力[2]。

實踐教學(xué)是提升醫(yī)學(xué)物理人員專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。目前醫(yī)學(xué)物理實踐教學(xué)主要通過實驗教學(xué)、醫(yī)院實習(xí)或培訓(xùn)完成，即通過與企業(yè)或醫(yī)院合作，購置軟硬件教學(xué)平臺或組織學(xué)生觀摩或參與臨床活動得到醫(yī)學(xué)物理在實際應(yīng)用的感性認(rèn)識[6，12]。本文探索并提出一種基于X射線診療科研創(chuàng)新平臺開展醫(yī)學(xué)物理人才培養(yǎng)的新模式。該模式將課題組X射線診療平臺研究與醫(yī)學(xué)物理方向?qū)W生培養(yǎng)相結(jié)合，以平臺研發(fā)和應(yīng)用為基礎(chǔ)，以學(xué)生課題研究內(nèi)容為核心，提升本碩博不同層次學(xué)生的能力素養(yǎng)，為我國醫(yī)學(xué)物理人才培養(yǎng)提供一定的借鑒作用。

2 X 射線診療平臺的演進(jìn)

X射線診療平臺是以X射線為作用媒介對生物體進(jìn)行成像和治療的平臺。X 射線具有高穿透性與準(zhǔn)直可控性，使X 射線診療平臺具有深部組織成像、精準(zhǔn)治療等優(yōu)勢。X 射線診療平臺包括用來產(chǎn)生X射線的X 射線源、用于進(jìn)行信號探測的探測器、用于放置生物樣本的樣品臺、用于調(diào)整樣品或X 射線源位置的運(yùn)動控制單元、用于屏蔽X射線輻射的屏蔽室與輔助裝置。近年來隨著X射線源、探測技術(shù)與納米材料的發(fā)展，X 射線診療實驗平臺取得了很多創(chuàng)新成果。在成像方面，除了傳統(tǒng)的X射線二維攝影、三維CT結(jié)構(gòu)成像外，誕生了X射線發(fā)光成像（X-ray luminescence imaging，XLI）及X 射線發(fā)光斷層成像（X-ray luminescenceCT， XLCT）、X射線熒光斷層成像等新的分子影像模態(tài)。在治療方面，除了癌癥三大治療手段之一的X 射線放射治療（簡稱放療）之外，誕生了與放療聯(lián)合的免疫治療、化療等多模態(tài)治療手段，可以獲得更優(yōu)的治療效果同時降低對正常組織的輻射損傷。由此，X 射線診療平臺已經(jīng)發(fā)展成為融合多模態(tài)成像與多模態(tài)治療于一身的多功能診療工具，也為依托此類平臺強(qiáng)化醫(yī)學(xué)物理人才實踐能力提供了可能。

在國家多項課題、實驗室建設(shè)經(jīng)費等支持下，課題組于2012—2019年間共開發(fā)了5套X 射線診療平臺系統(tǒng)（圖1），分別為Micro-CT 成像平臺、Micro-CT/XLCT 雙模成像平臺、225kV-X 射線治療平臺、X 射線短波紅外成像平臺、160kV-X射線診療一體化平臺。通過上述平臺的開發(fā)，構(gòu)建了包含高分辨CT、XLCT、短波紅外成像與X射線治療功能的實驗平臺，實現(xiàn)了從結(jié)構(gòu)到分子影像，從成像到診療一體的多功能演變。表1簡單列出了5套平臺的主要功能和特色。

3 依托X 射線診療平臺對學(xué)生的培養(yǎng)

在平臺研發(fā)與演進(jìn)過程中，涉及系統(tǒng)設(shè)計、控制開發(fā)、性能測試、診療方法、平臺應(yīng)用等研究或開發(fā)工作。學(xué)生在其中發(fā)揮了重要的作用，目前依托平臺完成的畢業(yè)選題共16項（表2），包括已經(jīng)畢業(yè)的本科生6名、碩士6名、博士4名。正在開展的畢業(yè)選題6項，包括在讀碩士研究生2名，博士研究生4名。

3.1 對本碩博學(xué)生能力的培養(yǎng)與培養(yǎng)效果

1） 程序設(shè)計與分析能力

X射線診療平臺控制開發(fā)與數(shù)據(jù)處理均需要有較好的程序設(shè)計與分析能力。團(tuán)隊以學(xué)生為主，利用VC、Matlab、Python等軟件平臺，自主開發(fā)了CT采集、雙模成像采集、三模成像采集、雙模同步采集、投影處理、錐束CT 解析重建、統(tǒng)計迭代重建、熒光斷層/CT 深度重建、低劑量CT/XLCT重建、多模態(tài)影像融合等軟件算法模塊，鍛煉了學(xué)生的程序設(shè)計與開發(fā)能力，使其積累了豐富的程序設(shè)計經(jīng)驗，增強(qiáng)了算法設(shè)計與數(shù)據(jù)分析能力。

2） 實驗設(shè)計與動手能力

X射線診療平臺提供的高精度X射線設(shè)備和完善的實驗環(huán)境，為學(xué)生提供了大量動手操作的機(jī)會。從設(shè)備的安裝調(diào)試、參數(shù)設(shè)置到圖像采集與處理，每一步都需要學(xué)生親力親為。這不僅鍛煉了他們的實驗操作技能，還培養(yǎng)了他們在復(fù)雜環(huán)境中解決問題的能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。除了這些基本的實驗操作，學(xué)生在開展動物或細(xì)胞實驗時需要制定嚴(yán)謹(jǐn)詳實的實驗方案，特別是影響因素多、周期較長的實驗，對照分組多，學(xué)生需要考慮全面，通常需要參考文獻(xiàn)中的實驗細(xì)節(jié)，在這個過程中學(xué)生培養(yǎng)了扎實的實驗設(shè)計與動手能力，也從實踐中學(xué)會了科學(xué)研究的方法。

3） 科研思維與創(chuàng)新能力

X 射線診療實驗平臺不僅是實踐教學(xué)的場所，更是科研創(chuàng)新的搖籃。平臺匯聚了豐富的科研資源和先進(jìn)的實驗技術(shù)，為學(xué)生提供了廣闊的探索空間。通過參與科研項目、設(shè)計實驗方案、分析實驗數(shù)據(jù)等過程，學(xué)生能夠在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而激發(fā)對科研的興趣和熱情。同時，X射線診療實驗平臺為學(xué)生提供了跨學(xué)科合作的機(jī)會，鼓勵學(xué)生與計算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的專家學(xué)者共同探索X 射線技術(shù)的新應(yīng)用和新方向，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和跨學(xué)科整合能力。此外，平臺向診斷設(shè)備、診療設(shè)備、診療一體化等產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化前景為學(xué)生提供了產(chǎn)學(xué)研示范作用，為學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展提供了豐富的資源與廣闊的視野。

4） 社會協(xié)作與協(xié)調(diào)能力

在X射線診療平臺開發(fā)與應(yīng)用過程中，涉及軟硬件開發(fā)、多人協(xié)同合作、多學(xué)科交叉等任務(wù)，學(xué)生需要與廠商、組員、導(dǎo)師等不同角色及專業(yè)的人員密切溝通，學(xué)會如何在團(tuán)隊中發(fā)揮自己的作用，理解各自職責(zé)的重要性，確保研究任務(wù)的順利進(jìn)行，這種經(jīng)歷有助于他們培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神，提升他們的溝通與協(xié)調(diào)能力。同時，在團(tuán)隊協(xié)作中，難免會遇到意見不合或沖突的情況，通過參與解決這些沖突，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到有效的沖突解決策略，從而進(jìn)一步提升他們的社會協(xié)作能力。通過完成承擔(dān)的任務(wù)，學(xué)生會逐漸培養(yǎng)出良好的職業(yè)修養(yǎng)與負(fù)責(zé)任的態(tài)度，不斷提升自己的科研和人文素養(yǎng)。

綜上，學(xué)生通過直接參與平臺開發(fā)與應(yīng)用，積累了豐富的科研和工程經(jīng)驗，培養(yǎng)了程序設(shè)計與分析、實驗設(shè)計與動手、科研思維與創(chuàng)新、社會協(xié)作與協(xié)調(diào)等多方面能力。依托X 射線診療平臺，由學(xué)生負(fù)責(zé)或作為核心人員參與的成果有：授權(quán)專利17項，其中發(fā)明專利14項;獲批軟件著作權(quán)11項;發(fā)表文章40篇。圍繞X 射線診療平臺開發(fā)與應(yīng)用，組織學(xué)生參加的全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)電子創(chuàng)新設(shè)計競賽、計算機(jī)設(shè)計大賽等各類競賽獲獎6項，其中 “X射線激發(fā)光學(xué)斷層快速成像軟件系統(tǒng)開發(fā)”獲全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)電子創(chuàng)新設(shè)計競賽一等獎，“CB-XLCT/CT 深部組織雙模分子影像系統(tǒng)開發(fā)及成像研究”獲陜西省研究生創(chuàng)新成果展一等獎。

3.2 基于實驗平臺培養(yǎng)學(xué)生的一點經(jīng)驗

1） 結(jié)合國家重大需求使學(xué)生認(rèn)清工作的意義

X射線診療平臺是研究癌癥等難治性疾病診療新技術(shù)的重要和先進(jìn)工具，持續(xù)提升其性能與基于此開展的研究工作有利于推動生命健康領(lǐng)域發(fā)展，支撐“健康中國2030”政策目標(biāo)?？梢砸龑?dǎo)學(xué)生通過學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)物理前輩默默耕耘的光榮事跡，閱讀文獻(xiàn)跟蹤前沿進(jìn)展，參加學(xué)術(shù)會議等，了解該方向在產(chǎn)業(yè)、臨床、基礎(chǔ)等各界的現(xiàn)狀，找準(zhǔn)當(dāng)前存在的問題和挑戰(zhàn)，從而確定合適的選題，認(rèn)清研究的意義，努力為該領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)個人的智慧。

2） 為不同層次的學(xué)生設(shè)計不同的科研任務(wù)

由于醫(yī)學(xué)物理方向本、碩、博等不同層次的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)與培養(yǎng)目標(biāo)不同，對其任務(wù)分工也應(yīng)有所區(qū)別。本科階段的培養(yǎng)目標(biāo)主要側(cè)重于基礎(chǔ)知識的積累和實踐能力的培養(yǎng)，碩士階段是在本科基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化和拓展，注重專業(yè)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和研究能力的培養(yǎng)，而博士階段則更加專注于學(xué)術(shù)創(chuàng)新和研究能力的提升，培養(yǎng)醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域的頂尖人才。圍繞上述目標(biāo)，對本科生主要以進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計或參加競賽，開展與平臺功能與科研任務(wù)相關(guān)的控制程序開發(fā)、性能測試、實驗研究與數(shù)據(jù)處理，以此加深本科階段程序設(shè)計、醫(yī)學(xué)成像、放射防護(hù)、圖像處理等課程基礎(chǔ)知識的理解，鍛煉學(xué)生的編程能力、動手實踐能力。對碩士研究生，主要圍繞畢業(yè)課題開展平臺應(yīng)用與學(xué)術(shù)研究，解決平臺應(yīng)用中需要調(diào)整或調(diào)試的復(fù)雜問題，開展針對特定科學(xué)問題的方法學(xué)或?qū)嶒炓?guī)律研究，加強(qiáng)學(xué)生對醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域?qū)I(yè)知識和技能的深入理解運(yùn)用，培養(yǎng)其獨立研究、分析和批判性思維以及能夠解決復(fù)雜問題的能力。對博士研究生，則以學(xué)術(shù)創(chuàng)新研究為主，在對本學(xué)科的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢有深入理解的前提下，創(chuàng)造性提出X射線診療相關(guān)的新模型、新方法、新策略、新機(jī)制，使其具備獨立從事科學(xué)研究工作的能力，能夠創(chuàng)造性地研究和解決本學(xué)科中的有關(guān)理論和實際問題，在科學(xué)或?qū)ｉT技術(shù)上作出創(chuàng)造性的成果。表2中的選題均遵循如上原則。

3） 結(jié)合學(xué)生興趣與基礎(chǔ)安排科研任務(wù)

X射線診療平臺可以支撐醫(yī)學(xué)影像、放射治療、放射生物、放射防護(hù)等多個研究方向，從研究內(nèi)容上也可以側(cè)重或理論或?qū)嶒炑芯?。?dǎo)師可引導(dǎo)學(xué)生綜合課題組的主要方向、個人興趣與專業(yè)基礎(chǔ)確定具體的課題內(nèi)容和目標(biāo)，在課題實施中遇到困難時也可以有其他嘗試。如表2中學(xué)生選題均是考慮了上述因素順利完成的。課題研究過程中也有學(xué)生會調(diào)整選題，例如有一名做理論算法的碩士研究生發(fā)現(xiàn)更適合做平臺調(diào)試與實驗研究，及時調(diào)整為“X射線激發(fā)短波紅外成像平臺及其性能研究”，最后同樣順利完成了課題研究，同時幫助課題組完成了X射線短波紅外平臺的調(diào)試與性能的測試。

4） 處理好已有工作基礎(chǔ)與新任務(wù)的關(guān)系

在多年的研究積累中，課題組已具備一定的研究基礎(chǔ)和平臺基礎(chǔ)。為了使研究工作更加深入，后期發(fā)展一方面需要保持原有工作的延續(xù)性，另一方面需要尋求新的突破。為此，團(tuán)隊會經(jīng)常評估已有工作基礎(chǔ)，梳理核心成果，包括關(guān)鍵技術(shù)突破、實驗數(shù)據(jù)積累、理論模型構(gòu)建等，分析這些成果在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的影響，以及它們對未來研究的潛在價值;同時評估現(xiàn)有科研團(tuán)隊的能力結(jié)構(gòu)、實驗設(shè)備、經(jīng)費支持等關(guān)鍵資源，制定整合與創(chuàng)新策略，開展新任務(wù)研究，包括整合現(xiàn)有科研團(tuán)隊的能力結(jié)構(gòu)，確保團(tuán)隊成員能夠各展所長、協(xié)同作戰(zhàn);優(yōu)化實驗設(shè)備的使用效率，合理安排實驗時間，確保新任務(wù)的研究工作能夠順利進(jìn)行;探索新的研究方法和技術(shù)手段，關(guān)注國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展和動態(tài)，積極引入新的理論模型、實驗技術(shù)等創(chuàng)新元素;持續(xù)優(yōu)化與調(diào)整，解決醫(yī)學(xué)物理領(lǐng)域內(nèi)的老問題或新問題。

5） 注意階段性工作成果的總結(jié)

對于各個層次的學(xué)生均可以在完成一個比較系統(tǒng)的工作之后對結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，形成不同的成果。在這個過程中可以鍛煉學(xué)生科研思維、材料組織和論文撰寫能力，學(xué)生也會有一定的成就感。對于本科生，主要以軟件著作權(quán)、中文核心以及備戰(zhàn)競賽為主，對于碩博生，主要以發(fā)明專利、SCI論文、學(xué)術(shù)會議報告為主。

4 總結(jié)與討論

X射線診療實驗平臺在助力醫(yī)學(xué)物理方向本碩博學(xué)生培養(yǎng)中發(fā)揮了重要的作用。它不僅是理論知識與實驗操作的橋梁，更是科研創(chuàng)新與臨床應(yīng)用的結(jié)合點。通過深度參與平臺的研發(fā)和實踐，包括控制系統(tǒng)開發(fā)[17，18]、實驗研究[19]、診療方法學(xué)研究[20-22]等，學(xué)生可以掌握扎實的專業(yè)知識和實驗技能，提高科研創(chuàng)新能力和臨床思維能力，為未來的學(xué)術(shù)研究和職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)，畢業(yè)學(xué)生大部分去往高校、醫(yī)院與高端醫(yī)療設(shè)備企業(yè)工作。相較于醫(yī)學(xué)物理現(xiàn)有實踐教學(xué)中多使用成熟的診療設(shè)備，學(xué)生盡管有感性認(rèn)識，但是缺少深度參與感和真正實戰(zhàn)機(jī)會[6]，本文中采用的方法使學(xué)生通過課題研究能夠真正融入平臺開發(fā)與應(yīng)用中，成為平臺研發(fā)的主人，更能激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力。

X射線診療實驗平臺是一種快速發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，對推動行業(yè)發(fā)展具有重要作用。近年來低劑量射線成像技術(shù)、基于人工智能的圖像生成與疾病診斷技術(shù)、X射線能譜探測與成像技術(shù)、冷陰極X射線碳納米管、鈣鈦礦基半導(dǎo)體探測器、高生物安全性納米材料等得到快速發(fā)展，為X 射線診療平臺和技術(shù)的創(chuàng)新提供了良好的生態(tài)。圍繞X射線診療平臺開展的課題研究和學(xué)生培養(yǎng)能夠促進(jìn)教研相長，基于X 射線診療平臺在培養(yǎng)高素質(zhì)醫(yī)學(xué)物理人才的同時亦能夠推動平臺的持續(xù)創(chuàng)新。希望本文基于科研創(chuàng)新平臺培養(yǎng)學(xué)生的思路能為高素質(zhì)醫(yī)學(xué)物理人才培養(yǎng)提供一定的借鑒作用。

盡管基于科研創(chuàng)新平臺研發(fā)培養(yǎng)學(xué)生是一種新的實踐教學(xué)模式，但是該種方式給教師和學(xué)生也帶來了一定的挑戰(zhàn)，首先，平臺研發(fā)和課題研究中存在很多未知的因素，學(xué)生投入時間難以預(yù)估。其次，對導(dǎo)師也提出了更高的要求，老師需要具備深厚的專業(yè)知識和廣闊的學(xué)術(shù)視野，確保選題的科學(xué)性和創(chuàng)新性，引導(dǎo)學(xué)生解決復(fù)雜問題。以上是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，只有探索未知的事物才能突破已有的知識架構(gòu)，才可能有新的發(fā)現(xiàn)，因此無論對學(xué)生還是教師均需要保持精進(jìn)、創(chuàng)新、合作的態(tài)度，共同推動醫(yī)學(xué)物理學(xué)科和專業(yè)的發(fā)展。

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