醫(yī)學(xué)圖像處理課程應(yīng)用型教學(xué)實踐

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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、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)計環(huán)節(jié)等方面對醫(yī)學(xué)圖像處理課程進(jìn)行探索與實踐。

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，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、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)計環(huán)節(jié)等方面對醫(yī)學(xué)圖像處理課程進(jìn)行探索與實踐。

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算機(jī)對醫(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)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、信號處理和應(yīng)用數(shù)學(xué)等多個領(lǐng)域的知識，這些不同學(xué)科之間的交叉、融合，使得理解相關(guān)知識和技術(shù)變得困難［2］。尤其對于獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生，雖然前期課程中已學(xué)習(xí)過Matlab及其應(yīng)用、信號處理等課程，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)生往往被動的學(xué)，教師怎么教學(xué)生就怎么聽，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，這就需要在教學(xué)過程結(jié)合學(xué)生特點因材施教，注重培養(yǎng)學(xué)生實際分析問題和解決問題的能力［3］。

二、醫(yī)學(xué)圖像處理課程教學(xué)設(shè)計

(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)計的計算環(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。教師每講完一個圖像處理算法，就用Matlab軟件進(jìn)行實現(xiàn)，加強(qiáng)學(xué)生對應(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算法是如何拿來解決實際醫(yī)學(xué)問題的。如圖1，我們在講完圖像增強(qiáng)技術(shù)后，給學(xué)生演示了一個實際的例子。

(二)四段式教學(xué)設(shè)計“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)?，F(xiàn)以第五章《醫(yī)學(xué)圖像分類》為例，具體說明“四段式教學(xué)”的設(shè)計過程。(1)教師精講。本章知識點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)生可以通過中國知網(wǎng)、中國大學(xué)慕課、網(wǎng)易公開課及相關(guān)圖書進(jìn)行自習(xí)，以加深對理論知識的理解和延伸。同時，學(xué)生在這個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)點數(shù)是如何選擇的?(3)小組討論。在這個階段將全班學(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道題的小測驗(基于個體自習(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軟件上編寫程序來完成非線性函數(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。各小組之間可對展示的內(nèi)容進(jìn)行評價、質(zhì)疑、辯論和探討。各小組展示完畢后，老師對小測驗結(jié)果、小組展示內(nèi)容進(jìn)行小結(jié)、點評，并用設(shè)計好的評分表客觀評價其學(xué)習(xí)效果。

(三)研究論文案例式教學(xué)設(shè)計在相關(guān)章節(jié)的教學(xué)過程中，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)匯報的方式進(jìn)行講解。學(xué)生通過對科研論文的精讀一方面加深了對課本理論知識的講解，另一方面使學(xué)生通過研究論文案例，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)生處理實際醫(yī)學(xué)圖像的能力。同時，我們也鼓勵學(xué)有余力的同學(xué)撰寫科研論文并發(fā)表。比如我們在講圖像配準(zhǔn)這一章時，有學(xué)生通過查閱圖像配準(zhǔn)的方法，不僅加深了對書中傳統(tǒng)配準(zhǔn)方法的理解，還通過對比確定了自己未來要做的畢業(yè)設(shè)計課題，如圖3。在課程結(jié)束后，給學(xué)生兩周的時間進(jìn)行課程設(shè)計，圍繞課程中學(xué)習(xí)過的算法對實際的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)來源于我們的實習(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)計環(huán)節(jié)也是對學(xué)生學(xué)習(xí)效果考核的一種方式，加入這個環(huán)節(jié)主要是為了進(jìn)一步提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力，真正讓學(xué)生做到學(xué)以致用。課程設(shè)計的分?jǐn)?shù)將作為本課程最終成績的一部份。對于特別優(yōu)秀的學(xué)生，也可以推薦去參加相關(guān)的省市競賽。圖4是一個學(xué)生做的CT圖像輪廓提取。

三、教學(xué)效果評價

(一)學(xué)生給出的教學(xué)評價我們進(jìn)行了兩年的醫(yī)學(xué)圖像處理課程改革，通過學(xué)生的教學(xué)評價以及意見反饋，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)計考核方式很受學(xué)生們的歡印，學(xué)生留言說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，并且通過團(tuán)隊協(xié)作，組間激勵、促進(jìn)學(xué)生互教互學(xué)，實現(xiàn)學(xué)生個體的超越;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)計考核充發(fā)激發(fā)了他們分析問題、解決實際問題的能力，讓他們覺得很踏實的感覺。近兩年醫(yī)學(xué)圖像處理課程的教學(xué)評價在94%以上，相比于傳統(tǒng)教學(xué)提高了2個百分點。

(二)學(xué)生實驗測試成績在近三年的醫(yī)學(xué)圖像處理課程教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊均采用了一次相同的實驗測試題:采用Matlab編程實現(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，兩幅圖像配準(zhǔn)的效果最好，同時獲得此時圖像的變換系數(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)，不能保存和拷備實驗題目及結(jié)果。從上表可以看出，我們實施課程改革兩年以來，學(xué)生對實際處理問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，這說明我們的改革初見成效。

四、結(jié)語

本文針對獨(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)開設(shè)醫(yī)學(xué)圖像處理課程存在的問題，提出將仿真軟件課堂化、四段式教學(xué)設(shè)計、研究論文案例式教學(xué)以及課程設(shè)計考核相結(jié)合的教學(xué)方法。通過筆者近兩年的教學(xué)實踐以及學(xué)生的成績和評價反饋，表明這些改革措施是有效的，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題、解決問題的能力得到提高。此外，醫(yī)學(xué)圖像處理是一門密切聯(lián)系臨床醫(yī)學(xué)知識的課程，我們希望在后期的教學(xué)過程中能夠加強(qiáng)與醫(yī)院合作，引入以臨床問題為導(dǎo)向的PBL教學(xué)法，以期獲得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn):

［1］鄭旭媛，胡春紅，肖振國．醫(yī)學(xué)圖像處理課程設(shè)計教學(xué)模式探索［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011(31):167．

［2］梁佩鵬，李坤成．基于問題的學(xué)習(xí)(PBL)結(jié)合Matlab在醫(yī)學(xué)圖像處理中的應(yīng)用［J］．山西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，29(02):35-38．

［3］齊志剛，蘇壯志，陳楠，等．以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)結(jié)合PACS在醫(yī)學(xué)影像學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2012，11(11):1151-1153．

［4］王庭槐．激越四段式教學(xué)法［J］．高校醫(yī)學(xué)教學(xué)研究(電子版)，2017，3(7):14-16．

作者：王靜 楊鑫 李惠娟 單位：中山大學(xué)新華學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院