生物醫學影像學教育的思考

摘要：生物醫學影像學教育是生物醫學工程教育的一個關鍵組成部分，在整個生物醫學工程的人才培養中發揮著十分重要的作用。它涉及物理原理、數學推導、工程實現、影像生成、影像重建、影像建模、影像分析與臨床應用等多個方面，具有綜合性、理論性與實踐性強的特點。隨著高等教育改革的不斷深入，如何結合我國生物醫學工程教育目前的現狀，在借鑒國外經驗的基礎上改進我國生物醫學影像學教育是一項艱巨的任務。

關鍵詞：生物醫學工程；生物醫學影像；人才培養

作者簡介：林嵐（1974-），男，廣東潮州人，北京工業大學生命科學與生物工程學院，副教授；吳水才（1964-），男，江西九江人，北京工業大學生命科學與生物工程學院，教授。（北京 100124）

基金項目：本文系北京工業大學2013年本科教育工程校長基金研究項目（項目編號：ER2013B21）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0134-02

21世紀以來，生命科學延續了自20世紀中葉以來的迅猛發展勢頭，在整個科技領域中的重要性日益增強。目前，全世界的生命科學在自然科學領域中的比重已經達到50%。在美國，生命科學在自然科學中所作的貢獻率已達到60%。生物醫學工程（Biomedical Engineering，BME）是一門綜合生命科學與工程技術的交叉學科，具有綜合面廣和交叉性強的特點。BME是運用現代自然科學和工程技術的原理和方法，在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系，是揭示其生命現象的一門綜合性、高技術的學科。BME崛起于20世紀50年代初，它與醫學工程和生物技術有著十分密切的關系，而且發展非常迅速，成為世界各國競爭的重要領域之一。目前美國已有60余所大學BME本科專業通過了美國工程技術認定委員會的認定。我國BME專業教育始于20世紀70年代末，1998年時，全國僅17所大學有此專業，經歷近40年的發展，已有近150所高校開辦BME本、專科教育。

生物醫學影像學是BME學科中的一個不斷發展與壯大的分支學科。[1，2]生物醫學成像從倫琴1895年發現X射線開始，在100多年的時間里得到迅猛的發展，現在已擁有十多種成像模式。不同成像模式可以揭示出不同的影像學特征（如物理密度、電子密度、透射比、暗度、發射率，反射性、傳導性，磁性、分子釋放常量等）及它們隨時間發生變化的情況。醫學影像所反映出來的這些特征在時間和空間上是隨著機體組織結構和功能的改變而變化的，現在生物醫學影像已被廣泛應用在基礎科學研究、醫療診斷和評估以及治療干預的指導之中。

一、生物醫學影像學在生物醫學工程中的地位

BME的重要目標之一是發展非侵入式的診斷技術用于治療和診斷疾病。生物醫學影像是一種非常有效的對結構與功能進行診斷的非侵入式技術。現在，生物醫學影像學已成為現代化醫院的主要標志之一，它是臨床研究的一種主要工具，也是醫院開展新技術、新業務的重要基礎。

生物醫學影像學是如此的重要，美國國立衛生研究院（National Institutes of Health，NIH）在20世紀初就改變了它們傳統的疾病和器官的機構模式，建立了國立生物醫學影像學與生物工程學研究院（National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering，NIBIB）。而在我國國家基金的醫學科學三處，影像醫學不再是BME中的一個分支，而是被放到與BME同等的地位。美國最近開展的一項被認為可與人類基因組計劃相媲美的腦科學研究計劃，正是生物醫學影像學在神經科學領域的巨大應用。根據美國勞工部的統計顯示，[3]BME專業是美國就業領域中需求增長最快的專業，從2010年到2018年預計有72%的增長，而生物醫學影像學又是BME中增長最快的領域。

生物醫學影像學隨時間在飛速地發展，被廣泛應用在臨床和基本生理和生物學的研究之中。大量的新發明出現在生物醫學影像領域，被用于創建新的影像模式；提高圖像的空間與時間分辨率與對比度；提供更為方便使用的影像數據分析和可視化；進行遠程醫療等。生物醫學影像學是一門交叉學科，它的飛速發展不僅需要優秀的生物醫學影像從業人員，也對生物醫學影像的教育提出了更高要求和全新的挑戰。如何提高生物醫學影像人才隊伍的綜合水平，已迫在眉睫。

二、生物醫學影像學教育

1.生物醫學影像學從業者的變化

現代化的大型生物醫學影像設備是集物理、材料、機械、電子、計算機、自動化、網絡等多種技術于一體的精密儀器。它的操作、維護和保養均十分復雜，對操作者的素質要求比較高。數十年前，大型生物醫學影像設備的從業者是一些受過醫學圖像培訓的物理學家。隨后，這項工作主要由本科物理專業、研究生醫學物理專業的畢業生充當。而在今天，大型生物醫學影像設備的操作者主要來自于BME專業畢業的本科生和研究生。BME的教育由于融合了物理科學、工程方法和技術以及生物醫學，使得BME專業的畢業生極為適合生物醫學影像學方面的工作。

生物醫學影像學從業者的變化給人們提出了三個教育中的問題：是否所有的BME學生都需要對生物醫學成像有一些基本的了解和認識？BME專業的學生需要掌握哪些生物醫學影像學知識？如何使學生更好地了解、設計及使用成像系統？

2.生物醫學影像學的知識結構和應掌握的基本知識

生物醫學影像學的知識來自于多個學科領域，包括電氣工程學、機械工程學、生物物理學、數學、物理學、材料科學、生物學等。生物醫學影像學需要具備基本能量物理、輻射、輻射能量與物質的交互、硬件設計與實現、數據收集、分析和可視化、組織器官基于圖像的建模、數學變換、信號和圖像處理、軟件工程、信息論以及高性能計算等多方面的知識。

由于生物醫學影像學在BME教育中的重要性，BME的學生即使未來不從事相關的工作，他也應該學習生物醫學成像和生物醫學圖像處理的基礎課程。他們應該理解常用圖像模式的基本成像原理和它們的優缺點，如何進行基本的圖像分析與處理，常用模態圖像的基本解釋等。而未來準備從事相關工作的BME學生，則應該選擇一到兩種影像模式，圍繞它們的具體應用進行更深入的學習與研究。

3.生物醫學影像學教育中存在的挑戰

在生物醫學影像學教育中，存在著一些挑戰阻礙著高質量的生物醫學影像學教育。這些挑戰包括有限的動手實踐、教科書中的知識老化等。

生物醫學影像學是一門理論與實踐、原理與應用緊密結合的學科，實踐教育可以使學生快速有效地掌握必要的基礎理論、基本知識，節省時間，提高授課的效率。醫療機構對生物醫學影像專業大學生的實際操作能力要求越來越高，因此，必須提高醫學影像工程專業實踐教學，提升學生的就業競爭力。而在生物醫學影像學教育中，使用實際影像設備進行教育，往往由于安全問題和成本高而變得不可行。例如，小型x-射線管和在影像中使用的放射線核素在成本上是可行的，但它們所釋放的電離輻射對人體存在安全危害，不適合在高校課堂中使用。如果不考慮安全問題，會發現一臺基礎的磁共振設備就需要數十萬元，而且后期也存在著大量的維護費用，往往不是高校的教育經費可以承擔的。當前，在醫院的放射科、影像科等科室中，現代化的大型生物醫學影像設備被廣泛地采用。而在大學的實體教學中，學生卻往往沒有機會接觸這些設備，這就造成了教學與實踐環節的脫節。另外，生物醫學影像學是一個高速發展的領域，每隔五到十年都會有較重大的突破。而在教學中教材的建設是一個較長期的過程，一本教材往往需要數年才能成形，這就導致了有時教科書和其他教育資源還沒出版就有些過時了。

4.生物醫學影像學教育中的資源

在生物醫學影像學教育中，網絡可以為學生與教師提供了一個開放、共享與實時的資源平臺，大量的不同影像模式和針對不同的生物醫學應用的影像被放在網絡上共享，這就使得學生們可以更好地理解圖像形成的方式和認識如何根據工程和科學的需要生成圖像，從而將抽象概念形象化、具體化。一個在線的超聲波教程被證明在幫助BME學生學習超聲波的基本知識上比常規教程更為有效。[4]當前，在課堂中使用真正的成像設備是有一定難度的，而影像設備模擬器則是課堂學習一種非常有用的輔助手段。仿真大腦數據庫[5，6]可以根據磁共振設備掃描參數的不同生成T1、T2以及PD模式的大腦磁共振圖像。美國的MedSim公司也直接提供了超聲圖像仿真儀用于實體仿真。在教學過程中，應加強實驗室、實習基地、模擬器、網絡資源等實驗實踐教學平臺建設，提供給學生一些重要的電子資源，便于學生課外自學，鞏固知識，鞏固基礎性、實用性、穩定性的實踐教學資源。

根據教育技術的發展，對教學方式、內容與手段等進行改革。從過去的以教師傳授，學生被動接受知識向以學生為主體，增強對學生創新意識和動手能力的培養、應用與綜合能力的培養，教師積極引導的方式轉變，構建良好的學習與交互平臺，培養學生主動探索和高級思維的能力，廣泛而深入地參與到教學過程。

5.生物醫學影像學教育中的教學方法的改進

生物醫學影像學的教學不再是以課堂灌輸為主，傳統的教學模式必然會導致教學質量和學生學習積極性下降，它的改革勢在必行。如何高質量地完成現代醫學影像學的教學成為擺在教師面前的一項艱巨的任務。[7，8]

學科的迅速發展與實際應用的需求產生導致生物醫學影像學技術也不斷創新，新的理論、新的方法被應用于生物醫學影像學領域，如多模態成像系統的出現，從解剖圖像到功能圖像，從宏觀的組織結構影像到微觀的分子影像，成像技術與手段不斷更新等。隨之，也出現了一些新的生物醫學影像處理方法，包括圖像的融合、三維圖像分割、圖像動態跟蹤、分子影像分析等。教師的科研方向及課題都具有一定的前瞻性，采用的理論與方法較新。教師可結合具體的項目，實施“產學研”結合，根據所在領域的國內外研究動態，以專題討論或穿插于課堂教學的方式，及時跟蹤學科發展動態，將最新的知識與先進技術介紹給學生，使其掌握本學科最前沿的學術思想與專業知識。此外，宜結合國內外醫學影像乃至生物醫學工程產業的現狀與發展，分析國內相關技術水平與差距，使學生能從宏觀上把握學科知識與相關產業發展情況。

三、小結

生物醫學影像學教育是BME教育的一個主要重點領域。在可預見的未來對生物醫學影像學從業人員會有越來越多的需求。發展日新月異的生物醫學影像學領域，需要有效和高效的教育技術為從業人員的持續高效增長提供動力。舊的教學內容和模式已不能適應新的要求，面對21世紀醫學影像的發展，要順應時代，推陳出新，從教學方法和教學內容不斷地更新，用新的內容與知識充實學生，加大動手學習練習，模擬器和網絡應盡可能納入到基礎的學習，提高教育的有效性，通過不斷努力，以培養更多的生物醫學影像學專業人才。

參考文獻：

[1]王能河，但漢久，張志德.生物醫學工程專業（醫學影像工程）本科課程體系比較研究[J].現代儀器與醫療，2013，19（2）：71-74.

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[3]U.S.Bureau of Labor Statistics[EB/OL].http：//www.bls.gov.

[4]Nguyen JD，Paschal CB.Development of online ultrasound instructional module and comparison to traditional teaching methods[J].J.Eng.Educ.，2002，91（3）：275-283.

[5]Collins DL，Zijdenbos AP，Kollokian V，等.Design and Construction of a Realistic Digital Brain Phantom[J].IEEE Transactions on Medical Imaging，1998，17（3）：463-468.

[6]Kwan RK，Evans AC，Pike GB.MRI simulation-based evaluation of image-processing and classification methods[J].IEEE Transactions on Medical Imaging，1999，18（11）：1085-1097.

[7]文戈，張雪林，李穎嘉，等.醫學影像學教學改革探討[J].山西醫科大學學報（基礎醫學教育版），2006，8（3）：293-295.

[8]姜志榮，侯英，王進慶.醫學影像學教學的現狀與改革[J].青島大學醫學院學報，2007，43（6）：549-551.

（責任編輯：王意琴）