創新人才培養模式下的《醫學成像技術與設備》教學改革

黃敏 周到 陳軍波

【摘 要】《醫學成像技術與設備》是生物醫學工程相關專業一門重要的專業課。我們對CT，MRI在工程實現中所涉及的硬件關鍵部件、數據掃描、圖像重建等重要技術環節進行了擴展，輔以實際成像設備的產品開發制作的視頻及圖片，提高學生的工程實現能力，培養創新人才。

【關鍵詞】醫學成像技術;創新人才;教學改革

【資助項目】中南民族大學教研項目資助：JXSHX17020

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）19-000-02

我國在醫療影像領域的研發生產與國外三大巨頭“GPS”的差距很大，縮小此差距是中國在“十三五發展規劃”醫療衛生健康領域的一項重要任務。

近年來，聯影等公司在此領域發展迅速，CT、MRI等設備已拿到醫療器械許可證，開始裝機，促使中國醫療器械從中低端產品向高附加值產品轉化[1]。

《醫學成像技術與設備》是生物醫學工程等專業的一門專業課。結合國家在醫療影像裝備上的政策引導，如何把理論知識和工程應用結合起來，培養創新人才，讓學生學以致用，提高工程能力，是新時期本科教學在該課程中需要認真考慮的問題。

1.教學內容改革

在本科階段，《醫學成像技術與設備》課程理論教學一般都涉及五類成像設備，包含：X線機、CT、MRI、超聲及核醫學成像設備。主要講述與各種設備相關的成像原理，結構組成，以及在臨床上的不同應用范圍[2]。但長期以來，國內的教材幾乎都只有理論內容，連設備的基本結構的實物圖片都很少看見，書本內容局限性很大。我們通過與國內大型醫學影像設備公司的調研與合作，獲得一些很有價值的工程實現的材料，提供給學生進行理論和實踐的結合學習。

教學內容上，要講述的設備多達5類。由于傳統X線機結構簡單，現在被DR所代替，我們對書本上占1/3篇幅的X-線機的內容進行刪減，對膠片模式簡單帶過，而將空出來的時間分配到更關鍵的工程實現部分。我們主要以CT和MRI設備相關內容作為改革試點，再后續擴展到其它設備。

2.CT教學改革

CT設備主要包含兩部分：硬件主要是X線管，前后準直器，探測器，以及為X線管提供高壓支持的高壓發生器等;軟件部分則主要是對掃描數據進行圖像重建的方法以及結果顯示技術。

在CT的教學中，首先對硬件的組成增加了很多實物圖片，比如CT的全貌，準直器的實物，探測器的組合等，并以視頻的方式播放設備的安裝和使用過程。學生通過觀看從病人擺位，定位，到數據掃描，圖片顯示等一套完整的過程，射線的發射模式有扇形和錐形，與探測器的結構和排數有密切關系。

然后，授課內容增加了CT重建算法部分，從簡單到復雜循序漸進地介紹了：直接圖像重建法，并以程序演示的方式來對比幾種方法在圖像重建質量上的差異，并且給出了采用快速FFT的重建方法。

重建后的CT圖像反應的是組織的衰減系數，CT值范圍很大，從-1000到+1000，顯示采用窗寬-窗位調節，才能清晰的觀察不同部位，得到正確的臨床診斷結果。以實際的胸部，腹部等CT重建圖像為例，展示了不同部位窗位的選取方法和窗寬的設置。通過肺窗，軟組織窗舉例，以及臨床病例展示，教會學生如何進行程序設置，以更好的觀察肺區，縱隔，肝臟等。

在教學中采用“理論—工程應用”的模式，將理論知識和工程應用密切結合起來講解，和專業實踐及以后的工作是密不可分的。學生體會到了令他們‘討厭的FFT在設備開發中是必不可少的，讓病灶“大白于天下”。這種“理論—工程應用”的教學模式極大地調動了學生的積極性，潛移默化地培養了工程思維。

3.MRI教學改革

MRI設備主要包含兩部分：硬件主要是磁體，梯度線圈，射頻線圈等;軟件則主要是脈沖序列的編寫，數據采集方法以及圖像重建方法。MRI是幾大類設備中最難理解的一種，我們采用工程實現步驟中與脈沖序列運行時序相對應的方式來講解。

從（N）MRI四個字母，從四個方面清晰明了地對成像過程進行說明。N就是人體組織中水里的氫核，而不是核輻射！M是人置身磁場后產生的磁化矢量，R是通過射頻線圈作用后的共振信號，I就是為了得到圖像要采用梯度磁場對空間每個不同位置進行磁場的改變，以進行空間定位。數據掃描過程中，硬件部件都會順序工作，從而引入脈沖序列的概念，讓學生可以想象在每個步驟中是哪個硬件開始工作，而工作的時候送入的是什么頻率及幅值的電流，以及該電流波形如何實現，序列的編寫要注意哪些問題。為方便學生理解MRI關鍵部件，展示了大量的實物圖片。播放重要的超導磁體的線圈繞制，磁體安裝，液氦的添加等視頻，體會超導磁體制作的難度和在MRI中的重要性。對于射頻線圈部分，我們都以實物進行講解，三個梯度線圈是MRI成像進行空間定位的關鍵部件。選層梯度決定了選層方向屬于軸位、矢狀位和冠狀位中的一種;而剩余的兩個梯度方向的波形決定了k空間數據采集的頻率域軌跡。各種快速成像方法的實質是改變數據采集的采樣位置，以及TR的重復次數。

授課內容增加MRI重建算法。由于MRI數據掃描要根據脈沖序列的不同形式來進行，從而圖像重建方法也要根據不同的成像技術進行改變。介紹FT圖像重建算法。由于MRI采集的數據是復數數據，而且是頻率域采集的k空間數據，這完全顛覆了學生平時的簡單認識，他們以為設備采集數據都是時間域或者空間圖像域的數據！在講解的時候，將上學期的數字信號處理課程中的FFT變換與MRI結合起來講解，為什么FFT也是復數運算。

MRI成像速度慢，引入快速成像方法，介紹工程上通用的螺旋MRI，并行多線圈MRI技術，體會k空間采用不同編碼后，成像速度如何快速提高。提高速度和儀器的硬件配置密切相關，梯度的切換率是必須考慮的問題。

配以實例展示，以軟件演示方式讓學生體會這幾種技術對應的圖像重建結果的差異。而是要知道各個知識點在實際工程實現中都是如何實現的，這樣才能調動學生的積極性。

4.結束語

我們就《醫學成像技術與設備》課程的特殊性進行了分析，以CT和MRI授課內容的改革和講課方式為例，使學生對在開發和生產該類設備中要注意的關鍵問題及實現方法有直觀的印象。這些改革對提高《醫學成像技術與設備》的教學質量有很好的參考價值，有助于提高學生的創新能力，為其畢業后在大型影像設備公司的就業提供更好的理論和工程基礎。

參考文獻

[1]全球CT行業運作模式分析與十三五發展規劃建議報告2017-2022年，華研中商研究院，2017.

[2]湯樂民，包志華，李敏，醫學成像的物理原理，2017.