醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)“數(shù)字圖像處理”教學(xué)方法探討

先永利 齊聰慧

[摘 要] 該文首先簡述了西華大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的特點(diǎn)，接著結(jié)合當(dāng)前電子信息大類學(xué)科的發(fā)展趨勢，針對(duì)數(shù)字圖像處理課程提出理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，以提高學(xué)生分析和解決相關(guān)醫(yī)學(xué)實(shí)踐問題的能力。同時(shí)將科研成果和醫(yī)學(xué)圖像處理的前言趨勢融入到教學(xué)中，讓學(xué)生近距離了解科研，了解整個(gè)醫(yī)學(xué)圖像處理的發(fā)展方向和動(dòng)態(tài)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)力。

[關(guān)鍵詞] 醫(yī)學(xué)信息工程;數(shù)字圖像處理;教學(xué)方法

[基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（61901394）

[作者簡介] 先永利（1986年—），女，四川瀘州人，博士，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院講師，主要從事數(shù)字圖像處理、醫(yī)學(xué)信號(hào)與信息處理研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）17-0271-02 ? ?[收稿日期] 2019-12-25

一、醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)特點(diǎn)

醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)屬于電子信息大類，是一門交叉學(xué)科。西華大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)是新成立的專業(yè)，從該專業(yè)的培養(yǎng)方案及培養(yǎng)目標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生除了需要學(xué)習(xí)電子信息課程體系的專業(yè)基礎(chǔ)課程以外，比如信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電路等，還需要學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)信息領(lǐng)域內(nèi)的課程。比如生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等。其中，“數(shù)字圖像處理”著重講授數(shù)字圖像處理的理論知識(shí)及實(shí)現(xiàn)方法，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力[1]。而該課程在醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)有其特殊性，如果還是按照以往的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，達(dá)不到較好的學(xué)習(xí)效果。以往的教學(xué)方法普遍存在以教師為中心、以教材為中心且教學(xué)方法單一、教學(xué)氣氛單調(diào)的“平面化”教學(xué)問題[2]。因此，有必要對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整。醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)，主要涉及的數(shù)字圖像和醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取到的圖像有關(guān)。生物醫(yī)學(xué)圖像可以分為宏觀和微觀兩大類。微觀層面主要指顯微圖像，比如光學(xué)顯微鏡或者電學(xué)顯微鏡獲取到的細(xì)胞圖像，宏觀層面主要指人體淺表或者體內(nèi)的器官或者組織圖像。如計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）、超聲、核磁共振成像（MRI）以及正電子發(fā)射成像（PET）等大型影像設(shè)備的成像結(jié)果。這些圖像都會(huì)涉及圖像增強(qiáng)、分割、融合等處理。而且由于圖像所占的存儲(chǔ)容量大，并且每次拍攝獲取的圖像都以幾十張到上百張，這就涉及到圖像的存儲(chǔ)和壓縮等處理。如何把數(shù)字圖像處理理論知識(shí)和專業(yè)應(yīng)用方向結(jié)合起來進(jìn)行教學(xué)，是醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)上這門課的老師最應(yīng)該注意的問題。本文對(duì)西華大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)數(shù)字圖像處理課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面的教學(xué)方法進(jìn)行探討。結(jié)合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展主流，引入人工智能、大數(shù)據(jù)等概念，將科研成果融入教學(xué)中，提高學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)熱情，對(duì)就業(yè)方向和深造方向提供參考。

二、理論教學(xué)

在本科階段，數(shù)字圖像處理課程的理論教學(xué)主要包含八個(gè)內(nèi)容：圖像處理基礎(chǔ)知識(shí)、圖像的數(shù)字化與顯示、圖像變換與二維數(shù)字濾波、圖像編碼與壓縮、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原和圖像分割、形態(tài)學(xué)處理、彩色圖像處理。

1.“理論—應(yīng)用”的教學(xué)模式。在教學(xué)中，我們采取“理論—應(yīng)用”的教學(xué)模式，將每章的理論知識(shí)和醫(yī)學(xué)信息工程領(lǐng)域的圖像處理應(yīng)用密切結(jié)合起來講解，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)書本知識(shí)和專業(yè)實(shí)踐以及以后的工作應(yīng)用是密不可分的，學(xué)了后也知道“怎么用”。

有一些理論基礎(chǔ)要求數(shù)學(xué)功底比較深，這時(shí)候更是考驗(yàn)教師的時(shí)候。需要教師深入淺出并結(jié)合例子進(jìn)行講解，比如圖像變換，將圖像的高頻成分、低頻成分和頻域中對(duì)應(yīng)起來，讓學(xué)生建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，理論公式的推導(dǎo)一般比較枯燥，學(xué)生可能聽著聽著容易走神，不感興趣，這時(shí)候建議不用做太多的理論推導(dǎo)，更多是建立概念，將理論和應(yīng)用結(jié)合起來。例如在學(xué)到第6章圖像增強(qiáng)時(shí)，學(xué)生都知道圖像增強(qiáng)主要是從人眼視覺主觀層面來評(píng)價(jià)增強(qiáng)的效果，和圖像復(fù)原有著本質(zhì)的區(qū)別。但是傳統(tǒng)的數(shù)字圖像處理課程使用的圖像都是經(jīng)典的Lena圖像，或者Cameraman等圖像，和醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)性不大。這時(shí)候，可以將這些方法使用的圖像都用醫(yī)學(xué)圖像代替。比如B超圖像。B超圖像由于其自身的成像特點(diǎn)，會(huì)自帶散斑噪聲，此時(shí)傳統(tǒng)的去噪方法不能直接用于B超圖像的去噪。而應(yīng)對(duì)噪聲的特點(diǎn)進(jìn)行分析，圖像增強(qiáng)方法也就有需要有針對(duì)性的選擇。只有增強(qiáng)之后才能提高圖像的清晰度和對(duì)比度，便于醫(yī)生對(duì)病灶的診斷和治療。另外，有一些病灶的尺寸太小，傳統(tǒng)的圖像分割方法不能直接使用，還得使用交互法進(jìn)行分割。

2.注重不同方法的應(yīng)用范圍。圖像處理有很多種處理方法，對(duì)于具有相似功能的處理方法而言，不同方法有不同的應(yīng)用范圍。比如，圖像增強(qiáng)有多種方法，比如直方圖均衡化，圖像平滑，圖像銳化。那么需要針對(duì)特有的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)的算法。教師需要采用各種不同的應(yīng)用實(shí)例來講解它們之間的區(qū)別，比如乳房的CT圖像，里面有腫瘤，由于黑色區(qū)域比較多，這時(shí)候可以采用圖像反轉(zhuǎn)的方式來增強(qiáng)圖像中的腫瘤信息。以醫(yī)院放射科實(shí)際采集的腫瘤病人的圖片為例，當(dāng)腫瘤和周圍組織對(duì)比度差別太小，不利于醫(yī)生查看的時(shí)候，我們采用分段線性變換的對(duì)比度增強(qiáng)和直方圖修正結(jié)合的方法來進(jìn)行圖像增強(qiáng)。當(dāng)圖片中含有在掃描時(shí)帶有的設(shè)備和環(huán)境等噪聲干擾的時(shí)候，圖像淹沒在噪聲中，我們就采用中值濾波、同態(tài)濾波的方法進(jìn)行處理[3]。

把每個(gè)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)配以實(shí)際的醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域?qū)嵗M(jìn)行講解，這樣不僅將不同方法的區(qū)別講解清楚，而且將枯燥的理論形象化，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)不是“死記硬背”，而是要知道各個(gè)知識(shí)點(diǎn)在本專業(yè)的應(yīng)用范圍。

三、實(shí)踐教學(xué)

主要采用易于學(xué)習(xí)和使用的Matlab平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)工具，充分利用MATLAB圖像處理工具箱在數(shù)學(xué)運(yùn)算和算法驗(yàn)證上的優(yōu)勢，主要對(duì)所學(xué)過的各種方法進(jìn)行驗(yàn)證，從而比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及使用范圍。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，配以開放性的自主設(shè)計(jì)為輔。我們安排了圖像的基本操作、圖像頻域變換、圖像空域增強(qiáng)、域增強(qiáng)方法、二值形態(tài)學(xué)圖像處理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)四個(gè)，通過具體的上機(jī)實(shí)踐，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)激情，在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中充分體驗(yàn)數(shù)字圖像處理的內(nèi)涵和它的魅力。與通用的圖像處理課程不同，我們結(jié)合醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的特點(diǎn)，盡可能多地采用實(shí)際的醫(yī)學(xué)影像圖片作為處理的圖像源，包括B超圖像，磁共振成像（MRI），CT等掃描的圖像，以及細(xì)胞等顯微圖像。通過這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，讓學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)領(lǐng)域碰到的諸如圖像增強(qiáng)、圖像分割等處理方法有了直觀的認(rèn)識(shí)，完美地把理論知識(shí)與專業(yè)應(yīng)用結(jié)合了起來。

四、結(jié)合科研成果以及人工智能背景進(jìn)行教學(xué)

在給本科生教學(xué)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生們對(duì)數(shù)字圖像處理的實(shí)際應(yīng)用非常感興趣，筆者也一直覺得理論課的學(xué)習(xí)，最終一定要應(yīng)用到實(shí)踐。因此在“數(shù)字圖像處理”的教學(xué)過程中，可以加入數(shù)字圖像處理的前沿內(nèi)容，特別是教師參與過的一些科研課題，比如生物醫(yī)學(xué)圖像處理——視網(wǎng)膜圖像，涉及到圖像去噪，圖像分割，圖像配準(zhǔn)，信息處理和計(jì)算，這些步驟實(shí)際就是我們平時(shí)學(xué)習(xí)的知識(shí)，只是針對(duì)具體的領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。通過這種方式，讓學(xué)生了解科研并不神秘，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。在不占用課堂正常教學(xué)的前提下，也可適當(dāng)給學(xué)生擴(kuò)充一下人工智能背景下醫(yī)學(xué)圖像處理的發(fā)展趨勢，比如智慧醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療、機(jī)器讀片等最新的熱點(diǎn)技術(shù)，給學(xué)生更多的想象空間，激發(fā)學(xué)生興趣。

五、結(jié)語

本文就醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)開設(shè)的“數(shù)字圖像處理”課程的特殊性做了分析，提出了適用于該課程的教學(xué)方法。從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行了舉例說明，以實(shí)例講述了如何將理論知識(shí)和醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的專業(yè)領(lǐng)域巧妙結(jié)合的方法，以及實(shí)驗(yàn)中將理論應(yīng)用到醫(yī)學(xué)圖像的處理應(yīng)用中。該教學(xué)方法可以幫助學(xué)生真正學(xué)會(huì)將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決本專業(yè)實(shí)際問題的能力，對(duì)提高醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的數(shù)字圖像處理的教學(xué)質(zhì)量有很好的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王忠芝，劉文萍，王晗，付慧.“數(shù)字圖像處理”課程教學(xué)改革探索[J].中國林業(yè)教育，2019，37（3）：66-69.

[2]孟祥超，符冉迪，邵楓，陳懇.“數(shù)字圖像處理”立體式教學(xué)方法改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2019，23：136-138.

[3]黃敏.生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)“數(shù)字圖像處理”教學(xué)方法探討[J].科教文匯，2012，42-43.

Abstract：In this paper，the characteristics of Medical Information Engineering Specialty in Xihua University are briefly described.And then，aiming to improve students' abilities to analyze and solve problems in practice，the teaching method combining theory with practice is put forward according to the current development trend of electronic information subject.Meanwhile，the research achievements and the foreword trend of medical image processing can be integrated into the teaching，so that the students can know the research closely，and the development dynamics of medical image processing.The proposed method can enhance students' learning enthusiasm and motivation.

Key words：biomedical information engineering;digital image processing;teaching method