探索新型實驗教學 提高解決實際問題能力

卜俊杰 姚文君 楊碩 劉菂斐 徐玲 吳小龍

摘 要：基于提高醫學圖像處理實驗課上學生的實踐操作能力，加強其對理論知識系統性的掌握。本文分析了傳統該實驗課在引導學生醫學圖像系統性處理上的不足，并提出了新型實驗教學的探索方案，即以得到腦功能激活區域為目標，通過對實際腦功能磁共振圖像進行系統性處理，有機結合基礎和前沿方法。該方案不僅能增強學生創新型實踐能力，并且提高了他們對理論知識的理解和對實際問題的解決能力，為學生更好的從事醫學圖像相關工作奠定了基礎。

關鍵詞：醫學圖像處理實驗;功能磁共振成像;腦功能激活;教學探索

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.05.071

0 引言

隨著成像技術在臨床醫學中的廣泛應用，醫學成像與圖像處理成了一門生物醫學工程專業本科生的專業核心課，該課程包括數學、計算機、醫學和信號處理分析等多個學科領域的專業知識，因此，它是一門典型的交叉綜合性課程。該課程一般包括兩個方面的內容：首先是醫學成像的介紹，臨床上最常見的X光、核素、超聲、磁共振四大成像，該部分內容使學生初步掌握常用醫學成像方法的原理與過程，為后續醫學圖像處理分析奠定基礎;其次是基于醫學圖像數據，對醫學成像常用分析方法的介紹，比如圖像校正、分割、標準化、配準、可視化等，使學生具備初步的圖像處理分析的理論基礎和算法實現能力。通過對該課程以上兩個方面的學習，使學生具有初步分析處理醫學圖像的能力，運用所學知識解決臨床實際問題，為其從事與醫學圖像處理相關領域的工作打下必要的理論與技術基礎。

實驗教學是實踐教學過程的重要內容之一，并且醫學圖像處理這門課具有復雜抽象性高、理論性強的特點。所以為了幫助學生更好的理解和運用這門課的知識，實驗教學顯得尤其重要。然而在理論知識向實踐轉變的過程中會出現各種各樣的問題，實驗課上，教師可以對學生進行手把手式教學，及時的發現學生在實驗過程中的不規范甚至錯誤操作，并幫助其糾正。醫學圖像處理實驗課存在的重要原因就是為了保證學生能夠運用理論知識實現對醫學圖像的處理分析，解決實際的醫學圖像問題，和理論課程互為補充，做到理論與實踐相結合，形成“理論—應用”的教學模式，真正做到讓學生學以致用。所以提高學生在實驗課上的動手分析和解決圖像問題的能力，做到理論和實踐融會貫通，有著重要的意義。

1 傳統醫學圖像處理實驗現狀和問題

（1）傳統醫學圖像處理實驗課一般是使用MATLAB直接對簡單的圖像進行處理。主要是通過常用的MATLAB內置函數，對圖像進行比如大津法、分水嶺法等算法的圖像分割，通過聚類算法對圖像進行分類等。但這些圖像操作相對獨立，沒有很強的邏輯性和系統性，從而造成了學生對于這些知識點快速遺忘的問題，也難以系統性地培養學生解決實際問題的能力。

（2）此外在傳統該實驗課上，老師首先為同學進行相關圖像實驗理論的介紹，從每次實驗的目的，實驗所需的材料，具體的實驗步驟到調試過程都一一進行講解。雖然這種固定重復的方式保證了課程順利地進行，但是在課程的實踐過程以及課后學生的反饋中發現：大部分同學都被動接受老師所傳授的思維方式，這一過程中沒有體現學生的主體地位，整體給學生帶來的感覺是教師在“照本宣科”，學生的課堂參與性很低，難以鍛煉學生自主完成實驗的能力。

（3）隨著醫學成像技術的快速發展，醫學上不斷涌現出新的處理方法，但是在實驗教學中卻沒有很好地體現出這一特點，存在實驗內容的滯后、實驗內容仍然長期不變的問題，無法讓學生將所學到的知識更好地應用于之后的工作實踐中，致使學生在學校學習的內容與實際工作中所需的知識脫節。

2 新型醫學圖像處理課程設計

基于以上傳統醫學圖像處理實驗課存在的不足，我們結合科技熱點，以前沿中需要解決的醫學圖像問題為牽引，將醫學圖像處理分析中所需要的各個知識點有邏輯地銜接起來，從而形成知識點在實踐應用上的系統性。具體是以得到人腦功能腦激活區域圖為目標，對實際采集到的功能磁共振醫學圖像進行分析，處理過程中涉及對圖像的校正、配準、分割，空間標準化、圖像統計分析建模、可視化等操作。此外，在每一次操作中，我們讓學生自己探索不同的圖像處理算法對結果的影響，從而幫助學生更好地從實踐中理解分析算法的功能，同時更加積極靈活地處理醫學圖像。

2.1 腦功能磁共振圖像數據

現有的醫學圖像處理實驗中所用到的圖像源更多的是簡單的二維圖像，有的甚至是日常生活場景圖片，即使用的醫學圖像，但是這些圖像往往不是實際醫學影像中完整的圖像，只是選取了其中幾張圖片作為分析對象。這讓學生在一開始就降低了利用醫學圖像處理分析解決實際醫學問題的主動性。

在我們新型的實驗課中，采用的是一個受試者在完成聽覺實驗任務下完整的腦功能磁共振圖像數據。該數據主要以四維形式呈現，其中包含三維的空間信息和一維的時間信息，格式也是醫院中常用的DICOM格式（該格式文件包含了醫學圖像、病人姓名、圖像大小等信息，直接來自臨床實踐中）。由于磁共振成像技術具有無創，無輻射，空間分辨率較高，大腦功能區定位準確等特點，已廣泛應用于臨床醫學和基礎研究，磁共振圖像作為標準醫學成像工具，它的建立引起了觀察人體內部結構的革命性變革，是目前醫學圖像中有代表性的圖像之一。這些腦功能磁共振圖像數據既有豐富的實際臨床醫學信息，又可以很好的作為教學中分析處理的素材。相較而言，我們與通用的圖像處理課程有著明顯的不同，在原有基礎上充分結合醫學圖像的特點，體現了醫學圖像處理的特色，更好地提高了學生的積極能動性，引導學生積極主動地去用各種方法分析處理這些圖像。

2.2 腦激活為目標的圖像處理過程

傳統的醫學圖像處理實驗課更多的是將各種分析的方法獨立地應用于圖像處理上，很難提高對圖像操作系統性的把握，會造成學生對知識點死記硬背的現象，強行記憶的知識也會快速遺忘，實際圖像分析中的問題很難得到解決，不能舉一反三。

在新型的實驗課上，結合腦功能磁共振圖像的特點，我們以得到受試者聽覺相關的腦區激活為目標，并完成相應圖像軟件包的安裝，圖像校正、配準、分割，空間標準化、圖像統計分析建模、腦激活圖的可視化等操作流程，這些過程是得到腦區激活的必要過程。我們通過七次課程來實現這一目標，上次課的結果是下次課的輸入，每次課之間都有著緊密的聯系。所以學生必須掌握每次課程有關圖像操作的處理分析過程，否則最終的腦區激活無法實現。在這七次課程中，通過老師自上而下的指導與學生自下而上的理解相結合，從而提高學生對醫學圖像處理過程的理解以及自己動手操作解決實際問題的能力。簡單的課程內容如下：

（1）掌握如何安裝基于MATLAB平臺的SPM（Statistical Parametric Mapping）工具包。對應操作：安裝SPM到MATLAB中保存并打開，利用SPM菜單欄顯示圖像功能打開功能磁共振數據圖像（包括功能像和結構像）進行操作，查看功能像圖和結構像圖，也可以進行腦功能圖像的動畫放映，圖像疊加及顏色填充等其它基本操作。

（2）頭動校正：給磁共振每幅圖像分配一個參考掃描，然后對原數據重新校正，來減少頭部運動而引起的圖像偏差。對應操作：第一步，估計每幅圖像和參考圖像間的運動情況，使用時間序列中的中間圖像。第二步，獲得的每幅圖像的參數將用于創建與參考圖像最匹配圖像的重建模板。第三步，比較頭動校正前后的區別以及不同的算法對頭動校正的影響，這里可以選用課程中提到的不同算法（包括傅里葉插值等算法），了解不同算法對校正的影響。

（3）圖像配準：將不同模態下的功能像和結構像進行匹配、疊加的過程。對應操作：第一步，利用SPM完成配準前圖像顯示。第二步，進行頭動校正后平均值圖像與原圖像頭動估計的比較。第三步，完成圖像配準的操作，比較不同算法對圖像配準的影響等。

（4）圖像分割：將腦組織分割成不同的成分（灰質、白質和腦脊液），根據加權像不同組織的亮度不同這一特性，可以設定閾值來鑒別每種成分。對應操作：第一步，提前利用SPM完成配準。第二步，在配準的基礎上完成分割后圖像的顯示。第三步，觀察不同的參數對圖像分割的影響。

（5）圖像空間標準化：把數據變換到一個共同空間的處理過程，便于減少個體間的差異從而成功地進行有意義的組間分析，從而在進行解剖定位。對應操作：第一步，提前利用SPM完成分割。第二步，將功能像與結構像標準化前后圖像進行比較。第三步，觀察不同算法參數對標準化的影響（比如三位插值算法）。

（6）圖像空間平滑：是將噪聲所在像素點的像素值處理為其周圍臨近像素點值的近似值，通過增加圖像的平滑度來加大空間信號的信噪比。對應操作：第一步，提前利用SPM完成空間標準化。第二步，用一個三維高斯濾波器的三維圖像的卷積的半高寬對圖像進行處理。

（7）圖像統計分析建模和腦激活圖的可視化：首先，得到腦部功能像平滑后腦激活圖像，完成圖像統計分析設計部分，并顯示過程。圖像統計分析設計部分導入全部功能圖像，設置相關參數后，提取單個體素的廣義線性模型建模和對比繪制圖像，最后顯示相關內容。其次，得到廣義線性模型計算的文件，實現腦激活的可視化，也可立體顯示。

3 總結

該新型實驗課程通過以得到人腦活動激活區域為目標（即醫學中腦功能定位的問題），使學生完成了醫學圖像處理分析中的圖像校正、配準、分割，空間標準化、圖像統計分析建模、腦激活圖的可視化等關鍵性分析過程。初步建立了利用醫學圖像處理分析方法解決實際問題的系統性思維，將理論課的關鍵知識點與實驗教學內容以及生物醫學工程專業的特點生動的串聯起來，在整個過程中，不僅提高了學生的積極性，使學生發現了更多的興趣點，還提高了學生對于理論實踐的融會貫通，既鍛煉了學生對于圖像分析的動手處理能力，也提高了其對于醫學圖像分析理論的理解。將實踐分析和圖像基礎理論相結合，真正意義上提高了學生利用所學知識解決實際問題的能力，為今后更深入地研究和應用奠定了堅實的基礎。

參考文獻

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