Matlab 在骨科教學的應用

任海龍，張明慧

（1.南方醫科大學附屬南方醫院，廣東 廣州 510515；2.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515）

0 引言

骨科教學具有非常強的專業性，如何在骨科教學過程中，讓學生清晰地掌握骨骼、血管、神經和肌肉等基本結構及其在人體的位置和其毗鄰關系是骨科教學的重點和難點。傳統的多媒體軟件，如微軟的Powerpoint等辦公軟件一般是針對自然圖像，很少涉及醫學領域，用它制作的人體組織、器官的圖像或圖形不夠逼真，尤其是立體結構難以表達清楚，不利于學生理解和掌握。而IrfanView等醫學圖像的閱片軟件只能顯示冠狀面、矢狀面和橫截面等二維圖像，并不能對骨骼或其他器官進行三維重建。上述教學問題都可以借助Matlab軟件輕松解決，Matlab除了可以繪制逼真形象的圖形，還可以利用自帶的工具箱對人體正常組織、器官或病變部位進行更直接、更清晰觀察，并根據需要對重要的器官或骨骼進行分割、三維重建及數據可視化，因此，將Matlab應用于骨科教學勢在必行。

1 Matlab簡介

Matlab全稱為Matrix Laboratory，是由美國密西根大學的Moler教授于1980年首次創立，最早致力于矩陣等數學運算。它有強大的科學運算、簡單而靈活的程序設計流程、高質量且快速的圖形可視化的功能，經過幾十年的發展，應用范圍涵蓋通信、醫療、人工智能、計算機、圖像處理、動態仿真等領域，國內越來越多的高校開設了Matlab課程，并將Matlab應用到教學中[1-2]。

Matlab主要是針對矩陣（Matrix）運算，而醫學數字圖像本質就是矩陣，所以Matlab特別適合于醫學圖像處理。用Matlab編程簡單，類似于書寫數學公式，編程效率非常高，編程難度和運行時間大大減少。Matlab自帶的庫函數非常豐富，計算功能強大，而且很多是用C語言或C++編譯成動態鏈接庫，調用方便，非常適用于科學和工程計算。Matlab編寫語言簡單、靈活，集成環境將編譯、鏈接、執行融為一體，方便用戶編寫、修改和調試，即使是臨床醫生也可以很快掌握它的基本功能。Matlab具有先進的數據可視化功能，提供了大量的二維和三維圖形功能，可方便地實現數據可視化，并提供多種圖形命令，可以快速繪制出曲線圖、柱狀圖、表面圖等十多種類型的二維、三維圖形。Matlab易于擴充，可以根據骨科教學的需要建立文件庫和函數，方便調用，從而提高了運算和使用效率，擴充了計算功能。Matlab還具有豐富的工具箱（Toolbox），如圖像處理工具箱，深度學習工具箱，可視化工具箱等，可以為通信、醫療等領域的研究和工程應用提供強有力的幫助。Matlab的這些簡單易學，方便使用，功能強大的特點使其很快應用到各個學科，成為圖像處理、信號處理、數據分析、人工智能等領域中必不可少的應用軟件[3]。

2 Matlab應用于骨科教學的必要性

隨著計算機和多媒體技術的普及，各種先進的教學手段在骨科教學中得到廣泛應用。減少了黑板板書和手寫教案，降低了重復教學工作量，增加圖片圖形、動畫、視頻等信息，豐富了教學內容，幫助學生更好的理解和認識各個復雜的人體組織、器官，激發了學生學習興趣。但是目前的骨科教學尚存在一些不足。比如，當前骨科教學大多使用Powerpoint作為教學輔助工具，僅是簡單地將教材中的文字和圖片通過課件投放出來講解，其實質就是將傳統的紙質教案轉換為電子圖片，并不是真正的計算機多媒體教學。而且忽視與學生的互動，學生在課堂上的只是被動的接收課本知識，缺乏針對性和趣味性。并且由于教學內容多、進度快，學生課上缺少理解和思考的時間，未必能夠準確完整地理解教學內容，教學效果差強人意。

幾乎所有臨床醫學教學都需要借助圖像對所學知識進行演示和解釋，并且需要借助圖像對一些重要結構或器官進行科學而直觀形象的說明，因此醫學圖像是醫學教學的重要的工具和媒介。比如在骨科教學中，椎管狹窄的形成過程，腰椎間盤突出的致病因素等。學生理解和記憶起來比較困難，而如果這些基礎理論學不好，將會影響后續的學習和手術操作。因此，將一些復雜的結構、器官在教學過程中利用圖像或者視頻進行深入淺出地描述就顯得至關重要。如在講解椎管狹窄的形成過程時，只需幾行簡單的Matlab命令，制作成動畫，就能360度旋轉顯示椎管及其變成狹窄的過程。因此，在骨科教學中根據具體問題和知識點利用Matlab制作圖像和動畫，一方面能使幫助并加深學生理解所學的知識，另一方面可以充分調動學生的學習積極性，查找資料，編寫程序，完成對所學知識的鞏固和拓寬；同時也在一定程度上培養了學生的創新和動手能力，讓醫學生學習計算機、醫學信息學、人工智能等工科知識，有利于將學生培養成為復合型人才，為將來從事科研和臨床工作奠定扎實基礎[5]。

3 Matlab應用于骨科教學的優點

3.1 教學中的快速直觀性

Matlab可以快速制作各種圖形，其圖形可以是來自現有圖片，也可以進行編程得到，特別是Matlab制作的課件渲染效果更豐富，繪圖更易修改。Matlab圖形顯著的特點是高度的逼真性，可以顯示二維、三維甚至四維圖像，幫助學生在學習組織、器官的結構及其毗鄰時更加得心應手。再比如MR、CT等醫療儀器采集到的數據類型大多是dicom形式，而Matlab自帶的函數可以直接快速讀取dicom文件信息，這些信息不僅僅包括被試者的圖像信息，還有采集機器的有關信息，如核磁共振的場強等，還包括被試者的性別、名字等身份信息。

盡管Matlab并不是專門的教學軟件，但其強大的繪圖和兼容功能使得教學過程中的抽象概念直觀易懂。如圖1所示，是對512×512×200的CT三維數據進行體繪制的結果。利用Matlab可以快速地對三維數據進行可視化顯示，便于學生觀察骨骼或其他組織的內部結構。

圖1 CT三維數據體繪制

3.2 教學中良好的互動性

教師可以讓學生手動的點出脊椎骨，然后利用Matlab工具包勾畫出整個完整的脊椎，如圖2所示。教師同時對章節所授知識的重點與難點予以演示和答疑，這樣就可以在課堂上形成教師與學生的良好互動與反饋，從而活躍課堂教學氣氛，明顯提高學生學習的主觀能動性和思維的創造性，提高課堂教學的綜合質量。

圖2 Matlab交互勾畫脊椎骨

3.3 教學手段的豐富性

Matlab的應用豐富了多媒體教學手段，改變單調的授課方式，提高了教學質量，為教學改革提供了新的工具。作為醫學生來說，了解Matlab編程及相應的圖像處理功能尤為重要，不僅有利于醫學知識的學習，而且對于將來的論文書寫和科研工作都有極大的幫助。如圖3（P125）所示，是利用Matlab進行剖切顯示，可有效去除骨骼對顱內血管的遮擋，便于觀察顱內血管與骨骼之間的空間關系。

圖3 利用Matlab進行顱骨剖切顯示

4 結論

Matlab作為一種高效、新穎、直觀的教學輔助手段，將其引入到骨科教學中，可以有效借助豐富生動的圖形圖像和動畫表達抽象難懂的專業醫學知識，可以將大量抽象的醫學知識與現代計算機的先進手段和方法結合起來，不僅克服了傳統教學模式中，講解內容過于抽象、空泛且難以擴展等方面的不足，還可以加深學生對問題的理解和認識，激發學習興趣。分析Matlab引入骨科教學之后學生的學習數據，發現學生平均出勤率為97.32%，明顯高于未引入Matlab時的平均出勤率的80.68%，說明學生的學習興趣明顯提高；期末理論考試平均成績85.12分，明顯高于未引入Matlab時的平均成績76.89分，說明學生的學習效果得到了有效提升。醫學生學習使用Matlab，還可以提升他們借助現代信息技術進行學習和科研的能力，進而提高獨立分析和解決實際問題的能力。我校醫學專業學生參加大學生數學建模競賽，累計榮獲全國一等獎8項，全國二等獎24項，廣東省一等獎37項，名列全國醫科院校第一；參加全國大學生生物醫學工程創新設計競賽，榮獲國家一等獎2項、二三等獎多項。在這些競賽中，醫學生借助Matlab生動展示實際問題，建立數學模型，然后又利用Matlab求解數學模型，進而解決實際問題，可以說Matlab是培養“新醫科”背景下卓越創新型人才的有力工具。