生物醫學工程專業背景下的醫學圖像處理教育教學探討與實踐

鄭敏敏 林暉

摘?要：“醫學圖像處理”課程旨在讓學生掌握處理生物醫學圖像的基本原理和方法，并能應用醫學圖像處理技術開發醫學圖像處理系統，進行醫療分析和設計。本文在生物醫學工程專業背景下，圍繞醫學圖像處理的課程目標，并結合實際教學經驗，從理論教學設計、實驗教學設計和考核方式三個方面探討了醫學圖像處理的教學改革。實踐表明，通過這些改革措施，本專業學生的專業素養得到有效提高。

關鍵詞：生物醫學工程；醫學圖像處理；理論教學設計；實驗教學設計；考核方式

Abstract：The course of medical image processing aims to enable students to master the basic principles and methods of biomedical image processing，and to develop medical image processing systems using medical image processing technology for medical analysis and design.Under the background of Biomedical Engineering，this paper discusses the teaching reform of medical image processing from three aspects：theoretical teaching design，experimental teaching design and assessment methods，centering on the curriculum objectives of medical image processing and combining with practical teaching experience.Practice shows that through these reform measures，the professional quality of students in this major has been effectively improved.

Keywords：Biomedical Engineering；Medical Image Processing；Theory Teaching Design；Experimental Teaching Design；Assessment method

1 背景介紹

生物醫學工程學是一門理工醫相結合的交叉學科，它是應用工程技術的理論和方法，研究解決醫學疾病的預防與治療，保障人民健康的一門新興的邊緣科學［1-2］。近幾年該學科發展快速，開辦生物醫學工程專業的綜合性高校越來越多，其中不乏地方性綜合大學。“醫學圖像處理”作為該專業的一門核心專業課，在培養工程技術基礎好、醫學基礎知識扎實、具備醫學與工程技術結合能力的生物醫學工程高級技術人才中發揮了重要作用［3］。

醫學圖像處理是一門交叉性學科，它綜合了數學、計算機科學和醫學影像學等多門跨專業學科［4］。各種醫學影像設備在醫療系統中的作用越來越重要，其本質原因是醫學圖像中所包含的診療信息極其豐富，為醫生的診斷和治療提供了客觀依據，而醫學圖像處理成為整個醫療系統運行的關鍵環節。作為生物醫學工程專業的核心課程，醫學圖像處理將數字圖像處理和現代醫學影像相結合，利用數字圖像處理技術對醫學圖像進行處理，而數字圖像處理涉及大量與數學有關的內容、理論性較強，同時又具有較強的實踐性，只有在編程實踐過程中才能加深對所學理論知識的理解和掌握，對于工科專業的學生而言，這種課程的學習難度較大。傳統的教學方式偏重于理論教學，較為枯燥，不能激發學生對本課程的興趣；課內實驗大部分是與實際醫學圖像處理關聯性不大的基礎性、驗證性實驗，不能達到讓學生了解所學理論知識的實際應用的效果。針對上述問題，本文從理論教學設計、實踐教學設計和考核方式三個方面分別介紹在教學過程中所進行的嘗試，實現改善教學效果的目的。

2 理論教學設計

2.1 醫工結合

目前，各種醫療影像設備對醫學圖像的主流存儲格式基本上是DICOM（Digital Imaging Communications in Medicine），而非常見的JPEG（Joint Photographic Experts Group）、BMP（Bitmap）和PNG（Portable Network Graphics）等圖像格式。因此本課程的理論教學部分，將圖像處理技術與“醫學”背景相結合，注重培養具備醫學與工程技術結合能力的生物醫學工程高級技術人才［6］。首先，讓學生了解醫學圖像處理中幾個重要的基礎技術，了解最常用的DICOM圖像編碼的技術方法；接著了解醫學圖像的預處理和增強技術；在獲得高質量醫學圖像基礎上，理解圖像分割原理和重要的圖像分割技術，并掌握基本的圖像分割技術，以及醫學圖像中幾種器官分割技術；理解圖像配準技術，初步掌握圖像配準中的基本技術；對二維圖像進行三維重構，了解三維重構的重要技術，掌握三維重構的方法；了解重構后的人體器官可視化技術；了解基于三維醫學圖像的設計技術，并和3D醫學打印技術聯系起來，了解3D醫學打印中的醫學圖像，以及相關人體系統以及手術治療中的工程分析方法。通過將圖像處理技術與實際醫學圖像處理過程相結合，學生能夠真切認識到課堂上所學的內容是如何應用到實際，并達到了何種效果，從而激發學生的學習興趣。

2.2 線上線下結合

隨著信息的爆炸式增長，課堂上有限的時間內能呈現的內容非常有限。因此除了向學生提供課件作為主要的學習資料外，本課程在教學過程中還充分利用發達的網絡技術，將網絡中優質的學習資源推薦給學生，供學生在課后進一步學習本課程較為前沿的知識。與此同時，本課程根據相應章節的知識重難點設置多個設計選題供學生選擇，學生自行分組并以組為單位選擇感興趣的設計選題，在規定期限內分工完成審題、查閱文獻、方案設計、仿真調試等圖像處理的各個環節，并在課堂上將小組的合作成果展示出來，讓學生在實際操作中將所學知識融會貫通并學以致用。在此過程中，設置了分組任務互評環節，使學生了解到其他組的完成情況，在給其他組評分的過程中，能夠互相學習，取長補短，彼此促進，進一步提升學習效果，下表列出了其中一次分組互評任務的評分指標。除此之外，在課堂上也會設置相關的測試題檢驗學生對線上學習資源的學習效果，督促學生學習。本質上，就是以線上線下混合式的教學方式來引導學生涉獵更多的專業知識［7-8］。

2.3 中英結合

圖像處理領域中各種專業術語及專業詞匯大部分是從國外翻譯的，讓學生清楚所學知識的專業英語表述對學生畢業后走上工作崗位并盡快熟悉工作內容非常重要。同時，學科前沿和最新技術大部分也是以英文的形式在全球傳播。目前，國內很多高校也都在積極推進雙語教學［9-11］。因此，本課程在教學過程中會要求學生掌握專業詞匯的英文單詞，同時考慮到不同學生的英語水平存在差異，在教學過程中循序漸進地增加英文詞匯所占的教學比重，在保障教學質量的前提下使學生逐漸接觸國際前沿專業技術理論和發展趨勢。在向學生推薦線上學習資料的過程中，也會注重英語視頻、英文文獻和英文原版教材的推送，使學生盡可能全方位接觸英文學習環境，提高學生熟練進行英文學習的能力。對課后作業和課內實驗，也會專門以英文的形式進行布置。這種中英結合的形式，不僅能夠提升生物醫學工程專業學生的專業水平，了解所學專業的發展前沿，增加學生對所學專業的自信，也能為學生大四畢設查閱外文參考文獻打下基礎，同時拓寬學生的就業選擇范圍。

3 實驗教學設計

目前，市場上流行的圖像處理軟件較多，其中既包括用于處理一般數字圖像的軟件，如PS（Adobe Photoshop）軟件、3d Max軟件和Matlab軟件等，也包括專門用于處理醫學圖像的商業軟件。為了讓生物醫學工程專業的學生更熟悉本專業的發展現狀，本課程要求學生掌握的圖像處理軟件為商用軟件Mimics和Geomagic。這兩款軟件可以對醫學圖像進行專業化分割和重構，并能進行重構后處理，對于重構圖像中出現的幾何缺陷如凹陷、漏洞和漂移的幾何體，進行交叉干涉和幾何處理，獲取高質量的三維結構，從而實現康復輔具設計。本課程設計了兩個課內實驗，分別為人體四肢影像的三維重構和基于影像個性化四肢醫療輔具模型設計。通過第一個實驗讓學生掌握醫學圖像重構的流程，熟悉軟件大體框架，熟悉三維重構的方法；通過第二個實驗讓學生了解輔具設計的發展方向并初步了解設計康復輔具的基本流程。相對于利用Matlab軟件進行基礎性和驗證性的圖像處理實驗，利用Mimics和Geomagic軟件進行醫學三維重構，以及基于圖像的醫療設計能讓學生對醫學圖像處理的確切應用有深刻的了解。

4 多元考核方式

傳統的教學模式是教師負責講、學生負責聽，這種模式無法實時捕捉學生的學習效果，另外學校限制學生上課使用手機的政策也不能嚴格執行。對于新時代的大學生，傳統的教學模式及其考核方式已經不能夠適應時代的發展。為了達到理想的教學效果，醫學圖像處理進行了多元化的考核方式，進行全過程量化考核，避免學生存在平時上課不重視學習質量，期末考試突擊學習。

4.1 課前檢查

課前要求學生自學教師提供的學習資料，并在正式上課前完成相應章節的任務，包括小測或者是系統設計，其中系統設計一般為分組任務，并在完成上述任務后參與主題討論，將自學后的收獲及進一步需要提高的地方進行總結。學生經過上述一系列的課前學習及完成任務后，在正式上課時就會帶著問題聽課，達到有的放矢，上課的積極性顯著提高。

4.2 課中提問

在課前階段，教師已經從任務的完成情況和主題討論中收集了班級所有學生的自學情況，在正式上課時會對涉及的重難點知識點進行補充強化，并針對學生存在的共同問題設置特定的問題進行搶答，鼓勵學生在自學和老師教授完知識點后再次思考自己課前存在的問題，學生在課上的互動情況及回答問題的質量都將作為課程考核的一部分計入最終的課程成績。

4.3 課后小測

經過課前學生的自學和課中教師的講授，學生對章節的學習已經基本完成，此時通過課后的小測環節可以引導學生再次進行知識的復習、鞏固及查漏補缺，本次的小測成績可看成是平時作業的成績，至此整個章節的課前、課中和課后三個步驟的考核也基本結束，通過分階段、分重點的考核基本上對學生的掌握知識情況有一個全方位的了解，對章節中的疑難點也進行了加固，保證學生的知識點不存在盲區及薄弱點。

4.4 實踐考核

醫學圖像處理的最終目的是使生物醫學工程專業的學生能夠把理論知識應用于實踐，因此本課程的考核方式中加強了對學生實驗完成情況的考核，包括實驗課的課堂表現情況和實驗報告的撰寫情況。其中課堂表現情況是指學生在給定的時間內完成實驗的數量和質量，它真實反映了學生在課堂中的知識掌握情況。而實驗報告的撰寫情況是指學生在課后對實驗結果的完善、整理、分析及對思考題的解答情況，它則反映了學生在課后再次學習后對課上未掌握知識點的補救效果。

總之，本課程的最終成績包括了平時、實驗和期末的紙質考試，其中平時的考核又分為了課前、課中和課后三個階段的考核，這三項成績組成從多維度對學生的理論知識掌握程度及實踐能力進行綜合評估，實現了多元化考核，這種考核方式能夠避免學生被動接受知識的情況，激發學生主動思考的積極性。

結語

“醫學圖像處理”是生物醫學工程專業本科生必修的核心專業課，本課程為學生提供處理醫學圖像的能力，為基于圖像的醫學分析和高級應用提供基礎。本文從理論教學設計、實驗教學設計和考核方式三個方面對醫學圖像處理這門課進行教學探討。通過實踐，學生對本課程的理論知識掌握情況和實踐能力得到有效提高，教學效果改善較為明顯。隨著圖像處理技術和計算機技術的不斷發展，以及教育部對教學改革的重視，本課程的教學內容和教學方式的研究也在不斷推陳出新，因此對于本課程的教學探討是一項長期工作，需要我們跟隨時代步伐，不斷努力，改進教學方式，進一步改善教學效果。

參考文獻：

［1］張海生，張瑜.多學科交叉融合新工科人才培養的現實問題與發展策略［J］.重慶高教研究，2019，7（06）：81-93.

［2］謝勤嵐，李正義.“生物醫學傳感器與檢測技術”課程教改實踐［J］.中國電力教育，2014（03）：96-97.

［3］李明彩，李曉輝.《醫學圖像處理》課程教學質量改進方法的探討［J］.現代計算機（專業版），2017（16）：34-36+49.

［4］董默，蘇奎，周志尊，等.生物醫學工程專業《醫學圖像處理》實踐教學的改革［J］.軟件，2017，38（02）：37-41.

［5］劉李漫，譚龍雨.數字圖像處理中的醫學圖像處理應用［J］.教育現代化，2019，6（85）：214-216.

［6］朱松盛，段磊，王偉，等.“醫工融合”培養創新型醫學工程人才［J］.實驗室研究與探索，2016，35（12）：212-214.

［7］李文，楊莉，宋德志.基于MOOC平臺的線上線下混合式課堂教學改革探究——以醫用傳感技術課程為例［J］.大學教育，2018（09）：70-73.

［8］楊君君，房麗娜，邱晨.“互聯網+”背景下閉環教學模式探究——以“Photoshop圖像處理”課程為例［J］.科技與創新，2021（13）：80-81.

［9］周振南.關于生物醫學工程專業《醫學圖像處理》教學方法的幾點思考［J］.科技風，2019（02）：45.

［10］婁向新.“生物醫學工程”課程雙語教學的實踐與認識［J］.紡織服裝教育，2017，32（03）：248-251.

［11］寧春玉，趙春華，黃丹飛，等.理工科專業課程雙語教學的實踐——以生物醫學工程專業《醫學圖像處理》課程為例［J］.職業技術教育，2012，33（29）：28-30.

基金項目：本文系2020年莆田學院校級教育教學改革研究項目（JG202033）；2021年福建省科技廳項目（2021J011108）的研究成果

*通訊作者：鄭敏敏（1988—?），女，漢族，福建莆田人，工學博士，講師，主要從事生物信號處理研究。

作者簡介：林暉（1970—?），男，工學博士，教授。