發(fā)布時間：2023-11-14 10:28:47
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生物醫(yī)學成像技術樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關鍵詞：醫(yī)學成像技術；翻轉課堂；教學模式；創(chuàng)新性人才
基金項目：南京郵電大學教學改革項目（JG03215JX87）
中圖分類號：G642
一、引言
翻轉課堂教學模式是一種以學生自主學習，老師指導輔助的一種新穎的授課模式。隨著互聯(lián)網的普及和計算機技術在教學領域的應用，使得“翻轉課堂式”的教學模式被應用到很多國內外的教學實踐中，并取得了良好的教育效果。由于課程性質的不同，翻轉課堂教學模式被進行了不同程度的延伸和改變以適應不同的課程性質與教學目的。因此，我們針對具體課程教學過程中存在的問題進行授課模式的探索，將翻轉課堂教學模式的思想應用到實際的教學實踐中，探討結合翻轉課堂教學特點的課程設計及應用。
二、當前課程中存在的問題分析
《醫(yī)學成像技術》是生物醫(yī)學工程專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎課[1-3]。該課程針對臨床廣泛使用的CT、核磁共振、超聲等醫(yī)學成像設備的成像原理和基本成像算法進行了系統(tǒng)化的講授。其內容既包括理論公式的推導，又含有算法程序設計的講解和實驗，為在醫(yī)學圖像處理領域學習的本科生的就業(yè)和繼續(xù)深造打下了堅實的基礎。該課程包括成像原理部分和圖像處理實驗設計兩大部分內容，是一門能夠直接應用于工程實際的技術課程。關于成像原理部分，現(xiàn)有的課程教材內容學科性、理論性較強，所涉及的學科知識點較復雜和概括，學生學習該門課程的原理部分一般只能針對課本中所給出的數(shù)學模型和數(shù)學公式對成像算法進行比較淺顯的表層理解。關于圖像處理實驗部分，該課程教材給出了兩個算法設計實驗，學生針對這兩種算法進行簡單的編程實現(xiàn)，這使得學生形成了一種固有的實驗思維，對編程能力以及算法理解存在著片面性和局限性。因此，如何能夠使學生通過這門課程的學習，更好的理解和掌握醫(yī)學成像的原理和技術方法，使學生能夠跳脫固有的思維定式，運用已掌握的知識解決遇到的醫(yī)學圖像處理問題成為這門課程的授課重點。
三、翻轉課堂模式在實際教學中的應用
翻轉課堂的學習模式在現(xiàn)代的教學應用中一般是讓學生在課前利用豐富的網絡教學資源在教師的指引下，按照一定的學習主題，閱讀相關的背景資料，嘗試對知識進行理解，并在實際的課程學習中，帶著之前學習所產生的疑問與授課老師進行探討和分析。這樣的學習模式有助于幫助學生形成良好的學習態(tài)度，幫助學生駕馭復雜而系統(tǒng)的學科知識。
由于本課程涉及到的理論背景知識復雜，學科專業(yè)交叉等特點，我們從課件設計，本專業(yè)的學生分析以及教學實踐三個方面來進行授課模式的構建研究。
（一）課件設計
針對本課程的教學重點和實際要求，通過對國內文獻調研和國外相關課程教材的學習研究，我們發(fā)現(xiàn)運用豐富的計算機工具和多媒體設備可以很好地完善醫(yī)學成像教學課件的理論知識內容。普遍性的單一的演示文稿教學課件往往會使學生的注意力下降，單純的文字說明并不能讓學生對課程本身產生濃厚的學習興趣，特別是在成像原理部分關于公式的推導和分析很難讓學生有一個深刻的理解和認識。因此，通^動畫演示、視頻講解等多媒體輔助，可以使數(shù)學公式變?yōu)楫嬅嬷庇^的呈現(xiàn)給學生，這種形象的說明能夠充分的表現(xiàn)出原理部分的基本特性，更有助于學生的理解。
（二）學生分析
生物醫(yī)學工程專業(yè)是一門具有高度綜合性的交叉學科。作為生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生，我們側重培養(yǎng)學生自主學習的能力以及發(fā)散性的思維，提高鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。而將翻轉課堂理念應用于該專業(yè)學生的專業(yè)課教學中，可以更好的提高學生的綜合技能，使即將步入社會的本專業(yè)學生能夠更快更廣地適應社會的需求，也使得進一步深造的學生具備更強的自主科研能力。
（三）教學實踐
本課程的教學實踐環(huán)節(jié)分為課堂教學和課內編程實驗教學兩部分。在實際的課堂教學實踐環(huán)節(jié)中，通過結合翻轉課堂教學模式，我們對《醫(yī)學成像技術》課程的教學過程進行調整。首先，在教學過程中，學生以小組的形式對分段知識點進行自學研究并制作出PPT進行公開發(fā)表，這些PPT可作為課后的復習補充材料，在對已經學過的知識點進一步鞏固和深化理解，同時，由于在實際教學活動中，安排了相應的課題發(fā)表環(huán)節(jié)，使得學生的口語表達能力和團隊協(xié)作能力得到了提升。
四、結論
《醫(yī)學成像技術》課程具有學科交叉融合、知識點抽象、內容枯燥等特點，通過借鑒翻轉課堂教學模式，本課程的教學流程和授課模式改變了傳統(tǒng)教學模式中教師單純利用單一教學課件教學的授課模式，充分調動學生的學習自主性，利用為課件中添加演示動畫等影音資料等方式將枯燥的專業(yè)理論知識變得既生動形象又簡單易懂，使學生既能夠便捷的進行有目的地理論知識學習，又有利于培養(yǎng)對于實際問題的解決能力。另外，在翻轉課堂教學模式下的課件演示動畫展示及綜合實驗程序設計等都能夠更真實地反映學生對知識點的掌握程度。
翻轉課堂教學模式與各種其他教學模式一樣都同時具有先進性和局限性。翻轉課堂教學模式在提高學生自主學習能力等方面有一定優(yōu)勢。然而，這種教學模式對課程、教師、學生以及學校軟硬件的配備上都有一定的要求，并不是所有的情況都能夠適用翻轉課堂這種教學模式。因此，在翻轉課堂教學實踐中，我們要選擇合適的課程、教師、學生和學校，要把握好翻轉課堂的“度”，盡可能地發(fā)揮傳統(tǒng)課堂教學的優(yōu)勢，避免由盲目運用翻轉課堂所帶來的不利影響，從而更有利地促進教育改革的深入發(fā)展。
參考文獻：
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麻省理工學院研究生奧特克萊斯特?古普塔表示，當光子從墻上反彈并射在室內拐角處暗藏物體上被反射回來時，利用光子環(huán)繞和反彈的時間數(shù)據(jù)，他們能夠獲取有關物體幾何形狀的信息。
先進光學系統(tǒng)主要由超快激光器和兩維超快掃描照相機組成，它們的工作頻率可達每秒萬億次?？茖W家用它們能在1 s內拍攝數(shù)10億張圖像，通過分析反彈光子的運動狀況“看到”室內拐角處的物體。
超快掃描照相機與其他照相機不同，它是根據(jù)光子進入照相機的時間來成像。古普塔說，這樣的成像方式為人們提供了了解光子需要多長時間被反彈回來的良好途徑。如果在拐角處存在某種物體的話，光子返回得越快則進入超快掃描照相機的時間就越早。他們用超快掃描照相機捕捉和計算光子數(shù)，每張圖像上有3個或更少的光子。通過快速大量的成像來生產掃描圖像，幫助他們決定光子傳輸?shù)木嚯x（以cm計算）。當數(shù)據(jù)收集完成后，他們便能了解拐角處暗藏物體的基本幾何形狀和三維成像。
新的成像技術具有眾多潛在的應用，其中包括在救災方面的應用。古普塔認為，如果有房屋倒塌，新技術能夠幫助救災人員知道廢墟內是否有人存在。事實上，新技術幾乎適用于各種各樣的災害現(xiàn)場，特別是需要了解內部具體情況以及角落處是否有人的火災，火災的危險程度以及有害環(huán)境，由此人們不會冒險派人進入燃燒的房屋內，新技術可以極大地減少救災人員可能面對的威脅。
關鍵詞： 新專業(yè)建設 學科發(fā)展 興趣小組 生物醫(yī)學工程
生物醫(yī)學工程是一門新興的交叉學科，綜合生物學、工程學和醫(yī)學理論和方法，在各層次上研究生物系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并運用工程技術手段解決臨床醫(yī)學中的關鍵問題。要求學生掌握寬廣而扎實的電子學、生物學、醫(yī)學理論基礎，能在理、工、生、醫(yī)等學科高度交叉中進行前沿科學研究、知識創(chuàng)新，產學研結合，并推動相關科學技術發(fā)展，以滿足我國對生物醫(yī)學工程領域高級人才的需求。生物醫(yī)學工程屬于工學門類，是生物醫(yī)學工程專業(yè)一級學科。
本學科是利用生命科學、醫(yī)學、電子信息科學等領域的最新研究成果用于生物信息工程、生物電子工程、大型醫(yī)療儀器系統(tǒng)、現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)等領域的科研工作。工程碩士學位授權單位培養(yǎng)從事生物醫(yī)學信息檢測、醫(yī)用儀器、醫(yī)學影像、生物電子學、生物醫(yī)用材料等方面研究開發(fā)、生產制造、檢測與控制、管理與維修的高級工程技術人才。生物醫(yī)學工程領域研究和人才培養(yǎng)側重于生命科學、電子信息科學、醫(yī)學等的交叉和滲透。該領域是生物醫(yī)學信息、醫(yī)學影像技術、基因芯片、納米技術、新材料等技術的學術研究和創(chuàng)新基地，是與21世紀生物技術產業(yè)形成和發(fā)展密切相關的工程領域，是關系提高醫(yī)療診斷水平和人類自身健康的重要工程領域。
天津工業(yè)大學生物醫(yī)學工程專業(yè)是一個年輕的、處于高速發(fā)展中的理、工、生、醫(yī)交叉融合的新興學科方向。生物醫(yī)學工程專業(yè)作為電信學院的新興專業(yè)，近年來發(fā)展迅速，有較大的發(fā)展?jié)摿?。專業(yè)下設5個實驗室，醫(yī)學儀器及設備實驗室、醫(yī)學成像及光譜成分分析實驗室、生物醫(yī)學電子學實驗室、醫(yī)學建模與仿真實驗室、膜片鉗實驗室，擁有一批踏實肯干、敢于創(chuàng)新、勇于攻關的年輕科研人員，并將不斷吸引其他相關學科的碩士、博士研究生、博士后等進行學科交叉的研究工作?？蒲蟹矫胬萌梭w信息檢測技術與智能服裝相結合，設計出檢測、監(jiān)控、調節(jié)人體狀態(tài)的一體化智能服裝;膜片鉗方向主要進行生物物理和生物化學方向研究，同時與天津大學和天津各大醫(yī)院開展密切合作，在醫(yī)療儀器研制和臨床實驗等方面積累一定的經驗和成果。
本專業(yè)開設的主要課程有：C語言程序設計、電路理論、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、大學物理、分析化學、高頻電子技術、醫(yī)學基礎、工程光學、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理及DSP技術、通信原理、嵌入式系統(tǒng)、生物醫(yī)學電子學、生物醫(yī)學光子學、醫(yī)學成像新技術、無線傳感網絡、生物醫(yī)學儀器設計基礎等。本專業(yè)畢業(yè)生可以在國家機關、醫(yī)院、國防、科研機構、學校、工廠等企事業(yè)單位從事醫(yī)療產品設計、研發(fā)和管理工作，服務于天津醫(yī)療產業(yè)聯(lián)盟的發(fā)展需求。本專業(yè)學制四年，學生畢業(yè)后可獲得工學學士學位，本專業(yè)具有碩士學位授予權。
在本科生人才培養(yǎng)方面，本專業(yè)也是廣開思路，在大一剛入學就進行思想教育，根據(jù)學生興趣對其未來發(fā)展進行規(guī)劃，由于本專業(yè)是一門新興的交叉學科，因此學生喜歡的專業(yè)方向也不一樣，有生物、醫(yī)學、電子等設計物理、化學等不同方向的需求，學生提出的就業(yè)方向也不完全一致，區(qū)別于傳統(tǒng)的專業(yè)學生，如電子信息工程專業(yè)學生雖然興趣不統(tǒng)一，在專業(yè)方向上容易把握，而生物、醫(yī)學、物理、化學等涉及的學科更多，對新專業(yè)教學提出新挑戰(zhàn)。如何適應不同學生不同需求，我們系的老師進行了深入探討。
關鍵詞：稀土上轉換納米材料；生物醫(yī)學；生物材料；發(fā)光材料
1稀土上轉換納米材料結構組成
UCNP通常由基質、敏化劑與激活劑構成。目前研究發(fā)現(xiàn)，以NaYF4作為基質，Er3+、Tm3+、Ho3+離子對共摻雜的材料是UCL性能最好且最具潛力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法等。其中，水熱/溶劑熱法和熱分解法因具有靈活控制晶粒生長并且一次合成過程可以同時實現(xiàn)納米材料的制備及表面修飾等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的合成方法[4]。通過以上方法合成的UCNP通常由疏水性配體（油胺、油酸）封端，導致合成的材料水溶性和生物相容性差。為了將UCNP更好地應用于醫(yī)學領域，對其進行表面功能化修飾尤為重要。主要方法包括配體除去、配體氧化、配體交換、表面硅烷化，以及兩親性聚合物包覆等方法。
2生物醫(yī)學應用
2.1生物傳感
UCNP具有多個發(fā)射峰且發(fā)射譜帶窄，以及近紅外激發(fā)下顯示出低背景自發(fā)熒光的特性，使其特別適用于生物傳感的應用。UCNP已被廣泛用于檢測各種生物變量（如溫度、pH值）。支持溫度傳感應用的是波爾茲曼分布理論。Er3+是常見用于溫度傳感的鑭系離子，Er3+在520nm和550nm處的UCL，分別對應2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能級躍遷，因此可以用來檢測溫度。MaestroLM等[5]設計了第一臺NaYF4∶Yb/Er納米材料用于細胞測溫，使用它可以精確檢測單個癌細胞，如HeLa癌細胞的溫度（25℃~45℃，區(qū)間區(qū)分低至為0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]將具有光熱轉化作用的金納米棒與細胞共孵育后，向培養(yǎng)液中加入UCNP，最后采用800nm激光對金納米棒進行輻照，使其產生熱量，進而引起細胞周圍溫度的升高，通過UCNP的熒光值計算出相應位置的溫度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是臨床診斷和治療中應用最廣泛的成像技術之一，該技術基于X射線衰減系數(shù)。UCNP中一些鑭系元素離子具有較強的X射線衰減能力，所以其可作為CT造影劑。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數(shù)。ShenJW等[7]將NaLuF4作為基質材料的UCNP應用于CT成像。其他研究者也對基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作為CT成像進行了充分研究[8，9]。UCNP為CT造影劑的構建提供新的原料來源。
2.2.2MRI成像
MRI是一種較新的醫(yī)學成像技術，其掃描通常需要造影劑以提高靈敏度和準確度。在元素周期表中具有最高數(shù)目未配對電子的Gd3+常用作MRI造影劑。Gd3+與二亞乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是臨床上最常用的造影劑之一[10]。研究發(fā)現(xiàn)其造影劑在體內釋放游離Gd3+具有高毒性，將Gd3+離子摻入UCNP中可以顯著降低釋放從而減少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于標記T細胞的超小型NaGdF4-TAT納米探針，靜脈注射24h后通過T1加權MRI可以靈敏地跟蹤標記過的T細胞簇。BijuS等[13]研究出一種新型UCNPMRI造影劑（NP-PAA-FA），其可作為低于1.5TT1加權造影劑、3TT1/T2雙重加權造影劑和超高磁場高效T2加權造影劑。該造影劑主要特征是通過改變磁場強度而改變造影劑的類型，此項研究將極大地推動MRI造影劑在醫(yī)學領域發(fā)展。
2.2.3光學成像
UCNP已經引起了許多研究者對將其應用于光學造影劑的興趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激發(fā)下發(fā)出明亮的熒光，由于其聲子能量低、上轉換熒光效率高和發(fā)光顏色豐富等優(yōu)點，已廣泛用于小動物成像[14]。ZhangK等[15]通過酰胺化反應將納米金剛石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er納米顆粒結合，制備出UCNP-ND用于光學成像和細胞中藥物遞送的新型納米平臺，由于強烈的上轉換熒光和pH響應性藥物釋放，UCNP-ND可以為可視化和腫瘤治療中藥物遞送提供新的思路。
2.2.4多模態(tài)成像
常規(guī)的單個成像技術有其固有的限制和缺點。多模態(tài)成像可以彌補其缺點，使疾病在早期診斷階段得到更加準確的信息，從而提高疾病的治愈率。MRI/CT雙模態(tài)成像是最普遍的成像組合。JinX等[16]通過熱解法首次合成具有優(yōu)異的MRI/CT成像性能和相對低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修飾NaGdF4∶Dy的納米粒子。CT和MRI成像無法進行細胞水平成像，光學成像在細胞水平具有較高分辨率和靈敏度，但不具有較高空間分辨率和難以提供三維組織的缺點。因此，將熒光成像與CT和MRI成像相結合，可以獲得組織和細胞級的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有優(yōu)異MRI/UCL/CT三模態(tài)成像性能、較低毒性且無熒光淬滅的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb納米材料。將多種成像相結合制備一種多功能成像探針在生物醫(yī)學領域具有潛在的應用價值。
2.3腫瘤治療
2.3.1光動力治療
光動力治療（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激發(fā)光的照射下，光敏劑（photochemicalsensitizer，PS）被激發(fā)將氧氣轉化為活性氧，殺死癌細胞的治療方法。其因具有微創(chuàng)性和時空選擇性被廣泛應用于腫瘤治療領域。典型PDT由PS、激發(fā)光和氧氣構成。常規(guī)PDT受到激發(fā)光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性質用于PS的激活，從而提高穿透深度[19]。UCNP介導的PDT在深部腫瘤治療方面已取得巨大成果。然而，缺乏腫瘤選擇性而對正常組織不可避免的光毒性仍然是一個棘手的問題。LiF等[20]研究出腫瘤pH敏感光動力納米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自組裝PS接枝的pH響應性聚合物配體（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP組成。在正常血液pH=7.4時，PPN帶負電，沒有光活性，在腫瘤細胞外pH=6.5時快速將其表面電荷從陰性轉變?yōu)殛栃?，并在腫瘤細胞內/溶酶體pH=5.5時進一步分解成單個UCNP，此過程促進聚集的PS解離成自由分子，而顯著增強PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以誘導酸性腫瘤微環(huán)境中游離PS的光激發(fā)，從而殺傷腫瘤細胞。體內和體外實驗均表明，PPN可以克服傳統(tǒng)PS不足作為潛在新型PDT用于未來癌癥診療。
2.3.2光熱治療
光熱療法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有較高光熱轉換效率的材料作為光熱劑，在NIR照射下吸收光能并轉化為熱能來殺死癌細胞的治療腫瘤的新方法。由于稀土離子的消光系數(shù)較低，在直接光照下轉化為熱能的能力有限。而當其與較強消光系數(shù)等電位納米粒子（如Au、CuS）耦合時，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制備出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米顆粒（粒徑70～80nm）用于PTT可有效破壞人神經母細胞瘤細胞，顯示出較好的抗腫瘤療效。FanW等[23]將超小型CuS加入到UC-NPs@SO2納米粒子表面制造出一種核心衛(wèi)星納米治療(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物質，基于CuS顯著的PTT效應，CSNT可以在NIR照射下產生細胞毒性熱，還通過摻雜的高-Z元素（Yb/Gd）作為放射增敏劑產生高度局部化的增強輻射效果。
2.3.3成像指導腫瘤治療
近年來，隨著納米醫(yī)學的迅速發(fā)展，集多功能為一體的可視化成像指導的腫瘤診療成為一個熱點話題。研究發(fā)現(xiàn)UCNP可以同時實現(xiàn)腫瘤的診斷與治療。YuZ等[24]研究出一種超小型具有良好靶向性并可在光學成像，MRI、CT成像下進行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。該UCNP對過表達Y1受體的腫瘤（如乳腺癌細胞）具有高靶向性，核殼MNP（MC540）可以實現(xiàn)優(yōu)異的上轉換熒光成像，其中摻雜Gd3+和Lu3+稀土離子可分別增強MRI和CT成像。其在體外和體內顯示出良好PDT治療效果。該納米材料的研發(fā)將為臨床中過表達Y1受體的腫瘤診療提供一個新思路。為了提高腫瘤治療效果，研究者將兩種或以上治療模式集合于一體，實現(xiàn)療效互補、協(xié)同作用以增強抗腫瘤療效。LuM等[25]制備多功能納米材料AuNRs@SiO2-IR795，實現(xiàn)集成的PTT/PDT和熒光成像，協(xié)同PDT/PTT對體外癌細胞抑制效率顯著增高。
3總結與展望
(一)背景及意義
二十一世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫(yī)院容量有限,以及由于獨生子政策導致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫(yī)療技術的發(fā)展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫(yī)療形式是通過PSTN(公共電話網絡)進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫(yī)療技術研究與試驗則是伴隨當前IT技術的發(fā)展而發(fā)展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領域。它是現(xiàn)代通訊技術和計算機與現(xiàn)代醫(yī)學相結合的產物,它利用電子通訊及多媒體技術實現(xiàn)遠距離醫(yī)學檢測,監(jiān)護,咨詢,急救,保健,診斷,治療,以及遠距離教育和管理等等。遠程醫(yī)療旨在通過提供一種管理良好、高效和跨越時空障礙的全新醫(yī)療保健服務模式,最終達到共享醫(yī)療保健資源,降低醫(yī)療保健費用,提高醫(yī)療效率和質量的目的。另外,在戰(zhàn)場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫(yī)療技術也有很大的應用價值!廣義地講,遠程醫(yī)療是指醫(yī)護人員利用通訊和電子技術來跨越時空障礙、向人們提供醫(yī)療保健服務。根據(jù)不同的應用,遠程醫(yī)療又可分類為遠程監(jiān)護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。
(二)發(fā)展過程
最早的遠程醫(yī)療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數(shù)據(jù)傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫(yī)療系統(tǒng)在50年代才開始出現(xiàn),該系統(tǒng)可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫(yī)學數(shù)據(jù)。而在70~80年代遠程醫(yī)療開始利用電視系統(tǒng)傳輸醫(yī)學圖像,即以遠程放射醫(yī)學(Tele-radiology)為主。隨著現(xiàn)代微電子學、通訊技術、計算機及網絡技術的發(fā)展,在90年代人們開始實踐與評估該系統(tǒng)在遠程醫(yī)療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應用。近幾年來,隨著醫(yī)用數(shù)字影象設備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫(yī)院采用數(shù)字圖像存儲通訊系統(tǒng)(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現(xiàn)醫(yī)院的無膠片管理,為普及遠程醫(yī)療奠定了良好基礎。當前,遠程醫(yī)療系統(tǒng)技術的技術支持有:交互視頻影像設備(interactivevideo),高分辨監(jiān)視器(high-resolutionmonitors),計算機網絡(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關系統(tǒng)(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛(wèi)星通信為核心的信息高速公路等。需要說明的是,在目前的中國,由于網絡的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫(yī)療專家又缺少足夠帶寬的信息網絡,患者的經濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫(yī)療服務在一定程度上滿足了當前的需求,顯示出了一定的發(fā)展空間,值得國內的醫(yī)療電子企業(yè)重視。
(三)適宜范圍和初步的臨床效果
遠程醫(yī)療技術(Tele-medicine)最大的作用在于它對農村和不發(fā)達國家的那些得不到良好服務的人群提供健康護理服務。在這些地方,合格醫(yī)生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫(yī)療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監(jiān)護,家庭監(jiān)護,病人教育,醫(yī)學教育等。有些醫(yī)學部門,如放射學(radiology),病理學(pathology)和心臟病學(cardiology),他們需要高保真的電子醫(yī)務數(shù)據(jù)和圖像為診斷服務,因而特別適合于采用遠程醫(yī)療。隨著遠程醫(yī)療技術的成熟,它能夠提供服務的醫(yī)學部門和范圍也會隨之相應地增加。比如,以下這些領域的遠程醫(yī)療實踐正在逐步增多:矯形外科學(orthopedics),皮膚病學(dermatology),精神病學(psychiatry),腫瘤學(oncology),神經病學(neurology),兒科學(pediatrics),產科學(obstetrics),風濕病學(rheumatology),血液學(hematology),耳咽喉科學(otolaryngology),眼科學(ophthalmol-ogy),泌尿科學(urology),外科(surgery)等?？偟膩碚f,有關報告顯示,遠程醫(yī)療提供了醫(yī)生與遠端之間的可靠的高質量的數(shù)據(jù)和音頻視頻通信。通過將遠程醫(yī)療和直接的醫(yī)生診斷相比較發(fā)現(xiàn),二者沒有大的差異。這些初步的結果說明,遠程醫(yī)療提供了與醫(yī)院相當?shù)姆召|量。目前,遠程醫(yī)療已被成功地用于直接的病人監(jiān)護,它明顯地改進了醫(yī)生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫(yī)療在臨床醫(yī)學中的作用已被完全證實,它的使用情況已經超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監(jiān)護工業(yè)的發(fā)展策略中,遠程醫(yī)療應是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現(xiàn)兩個“所有”:方便地實現(xiàn)所有的醫(yī)學服務和面向所有的地方。
(四)遠程醫(yī)療系統(tǒng)與信息技術
很顯然,遠程醫(yī)療(Tele-medicine)應當有許多不同的系統(tǒng)和技術要求(分級的)。但大致可分為兩類:實時的(RealTime,RT)和先收集后處理的(store-and-forward,SAF)。對于RT交互模式,病人與現(xiàn)場醫(yī)生或護理人員一起在遠處,專家在醫(yī)學中心。對于SAF模式,所有相關的信息(數(shù)據(jù)、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應不必是立即的。在大多數(shù)情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫(yī)療系統(tǒng)當然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復合模式意味著顯著增加的費用。例如,一個理想的RT-SAF組合,需要在急診室內或附近有一個基站,并在遠處有多個對病人實施治療計劃的地方,那里帶有診斷室或移動的監(jiān)護單元。基站需要有控制系統(tǒng)或工作站、在線的醫(yī)學數(shù)據(jù)庫、視頻相機和監(jiān)護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監(jiān)護儀、各種診斷設備、圖形圖像輸入設備、PC或工作站等。如上所述,當前的技術可以使得遠程醫(yī)療系統(tǒng)具有可靠的高質量的數(shù)據(jù)和視頻-音頻通信(在醫(yī)學中心的醫(yī)生和遠端病人之間),能夠提供與到醫(yī)院就診相當?shù)姆?。隨著遠程醫(yī)療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關注的技術和臨床問題包括:傳輸?shù)膱D像、視頻信息的知覺質量以及其他臨床完善性所要求的程序;當前技術能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫(yī)療服務和當前臨床常規(guī)檢查的有機結合問題等。遠程醫(yī)療當中的一個重要技術成份是通信系統(tǒng),它的基本的傳輸介質是銅質電纜、光導纖維,微波中繼,衛(wèi)星轉發(fā)。一個混合的網絡可能是,衛(wèi)星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數(shù)據(jù)、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預測。RT模式要求短時間內傳送大量的信息,它強調的重點是傳輸、交換和交互的時間。它的決定性因素是容許能力(傳輸速率和帶寬)。而SAF模式則對傳輸速率和帶寬的要求不大。只要能將整塊的數(shù)據(jù)傳送就行。一般的多媒體遠程醫(yī)療系統(tǒng)應具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫(yī)療系統(tǒng)的組成劃分,它一般由三個部分構成:用戶終端設備,醫(yī)療中心終端設備和聯(lián)系中心與用戶的通訊信息網絡。不同的遠程醫(yī)療應用,對通訊系統(tǒng)和系統(tǒng)終端設計又有不同的要求。相應的設備費用也依要求的不同而變動較大。
(五)相關的有待解決的技術問題
仍然有待解決的,與遠程醫(yī)療全面、廣泛地實施有關的關鍵技術問題包括:數(shù)碼醫(yī)院的建立,目前有些醫(yī)院己有醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)和圖像歸檔與通信系統(tǒng)(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫(yī)院現(xiàn)有的這些系統(tǒng)是遠程醫(yī)療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫(yī)療系統(tǒng)的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫(yī)學信息庫;開發(fā)功能可靠、操作方便的終端設備•以及接口技術問題,因為遠程醫(yī)療系統(tǒng)涉及多種醫(yī)療設備與通訊系統(tǒng)的連接,建立通用的標準接口將會減少系統(tǒng)建立時的復雜程度和節(jié)省費用;系統(tǒng)加密問題,以確保醫(yī)療數(shù)據(jù)在通訊網絡傳輸中的安全性,維護病人的隱私權;家庭以及偏遠地區(qū)的寬頻通訊問題,初期通訊網絡的鋪建應考慮到遠程醫(yī)療的用途。目前,有關研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網絡的研究,主要解決各種信息的有效上網和傳送;(2)傳感器技術的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現(xiàn)生理信號的方便而可靠、準確而無損的測量;(3)各種先進的數(shù)據(jù)與圖像壓縮方法的研究,在盡可能減低有用信息丟失的同時,達到盡可能高的壓縮率,最終實現(xiàn)遠程醫(yī)療數(shù)據(jù)與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫(yī)學信息與數(shù)據(jù)傳輸安全問題的研究,為相應的立法等提供技術保證。
二、醫(yī)學成像技術與三維醫(yī)學圖像處理
(一)醫(yī)學成像技術
1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線,并被應用于醫(yī)學,產生了以X光照片為標志的醫(yī)學影象學。此后的整個20世紀可以說是醫(yī)學成像的盛世。面對各種紛紛涌現(xiàn)的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術各有何特點?它們的發(fā)展前景又如何呢?到目前為止出現(xiàn)的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫(yī)學成像模式進行分類,在靜態(tài)場領域有電生理成像,低頻領域有阻抗CT,高頻領域有微波CT,光領域有光學CT,在更高的頻率領域有X線CT。其中X線CT早已進入實用的階段。此外還有利用磁場相互作用機制的磁共振成像技術(MRI)。加上最近受到重視的一些功能成像方法,如功能磁共振成(fMRI)和正電子發(fā)射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫(yī)學影象手段提供了大量的有關病人的各種信息,包括形態(tài)的和功能的、靜態(tài)的和動態(tài)的等,被廣泛應用于診斷和治療,成為現(xiàn)代化中必不可少的手段和工具。
1•電阻抗斷層成像技術
電阻抗斷層成像技術(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫(yī)學成像技術。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內部的圖像。它通過體表電極向人體送入一交流電流,在體表不同部位測量產生的電壓值,由此重檢一幅電極位置平面的人體組織電特性圖像。這種圖像不僅包含了解剖學信息,更為重要的是,某些組織和器官的電特性隨其功能狀態(tài)而改變,因此圖像也包含了功能信息在內。此外加上對人體幾乎無創(chuàng)傷、廉價、操作簡便等優(yōu)點,EIT受到了日益廣泛的關注。但由于受到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和算法等因素的限制,目前該技術并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術根據(jù)測量目標的不同可以分為兩類:靜態(tài)EIT和動態(tài)EIT。靜態(tài)EIT以測量對象內部電阻(導)率的分布為成像目標;而動態(tài)EIT則是測量對象內部的電阻(導)率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態(tài)EIT技術只需反映阻抗的相對變化量,相應地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統(tǒng)對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設條件難以滿足、推導過程不嚴格等缺點使得動態(tài)EIT的成像質量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應性強、能反映變化的信息等優(yōu)于靜態(tài)EIT的這些優(yōu)點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質量的提高,動態(tài)EIT有望在臨床上發(fā)揮更大的作用。
2•電生理成像技術
電生理成像技術指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內電活動情況成像的技術。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術上是密切相關的,它們分別是利用測量得到的心電圖(Electrocardiogram,ECG)和腦電圖(Electroen-cephalogram,EEG)來研究人體的功能。這里以腦電為例,其中又可以分為兩個層次,一為腦電源反演,一為成像。在成像方面,人們希望能從頭皮上獲得的空間分辨率較低的電位分布推算出皮層表面上空間分辨率較高的腦電電位分布,因也稱為高分辨率EEG成像。人們相繼發(fā)展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網絡法(楊福生等,1999),和球諧譜分析方法(Yao,1995)。腦電源反演就是利用測得的頭皮電位,推算顱骨內腦電活動源的空間位置的一項技術。其具體方法有非線性優(yōu)化算法和子空間分解算法。在這些方法中,大都是以某一時刻的電位觀測值為已知信息,唯有子空間分解算法是直接建立在一段觀測記錄之上,從而較好地同時利用了觀測記錄中的時間和空間信息,因而受到了廣泛的重視(Mosher,1992;堯德中,2000)。電生理成像技術與其它的醫(yī)學成像技術如CT、MRI等相比,具有其不可替代的獨特功能。它檢測的是生物體的自發(fā)(或誘發(fā))的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術,且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發(fā)的間接的功能信息。另外一個優(yōu)點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發(fā)展方向是,電生理成像技術與其它影像技術相結合(如EEG與fMRI結合),實現(xiàn)優(yōu)勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結果,幫助研究人員進行更精確的分析和判斷。
3•微波CT
微波CT可以說是一種比較新的成像模式,它是1978年才被提出來的。它的基本原理是:利用電磁波的傳輸特性,通過測定透過身體的電磁波來重建體內圖像。微波CT大體可以分為兩大類:被動測定型和主動測定型。被動測定型也可以稱為無源型,利用的是由生物體發(fā)出的屬于微波范圍的那一部分電磁波,如人體熱輻射等,最終獲得熱圖像(因此,類似的還有紅外成像);主動測定型也叫有源型,是用外部入射微波照射生物體,然后利用透過微波和反射微波重構圖像,獲得的是形態(tài)圖像。微波CT作為一種醫(yī)學成像模式,它的主要特點是,同X-CT相比更容易查出癌變組織;與超聲相比更有利于肺的診斷;不存在電離輻射的危險性。微波CT需要解決的最大問題是如何提高空間分辨率。要想提高分辨率,必須縮短波長,提高頻率,但波長愈短其在體內的衰減愈大。同時,微波在介質中傳播時產生的衍射和散射會造成重建圖像的模糊。所以提高微波CT的圖像分辨率是一件極為困難的工作。隨著技術的進步和圖像分辨率的提高,微波CT將很有希望成為新一代的醫(yī)學成像手段。
4•光學CT
光學CT也將是21世紀的重要研究領域。其基本思路是將光輸入待測組織,測量其輸出,重建該組織。由于人體對可見光是屏蔽的,但對紅外或紅外波段的光有一定的穿透能力,利用它進行斷層成像。光學CT大致可以分為內稟(Intrinsic)光學成像、光學相干層析成像、光子遷移技術成像等幾種。內稟信號指的是,由組織活動(如神經元活動)引起的有關物質成分、運動狀態(tài)的改變而導致起光學特性發(fā)生變化,而這種變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器探測到這些光信號的某一時間間隔內的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內稟光學成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學相干層析成像,即將光學相干剖析術(OCT)用于成像,它是采用低相干的近紅外光作為光源,采用特制干涉儀完成光的相干選通,這樣接收到的信號就只包含尺度相應于相干長度的一薄層生物組織的信息。若同時加以掃描,就能得到三維剖析圖像。OCT技術從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現(xiàn)出極為誘人的應用前景。目前它已在視網膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領域發(fā)揮出巨大的作用。這種技術已成為國內外在生物光學方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當?shù)闹貦z算法,就可以確定測量組織的光學特性。通過檢測組織的光學特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態(tài)動態(tài)監(jiān)護、藥物分析及光動力學治療等場合。光子遷移技術成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區(qū),生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現(xiàn)出不同特性,而且在不同生理狀態(tài)下的組織光學參數(shù)也不大相同。高頻調控的正弦入射光經組織傳播后,由于吸收和散射延遲了光子行程時間,引起了相位和光子能量密度的變化,顯著和精確的相位變化體現(xiàn)了吸收的變化。光學方法正處于迅速發(fā)展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學CT具有價格低廉、運行安全,另一方面,它體積小重量輕,特征信號容易獲得,技術發(fā)展成熟。光學CT還有一個吸引人的優(yōu)勢是,它在空間分辨力和時間分辨力這兩個基本的成像性能上可以說是首屈一指,目前已達約5mm的物方象素和每秒25幀以上的視頻速度。因而可以預料,光學CT會在醫(yī)學研究和臨床等方面發(fā)揮越來越大的作用。
5•正電子發(fā)射斷層掃描技術
正電子發(fā)射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統(tǒng)的核醫(yī)學成像技術,它的歷史可以追溯到1932年,在那一年CarlAnderson在研究宇宙射線所拍的云室照片時發(fā)現(xiàn)了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發(fā)明了可發(fā)射β+核素的回旋加速器,這些是實施PET的兩個不可缺少的前提條件。PET的成像原理是,將由發(fā)射正電子β+的核素標記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環(huán)至全身。正電子與人體內的電子相遇并湮滅產生兩個背對背的γ光子,這對具有確定能量的光子可以穿透人體,被體外的探測器接收,從而得到正電子在體內的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標記藥物很豐富,且這些核素的半衰期都很短,病人所受到的輻射劑量可以說是微乎其微,并可在短期內進行重復測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態(tài)成像、定量檢測化學物質分布及實現(xiàn)真正的功能成像等獨特的優(yōu)點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫(yī)學、基礎醫(yī)學、腦科學等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經類疾病的發(fā)病機制。因為各種精神類疾病,如癲癇、精神分裂癥、癡呆等,以及腦腫瘤、腦血管病等,都將引起血流、葡萄糖和氧代謝的異常,PET即可通過測量這些生理參數(shù)來診斷疾病。同時,PET的獨特優(yōu)點也給神經科學提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學習、思維、記憶等的生理機制,幫助人類進一步了解自身。因為給正常人不同的刺激(如光、語言等)或讓其進行不同的活動(如記憶、學習、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區(qū)域的血流和代謝的變化,進而幫助研究腦的功能。相信在不遠的將來,隨著PET技術的進一步成熟,PET將會成為診斷和研究上不可缺少的工具。
6•X-線成像技術
X-線成像技術可以說是在醫(yī)院當中應用的最傳統(tǒng)、最廣泛的一種醫(yī)學影象技術。X-線圖像建立在當X-線透過人體時,各種臟器與組織對X-線的不同吸收程度的基礎上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統(tǒng)的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術的發(fā)展,這種傳統(tǒng)方法的弊端日趨突顯出來。當X-線圖像一旦形成,其圖像質量便不能做進一步改善;不便于計算機處理,也不便于存儲、傳輸和共享等。在評價20世紀X成像技術時,多數(shù)資深專家均認為影像的數(shù)字化是最新、最熱門及最重要的進展。數(shù)字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術,以數(shù)字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫(yī)學影象及相關信息,使臨床醫(yī)學徹底擺脫對傳統(tǒng)硬拷貝技術的依賴,真正實現(xiàn)X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數(shù)字化X-線影象的方法主要有兩種:直接X-線影象探測儀(DirectRadiographyDetector,DRD)和平板探測儀(FlatPanelDetector,FPD)。DRD最早由Sterling公司申請專利,現(xiàn)已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術的發(fā)展方向均是設法進一步提高分辨率和實時性。數(shù)字影像可以說是伴隨著計算機技術的發(fā)展應運而生。1981年第15屆國際放射醫(yī)學會議上首次展出了數(shù)字放射新產品。進入90年代中后期,國外已經推出了多種新型的數(shù)字化X-線影象裝置;傳統(tǒng)X-線裝置中的X-線乳腺影像設備也已數(shù)字化。到目前為止,市場上的數(shù)字化的X-線影像設備已占70%以上。可以預期,數(shù)字化的X-線影像設備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發(fā)生令人矚目的變化。
7•磁共振成像(MRI)
在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領域,自從1946年哈佛大學的E•M•Purcell和斯坦福大學的F•Bloch發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象并因此獲得1952年諾貝爾物理獎起,直到70年代初,它一直沿著高分辨核磁共振波譜學的方向發(fā)展,成為化學、生物學等領域研究分子結構不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關于核磁共振成像的專利,提出了磁共振成像的思想,并指出可以用磁共振成像儀掃描人體檢查疾病。1982年MRI掃描儀開始應用于臨床。由于質子(1H)結構簡單,磁性較強,是構成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫(yī)學上主要利用質子(1H)進行MRI成像。其成像主要利用磁共振原理,以一定寬度的射頻脈沖磁場使具有磁性核的原子產生共振激發(fā);被激發(fā)的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環(huán)境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內部結構的圖像。磁共振成像由于其空間分辨率高、對人體危害性小、又能提供大量的解剖結構信息等優(yōu)點而被廣泛應用于臨床診斷。隨著技術的發(fā)展和需求的提高,動態(tài)成像或功能成像是未來世紀MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應用是用外面的造影劑或內生的血氧度相關效應(BOLD)描述視覺皮層的活動。BOLD的成像原理是基于血紅蛋白的磁化率隨脫氧過程而急劇變化。在靜脈血管內脫氧血紅蛋白濃度發(fā)生變化時,會在血管周圍引起磁場畸變,而這種變化可以被探測記錄下來。在功能神經科學研究領域中,BOLD成像有很多優(yōu)點。這類研究完全非侵入性,產生的圖像數(shù)據(jù)與解剖結構的數(shù)據(jù)是完全配準的。BOLD技術已經發(fā)展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態(tài)的功能方面很有前途。迄今為止,fMRI雖然只有短短幾年的歷史,但理論與實驗都已取得了許多有重要意義的結果。它的最大優(yōu)點是無損傷(不用外源介質),可以直接進行反復的非侵入性的功能測量。與同樣屬于功能成像的PET相比,fMRI則是更新的技術,成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發(fā)展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設備的硬件和軟件的結合上進一步提高靈敏度和分辨率(包括時間分辨率和空間分辨率),這是核磁共振現(xiàn)象的本質決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關的成像技術外,還有基于超聲波的多種結構、組織和功能的成像技術,這里不再詳述。
(二)三維醫(yī)學圖像處理
醫(yī)學圖像處理是指對已獲得的圖像作進一步的處理,其目的或者是使不夠清晰的圖像復原,或者是為了突出圖像中的某些特征信息,或者是對圖像做模式分類等。隨著技術的發(fā)展,醫(yī)學圖像的處理已開始從二維轉向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫(yī)學圖像分析所包含的研究問題很廣,目前主要有:圖像的分割、邊緣檢測、多模式圖像和數(shù)據(jù)的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現(xiàn)實技術、圖像的快速重建和顯示、圖像處理算法性能評估、信息集成(Informationintegration)和傳輸技術等。所有這些的研究都可以集中到如下兩個方面:
1•圖像的融合和可視化
醫(yī)學影象技術的發(fā)展為臨床診斷和治療提供了包括解剖圖像和功能圖像在內的多種圖像模式。臨床上通常需要將同一個病人的多種成像結果結合起來進行分析,以提高醫(yī)學診斷和治療水平。比如在放射治療中,CT掃描可以用于計算放射劑量的分布,而MRI可以很好地定位病灶區(qū)域的輪廓。常規(guī)的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫(yī)生很難對幾幅不同的圖像進行定量分析,首先要解決的這幾幅圖像的嚴格對準問題。所謂醫(yī)學圖像配準與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術使各種影象模式統(tǒng)一在一個公共坐標系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫(yī)生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫(yī)學圖像配準和融合技術的研究和應用日趨受到醫(yī)學界和工程界的重視。對醫(yī)學圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標準。1993年,VandenElsen等人對醫(yī)學圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標準。一般的匹配方法的實現(xiàn)步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數(shù);執(zhí)行變換?；谔卣鼽c選取的不同,匹配算法可以分為兩種:基于外部特征的圖像配準方法和基于內部特征的圖像配準方法?；谕獠刻卣鞯膱D像配準通常是在研究對象上設置一些標志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標準點為標準對圖像進行配準。這種配準方法因為不受圖像畸變等因素的影響,所以精度很高,可達1~2mm,可以作為評估基于內部特征的圖像配準方法的標準。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術室使用。目前的研究集中在基于內部特征的圖像配準方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫(yī)學圖像中相對運動較小的解剖結構,如點(血管分叉點等)、2D輪廓線、3D曲面等。用這些提取出來的特征對之間的位置變化和變形來確定圖像之間的變換和配準。配準的精度取決于圖像分割的準確性。這種方法優(yōu)點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標記點)也可以用內部特征點進行匹配。目前,基于內部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應用于臨床。但目前大多數(shù)模糊動態(tài)圖像的精確分割和特征提取仍是一個尚未完全解決的問題。最近又發(fā)展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準方法,又稱為相關性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統(tǒng)計特性進行全局最優(yōu)化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩(wěn)定,并能獲得相當準確的結果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現(xiàn)的各種相關性算法,如互相關法(correlation)、聯(lián)合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當中,臨床評估的結果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫(yī)學影像的三維重建和可視化也是一個值得關注的問題。常規(guī)影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫(yī)生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫(yī)學圖像的重建將有助于觀察復雜結構的立體形態(tài);有利于醫(yī)生制定放射治療計劃;有助于神經外科手術的實施;有助于對不同治療方案進行評估等。對三維圖像重建算法的研究,近幾年來國內外學者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結構,再由計算機圖形學中的光線跟蹤法(RayTracing),根據(jù)一定的光照模型和給定的觀察角度、光源強度和方位來模擬自然景物光照效果,計算物體表面各點的灰度值,最終構成一幅近似自然景物的三維組織或器官圖像。目前各種各樣的圖像所涉及的數(shù)據(jù)量越來越大,各種算法也越來越復雜,所以處理時間也較長,而用戶則希望實時、快速地得到圖像處理結果,及時用于診斷與治療。因此,醫(yī)學圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統(tǒng)的運行速度,當然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應用多處理器進行醫(yī)學圖像處理與分析的加速是一種不錯的方法。在有些情況下可以直接利用DSP進行加速。
2•基于影象的計算機輔助治療方法及系統(tǒng)
發(fā)展各種醫(yī)學影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結構和功能,輔助醫(yī)生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質量。目前以此為目標的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統(tǒng)、立體外科手術仿真系統(tǒng)、醫(yī)學中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。在過去的放射治療時,先有醫(yī)生根據(jù)CT或MRI膠片上的定位標志點來計算病灶的三維坐標,然后根據(jù)病灶位置和形狀布置焦點,經計算機計算出等劑量線,在燈箱上用打印輸出的劑量線與膠片上的病灶進行對比,如不吻合則重新規(guī)劃焦點。反復重復直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間。總的說來這個過程很不方便,而且可能會引起很大的誤差。目前臨床上開始采用的三維放射治療計劃系統(tǒng)則大大方便了腫瘤醫(yī)師的工作。在整個治療計劃的計算機化過程中,可以說是涉及到了三維醫(yī)學圖像處理的各個環(huán)節(jié),如圖像配準與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統(tǒng)的推出不僅提高了醫(yī)生的工作效率,而且精度大大提高,是以后腫瘤治療中心制定放療計劃的常規(guī)工具。今后放射治療的方向是適形放射治療(ConformalRadiotherapy,CR)。該方法通過旋轉照射或靜態(tài)多射野照射,使得高劑量區(qū)劑量分布的形狀在三維上與靶區(qū)(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區(qū)周圍的健康組織和重要器官(如脊髓)的照射量,從而大大提高治療效果。CR由于能夠調整射野內的射線強度分布,故又稱為調強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調強算法根據(jù)醫(yī)生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫(yī)生要求的強度分布,是一個典型的多參數(shù)優(yōu)化問題。1989年,英國科學家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調強算法可以說是層出不窮,成為當今放療中的一個熱點。隨著多葉準直器技術(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發(fā)展,醫(yī)生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術的效果。虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環(huán)境代替一個現(xiàn)實世界的真實環(huán)境,讓使用者在這個三維環(huán)境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學、傳感技術、高性能計算機和網絡等的一門新興學科,涉及學科面廣且發(fā)展十分迅速。VR在醫(yī)學領域的應用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構成最終實用的手術模擬器。隨著醫(yī)學成像可視化和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,科學家們已經有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫(yī)學圖書館(NLM)發(fā)起的可視人計劃(VisibleHumanProjects,VHP)正是基于這樣的目的。虛擬人體可以提供模擬的診斷、治療、計算機成像、內窺鏡手術等等。例如在內窺鏡手術中,外科醫(yī)生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內的手術器械。虛擬環(huán)境技術可大大改善這種手術過程。事實上,虛擬內窺鏡系統(tǒng)(Virtualendoscopy)是目前發(fā)展比較快的一個方面。
三、網絡化醫(yī)學儀器人才的培養(yǎng)
生物醫(yī)學工程專業(yè)的范疇很廣,各高校的側重點各不相同。我校本學科專業(yè)與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學、計算機科學為支撐平臺,強調與生物醫(yī)學、醫(yī)療儀器相結合,在醫(yī)療儀器的智能控制、管理方面有很強的優(yōu)勢。隨著以上醫(yī)學信息技術的發(fā)展,我們提出了依拓本校的優(yōu)勢專業(yè)如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫(yī)學工程學科培養(yǎng)網絡化、智能化醫(yī)學儀器方向人才的設想。
(一)培養(yǎng)網絡化醫(yī)學儀器人才的依據(jù)
計算機及網絡技術飛速發(fā)展,世界正進入一個數(shù)字化的時代。在醫(yī)療領域,數(shù)字診斷設備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫(yī)院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數(shù)字X光機、CT、B超等,在一些發(fā)達國家,已經取代常規(guī)設備成為臨床診斷的主流。醫(yī)療設備已經到了一個更新?lián)Q代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫(yī)療信息實現(xiàn)了網絡模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數(shù)字化、網絡化將是21世紀醫(yī)學發(fā)展的主流。而遠程醫(yī)療系統(tǒng)則以其迅猛的發(fā)展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫(yī)生都成為專家,讓每一位患者都能請得到專家”的美好前景。社會的需求為高等院校的人才培養(yǎng)提出了新的要求,同時具有醫(yī)學知識和網絡技能的復合型人才將會受到社會的廣泛青睞?！熬W絡化醫(yī)學儀器”作為本學科領域出現(xiàn)的新方向,在國內外沒有現(xiàn)成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設計劃。
Design, Modeling and
Characterization of
Bio-Nanorobotic Systems
2011
Hardcover
ISBN 9789048131792
納米機器人的研制屬于分子仿生學的范疇，是根據(jù)分子水平的生物學原理為設計原型，在納米尺度上應用生物學原理，研制可編程的分子機器人，是納米機械裝置與生物系統(tǒng)有機結合的產物。在生物醫(yī)學上，科學家們利用納米技術制造納米機器人，讓它在人的血管網絡中漫游，進行巡邏和檢查，盡早發(fā)現(xiàn)異常細胞，而且可以對人體內細胞組織進行修復。它不僅可以完成早期診斷工作，更重要的是可以充當微型醫(yī)生而發(fā)揮治療作用，解決傳統(tǒng)醫(yī)生難以解決的問題，如：殺死癌細胞、疏通血栓、清除動脈脂肪沉積物等。納米機器人發(fā)展到現(xiàn)在大致分成三代：第一代，是把生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)有機結合的新系統(tǒng)；第二代，是由原子或者分子裝配成的具有特定功能的納米尺度的分子裝置；第三代，可能是包含有納米計算機的一種可以進行人機對話的裝置。
納米機器人代表了一種納米級器件。在這個器件中諸如DNA的蛋白質和碳納米管可以充當馬達、機械接頭、傳動元件或傳感器。當這些不同的組件組合在一起時，它們可以形成多度自由的納米機器人，能夠在納米世界中對對象施加力以及進行操縱。本書重點講述了兩種納米機器人的研究方法。第一種方法：結合虛擬現(xiàn)實的先進技術的多尺度建模工具（量子力學，分子動力學，連續(xù)介質力學）。為了設計和評估分子機器人的特點，本書提出了互動基于納米物理的仿真。這種仿真允許在分子動力學模擬時帶有實時力反饋和圖形顯示的操縱分子、蛋白質和工程材料。第二種方法：使用一種新的協(xié)同原型方法，具體表現(xiàn)為納米機器人的多尺度模型與實驗測量的耦合。本書通過5章來說明上述兩種方法，1.納米機器人組件與設計發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了納米機器人設備結構、生物納米技術設計的虛擬現(xiàn)實技術、建模和表征方法；2.生物納米器件和納米機器人設計和表征方法，主要講述了生物納米器件的設計和表征方法、納米機器人結構的協(xié)同原型；3.生物納米機器人結構的設計和計算分析，主要講述了基于蛋白質的納米彈簧的表征，基于蛋白質的納米機械的多尺度設計和建模、DNA納米機器人、用DNA激勵的線性納米管馬達的設計和計算分析、藥物輸送中應用的多尺度平臺的表征；4.納米結構的表征與原型，基于直線軸承的NEMS表征，基于主管到主管碳納米管梭旋轉馬達的設計， 通過碳納米管的阿克物質傳輸和汽化；5.結論和展望，對本書的內容進行了總結，對納米機器人的發(fā)展進行了展望。
本書以實現(xiàn)在納米機器人系統(tǒng)內的最優(yōu)納米級運動為目標，研究了生物和人造分子結構的設計、組裝、仿真以及原型，提出了一個新的基于DNA的納米機器人、生物納米執(zhí)行器和基于碳納米管的旋轉納米器件的概念，所提出的平臺有助于表征新型藥物輸送系統(tǒng)和細胞膜之間的相互作用，是從事納米機器人學研究的相關科研人員與工程師的很好的參考書。
作者Mustapha Hamdi和 Antoine Ferreira在法國布爾日國立高等工程師學校工作，主要從事機器人及醫(yī)學成像技術研究。
杜利東，助理研究員
（中國科學院電子學研究所）
關鍵詞：醫(yī)學儀器；課程改革；虛擬儀器
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0164-02
一、課程特點分析
生物醫(yī)學工程是一門跨學科的相對較新的專業(yè)，它綜合性強，在十幾年的發(fā)展過程中，生物醫(yī)學工程在生物、醫(yī)學、工程各個領域都有了長足的發(fā)展，所涉及的領域也越來越廣。但在國內外高校中，對于生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)方式則一直秉持著用工程角度來審視生物/醫(yī)學問題的理念。所以在生物醫(yī)學工程專業(yè)的基礎課程中，既有細胞生物學、人體解剖與生物學等生物醫(yī)學課程，也有數(shù)字信號處理、單片機原理及應用等工程類課程。旨在用技術科學的概念和方法來解釋和描述人體各層次的成分、結構和功能，以及人體各種正常生理功能與病理狀態(tài)之間的差異，同時探索防病、診斷、治療及功能輔助的具體技術和設備[1]，因此《醫(yī)學儀器原理及設計》課程一直是生物醫(yī)學工程專業(yè)重要的特色專業(yè)課之一。
作為生物醫(yī)學工程系的專業(yè)必修課，《醫(yī)學儀器原理及設計》課程的教學體系的建立對于本專業(yè)學生專業(yè)知識的學習起著至關重要的作用。它涉及到生物醫(yī)學工程與電子信息技術及儀器兩個專業(yè)的知識交叉與融合，所以該課程的特色化建設對于一個學校生物醫(yī)學工程的發(fā)展尤為重要?，F(xiàn)代醫(yī)學儀器在生物醫(yī)學工程學科發(fā)展和現(xiàn)代臨床的診斷、治療中所發(fā)揮的作用是不可或缺的。從簡易的數(shù)字血壓計到大型CT（X射線電子計算機斷層掃描）的結構，都是與現(xiàn)代醫(yī)學電子技術密不可分的。因此，了解并掌握它們的工作原理、電路組成和設計原則，對促進學科、教學發(fā)展，保障學生的培養(yǎng)質量和提高自身的市場競爭力都具有重要意義。
同時，現(xiàn)代醫(yī)學儀器又是現(xiàn)代工程技術的結晶。隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學儀器的設計無論是內容、方法還是成本都發(fā)生了根本的變化。計算機與傳統(tǒng)的醫(yī)學儀器儀表的結合已成為一種趨勢，這項技術來自于虛擬儀器的概念[2]?，F(xiàn)代醫(yī)學儀器系統(tǒng)應該是一個開放式的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，可以根據(jù)當前生物醫(yī)學測量技術、生物醫(yī)學信息處理技術、計算機技術和集成制造技術等的發(fā)展，隨時改善其系統(tǒng)構成，從而使其永遠是一個先進的系統(tǒng)。而借助于近幾年發(fā)展起來的虛擬儀器技術，可以方便地實現(xiàn)這一目標。虛擬儀器強大的功能是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的：虛擬儀器是在通用計算機平臺上，用戶根據(jù)自己的需求來定義和設計測試功能的儀器系統(tǒng)。也就是說虛擬儀器是由用戶利用一些基本硬件及軟件編程技術組成的各種各樣的儀器系統(tǒng)[3]?，F(xiàn)代醫(yī)學儀器的設計過程必將和虛擬儀器產生交集，所以醫(yī)學儀器相關課程的傳統(tǒng)內容已經遠遠不夠，我們必須教會學生在虛擬儀器的平臺上進行醫(yī)學儀器的設計，這樣，培養(yǎng)出來的大學生才能緊跟時展的腳步，掌握最新的科學技術。
杭州電子科技大學近年來在《醫(yī)學儀器原理及設計》課程上做了一系列的探討，在培養(yǎng)目標和課程設置上基本上有了一定的科學依據(jù)。然而在實際的教學過程中，我們還是發(fā)現(xiàn)了一些問題：《醫(yī)學儀器原理及設計》課程知識點多，而且課程內容比較抽象，學生不易理解透徹；并且實踐性強，需要進行理論與實踐相結合的課程訓練。同時，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的醫(yī)學儀器設計方法也已經跟不上發(fā)展形式。因此，改變以往單一方式的該課程教學模式，建立一個由醫(yī)學儀器基本原理介紹、不同種類醫(yī)學儀器簡介及設計原則、醫(yī)學虛擬儀器設計構成的新的教學體系，是順應現(xiàn)代儀器技術發(fā)展的趨勢，可以最大程度地實現(xiàn)教學相長。因此我們對《醫(yī)學儀器原理及設計》課程教學模式進行了如下的改革，通過改革，使醫(yī)學儀器系統(tǒng)的發(fā)展不再拘泥于傳統(tǒng)的醫(yī)學儀器系統(tǒng)的框架，最大限度地滿足現(xiàn)代生物醫(yī)學工程發(fā)展的要求，使學生畢業(yè)以后能夠在醫(yī)學儀器的設計應用上有一個質的飛躍，更能適應社會需要。
二、課程改革的主要內容
1.教學內容的優(yōu)化。醫(yī)學儀器的概念非常寬泛，涉及到的內容也十分繁復。要在短短的48課時內講授完所有的醫(yī)學儀器相關知識是不現(xiàn)實的[4]。所以對于課程內容的選擇就顯得尤為重要。在研究了多個高校類似課程的內容設計之后，我們結合本學院專業(yè)交叉的特點，對課程的內容進行了優(yōu)化?！夺t(yī)學儀器原理及設計》要在內容上做到點和面的結合，既要保證知識面廣，同時又要重點突出，要有體現(xiàn)較寬專業(yè)綜合理論和較強實踐特點的課程內容。在目前高校常用的教材基礎上[5][6]，我們將課程內容進行整合與優(yōu)化。從基本原理知識出發(fā)，了解生物醫(yī)學信號的特點，通過數(shù)學建模方法的講解，深入醫(yī)學儀器的設計原則，最后詳細介紹各類典型醫(yī)學儀器，包括：基礎生理信號（血壓、心電）的檢測儀器，臨床監(jiān)護儀器，治療及恢復設備，醫(yī)學成像設備，臨床檢測儀器等。此外，還涵蓋了國際和國內關于醫(yī)學儀器的認證和監(jiān)管，電器安全評估以及現(xiàn)在醫(yī)學儀器發(fā)展的方向等內容。
2.教學方式和教學手段的多樣化。單一的教學方式無法滿足這類專業(yè)特色課程的需求，所以我們在教學過程中采用以多媒體為主，板書為輔的教學方式。由于課程內容豐富，信息量大，需要借助多媒體的方式形象地展示各種圖片與視頻文件，充分調動學生的學習興趣，提高學習效果[7]。而板書的融入可以提高學生對知識的理解和掌握能力，使其學懂學透，起到事半功倍的效果。
此外，為了充分調動學生的積極性，培養(yǎng)學生自主學習、歸納整理以及表達的能力，將學生分為5～6人一組，課外通過對任何一種醫(yī)療儀器的學習，在課堂上做一個10分鐘左右的presentation，內容涉及該種醫(yī)療儀器的原理方法、使用過程、行業(yè)前景等內容。這種互動方式可以提升學生學習的積極性，同時直觀地了解教學安排是否合理，效果是否明顯，為教學改革提供依據(jù)。
3.實踐環(huán)節(jié)的設計和加強?！夺t(yī)學儀器原理及設計》是一門理論性和實踐性都很強的課程，單一的課堂講授遠遠不夠，為此，本課程采取理論教學與實驗教學相結合的方式。具體來說，實踐環(huán)節(jié)包括課堂實驗和上機課程設計兩個環(huán)節(jié)。課堂實驗旨在讓學生最直觀地接觸市場上的醫(yī)療儀器，在使用過程中體會學習過的原理知識，感受不同廠家的產品在細節(jié)處的差別，以及不同檢測原理在測量同一生理參數(shù)時結果的區(qū)別。主要實驗儀器包括：水銀血壓計，電子血壓計，紅外體溫計，血糖儀，電子刺激器等。上機課程設計環(huán)節(jié)主要為虛擬醫(yī)學儀器的設計?；谔摂M儀器的軟件開發(fā)平臺Labview（美國NI公司），使用圖形語言，讓學生4人一組，共同設計一個能夠實現(xiàn)基本功能的醫(yī)學儀器，并在全班同學前進行演示和講解。通過這種課程設計，讓學生切身體會一下虛擬儀器平臺在醫(yī)學儀器發(fā)展中的重要作用，同時在設計醫(yī)療儀器的時候，又把在課堂上學習的內容進行了綜合運用，既扎實了知識，又鍛煉了能力，為今后走向工作崗位奠定了堅實的基礎。
4.建立合理全面的考核方式。以往單一的僅用期末考試成績反映學生課程水平的方法已經不適用于《醫(yī)學儀器原理及設計》這類綜合性專業(yè)課。我們建立了一套多形式、多層面的教學評價方法，既檢測學生對課程內容的掌握程度，又可以衡量學生的獨創(chuàng)性、探索性和分析應用知識的能力。平時課堂表現(xiàn)、小組presentation的質量、課程設計程序的優(yōu)劣以及期末考試成績，均成為新考核體系中的一部分。
課程的考核方式和考核結果并不是我們追求的最終目標，在新考核體系的指導下，最大程度調動學生的積極性、鞏固學習到的專業(yè)知識、鍛煉學生的專業(yè)綜合能力、公平評價每個學生的學習態(tài)度才是課程考核體系的不斷完善的目標方向。考核不是最終的結果，但卻是必不可少的一個重要手段。
三、總結
通過一個學期課程實踐，我們發(fā)現(xiàn)，改革后的《醫(yī)學儀器原理及設計》課程在多個方面都有了明顯的進步與提高。新的課程安排在內容上體現(xiàn)了生物醫(yī)學工程專業(yè)的多學科交叉，課堂內容的講解和學生自主學習有效融合，實驗課程讓專業(yè)知識不僅僅局限于課本演示，虛擬儀器設計的訓練緊跟現(xiàn)代醫(yī)學儀器發(fā)展的腳步，全面提升了學生的專業(yè)知識和行業(yè)競爭力，為他們今后進入社會，從事相關行業(yè)打下堅實的基礎。同時，學生對于這種新的教學模式十分喜歡，接受度很高，在實驗報告上，經?？梢钥吹剿麄冞@樣寫道：“喜歡這樣的課程，很開心也挺有收獲”；“第一次接觸血壓計，比課堂上講解更直觀”；“嘗試了很多新東西，很有趣”，“既興奮又倍感收獲”……學生喜愛，教學效果良好，緊貼行業(yè)發(fā)展步伐，培養(yǎng)行業(yè)需要的人才，這正是我們高校課程改革的最終目的。
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關鍵詞:醫(yī)學圖像分析;實踐教學;教學改革
一、課程背景
醫(yī)學圖像分析是一門醫(yī)學影像與信息學圖像處理相結合的課程。主要學習如何采用圖像處理方法對醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)進行增強、勾畫、分割、識別等操作［1］。主要授課對象為醫(yī)工結合專業(yè)如生物醫(yī)學工程、醫(yī)學信息工程等的本科生或研究生。其主要教學目標是讓學生掌握醫(yī)學圖像的采集原理，各種不同類型的醫(yī)學圖像的特點，不同醫(yī)學圖像主要面臨的問題，不同醫(yī)學圖像遇到的問題的傳統(tǒng)解決方法，并啟發(fā)學生思考新的解決思路［2］。近幾年，由于計算機運算速度的進步以及機器學習算法的快速發(fā)展，醫(yī)學圖像分析發(fā)展迅速，在醫(yī)學臨床上應用越來越廣，例如肺結節(jié)的識別、腦灰質白質的分割以及輔助診斷等?？傊t(yī)學圖像分析在臨床上扮演著越來越重要的角色。目前醫(yī)學圖像分析在產業(yè)界的發(fā)展迅速，相關企業(yè)不斷涌現(xiàn)，國內目前相關企業(yè)超過100家，融資上億的企業(yè)近20家。因此，該課程的重要性也逐漸突顯。醫(yī)工結合是醫(yī)學與工科學科結合而產生的未來醫(yī)學的重要發(fā)展方向。近幾年，綜合類大學紛紛創(chuàng)辦醫(yī)學院，其中醫(yī)工結合是這些綜合類大學醫(yī)學院的重要方面，而醫(yī)學圖像分析又是目前醫(yī)工結合的優(yōu)秀范例［3］。然而，目前醫(yī)學圖像分析課程的教學存在重視理論講述，忽略實踐操作的現(xiàn)象。同時醫(yī)學圖像與傳統(tǒng)自然圖像存在著較大差異，例如信噪比低、圖像維度更高、與自然圖像紋理顯著不一致等問題。因此，醫(yī)學圖像分析與傳統(tǒng)圖像處理課程存在較大差異。筆者在教學過程發(fā)現(xiàn)，學生在學習該門課程后，存在理論與實際脫節(jié)的情況。大部分學生反饋在進行課程學習之后，嘗試將學會的圖像處理方法用于實際醫(yī)學圖像分析時，遇到各種問題，例如:由于數(shù)據(jù)維度不一，傳統(tǒng)二維自然圖像處理方法無法用于三維或者四維的醫(yī)學圖像中;由于信噪比的問題，傳統(tǒng)自然圖像處理方法運用到醫(yī)學圖像上后效果不佳。因此，醫(yī)學圖像分析的教學應該與傳統(tǒng)自然圖像的處理課程有所區(qū)分，需要針對醫(yī)學圖像進行分析與教學。
二、現(xiàn)存教學問題分析
在教學完成后，通過學生反饋，獲得的教學反饋問題如下:(1)課程中講授的圖像處理方法多基于二維圖像，但醫(yī)學影像中存在大量其他維度影像，如腦電信號為一維圖像，CT、磁共振為三維圖像，PET、功能磁共振為四維圖像，不知如何處理;(2)課程講授中出現(xiàn)的自然圖像大多分辨率較高，而醫(yī)學圖像分辨率較低，將算法運用于圖像分析后效果不佳;(3)構建輔助診斷模型時，自然圖像樣本量較大，而醫(yī)學影像樣本量相對較小，同時數(shù)據(jù)維度更高，構建出的模型效果較差。如圖1所示，筆者分析與總結現(xiàn)存教學問題之后，認為主要是以下三個原因導致出現(xiàn)了上述教學問題。
(一)自然圖像與醫(yī)學圖像存在差異
如表1所示，傳統(tǒng)自然圖像與醫(yī)學圖像存在較大差異，目前醫(yī)學圖像分析課程講授的大部分課程內容與傳統(tǒng)圖像處理一致，涉及的醫(yī)學圖像多為與自然圖像性質相近的二維X光圖像或單層CT圖像。這種差異導致課程所學算法難以直接用于醫(yī)學圖像的分析與處理。
(二)學生缺乏對醫(yī)學圖像特性的了解
學生在學習課程的時候對醫(yī)學圖像的采集過程以及圖像特性不了解，導致難以對現(xiàn)有圖像處理方法進行改進或者提出新的圖像處理方法以適用醫(yī)學圖像。圖2所示為一個典型的三維大腦MRI醫(yī)學圖像，該圖像具有分辨率低、維度高等特點。
(三)缺乏與臨床影像科醫(yī)生的交流
本門課程的教學主要由圖像處理相關老師完成，臨床醫(yī)生沒有參與教學。這種缺失進一步導致學生對醫(yī)學圖像以及醫(yī)學圖像在臨床上遇到的實際問題缺乏了解，難以提出真正解決臨床實際問題的醫(yī)學圖像處理方法。
三、教學改革方案
鑒于目前醫(yī)學圖像分析課程教學存在的問題，筆者結合綜合類大學醫(yī)學院基礎條件，提出以下五方面的教學改革措施，并設計了一套醫(yī)學圖像分析教學流程。
(一)增加醫(yī)學成像原理教學
醫(yī)學成像原理是一門講解各種醫(yī)學影像的采集原理、采集方法的課程。該課程可幫助學生深入理解醫(yī)學圖像的由來，從圖像成像原理的部分深入理解各種醫(yī)學圖像的特性，例如腦電信號的位置坐標系統(tǒng)、磁共振圖像的無標度特性、PET圖像如何從四維圖像轉變?yōu)槿S圖像等。學生通過該部分理論的學習，了解不同醫(yī)學圖像的特點。
(二)圖像處理老師與臨床影像科醫(yī)生攜手教學
綜合類大學醫(yī)學院教學相對于其他學院的一大重要優(yōu)勢在于學院具有大批一線臨床工作者。相對于學校教師而言，一線臨床工作者對于目前醫(yī)學影像在臨床實踐中需要解決的問題更為熟悉。臨床醫(yī)生參與教學，可進一步讓學生了解自己所學知識可用于解決哪些臨床實際問題。在了解到這些的基礎上，學生能夠理清今后工作中的實際問題，對實際問題有了進一步的了解后才能思考如何對所學理論方法進行融會貫通，并在此基礎上進行創(chuàng)新改進。
(三)增加醫(yī)學影像采集教學環(huán)節(jié)
在完成醫(yī)學成像原理的理論教學之后，為進一步讓學生理解醫(yī)學影像采集原理及其特點，結合醫(yī)學院條件，可安排學生進行各種醫(yī)學影像采集的實踐操作。在影像采集實踐操作過程中，學生不僅能深入理解各種醫(yī)學影像的成像原理，還能進一步了解到各種圖像常見噪聲的來源與特點，例如磁共振圖像的運動偽影的由來及其特點。學生在進行圖像處理算法學習之后，能夠針對性地對各種不同噪聲進行處理分析，或者在了解噪聲特點的情況下，能夠針對性地提出圖像處理算法降低噪聲的影響。
(四)結合
Octave進行實踐算法教學傳統(tǒng)圖像處理是一門理論性較強的課程，近些年，該門課程的教學更多地提倡理論與實踐融合。Octave是一個類似MATLAB的數(shù)學計算軟件，其語法模仿了MATLAB。MATLAB是目前世界上最常用的數(shù)學分析軟件之一，其具有強大的圖像處理能力，是目前科研界常用的圖像處理平臺。Octave在繼承MATLAB語法的同時，還具有免費開源的優(yōu)點。在講授完圖像算法理論之后，將要求學生基于醫(yī)學影像采集環(huán)節(jié)得到的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)，基于Octave進行編程實踐，在實踐過程中學生將切實感受到各種圖像處理算法的作用，以及在醫(yī)學影像數(shù)據(jù)上與自然圖像不一致的效果，從而激發(fā)學生繼續(xù)探索，對算法進行改進以適用醫(yī)學影像數(shù)據(jù)。
(五)改變課程考核方式
基于實踐教學的醫(yī)學圖像分析課程在考核環(huán)節(jié)應該更加注重考核實踐操作［4］。筆者在教學過程中，最終考核環(huán)節(jié)題目設置為:基于課程講授以及實踐教學，提出一個醫(yī)學圖像問題，并給出解決方法。答題模板如表2。學生通過回顧與總結本門課程中的醫(yī)學圖像實踐采集環(huán)節(jié)與后續(xù)圖像處理算法理論，思考一個現(xiàn)實生活中會遇到的醫(yī)學圖像問題，最后選用合適的圖像處理方法或者對現(xiàn)有的圖像處理方法進行改進來解決該問題。上述考核方式注重考核學生“提出問題”與“解決問題”的能力。
(六)醫(yī)學圖像分析的實踐教學流程總結
前面筆者提出了不同的醫(yī)學圖像分析課程的實踐教學環(huán)節(jié)，最后對全部環(huán)節(jié)進行一個總結，提出一套醫(yī)學圖像分析的實踐教學流程，如圖3所示。希望上述教學模式能給具備相應條件的綜合類大學醫(yī)學院的醫(yī)學圖像分析課程教學提供一定的幫助與啟示。
結語
通過總結與分析醫(yī)學圖像分析課程教學中遇到的問題與學生反饋，結合本單位的實際情況與優(yōu)勢，本文提出在醫(yī)學圖像分析課程教學中增加諸多實踐環(huán)節(jié)，以提升學生對本門課程的認識，增強對醫(yī)學影像原理及問題的深入理解，在此基礎上培養(yǎng)與提高學生“提出問題”的能力。在圖像處理教學環(huán)節(jié)，提出基于Octave的實踐教學環(huán)節(jié)，在圖像處理理論學習的同時，增強學生理論結合實踐的能力。最終通過實踐考核，考核學生“提出問題”與“解決問題”的能力，通過提出并解決醫(yī)學圖像相關問題達到對本門課程教學內容的深入理解，從而培養(yǎng)出能夠學以致用，并能解決實際臨床醫(yī)學影像問題的學生。
參考文獻:
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［2］陳躍，楊建茹．醫(yī)學圖像分析實驗教學改革的研究與實踐［J］．中華醫(yī)學教育雜志，2004(03):45-46．
［3］黃忠江，姜增譽，陳文青，張智星．基于人工智能的醫(yī)學圖像分析在腦腫瘤中的應用進展［J］．中國醫(yī)學影像學雜志，2021(6):626-630．
