醫學圖像處理課程的教學探索與實踐

胡春紅，鄭旭媛

(天津醫科大學生物醫學工程學院，天津 300070)

醫學圖像處理課程的教學探索與實踐

胡春紅，鄭旭媛

(天津醫科大學生物醫學工程學院，天津 300070)

醫學圖像處理是生物醫學工程專業重要的專業基礎課程。基于提高課程教學水平和培養學生實踐及創新能力，對課程教學模式開展了探索與實踐。通過研究型的課堂講解和討論、課程實驗、課程設計等教學環節，把教學與科研很好地結合起來，提高了學生的綜合素質，培養了學生的創新意識和科研能力。

醫學圖像處理;生物醫學工程;創新意識;教學實踐

創辦研究型大學正成為越來越多高校所追求的目標。研究型大學是以創新性知識的傳播、生產和應用為中心，以產出高水平的科研成果和培養高層次精英人才為首要目標，在社會發展和經濟建設等領域發揮重要作用的大學［1］。早在1810年，德國威廉·馮·洪堡創辦柏林大學時就第一次提出“教學和科研相統一”的原則。他要求教師不僅要向學生傳授現成的知識，而且要傳授教師自己的創造性思想和新的研究成果。1876年，約翰·霍普金斯大學的創建成為現代意義上研究型大學誕生的里程碑。經過100余年的發展，研究型大學所取得的成就使其在世界科學與高等教育界居于主導地位［1－2］。人才培養是研究型大學的重要組成部分，也是研究型大學發展中的重點和難點。為了更好地培養具有創新意識和創新能力的研究型人才，在高校的教學中，需要對教學內容、課程體系、實踐環節和教學組織形式等多方面進行人才培養模式的綜合改革，為研究型人才的培養打下基礎。

生物醫學工程是理工醫結合的交叉學科，它是應用工程技術的理論和方法，研究解決醫學防病治病，保障人民健康的新興邊緣科學，是多種工程技術學科向生命科學滲透和相互交叉的結果，并已成為生命科學的重要支柱。《醫學圖像處理》是以《數字圖像處理》為基礎，結合醫學院校的特點和教學要求，以醫學圖像為處理方向而開展的一門課程，是生物醫學工程專業重要的專業基礎課程。如何結合生物醫學工程專業特點和數字圖像處理本身的特點，提高課程教學水平，培養學生的創新意識和科研能力，是重要的教學研究課題。為了更好地培養具有創造新知識的研究型人才，醫學圖像處理課程在教學課程建設的同時，進行了研究型教學模式的改革與實踐，主要在研究型的課堂講解和討論、課程基礎實驗、課程設計等教學環節進行了探索［3－5］。

1 課堂講解和討論

課堂教學是學生進行理論學習的主要場所，也是他們接觸課程的第一場所，因此，課堂教學方法的改革應放在重要位置。為了讓學生真正對這門課程感興趣，達到好的教學效果，利用多媒體，采取教學和科研相結合的教學方法，將理論知識和相關的科研成果以豐富、直觀的形式展現給學生，并通過增強教與學的互動性，提高學生學習的積極性，激發學生的參與熱情，從而牢固掌握理論知識和加深對課程的了解。

在課程的理論教學中，由于醫學圖像處理課程學習需要學生具有一定的數學和數字信號處理等方面的知識，而醫科類學校學生的理工知識相對較弱，因此，如果在課堂上過于注重醫學圖像處理的理論知識，會使得學生對相關的數學公式推導產生恐懼感，容易失去學習興趣，導致不能理解所學的內容。針對上述問題，對教學方法進行了改進，通過將抽象的概念具體化來促進學生對重要理論知識的理解與掌握，激發學生的學習興趣。在教學過程中，教師盡量淡化相關理論的數學推理，更多地強調醫學圖像處理的實際應用。教師上課時結合醫學圖像處理教學的具體內容，充分利用多媒體，通過在課件中插入示例圖像和動畫等引入生動形象的醫學圖像處理實例，進一步幫助學生加深對教學內容的理解。此外，為了更好地使教學和科研相結合，教學在教授課程具體內容時，增加了相關內容的國內外最新研究進展和成果，使學生對相關理論的當今發展狀況、發展趨勢和研究成果有進一步地認識。通過把科學研究與本科教學密切結合，能夠更好地拓寬學生學術視野和激發其創新靈感，為培養具有創造新知識的研究型人才打下基礎。在教學過程中，課程與就業的關系也一直是學生們關注的問題。因此，在教學內容中融入了相關的就業方向介紹，介紹了醫學圖像處理在醫院和醫療器械公司等的應用狀況，同時簡單介紹了課程中沒涉及到而與工作相關的醫學圖像處理知識，供學生們自學。通過這些與工作相關的講解，一方面增強了學生的自信，獲得了更好的教學效果，另一方面拓寬了學生的視野，引導他們尋找自己發展的方向和目標。

2 課程基礎實驗

實驗教學是課程教學的重要組成部分，通過實踐動手環節，不僅能加深對理論的理解，而且能培養學生獨立思考和創新實踐能力。實驗教學在高校研究型人才的培養過程中擔當著重要的角色，是當前高校教學改革研究的重要方向之一。通過對醫學圖像處理課程基礎實驗的研究，對相關的實驗內容和教學方法等進行了相應的改革，使學生能更深入地理解圖像處理的基本概念、基礎理論以及解決問題的基本思想方法，掌握基本的圖像處理技術，為將來應用于實際和進行科學研究打下良好的基礎，同時，也為下一步的圖像處理課程設計打下基礎。

在基礎實驗教學過程中，首先對實驗內容進行了改革，雖然目前有很多現成的matlab圖像處理的實驗指導書，但它們都存在一些相應的問題，對醫科類學校的學生并不適用。針對此問題，結合matlab在圖像處理中的應用，以及所教授的圖像處理理論內容，重新編寫了醫學圖像處理實驗講義。實驗內容進一步細化，將原來的大實驗細分成多個小實驗，每次實驗教學的學時數也由原來的4個學時改為3個學時。具體的實驗內容根據教學進度和循序漸進原則設計，包括數字圖像處理基礎、直接灰度映射和直方圖變換、空域濾波的實現、頻域圖像增強、圖像恢復和投影數據采集與圖像重建等，實驗內容基本覆蓋了所教授的理論內容，實驗的要求和難度也隨著實驗的推進而增加。在實驗教學方法上，首先，為了加深對所學理論的理解，根據理論教學進度適當地安排實驗。例如，在教授了圖像質量和采樣與量化的內容后，馬上安排相應的實驗，通過實驗讓學生更好地理解圖像空間分辨率和幅度分辨率對圖像質量的影響。其次，對實驗的完成過程進行了改變，減少了實驗前的詳細講解，增加了對學生的單獨講解，并要求學生提前預習，在實驗室獨立完成實驗內容。學生在預習后帶著問題來上課，同時，由于沒有了實驗前的詳細講解，學生需要自己獨立思考來完成，當學生遇到自己無法獨立解決的問題后，再由教師進行詳細講解，這樣不僅能加深學生對實驗的印象，而且能培養學生的獨立思維能力。最后，對實驗內容進行了改革，增加了更多的分析思考內容，使學生不但能得到正確的結果，還要明白為什么會得到這樣的結果，從而從本質上理解相應的圖像處理理論。例如，在利用直方圖均衡方法進行圖象增強時，不僅要求得到直方圖均衡前后的圖像及相應的灰度直方圖分布，而且還要求畫出直方圖均衡前后圖像的變換函數，并根據變換函數分析直方圖均衡原理。同樣，在進行頻域圖像增強實驗時，不僅要求掌握頻域增強的基本原理，而且增加了畫出相應濾波器的三維圖形的內容，濾波器的三維圖形能夠更形象生動地顯示其性質，使學生更易理解相應的濾波原理。

3 課程設計

經過圖像處理理論和基礎實驗的教學，學生具備了基本的圖像處理理論知識和相應的實踐能力。為了更好地提高學生在醫學圖像處理上的實踐和創新能力，我校生物醫學工程專業設置了醫學圖像處理課程設計教學環節。課程設計以《醫學圖像處理》知識為主，同時綜合了《醫學成像系統》等相關課程的知識，通過以解決實際問題為中心的綜合性和設計性實驗，將理論知識與科研實踐相結合，重點培養學生運用所學知識分析問題、解決問題的實踐能力，并通過課程設計擴大學生知識面，培養學生創新思維和能力，為今后的研究和工作打下堅實的基礎。課程設計選取科研和實際應用中常用到的醫學圖像，包括X線圖像、CT圖像、MRI圖像和造影圖像等，根據常用到的圖像處理方法設計出不同的題目，輔導學生完成其中一個常見醫學圖像的分析處理系統的設計和信息處理。課程設計以能力培養為主，不規定具體的實現手段，只提出實驗設計目標，鍛煉學生獨立分析和解決問題的能力。

課程設計為36學時，內容包括醫學圖像的邊緣提取、CT重建和定量分析等，由不同的教師結合自己的科研給出題目和設計目標。課程設計內容具體過程包括:①給學生講解課程設計要求，指導教師給學生下達課程設計任務書，課程設計任務書主要包括:課程設計題目、課程設計目的、實驗內容、技術指標等，此外，課程設計報告書的格式要求、課程設計答辯要求以及課程進度要求等相關資料也同時發給學生;②學生在教師指導下自行檢索、查閱相關文獻資料，對課程設計的內容和國內外研究現狀有一定的了解;③學生獨立進行研究課題的設計和實驗，同時指導教師要根據實際中出現的問題給予指導和把握課題完成進度;④學生按照規范格式撰寫課程設計報告，進行課程設計答辯，要求每個學生根據自己的實驗內容和結果做成課件，并進行口頭答辯，每個學生完成口頭報告后由教師或學生進行提問和答辯。答辯委員會由5位指導教師組成，他們分別給出每個學生的答辯成績，最后的答辯成績為答辯的平均成績。課程設計的總成績由課程設計報告和答辯成績組成。課程設計的安排與操作和畢業設計類似，由于課程設計安排在大四上學期，因此，這樣的安排不僅能提高學生利用圖像處理解決實際問題的能力以及語言表達能力，而且為下學期的畢業設計打下了基礎。

課程設計起到了教學和科研相結合的橋梁作用，能夠很好地培養學生將理論知識與科研實踐相結合的能力，它不僅有利于學生創新思維的培養，同時也是教學的重要補充。下面以本專業2007級本科生的課程設計為例，說明如何通過課程設計將教學和科研相結合，培養學生的創新意識和科研能力。本專業2007級共2個班，57人，每5－6人一組，由課程設計教學組給出10個課題，通過學生自選和教學組討論的形式來決定每個小組的選題，每個小組成員自己獨立完成課題，同時鼓勵學生創新。設計題目大多是與指導教師相關的科研課題，其中，2個題目是基于DSP的醫學圖像處理，其它的題目包括冠脈造影圖像心血管邊緣提取、耳蝸的CT重建及三維可視化、造影圖像中冠狀動脈定量分析研究、MRI圖像的有約束恢復和幾何失真校正、CT圖像的空域增強、x－ray圖像的空域增強和濾波處理、基于圖像紋理特征的肝疾病輔助診斷、磁共振彌散張量圖像的中值濾波處理。這些題目很好地將教學與科研結合起來，以耳蝸的CT重建及三維可視化為例，在教授圖像重建理論及實驗時，目前大多數高校利用Shepp-Logan頭模型來講解原理或進行重建實驗。然而，Shepp-Logan頭模型僅是人工構造出來的一個模型，而且僅能重建出一個層面的圖像。在該課題中，學生需要利用科研中得到的180°范圍內不同角度下豚鼠耳蝸的投影圖像重建出耳蝸的不同層面的圖像，并分析不同的采樣角度間隔對CT重建結果的影響，同時在CT重建的基礎上，利用amira等三維可視化軟件重建出耳蝸的三維結構。該課題不僅是課堂上教授的圖像重建理論的延伸，而且很好地與科研結合起來，能夠培養學生將課堂上的理論知識與科研結合起來的能力。同樣，在x-ray圖像的空域增強和濾波處理、CT圖像的空域增強和磁共振彌散張量圖像的中值濾波處理等課題中，需要學生把相關的圖像處理知識應用到實際中的科研課題中。此外，為了滿足不同層次的學生，適當增加了一些需要難度稍大的題目，如造影圖像中冠狀動脈定量分析研究和基于圖像紋理特征的肝疾病輔助診斷等，這些課題需要的知識課堂上沒有詳細講解，需要學生自學并靈活應用，從而更好地培養他們的創新能力。

通過課程設計的訓練，一方面使學生掌握的圖像處理基本理論和分析方法得到進一步鞏固和擴展，拓寬了學生在醫學圖像處理領域的視野，并使他們能夠很好地將理論知識和科研實踐緊密結合，同時具備了解決一般醫學圖像處理相關問題的能力;另一方面，通過撰寫課程設計報告和進行口頭答辯，培養了學生分析和總結實驗結果的能力，以及科學論文寫作和口頭表達能力。

4 總結

教學和科研相統一原則是創辦研究型大學的重要標志，在高校的創新人才培養體系中占有重要作用。《醫學圖像處理》是生物醫學工程專業的主干課程。在實際的教學中，結合生物醫學工程專業特點和數字圖像處理本身的特點，對課程的研究型教學模式不斷進行探索和實踐，通過理論講解、基礎實驗操作和課程設計等教學環節，把教學與科研很好地結合起來，提高了學生的綜合素質，培養了學生的創新意識和科研能力。

《醫學圖像處理》教學探索與實踐是一項長期而艱巨的任務，為了更好地培養學生在醫學圖像處理方面的創新思維和科研能力，在下一步的工作中，還需要進一步地探索與實踐。例如，把實驗環節的題目根據不同的主題進一步細分，適當增加相關的內容;對于課程設計，需要在增加題目的同時對課題進行不斷改進，讓其更好地與科研結合起來;依托學院的國家級人才培養模式創新實驗區，鼓勵本科生進入創新實驗區，參加醫學圖像處理相關的科研工作。

［1］郭廣生.關于研究型大學人才培養若干問題的思考［J］.中國高教研究，2006(6):7－9.

［2］傅樹京.高等教育學［M］.北京:首都師范大學出版社，2007:175－188.

［3］李 露，謝鳳英，姜志國，等.關于在實驗課程中培養研究生創新實踐能力的探索－以數字圖像處理實驗課程教學改革為例［J］.實驗技術與管理，2010，27(11):235－237，248.

［4］鄭旭媛，田 心.“數字信號處理”課程研究型教學改革與實踐［J］.西北醫學教育，2007，15(3):513－514.

［5］田 心，鄭旭媛，劉 婷，等.生物醫學工程本科研究型教學模式探索與實踐［J］.西北醫學教育，2007，15(5):899，931.

Teaching Exploration and Practice of Medical Image Processing Course

HU Chun-hong，ZHENG Xu-yuan
(College of Biomedical Engineering，Tianjin Medical University，Tianjin 300070，China)

Medical image processing is an important basic specialized course in biomedical engineering specialty.In order to improve the teaching of this course and cultivate undergraduates’practical ability and creativity，we have explored the teaching mode of the course.By means of research-oriented class explanations and discussions，course experiments and course design，teaching and research can be well combined to improve students’comprehensive quality and cultivate their research ability and consciousness of creativity.

medical image processing;biomedical engineering;consciousness of creativity;teaching practice

G434

A

1006－2769(2011)06－1153－04

2011－08－15

國家自然科學基金(30900333)

胡春紅(1977－)，男，云南玉溪人，博士，副教授，主要從事醫學圖像處理方向的科研和教學工作。