“醫學超聲儀器原理”教學設計淺談

[摘 要] 超聲成像技術是當代四大醫學成像技術之一，超聲設備也是廣泛應用于各級醫院的常用設備之一。對于工科專業而言，了解超聲成像技術及超聲設備原理，提升設備性能，為醫生提供更豐富、更精確的診斷信息非常重要。通過“醫學超聲儀器原理”課程理論及實驗設計的探索，使該門課程更具專業趨向性，提高學生的學習興趣，使其形成專業知識的系統化概念。

[關鍵詞] 醫學超聲儀器;課程設計;教學設計

[基金項目] 2019年度南方醫科大學校級高等教育教學改革基金項目“基于雙創和混合教學單片機課程設計教學改革探索”（JG201929）

[作者簡介] 羅敏敏（1980—），女，四川遂寧人，工學博士，南方醫科大學生物醫學工程學院講師（通信作者），主要從事醫學信息處理研究。

[中圖分類號] G426.9? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）47-0062-04? ? [收稿日期] 2021-08-29

一、引言

超聲成像與X-CT、ECT及MRI被公認為當代四大醫學成像技術，為人們提供了更高效、更豐富的疾病診斷信息。其中超聲成像與其他三種成像方式相比，具有無輻射、操作方便靈活、價格便宜、各級醫院普適的優點，對軟組織和胎兒醫學成像不可或缺。對臨床學生來說，應該了解超聲圖像的特點，通過熟練使用超聲成像儀器作出正確的診斷。而對工程學生而言，則應該掌握醫學超聲成像的基本原理，了解當前超聲成像技術的優缺點，設計更先進的超聲成像儀器，為醫生和病人提供更好的醫學信息。因此，在“醫學超聲儀器原理”這門課程中，如何讓學生學習到更有針對性的知識非常重要。筆者在多年的教學實踐中總結了一些經驗，希望能對這門課的課程設計有所幫助。

二、課程內容設計

生物醫學工程是結合生物醫學和工程技術的專業，醫學超聲學是一門將超聲學與醫學結合起來的應用科學，是理工醫相互合作與相互滲透的結果，也是生物醫學工程學重要的課程。

對于工程本科的學生來說，要掌握超聲成像儀器的成像原理，需要熟悉超聲在生物組織中傳播的規律和特點，了解超聲設備是如何使用這些規律和特點得到最終的圖像信息。課程的理論部分包含概述、超聲物理學基礎、超聲波換能器及聲場、醫學超聲成像原理、B型超聲診斷儀掃描原理、B超回波的接收與預處理、多普勒效應和血液動力學、超聲多普勒血流檢測原理、超聲圖像的偽影及質量控制等九個章節。概述介紹聲學的發展、超聲學的醫學應用以及最新的超聲技術;超聲物理學基礎主要介紹振動與波的理論等理論基礎;在這些理論基礎之上介紹超聲設備最重要的部件探頭（超聲換能器）的結構及聲場特性;結合這些基礎知識，介紹超聲成像設備的原理、主要參數、分類及基本結構;以B超為例，介紹醫學超聲中發射部分的掃描方式、聚焦和控制等關鍵技術;在發射控制的基礎上，對應介紹B超回波的接收、預處理和DSC（數字信號掃描）;介紹血液動力學和多普勒效應，讓學生了解血液的特點以及多普勒相關成像理論;在此基礎之上介紹超聲多普勒成像儀的原理和圖像特點;最后介紹超聲圖像的偽影特點以及如何進行質量控制。

以上大部分章節是講授醫學超聲設備課程涉及的基礎內容[1]，相對而言，我們增強了超聲物理學基礎、多普勒效應和血液動力學兩部分的理論講授。這兩部分一個是基礎超聲的成像理論原理，一個是彩色多普勒血流超聲成像的理論基礎，只簡單給出相關結論，不影響對超聲設備成像原理的理解，但并不利于學生從根本上認識超聲成像。對于超聲物理學基礎，主要介紹惠更斯原理、波的疊加、聲波動方程、聲波的吸收衰減、超聲波的生物效應等超聲波成像的背景知識，一方面是在推導過程中讓學生看到以前所學知識在超聲成像中的應用;另一方面也讓學生了解從理論到實際設備使用過程中所應該滿足的條件或者忽略的微小差異，讓學生知道現有產品的不足和改進的方向。介紹血液動力學，使學生認識到人體血液系統不再是一個流經身體各處的液體系統，而是從流體力學角度認識血液的粘性特點、循環系統中的湍流和擾動流型、脈動流的剖面、脈搏波形的數值分析、動脈管壁的彈性特點、彈性血管中的脈動流、波的反射、波速和衰減等。在講授多普勒彩色血流成像原理之前，方便學生對到底要獲得什么信息有一個更充分的認識，從而可以更正確地使用多普勒效應和其他數學物理方法來處理和獲得信息，并且認識到現有的方法還有什么不足，新的技術提供了什么新的信息，什么信息是目前的技術沒有獲得的，啟發學生去思考，從更宏觀的角度來看待多普勒超聲成像技術的發展[2]。

當然，從科技和物理等工科角度去掌握醫學超聲儀器原理是課程的教學目的。然而，也要考慮到醫學超聲儀器的使用對象和環境，一方面希望將各種先進的技術應用于超聲設備，提升設備性能，提供更多、更精確的信息用于醫生診斷及治療;另一方面，設備存在的問題及醫生的需求，也是我們在以后的設計和開發中需要著重關注的內容;因此，在課程的最后部分安排了超聲偽影和質量控制的內容。通過前面部分的學習，學生基本掌握了超聲設備的物理學原理和工學電路原理，了解了從聲音到圖像的流程。超聲圖像是最終要呈現給醫生和設備使用者的信息，所以超聲圖像的偽影是一個頗為復雜而又必須面對的問題，正確認識偽影及其產生的原因和條件，有助于正確評價用各種不同設備得到的各種超聲圖像，以便去偽存真地判讀超聲圖像，得出正確的醫學診斷，而超聲醫學工程人員則可能借此改進超聲診斷設備的設計。所謂偽影是指任一回波信號被超聲診斷設備所顯示的位置與被檢體內回波界面的實際位置不符，或被顯示的信號振幅、灰度變化不與被顯示的回波界面特性變化相關。有的偽影會帶來虛假的信息，比如聲波旁瓣會產生虛像，跟聲波主瓣產生的圖像同時出現在超聲圖像上，如果不識別，會帶來錯誤的診斷信息。又如，理想聲束是指單指向性的、聲束寬度固定為一個波長且穿透性極強的聲束，實際的聲束只在焦區處可獲得較細的聲束，離開焦區聲束明顯變粗，直徑可達數毫米到1厘米，垂直于掃描面方向的聚焦特性與沿掃描面方向的聚焦特性往往也不一樣，前者由于大多僅采用固定聲透鏡聚焦，其聚焦特性更不理想，結果聲束的掃描線并非一條細線，其掃描面亦非一層很薄的斷層切面，在近場區則更差。在軸向上，聲束由一定脈寬的聲脈流形成，這樣所顯示的切面圖像，實際上是由有一定體積的分辨元掃描被檢體而被模糊了的聲圖像，這樣，如有一直徑小于該處切片厚度的病灶為聲束所切割，則聲圖像上所顯示的是病灶區的回波與病灶區周圍的回波所疊加的圖像;同樣，不在一平面上的聲反射結構，可同時疊加在包含一定厚度的一個聲圖像上顯示出來，這樣得到的圖像也與人體的真實信息不一致。這些是會帶來誤診的偽影信息，需要被識別或者告知設備使用者，可能會有小的病灶被忽略。同時，對于工程師或者設計師來說，需要在了解其原理的基礎上，去進行改進和設計。對于這類偽影，目前主要通過對換能器材料和工藝過程的研究改進，采用新型高分子壓電材料、聲透鏡、高反射鏡、高斯型電極、費涅爾分布電極等自聚焦方式來改善聲學特性。除了這些需要避免和改進的偽影，也有部分偽影信息，其實被用來輔助診斷，比如結石或者腫瘤后的深影，實際上并不存在這樣一條實物，醫生看到這樣的圖像，可以知道這是因為探頭前方存在比周圍組織密度更大的結構（比如結石或者腫瘤），通過這樣的偽影來確診病情。偽影還有很多種，有些由聲束特性不理想而造成的偽影及其控制，有些由掃描方法和顯示而形成的偽影及其控制，有些由超聲傳播特性而造成的偽影等。質量控制也是同樣，這部分內容是任何一臺設備在出廠和實際應用時都需要著重關注的部分，而很多時候我們的課程只介紹理想化的原理，碰到真正問題時不知如何歸類和處理，因此我們便增加了相關內容。

通過以上的課程內容安排，明確了“醫學超聲儀器原理”課程的教學重點和目的。將其與目前大多數面向醫學生為主的超聲圖像診斷課程區分開來，以培養工科醫學工程師為目的，同時針對其使用對象和環境增加了實際應用時的相應問題，為課程的實際應用打下了基礎。

三、實驗實踐設計

醫學超聲成像設備是一個在臨床廣泛使用的常見醫療設備，對于這樣的成熟儀器，將理論與實踐結合起來，可以加深學生對理論知識應用的理解，并且發現實際產品與理論的差異[3，4]。

作為生物醫學工程的學生，醫工結合是基本的要求，學生以后的工作也大多是醫療相關，因此，從一開始便能充分了解產品的需求來源非常重要。我們計劃安排一次到醫院超聲科的觀摩，一是可以讓學生了解目前醫用超聲設備的性能指標;二是了解超聲設備目前可以診治的相關病癥;三是對偽影和噪聲等圖像特點形成更直觀的感受。通過觀摩，了解醫生操作的一些基本手法，甚至可以通過與醫生的溝通，了解醫生對超聲圖像的意見與建議，從而激發學生的興趣。目前，超聲設備在醫院各個科室均廣泛使用，各個科室針對的部位以及病灶卻大不相同，所使用的超聲設備以及配備的部件也各有特點。

一方面，對于超聲診斷設備，早期的數字黑白超聲，其圖像是大部分人印象中的經典超聲圖像，噪聲顆粒大，與其他醫學成像設備如磁共振圖像相比，學生第一印象會覺得超聲圖像分辨率非常低，那在后續的理論課程當中，就可以從這里入手，講述超聲成像的橫向縱向分辨率的影響因素，如何改進，有哪些限制等。有了這樣的直觀印象之后，學生的理解和接受程度會遠遠高于憑空想象。除了早期黑白超聲之外，目前大部分科室使用的都是數字彩色超聲，也就是多普勒超聲成像，其最大的特點是可以顏色標注血流方向，如果是在做心臟彩超，那么同一部位很可能伴隨著心臟跳動，血流輸入輸出呈現不同顏色;心肌功能正常是怎樣的，不正常又是怎樣的，不同的狀態可能對應不同的病理生理。雖然學生有一定的基礎知識，但是有了這樣的直觀感受之后，在詳細介紹多普勒超聲原理時，學生會有更切身的體會。常規的超聲設備都是固定在超聲診療室，病人自行前往配合醫生作診斷，但是也有很多病人行動不便。超聲設備與其他成像設備相比，一個最大的優點是沒有輻射，不需要屏蔽，對病人和醫生都十分安全。所以在工程技術解決了尺寸問題，實現了超聲設備的便捷化以后，超聲可以隨身攜帶，實現超聲的床邊成像，甚至是便捷移動成像。現在做成筆記本大小的便攜式彩色超聲系統已經在醫院配置，目前最小的超聲設備可以跟一臺智能手機尺寸相當，而其成像質量與常規超聲設備相比并沒有減弱。

另一方面，超聲除了診斷之外，還可以用于治療。小型的有超聲霧化治療儀，通過超聲波將藥物霧化，由口腔或者鼻腔吸入，更直接地對呼吸和消化器官進行治療。大型的如體外沖擊碎石，在不開刀的條件下，將結石擊碎排出體外，極大地減小了病人的損傷。現在也有新型的超聲聚焦刀，在腫瘤消融等方面提供了更多的治療途徑。這些設備和功能都是利用超聲，只是利用其不同的特性。有了這些直觀觀摩，在講授超聲特性和應用時，學生都可以一一印證。同時，通過與醫生的交流，了解醫生的需求，也可以從工程技術方面去改善超聲設備性能，增強功能及優點，更進一步的話，開發新的設備，給醫生更多的信息，這也是醫療設備蓬勃發展到今天的必經之路。

在通過觀摩對超聲設備和圖像有了一定的直觀感受之后，我們準備了不同設備在實驗室供學生使用。有與醫院相同型號的常規超聲設備，學生可以配合凝膠自行操作，觀察甲狀腺、腎臟、心臟等真實人體部位，對超聲成像有更直觀的認識。準備更多的是超聲示教儀，其電路連線和節點完全可見，結合示波器，讓大家分析各個電路模塊的波形原理、每個節點的信號成因，將課堂上所講的發射控制和接收預處理等理論知識與實際電路相結合，從聲波到圖像，一步步明確每組電路的作用，加深學生的理解。

對于部分希望以后在設計和研發方面更進一步的學生，我們也提供了相應的實踐環境。學生在前期學習中已經完成了單片機和醫療儀器設計原理等課程，有了一定的軟硬件基礎，在相應先導課程結束后，我們安排了綜合實驗設計，其中就包括超聲儀器設計的選題。當然，超聲設備硬件結構要求高（尤其是探頭），軟件算法復雜，對時間控制精度要求高，讓學生從無到有地全程搭建不太現實。我們目前計劃購置部分基礎硬件（比如探頭），先行搭建電路的基礎框架平臺，然后將超聲設備設計這樣一個大的題目分解成各個實際小電路設計。學生可以自己選擇設計其中一個電路模塊，比如發射控制模塊，購買元器件制作PCB板然后焊接，編寫該部分的軟件代碼，將自己完成的電路放入基礎框架平臺中，看是否能得到超聲圖像。學生可以根據自己的興趣和能力，完成一個或者多個模塊。雖然目前還沒有學生完成一個整機的設計和制作，但是各個部分都有學生分別完成，因此，最終整機成品應該也只是時間問題。讓學生在此基礎上完成整體軟硬件設計和控制，不管出來的成品效果如何，這都會是從理論到實踐的極大進步，大大提高學生對理論知識的理解和動手能力。同時也鞏固了前期的各門理論課程知識，將大學幾年所學都綜合應用了起來，真正地實現了理論和實踐相結合，為學生以后的工作打下了基礎。

四、總結展望

“醫學超聲儀器原理”是工科專業的一門基礎專業課，我們努力將其與專業發展相聯系，培養學生探索超聲設備成像的興趣，增強了大家對相關專業課程的系統性掌握，加強了理論知識與實際應用的聯系，提升動手能力，為社會培養更多合格的專業人才。

參考文獻

[1]蔡雙雙，姜培培，曾碧新.生物醫學工程專業《醫學超聲儀器原理》的教學體會[J].考試周刊，2011（56）：188-189.

[2]舒貞權，姚錦鐘.醫學超聲影像新技術綜述[C]//首屆全國醫療器械學術與產業論壇，2002.

[3]王翠萍，孟超，顏家珍，等.《醫學儀器原理》課程以形成性評價為中心的考試改革探索[J].中華醫學教育探索雜志，2012（4）：422-425.

[4]張敬晶.超聲物理教學研究與實踐[J].中國醫學物理學雜志，2012，29（4）：3584-3585.