魏國輝 李延軍 馬志慶 曹 慧 趙文華 劉 靜

(1山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院 濟(jì)南 250355 (山東中醫(yī)藥大學(xué)理工學(xué)院 濟(jì)南 250355)2山東省分布式計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 濟(jì)南 250355)

1 引言

2017年7月20日國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出研發(fā)人機(jī)協(xié)同臨床智能診療方案，實(shí)現(xiàn)智能影像識(shí)別、病理分型和智能多學(xué)科會(huì)診。將人工智能(Artificial Intelligence, AI)[1]應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像處理已成為研究熱點(diǎn)，醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程應(yīng)運(yùn)而生，成為近年來信息學(xué)科研究生關(guān)注的焦點(diǎn)。山東中醫(yī)藥大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)專門開設(shè)該課程，聘用最強(qiáng)的師資，意在使研究生了解最新的醫(yī)學(xué)影像計(jì)算方面發(fā)展動(dòng)態(tài)，學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)影像計(jì)算技術(shù)。然而作為新興交叉研究方向，醫(yī)學(xué)影像計(jì)算既需要深入了解人工智能課程，又需要對(duì)醫(yī)學(xué)影像處理有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)課程偏差較大，若直接沿用現(xiàn)有教學(xué)模式可能效果不佳，因此擬對(duì)醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程的教學(xué)實(shí)踐展開全新探索研究。

2 醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程簡(jiǎn)介

2.1 概述

醫(yī)學(xué)影像計(jì)算的概念來自于醫(yī)學(xué)影像計(jì)算與計(jì)算機(jī)輔助介入大會(huì)(Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention，MICCAI)，是“人工智能+醫(yī)療”快速發(fā)展下產(chǎn)生的一門前沿學(xué)科，是在計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、生物醫(yī)學(xué)工程、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)等多種學(xué)科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，尤其在深度學(xué)習(xí)興起后，醫(yī)學(xué)影像計(jì)算進(jìn)入高速發(fā)展階段。針對(duì)醫(yī)學(xué)影像計(jì)算來講，人工智能是研究工具，醫(yī)學(xué)影像是研究對(duì)象。人們可以使用已有的人工智能算法解決醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的新問題；也可以根據(jù)醫(yī)學(xué)影像問題的特點(diǎn)設(shè)計(jì)專有的人工智能算法。前者偏重于醫(yī)學(xué)影像處理，后者偏重于人工智能算法研究。醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程的開設(shè)能夠較好地培養(yǎng)研究生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和研究興趣，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“人工智能+醫(yī)療”前沿技術(shù)的前瞻性，提高科技素質(zhì)和學(xué)術(shù)水平。

2.2 現(xiàn)狀

醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程是山東中醫(yī)藥大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生的必修課程。作為一門前沿交叉學(xué)科，該課程在開設(shè)過程中需要學(xué)生具有一定的人工智能算法、醫(yī)學(xué)圖像基礎(chǔ)。而相關(guān)信息學(xué)科的學(xué)生一般在本科階段已修過這兩門課程，從而為醫(yī)學(xué)影像計(jì)算學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。筆者所在授課團(tuán)隊(duì)的教師在人工智能、醫(yī)學(xué)影像處理領(lǐng)域擁有豐富的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)，在授課內(nèi)容和項(xiàng)目選題上非常注重實(shí)用性和前瞻性。此外為課程專門配備1名高年級(jí)學(xué)生作為助教，方便課后答疑、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。

3 教學(xué)內(nèi)容

3.1 概述

課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)取決于教學(xué)目標(biāo)的要求，研究生教育要求學(xué)生在牢固掌握學(xué)位課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行科研創(chuàng)新，最終完成學(xué)位論文，達(dá)到畢業(yè)要求。因此課程教學(xué)對(duì)于研究生進(jìn)行科研研究要具有幫助作用，在課程教學(xué)的過程中兼顧科研創(chuàng)新，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新精神是現(xiàn)階段研究生教育的關(guān)鍵所在。

3.2 教學(xué)特點(diǎn)

研究生教學(xué)較本科生有很大的不同，除注重專業(yè)基礎(chǔ)外還強(qiáng)調(diào)研究創(chuàng)新能力，所以在制定教學(xué)內(nèi)容時(shí)需要考慮學(xué)生的實(shí)際能力及授課教師的研究方向。同時(shí)考慮到學(xué)術(shù)碩士和專業(yè)碩士培養(yǎng)模式的不同，在授課時(shí)學(xué)術(shù)碩士強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)研究和創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題；而專業(yè)碩士則重在引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)到的算法應(yīng)用于解決不同的醫(yī)學(xué)影像問題。

3.3 課程設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)影像計(jì)算是來自于人工智能和醫(yī)學(xué)影像的交叉課程，在授課過程中充分考慮兩者的課程內(nèi)容。授課團(tuán)隊(duì)根據(jù)最新研究熱點(diǎn)將課程劃分為1條主線、兩個(gè)對(duì)象和5個(gè)專題，見圖1。1條主線為計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)與診斷，兩個(gè)對(duì)象是乳腺鉬靶X射線影像和肺癌CT影像。5個(gè)專題包括醫(yī)學(xué)圖像分割、特征提取、特征選擇、腫瘤檢測(cè)、腫瘤診斷。授課內(nèi)容緊跟國內(nèi)外最新研究成果以及教師的研究方向，便于學(xué)生交流學(xué)習(xí)。授課團(tuán)隊(duì)根據(jù)授課內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整每個(gè)專題的課時(shí)，著重增加經(jīng)典分類算法以及深度學(xué)習(xí)部分授課課時(shí)。

圖1 醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程內(nèi)容

4 教學(xué)模式

4.1 具體模式

2013年教育部等部委聯(lián)合發(fā)布“關(guān)于深化研究生教育改革的意見”的文件，倡導(dǎo)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)調(diào)課程教學(xué)在研究生培養(yǎng)中的關(guān)鍵作用。因此探究研究生教育的特殊規(guī)律，深化研究生課程教學(xué)模式改革具有深遠(yuǎn)意義。作為中醫(yī)藥院校唯一的生物醫(yī)學(xué)工程碩士點(diǎn)，學(xué)生主要來自于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等信息類本科專業(yè)，考慮到學(xué)生在人工智能和醫(yī)學(xué)影像方面的基礎(chǔ)比較薄弱，對(duì)于醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程，授課團(tuán)隊(duì)確立“教師講授+案例教學(xué)”的方式為主[2]，同時(shí)輔以基于問題的啟發(fā)式教學(xué)?？紤]到個(gè)性化教學(xué)，“教師講授+案例教學(xué)”顧及大部分學(xué)生的課程學(xué)習(xí)，而基于問題的啟發(fā)式教學(xué)鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生的科研創(chuàng)新。“教師講授+案例教學(xué)”的方式按照教學(xué)大綱要求，為學(xué)生講授醫(yī)學(xué)影像計(jì)算基礎(chǔ)理論知識(shí)，包括相關(guān)人工智能算法和醫(yī)學(xué)影像處理方法。案例教學(xué)則要求教師能夠根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和能力設(shè)計(jì)適合學(xué)生進(jìn)行探索活動(dòng)的醫(yī)學(xué)影像計(jì)算案例，強(qiáng)調(diào)如何將學(xué)習(xí)到的人工智能算法直接應(yīng)用于或者創(chuàng)新性地應(yīng)用于解決實(shí)際的醫(yī)學(xué)影像問題，以激發(fā)學(xué)生探究和解決問題的興趣與能力。案例教學(xué)包含兩部分內(nèi)容：首先，針對(duì)相關(guān)醫(yī)學(xué)影像計(jì)算主題，選摘代表性(權(quán)威期刊或會(huì)議)的論文1篇或兩篇進(jìn)行課堂介紹。重點(diǎn)講解論文解決的問題、探索的算法、創(chuàng)新點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)技巧等。同時(shí)組織學(xué)生進(jìn)行課堂討論，引導(dǎo)學(xué)生大膽設(shè)想、探索、懷疑，激發(fā)學(xué)生研究興趣，通過積極參與討論與研究，培養(yǎng)研究型觀念、主動(dòng)探求未知的能力。其次，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，根據(jù)授課專題實(shí)際教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)問題或項(xiàng)目作為課后作業(yè)，項(xiàng)目實(shí)際完成情況作為學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定的主要依據(jù)。

4.2 教學(xué)實(shí)例

如在腫瘤診斷專題的講解過程中講授經(jīng)典分類器支持向量機(jī)、極限學(xué)習(xí)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生了解不同分類算法特點(diǎn)。案例教學(xué)部分則專門挑選使用上述兩種分類器的經(jīng)典論文進(jìn)行講述分析，引導(dǎo)學(xué)生思考論文解決的問題、創(chuàng)新點(diǎn)等。在討論環(huán)節(jié)學(xué)生積極提出一些有針對(duì)性的問題，如支持向量機(jī)和極限學(xué)習(xí)機(jī)各自應(yīng)用的對(duì)象，支持向量機(jī)參數(shù)如何訓(xùn)練，極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)確定等，引導(dǎo)學(xué)生思考，嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證個(gè)人觀點(diǎn)。最后總結(jié)課堂問題，布置作業(yè)，要求學(xué)生選擇上述兩種算法解決乳腺癌的良惡性診斷問題并比較兩個(gè)算法的性能；針對(duì)課堂上提出的問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.4 課程主線

醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程始終貫穿1條主線，即乳腺癌或肺癌的計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)與診斷。因此講授的所有主題都是圍繞這條主線進(jìn)行的。類似于將1個(gè)大的項(xiàng)目計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)與診斷分解為若干個(gè)小的項(xiàng)目，每一階段課程完成1個(gè)小的項(xiàng)目。因此在所有主題講授完成后可以引導(dǎo)學(xué)生將完成的課后作業(yè)進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)1個(gè)小型的計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)。

5 建立課后作業(yè)庫

5.1 課后作業(yè)

是教學(xué)實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，充分考慮學(xué)術(shù)碩士和專業(yè)碩士培養(yǎng)方案的不同，進(jìn)行針對(duì)性的課后作業(yè)項(xiàng)目庫設(shè)計(jì)，如學(xué)術(shù)碩士題目為極限學(xué)習(xí)機(jī)的乳腺腫瘤特征提取研究；專業(yè)碩士題目為基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的乳腺腫瘤診斷[3]。項(xiàng)目庫中不僅有每個(gè)題目的具體要求，而且提供完成該題目所必須的數(shù)據(jù)集、參考資料及提示信息。目前項(xiàng)目庫包含12個(gè)題目，分別對(duì)應(yīng)不同的主題。每個(gè)主題授課完成后，學(xué)術(shù)碩士和專業(yè)碩士都需要完成該主題對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目庫中的題目，每個(gè)題目由2～3人的小組完成。

5.2 課后答疑

針對(duì)研究生課后作業(yè)中存在的問題，專門設(shè)立每周答疑時(shí)間以及建立微信群，由經(jīng)驗(yàn)豐富的助教負(fù)責(zé)給予一定的指導(dǎo)或者在答疑時(shí)間咨詢指導(dǎo)教師，方便主講教師、助教和學(xué)生的溝通交流。同時(shí)教師可在第一時(shí)間收集學(xué)生反饋意見，及時(shí)評(píng)估和調(diào)整教學(xué)活動(dòng)。

6 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

為客觀評(píng)價(jià)醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，查找問題，完善教學(xué)內(nèi)容，需建立一套科學(xué)的教學(xué)效果評(píng)價(jià)體系。將教學(xué)效果評(píng)價(jià)分為兩部分。(1)課堂講述。每個(gè)主題授課完成后，每個(gè)小組需完成課后作業(yè)項(xiàng)目并在講臺(tái)上展示項(xiàng)目完成情況。課堂講述包括闡述項(xiàng)目分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試等完成過程，以便綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的表達(dá)能力、創(chuàng)新思維、研究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。(2)軟件演示。整個(gè)課程完成后，每個(gè)項(xiàng)目小組需要沿著計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)與診斷這條主線，完成1個(gè)小型的計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)或診斷系統(tǒng)并將其展示，同時(shí)要回答教師和同學(xué)的問題和質(zhì)疑。最后由授課團(tuán)隊(duì)教師聯(lián)合評(píng)估打分。

7 結(jié)語

醫(yī)學(xué)影像計(jì)算在“AI+醫(yī)療”興起后受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。經(jīng)過課程團(tuán)隊(duì)近兩年的教學(xué)內(nèi)容、方法研究以及實(shí)踐，研究生醫(yī)學(xué)影像計(jì)算課程教學(xué)效果良好。在教師與學(xué)生的互動(dòng)中，不斷修正教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)中不僅了解最新的行業(yè)研究動(dòng)態(tài)，激發(fā)研究興趣，而且培養(yǎng)創(chuàng)新思維。但是也存在一些問題，如學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，課堂討論準(zhǔn)備不充分，參與度不高；課后沒有深入學(xué)習(xí)相關(guān)算法，項(xiàng)目完成情況不理想等。在后續(xù)的授課中課程團(tuán)隊(duì)將根據(jù)每個(gè)人的具體情況進(jìn)行個(gè)性化輔導(dǎo)、明確每名學(xué)生的預(yù)習(xí)重點(diǎn)，加強(qiáng)授課時(shí)的互動(dòng)，了解學(xué)生課堂學(xué)習(xí)情況，提升授課質(zhì)量。