卜俊杰 姚文君 楊碩 劉菂斐 徐玲 吳小龍

摘 要：基于提高醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生的實(shí)踐操作能力，加強(qiáng)其對理論知識(shí)系統(tǒng)性的掌握。本文分析了傳統(tǒng)該實(shí)驗(yàn)課在引導(dǎo)學(xué)生醫(yī)學(xué)圖像系統(tǒng)性處理上的不足，并提出了新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索方案，即以得到腦功能激活區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，通過對實(shí)際腦功能磁共振圖像進(jìn)行系統(tǒng)性處理，有機(jī)結(jié)合基礎(chǔ)和前沿方法。該方案不僅能增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新型實(shí)踐能力，并且提高了他們對理論知識(shí)的理解和對實(shí)際問題的解決能力，為學(xué)生更好的從事醫(yī)學(xué)圖像相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn);功能磁共振成像;腦功能激活;教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2022.05.071

0 引言

隨著成像技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，醫(yī)學(xué)成像與圖像處理成了一門生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的專業(yè)核心課，該課程包括數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)和信號(hào)處理分析等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，因此，它是一門典型的交叉綜合性課程。該課程一般包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：首先是醫(yī)學(xué)成像的介紹，臨床上最常見的X光、核素、超聲、磁共振四大成像，該部分內(nèi)容使學(xué)生初步掌握常用醫(yī)學(xué)成像方法的原理與過程，為后續(xù)醫(yī)學(xué)圖像處理分析奠定基礎(chǔ);其次是基于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，對醫(yī)學(xué)成像常用分析方法的介紹，比如圖像校正、分割、標(biāo)準(zhǔn)化、配準(zhǔn)、可視化等，使學(xué)生具備初步的圖像處理分析的理論基礎(chǔ)和算法實(shí)現(xiàn)能力。通過對該課程以上兩個(gè)方面的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有初步分析處理醫(yī)學(xué)圖像的能力，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決臨床實(shí)際問題，為其從事與醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)領(lǐng)域的工作打下必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐教學(xué)過程的重要內(nèi)容之一，并且醫(yī)學(xué)圖像處理這門課具有復(fù)雜抽象性高、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)。所以為了幫助學(xué)生更好的理解和運(yùn)用這門課的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤其重要。然而在理論知識(shí)向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變的過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，實(shí)驗(yàn)課上，教師可以對學(xué)生進(jìn)行手把手式教學(xué)，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的不規(guī)范甚至錯(cuò)誤操作，并幫助其糾正。醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)課存在的重要原因就是為了保證學(xué)生能夠運(yùn)用理論知識(shí)實(shí)現(xiàn)對醫(yī)學(xué)圖像的處理分析，解決實(shí)際的醫(yī)學(xué)圖像問題，和理論課程互為補(bǔ)充，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，形成“理論—應(yīng)用”的教學(xué)模式，真正做到讓學(xué)生學(xué)以致用。所以提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上的動(dòng)手分析和解決圖像問題的能力，做到理論和實(shí)踐融會(huì)貫通，有著重要的意義。

1 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀和問題

（1）傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)課一般是使用MATLAB直接對簡單的圖像進(jìn)行處理。主要是通過常用的MATLAB內(nèi)置函數(shù)，對圖像進(jìn)行比如大津法、分水嶺法等算法的圖像分割，通過聚類算法對圖像進(jìn)行分類等。但這些圖像操作相對獨(dú)立，沒有很強(qiáng)的邏輯性和系統(tǒng)性，從而造成了學(xué)生對于這些知識(shí)點(diǎn)快速遺忘的問題，也難以系統(tǒng)性地培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

（2）此外在傳統(tǒng)該實(shí)驗(yàn)課上，老師首先為同學(xué)進(jìn)行相關(guān)圖像實(shí)驗(yàn)理論的介紹，從每次實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)所需的材料，具體的實(shí)驗(yàn)步驟到調(diào)試過程都一一進(jìn)行講解。雖然這種固定重復(fù)的方式保證了課程順利地進(jìn)行，但是在課程的實(shí)踐過程以及課后學(xué)生的反饋中發(fā)現(xiàn)：大部分同學(xué)都被動(dòng)接受老師所傳授的思維方式，這一過程中沒有體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，整體給學(xué)生帶來的感覺是教師在“照本宣科”，學(xué)生的課堂參與性很低，難以鍛煉學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)的能力。

（3）隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)上不斷涌現(xiàn)出新的處理方法，但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中卻沒有很好地體現(xiàn)出這一特點(diǎn)，存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的滯后、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍然長期不變的問題，無法讓學(xué)生將所學(xué)到的知識(shí)更好地應(yīng)用于之后的工作實(shí)踐中，致使學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)的內(nèi)容與實(shí)際工作中所需的知識(shí)脫節(jié)。

2 新型醫(yī)學(xué)圖像處理課程設(shè)計(jì)

基于以上傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)課存在的不足，我們結(jié)合科技熱點(diǎn)，以前沿中需要解決的醫(yī)學(xué)圖像問題為牽引，將醫(yī)學(xué)圖像處理分析中所需要的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有邏輯地銜接起來，從而形成知識(shí)點(diǎn)在實(shí)踐應(yīng)用上的系統(tǒng)性。具體是以得到人腦功能腦激活區(qū)域圖為目標(biāo)，對實(shí)際采集到的功能磁共振醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析，處理過程中涉及對圖像的校正、配準(zhǔn)、分割，空間標(biāo)準(zhǔn)化、圖像統(tǒng)計(jì)分析建模、可視化等操作。此外，在每一次操作中，我們讓學(xué)生自己探索不同的圖像處理算法對結(jié)果的影響，從而幫助學(xué)生更好地從實(shí)踐中理解分析算法的功能，同時(shí)更加積極靈活地處理醫(yī)學(xué)圖像。

2.1 腦功能磁共振圖像數(shù)據(jù)

現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)中所用到的圖像源更多的是簡單的二維圖像，有的甚至是日常生活場景圖片，即使用的醫(yī)學(xué)圖像，但是這些圖像往往不是實(shí)際醫(yī)學(xué)影像中完整的圖像，只是選取了其中幾張圖片作為分析對象。這讓學(xué)生在一開始就降低了利用醫(yī)學(xué)圖像處理分析解決實(shí)際醫(yī)學(xué)問題的主動(dòng)性。

在我們新型的實(shí)驗(yàn)課中，采用的是一個(gè)受試者在完成聽覺實(shí)驗(yàn)任務(wù)下完整的腦功能磁共振圖像數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要以四維形式呈現(xiàn)，其中包含三維的空間信息和一維的時(shí)間信息，格式也是醫(yī)院中常用的DICOM格式（該格式文件包含了醫(yī)學(xué)圖像、病人姓名、圖像大小等信息，直接來自臨床實(shí)踐中）。由于磁共振成像技術(shù)具有無創(chuàng)，無輻射，空間分辨率較高，大腦功能區(qū)定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)研究，磁共振圖像作為標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)學(xué)成像工具，它的建立引起了觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的革命性變革，是目前醫(yī)學(xué)圖像中有代表性的圖像之一。這些腦功能磁共振圖像數(shù)據(jù)既有豐富的實(shí)際臨床醫(yī)學(xué)信息，又可以很好的作為教學(xué)中分析處理的素材。相較而言，我們與通用的圖像處理課程有著明顯的不同，在原有基礎(chǔ)上充分結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像的特點(diǎn)，體現(xiàn)了醫(yī)學(xué)圖像處理的特色，更好地提高了學(xué)生的積極能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地去用各種方法分析處理這些圖像。

2.2 腦激活為目標(biāo)的圖像處理過程

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)課更多的是將各種分析的方法獨(dú)立地應(yīng)用于圖像處理上，很難提高對圖像操作系統(tǒng)性的把握，會(huì)造成學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)死記硬背的現(xiàn)象，強(qiáng)行記憶的知識(shí)也會(huì)快速遺忘，實(shí)際圖像分析中的問題很難得到解決，不能舉一反三。

在新型的實(shí)驗(yàn)課上，結(jié)合腦功能磁共振圖像的特點(diǎn)，我們以得到受試者聽覺相關(guān)的腦區(qū)激活為目標(biāo)，并完成相應(yīng)圖像軟件包的安裝，圖像校正、配準(zhǔn)、分割，空間標(biāo)準(zhǔn)化、圖像統(tǒng)計(jì)分析建模、腦激活圖的可視化等操作流程，這些過程是得到腦區(qū)激活的必要過程。我們通過七次課程來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，上次課的結(jié)果是下次課的輸入，每次課之間都有著緊密的聯(lián)系。所以學(xué)生必須掌握每次課程有關(guān)圖像操作的處理分析過程，否則最終的腦區(qū)激活無法實(shí)現(xiàn)。在這七次課程中，通過老師自上而下的指導(dǎo)與學(xué)生自下而上的理解相結(jié)合，從而提高學(xué)生對醫(yī)學(xué)圖像處理過程的理解以及自己動(dòng)手操作解決實(shí)際問題的能力。簡單的課程內(nèi)容如下：

（1）掌握如何安裝基于MATLAB平臺(tái)的SPM（Statistical Parametric Mapping）工具包。對應(yīng)操作：安裝SPM到MATLAB中保存并打開，利用SPM菜單欄顯示圖像功能打開功能磁共振數(shù)據(jù)圖像（包括功能像和結(jié)構(gòu)像）進(jìn)行操作，查看功能像圖和結(jié)構(gòu)像圖，也可以進(jìn)行腦功能圖像的動(dòng)畫放映，圖像疊加及顏色填充等其它基本操作。

（2）頭動(dòng)校正：給磁共振每幅圖像分配一個(gè)參考掃描，然后對原數(shù)據(jù)重新校正，來減少頭部運(yùn)動(dòng)而引起的圖像偏差。對應(yīng)操作：第一步，估計(jì)每幅圖像和參考圖像間的運(yùn)動(dòng)情況，使用時(shí)間序列中的中間圖像。第二步，獲得的每幅圖像的參數(shù)將用于創(chuàng)建與參考圖像最匹配圖像的重建模板。第三步，比較頭動(dòng)校正前后的區(qū)別以及不同的算法對頭動(dòng)校正的影響，這里可以選用課程中提到的不同算法（包括傅里葉插值等算法），了解不同算法對校正的影響。

（3）圖像配準(zhǔn)：將不同模態(tài)下的功能像和結(jié)構(gòu)像進(jìn)行匹配、疊加的過程。對應(yīng)操作：第一步，利用SPM完成配準(zhǔn)前圖像顯示。第二步，進(jìn)行頭動(dòng)校正后平均值圖像與原圖像頭動(dòng)估計(jì)的比較。第三步，完成圖像配準(zhǔn)的操作，比較不同算法對圖像配準(zhǔn)的影響等。

（4）圖像分割：將腦組織分割成不同的成分（灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液），根據(jù)加權(quán)像不同組織的亮度不同這一特性，可以設(shè)定閾值來鑒別每種成分。對應(yīng)操作：第一步，提前利用SPM完成配準(zhǔn)。第二步，在配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上完成分割后圖像的顯示。第三步，觀察不同的參數(shù)對圖像分割的影響。

（5）圖像空間標(biāo)準(zhǔn)化：把數(shù)據(jù)變換到一個(gè)共同空間的處理過程，便于減少個(gè)體間的差異從而成功地進(jìn)行有意義的組間分析，從而在進(jìn)行解剖定位。對應(yīng)操作：第一步，提前利用SPM完成分割。第二步，將功能像與結(jié)構(gòu)像標(biāo)準(zhǔn)化前后圖像進(jìn)行比較。第三步，觀察不同算法參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)化的影響（比如三位插值算法）。

（6）圖像空間平滑：是將噪聲所在像素點(diǎn)的像素值處理為其周圍臨近像素點(diǎn)值的近似值，通過增加圖像的平滑度來加大空間信號(hào)的信噪比。對應(yīng)操作：第一步，提前利用SPM完成空間標(biāo)準(zhǔn)化。第二步，用一個(gè)三維高斯濾波器的三維圖像的卷積的半高寬對圖像進(jìn)行處理。

（7）圖像統(tǒng)計(jì)分析建模和腦激活圖的可視化：首先，得到腦部功能像平滑后腦激活圖像，完成圖像統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)部分，并顯示過程。圖像統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)部分導(dǎo)入全部功能圖像，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，提取單個(gè)體素的廣義線性模型建模和對比繪制圖像，最后顯示相關(guān)內(nèi)容。其次，得到廣義線性模型計(jì)算的文件，實(shí)現(xiàn)腦激活的可視化，也可立體顯示。

3 總結(jié)

該新型實(shí)驗(yàn)課程通過以得到人腦活動(dòng)激活區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)（即醫(yī)學(xué)中腦功能定位的問題），使學(xué)生完成了醫(yī)學(xué)圖像處理分析中的圖像校正、配準(zhǔn)、分割，空間標(biāo)準(zhǔn)化、圖像統(tǒng)計(jì)分析建模、腦激活圖的可視化等關(guān)鍵性分析過程。初步建立了利用醫(yī)學(xué)圖像處理分析方法解決實(shí)際問題的系統(tǒng)性思維，將理論課的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以及生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特點(diǎn)生動(dòng)的串聯(lián)起來，在整個(gè)過程中，不僅提高了學(xué)生的積極性，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)了更多的興趣點(diǎn)，還提高了學(xué)生對于理論實(shí)踐的融會(huì)貫通，既鍛煉了學(xué)生對于圖像分析的動(dòng)手處理能力，也提高了其對于醫(yī)學(xué)圖像分析理論的理解。將實(shí)踐分析和圖像基礎(chǔ)理論相結(jié)合，真正意義上提高了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，為今后更深入地研究和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]王克難，王亞平，李福星，等.面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“醫(yī)學(xué)圖像處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究[J].新課程（下），2015，（06）：26-28.

[2]李振偉，楊曉利，胡志剛，等.以學(xué)生為中心的專業(yè)課實(shí)驗(yàn)方式研究與實(shí)踐——以醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)為例[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2015，29（01）：87-91.

[3]楊潤懷，陳月明，高天昀，等.基于增材制造技術(shù)的創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].科教文匯（上旬刊），2018，（01）：70-72.

[4]王莉，邱明國，桑林瓊，等.醫(yī)學(xué)圖像處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010，（25）：39.

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