任海龍，張明慧

（1.南方醫(yī)科大學(xué)附屬南方醫(yī)院，廣東 廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引言

骨科教學(xué)具有非常強(qiáng)的專業(yè)性，如何在骨科教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生清晰地掌握骨骼、血管、神經(jīng)和肌肉等基本結(jié)構(gòu)及其在人體的位置和其毗鄰關(guān)系是骨科教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的多媒體軟件，如微軟的Powerpoint等辦公軟件一般是針對(duì)自然圖像，很少涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用它制作的人體組織、器官的圖像或圖形不夠逼真，尤其是立體結(jié)構(gòu)難以表達(dá)清楚，不利于學(xué)生理解和掌握。而IrfanView等醫(yī)學(xué)圖像的閱片軟件只能顯示冠狀面、矢狀面和橫截面等二維圖像，并不能對(duì)骨骼或其他器官進(jìn)行三維重建。上述教學(xué)問(wèn)題都可以借助Matlab軟件輕松解決，Matlab除了可以繪制逼真形象的圖形，還可以利用自帶的工具箱對(duì)人體正常組織、器官或病變部位進(jìn)行更直接、更清晰觀察，并根據(jù)需要對(duì)重要的器官或骨骼進(jìn)行分割、三維重建及數(shù)據(jù)可視化，因此，將Matlab應(yīng)用于骨科教學(xué)勢(shì)在必行。

1 Matlab簡(jiǎn)介

Matlab全稱為Matrix Laboratory，是由美國(guó)密西根大學(xué)的Moler教授于1980年首次創(chuàng)立，最早致力于矩陣等數(shù)學(xué)運(yùn)算。它有強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、簡(jiǎn)單而靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量且快速的圖形可視化的功能，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，應(yīng)用范圍涵蓋通信、醫(yī)療、人工智能、計(jì)算機(jī)、圖像處理、動(dòng)態(tài)仿真等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的高校開(kāi)設(shè)了Matlab課程，并將Matlab應(yīng)用到教學(xué)中[1-2]。

Matlab主要是針對(duì)矩陣（Matrix）運(yùn)算，而醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像本質(zhì)就是矩陣，所以Matlab特別適合于醫(yī)學(xué)圖像處理。用Matlab編程簡(jiǎn)單，類似于書(shū)寫(xiě)數(shù)學(xué)公式，編程效率非常高，編程難度和運(yùn)行時(shí)間大大減少。Matlab自帶的庫(kù)函數(shù)非常豐富，計(jì)算功能強(qiáng)大，而且很多是用C語(yǔ)言或C++編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，調(diào)用方便，非常適用于科學(xué)和工程計(jì)算。Matlab編寫(xiě)語(yǔ)言簡(jiǎn)單、靈活，集成環(huán)境將編譯、鏈接、執(zhí)行融為一體，方便用戶編寫(xiě)、修改和調(diào)試，即使是臨床醫(yī)生也可以很快掌握它的基本功能。Matlab具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)可視化功能，提供了大量的二維和三維圖形功能，可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，并提供多種圖形命令，可以快速繪制出曲線圖、柱狀圖、表面圖等十多種類型的二維、三維圖形。Matlab易于擴(kuò)充，可以根據(jù)骨科教學(xué)的需要建立文件庫(kù)和函數(shù)，方便調(diào)用，從而提高了運(yùn)算和使用效率，擴(kuò)充了計(jì)算功能。Matlab還具有豐富的工具箱（Toolbox），如圖像處理工具箱，深度學(xué)習(xí)工具箱，可視化工具箱等，可以為通信、醫(yī)療等領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供強(qiáng)有力的幫助。Matlab的這些簡(jiǎn)單易學(xué)，方便使用，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)使其很快應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科，成為圖像處理、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析、人工智能等領(lǐng)域中必不可少的應(yīng)用軟件[3]。

2 Matlab應(yīng)用于骨科教學(xué)的必要性

隨著計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)的普及，各種先進(jìn)的教學(xué)手段在骨科教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。減少了黑板板書(shū)和手寫(xiě)教案，降低了重復(fù)教學(xué)工作量，增加圖片圖形、動(dòng)畫(huà)、視頻等信息，豐富了教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生更好的理解和認(rèn)識(shí)各個(gè)復(fù)雜的人體組織、器官，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。但是目前的骨科教學(xué)尚存在一些不足。比如，當(dāng)前骨科教學(xué)大多使用Powerpoint作為教學(xué)輔助工具，僅是簡(jiǎn)單地將教材中的文字和圖片通過(guò)課件投放出來(lái)講解，其實(shí)質(zhì)就是將傳統(tǒng)的紙質(zhì)教案轉(zhuǎn)換為電子圖片，并不是真正的計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)。而且忽視與學(xué)生的互動(dòng)，學(xué)生在課堂上的只是被動(dòng)的接收課本知識(shí)，缺乏針對(duì)性和趣味性。并且由于教學(xué)內(nèi)容多、進(jìn)度快，學(xué)生課上缺少理解和思考的時(shí)間，未必能夠準(zhǔn)確完整地理解教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)效果差強(qiáng)人意。

幾乎所有臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)都需要借助圖像對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行演示和解釋，并且需要借助圖像對(duì)一些重要結(jié)構(gòu)或器官進(jìn)行科學(xué)而直觀形象的說(shuō)明，因此醫(yī)學(xué)圖像是醫(yī)學(xué)教學(xué)的重要的工具和媒介。比如在骨科教學(xué)中，椎管狹窄的形成過(guò)程，腰椎間盤(pán)突出的致病因素等。學(xué)生理解和記憶起來(lái)比較困難，而如果這些基礎(chǔ)理論學(xué)不好，將會(huì)影響后續(xù)的學(xué)習(xí)和手術(shù)操作。因此，將一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、器官在教學(xué)過(guò)程中利用圖像或者視頻進(jìn)行深入淺出地描述就顯得至關(guān)重要。如在講解椎管狹窄的形成過(guò)程時(shí)，只需幾行簡(jiǎn)單的Matlab命令，制作成動(dòng)畫(huà)，就能360度旋轉(zhuǎn)顯示椎管及其變成狹窄的過(guò)程。因此，在骨科教學(xué)中根據(jù)具體問(wèn)題和知識(shí)點(diǎn)利用Matlab制作圖像和動(dòng)畫(huà)，一方面能使幫助并加深學(xué)生理解所學(xué)的知識(shí)，另一方面可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，查找資料，編寫(xiě)程序，完成對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和拓寬；同時(shí)也在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力，讓醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)、人工智能等工科知識(shí)，有利于將學(xué)生培養(yǎng)成為復(fù)合型人才，為將來(lái)從事科研和臨床工作奠定扎實(shí)基礎(chǔ)[5]。

3 Matlab應(yīng)用于骨科教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 教學(xué)中的快速直觀性

Matlab可以快速制作各種圖形，其圖形可以是來(lái)自現(xiàn)有圖片，也可以進(jìn)行編程得到，特別是Matlab制作的課件渲染效果更豐富，繪圖更易修改。Matlab圖形顯著的特點(diǎn)是高度的逼真性，可以顯示二維、三維甚至四維圖像，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)組織、器官的結(jié)構(gòu)及其毗鄰時(shí)更加得心應(yīng)手。再比如MR、CT等醫(yī)療儀器采集到的數(shù)據(jù)類型大多是dicom形式，而Matlab自帶的函數(shù)可以直接快速讀取dicom文件信息，這些信息不僅僅包括被試者的圖像信息，還有采集機(jī)器的有關(guān)信息，如核磁共振的場(chǎng)強(qiáng)等，還包括被試者的性別、名字等身份信息。

盡管Matlab并不是專門(mén)的教學(xué)軟件，但其強(qiáng)大的繪圖和兼容功能使得教學(xué)過(guò)程中的抽象概念直觀易懂。如圖1所示，是對(duì)512×512×200的CT三維數(shù)據(jù)進(jìn)行體繪制的結(jié)果。利用Matlab可以快速地對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，便于學(xué)生觀察骨骼或其他組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖1 CT三維數(shù)據(jù)體繪制

3.2 教學(xué)中良好的互動(dòng)性

教師可以讓學(xué)生手動(dòng)的點(diǎn)出脊椎骨，然后利用Matlab工具包勾畫(huà)出整個(gè)完整的脊椎，如圖2所示。教師同時(shí)對(duì)章節(jié)所授知識(shí)的重點(diǎn)與難點(diǎn)予以演示和答疑，這樣就可以在課堂上形成教師與學(xué)生的良好互動(dòng)與反饋，從而活躍課堂教學(xué)氣氛，明顯提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和思維的創(chuàng)造性，提高課堂教學(xué)的綜合質(zhì)量。

圖2 Matlab交互勾畫(huà)脊椎骨

3.3 教學(xué)手段的豐富性

Matlab的應(yīng)用豐富了多媒體教學(xué)手段，改變單調(diào)的授課方式，提高了教學(xué)質(zhì)量，為教學(xué)改革提供了新的工具。作為醫(yī)學(xué)生來(lái)說(shuō)，了解Matlab編程及相應(yīng)的圖像處理功能尤為重要，不僅有利于醫(yī)學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且對(duì)于將來(lái)的論文書(shū)寫(xiě)和科研工作都有極大的幫助。如圖3（P125）所示，是利用Matlab進(jìn)行剖切顯示，可有效去除骨骼對(duì)顱內(nèi)血管的遮擋，便于觀察顱內(nèi)血管與骨骼之間的空間關(guān)系。

圖3 利用Matlab進(jìn)行顱骨剖切顯示

4 結(jié)論

Matlab作為一種高效、新穎、直觀的教學(xué)輔助手段，將其引入到骨科教學(xué)中，可以有效借助豐富生動(dòng)的圖形圖像和動(dòng)畫(huà)表達(dá)抽象難懂的專業(yè)醫(yī)學(xué)知識(shí)，可以將大量抽象的醫(yī)學(xué)知識(shí)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的先進(jìn)手段和方法結(jié)合起來(lái)，不僅克服了傳統(tǒng)教學(xué)模式中，講解內(nèi)容過(guò)于抽象、空泛且難以擴(kuò)展等方面的不足，還可以加深學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解和認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。分析Matlab引入骨科教學(xué)之后學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生平均出勤率為97.32%，明顯高于未引入Matlab時(shí)的平均出勤率的80.68%，說(shuō)明學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高；期末理論考試平均成績(jī)85.12分，明顯高于未引入Matlab時(shí)的平均成績(jī)76.89分，說(shuō)明學(xué)生的學(xué)習(xí)效果得到了有效提升。醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)使用Matlab，還可以提升他們借助現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和科研的能力，進(jìn)而提高獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。我校醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生參加大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，累計(jì)榮獲全國(guó)一等獎(jiǎng)8項(xiàng)，全國(guó)二等獎(jiǎng)24項(xiàng)，廣東省一等獎(jiǎng)37項(xiàng)，名列全國(guó)醫(yī)科院校第一；參加全國(guó)大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽，榮獲國(guó)家一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二三等獎(jiǎng)多項(xiàng)。在這些競(jìng)賽中，醫(yī)學(xué)生借助Matlab生動(dòng)展示實(shí)際問(wèn)題，建立數(shù)學(xué)模型，然后又利用Matlab求解數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而解決實(shí)際問(wèn)題，可以說(shuō)Matlab是培養(yǎng)“新醫(yī)科”背景下卓越創(chuàng)新型人才的有力工具。