發(fā)布時間：2023-11-14 10:28:47
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)成像技術(shù)；翻轉(zhuǎn)課堂；教學(xué)模式；創(chuàng)新性人才
基金項目：南京郵電大學(xué)教學(xué)改革項目（JG03215JX87）
中圖分類號：G642
一、引言
翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式是一種以學(xué)生自主學(xué)習(xí)，老師指導(dǎo)輔助的一種新穎的授課模式。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和計算機技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得“翻轉(zhuǎn)課堂式”的教學(xué)模式被應(yīng)用到很多國內(nèi)外的教學(xué)實踐中，并取得了良好的教育效果。由于課程性質(zhì)的不同，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式被進行了不同程度的延伸和改變以適應(yīng)不同的課程性質(zhì)與教學(xué)目的。因此，我們針對具體課程教學(xué)過程中存在的問題進行授課模式的探索，將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的思想應(yīng)用到實際的教學(xué)實踐中，探討結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)特點的課程設(shè)計及應(yīng)用。
二、當(dāng)前課程中存在的問題分析
《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)》是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1-3]。該課程針對臨床廣泛使用的CT、核磁共振、超聲等醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的成像原理和基本成像算法進行了系統(tǒng)化的講授。其內(nèi)容既包括理論公式的推導(dǎo)，又含有算法程序設(shè)計的講解和實驗，為在醫(yī)學(xué)圖像處理領(lǐng)域?qū)W習(xí)的本科生的就業(yè)和繼續(xù)深造打下了堅實的基礎(chǔ)。該課程包括成像原理部分和圖像處理實驗設(shè)計兩大部分內(nèi)容，是一門能夠直接應(yīng)用于工程實際的技術(shù)課程。關(guān)于成像原理部分，現(xiàn)有的課程教材內(nèi)容學(xué)科性、理論性較強，所涉及的學(xué)科知識點較復(fù)雜和概括，學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的原理部分一般只能針對課本中所給出的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)公式對成像算法進行比較淺顯的表層理解。關(guān)于圖像處理實驗部分，該課程教材給出了兩個算法設(shè)計實驗，學(xué)生針對這兩種算法進行簡單的編程實現(xiàn)，這使得學(xué)生形成了一種固有的實驗思維，對編程能力以及算法理解存在著片面性和局限性。因此，如何能夠使學(xué)生通過這門課程的學(xué)習(xí)，更好的理解和掌握醫(yī)學(xué)成像的原理和技術(shù)方法，使學(xué)生能夠跳脫固有的思維定式，運用已掌握的知識解決遇到的醫(yī)學(xué)圖像處理問題成為這門課程的授課重點。
三、翻轉(zhuǎn)課堂模式在實際教學(xué)中的應(yīng)用
翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)模式在現(xiàn)代的教學(xué)應(yīng)用中一般是讓學(xué)生在課前利用豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源在教師的指引下，按照一定的學(xué)習(xí)主題，閱讀相關(guān)的背景資料，嘗試對知識進行理解，并在實際的課程學(xué)習(xí)中，帶著之前學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的疑問與授課老師進行探討和分析。這樣的學(xué)習(xí)模式有助于幫助學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)態(tài)度，幫助學(xué)生駕馭復(fù)雜而系統(tǒng)的學(xué)科知識。
由于本課程涉及到的理論背景知識復(fù)雜，學(xué)科專業(yè)交叉等特點，我們從課件設(shè)計，本專業(yè)的學(xué)生分析以及教學(xué)實踐三個方面來進行授課模式的構(gòu)建研究。
（一）課件設(shè)計
針對本課程的教學(xué)重點和實際要求，通過對國內(nèi)文獻調(diào)研和國外相關(guān)課程教材的學(xué)習(xí)研究，我們發(fā)現(xiàn)運用豐富的計算機工具和多媒體設(shè)備可以很好地完善醫(yī)學(xué)成像教學(xué)課件的理論知識內(nèi)容。普遍性的單一的演示文稿教學(xué)課件往往會使學(xué)生的注意力下降，單純的文字說明并不能讓學(xué)生對課程本身產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，特別是在成像原理部分關(guān)于公式的推導(dǎo)和分析很難讓學(xué)生有一個深刻的理解和認識。因此，通^動畫演示、視頻講解等多媒體輔助，可以使數(shù)學(xué)公式變?yōu)楫嬅嬷庇^的呈現(xiàn)給學(xué)生，這種形象的說明能夠充分的表現(xiàn)出原理部分的基本特性，更有助于學(xué)生的理解。
（二）學(xué)生分析
生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是一門具有高度綜合性的交叉學(xué)科。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生，我們側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力以及發(fā)散性的思維，提高鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。而將翻轉(zhuǎn)課堂理念應(yīng)用于該專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課教學(xué)中，可以更好的提高學(xué)生的綜合技能，使即將步入社會的本專業(yè)學(xué)生能夠更快更廣地適應(yīng)社會的需求，也使得進一步深造的學(xué)生具備更強的自主科研能力。
（三）教學(xué)實踐
本課程的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)分為課堂教學(xué)和課內(nèi)編程實驗教學(xué)兩部分。在實際的課堂教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中，通過結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，我們對《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)》課程的教學(xué)過程進行調(diào)整。首先，在教學(xué)過程中，學(xué)生以小組的形式對分段知識點進行自學(xué)研究并制作出PPT進行公開發(fā)表，這些PPT可作為課后的復(fù)習(xí)補充材料，在對已經(jīng)學(xué)過的知識點進一步鞏固和深化理解，同時，由于在實際教學(xué)活動中，安排了相應(yīng)的課題發(fā)表環(huán)節(jié)，使得學(xué)生的口語表達能力和團隊協(xié)作能力得到了提升。
四、結(jié)論
《醫(yī)學(xué)成像技術(shù)》課程具有學(xué)科交叉融合、知識點抽象、內(nèi)容枯燥等特點，通過借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，本課程的教學(xué)流程和授課模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師單純利用單一教學(xué)課件教學(xué)的授課模式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，利用為課件中添加演示動畫等影音資料等方式將枯燥的專業(yè)理論知識變得既生動形象又簡單易懂，使學(xué)生既能夠便捷的進行有目的地理論知識學(xué)習(xí)，又有利于培養(yǎng)對于實際問題的解決能力。另外，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下的課件演示動畫展示及綜合實驗程序設(shè)計等都能夠更真實地反映學(xué)生對知識點的掌握程度。
翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式與各種其他教學(xué)模式一樣都同時具有先進性和局限性。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力等方面有一定優(yōu)勢。然而，這種教學(xué)模式對課程、教師、學(xué)生以及學(xué)校軟硬件的配備上都有一定的要求，并不是所有的情況都能夠適用翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式。因此，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實踐中，我們要選擇合適的課程、教師、學(xué)生和學(xué)校，要把握好翻轉(zhuǎn)課堂的“度”，盡可能地發(fā)揮傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢，避免由盲目運用翻轉(zhuǎn)課堂所帶來的不利影響，從而更有利地促進教育改革的深入發(fā)展。
參考文獻：
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麻省理工學(xué)院研究生奧特克萊斯特?古普塔表示，當(dāng)光子從墻上反彈并射在室內(nèi)拐角處暗藏物體上被反射回來時，利用光子環(huán)繞和反彈的時間數(shù)據(jù)，他們能夠獲取有關(guān)物體幾何形狀的信息。
先進光學(xué)系統(tǒng)主要由超快激光器和兩維超快掃描照相機組成，它們的工作頻率可達每秒萬億次?？茖W(xué)家用它們能在1 s內(nèi)拍攝數(shù)10億張圖像，通過分析反彈光子的運動狀況“看到”室內(nèi)拐角處的物體。
超快掃描照相機與其他照相機不同，它是根據(jù)光子進入照相機的時間來成像。古普塔說，這樣的成像方式為人們提供了了解光子需要多長時間被反彈回來的良好途徑。如果在拐角處存在某種物體的話，光子返回得越快則進入超快掃描照相機的時間就越早。他們用超快掃描照相機捕捉和計算光子數(shù)，每張圖像上有3個或更少的光子。通過快速大量的成像來生產(chǎn)掃描圖像，幫助他們決定光子傳輸?shù)木嚯x（以cm計算）。當(dāng)數(shù)據(jù)收集完成后，他們便能了解拐角處暗藏物體的基本幾何形狀和三維成像。
新的成像技術(shù)具有眾多潛在的應(yīng)用，其中包括在救災(zāi)方面的應(yīng)用。古普塔認為，如果有房屋倒塌，新技術(shù)能夠幫助救災(zāi)人員知道廢墟內(nèi)是否有人存在。事實上，新技術(shù)幾乎適用于各種各樣的災(zāi)害現(xiàn)場，特別是需要了解內(nèi)部具體情況以及角落處是否有人的火災(zāi)，火災(zāi)的危險程度以及有害環(huán)境，由此人們不會冒險派人進入燃燒的房屋內(nèi)，新技術(shù)可以極大地減少救災(zāi)人員可能面對的威脅。
關(guān)鍵詞： 新專業(yè)建設(shè) 學(xué)科發(fā)展 興趣小組 生物醫(yī)學(xué)工程
生物醫(yī)學(xué)工程是一門新興的交叉學(xué)科，綜合生物學(xué)、工程學(xué)和醫(yī)學(xué)理論和方法，在各層次上研究生物系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并運用工程技術(shù)手段解決臨床醫(yī)學(xué)中的關(guān)鍵問題。要求學(xué)生掌握寬廣而扎實的電子學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)理論基礎(chǔ)，能在理、工、生、醫(yī)等學(xué)科高度交叉中進行前沿科學(xué)研究、知識創(chuàng)新，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，并推動相關(guān)科學(xué)技術(shù)發(fā)展，以滿足我國對生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域高級人才的需求。生物醫(yī)學(xué)工程屬于工學(xué)門類，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)一級學(xué)科。
本學(xué)科是利用生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子信息科學(xué)等領(lǐng)域的最新研究成果用于生物信息工程、生物電子工程、大型醫(yī)療儀器系統(tǒng)、現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)等領(lǐng)域的科研工作。工程碩士學(xué)位授權(quán)單位培養(yǎng)從事生物醫(yī)學(xué)信息檢測、醫(yī)用儀器、醫(yī)學(xué)影像、生物電子學(xué)、生物醫(yī)用材料等方面研究開發(fā)、生產(chǎn)制造、檢測與控制、管理與維修的高級工程技術(shù)人才。生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究和人才培養(yǎng)側(cè)重于生命科學(xué)、電子信息科學(xué)、醫(yī)學(xué)等的交叉和滲透。該領(lǐng)域是生物醫(yī)學(xué)信息、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、基因芯片、納米技術(shù)、新材料等技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和創(chuàng)新基地，是與21世紀生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)形成和發(fā)展密切相關(guān)的工程領(lǐng)域，是關(guān)系提高醫(yī)療診斷水平和人類自身健康的重要工程領(lǐng)域。
天津工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是一個年輕的、處于高速發(fā)展中的理、工、生、醫(yī)交叉融合的新興學(xué)科方向。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為電信學(xué)院的新興專業(yè)，近年來發(fā)展迅速，有較大的發(fā)展?jié)摿?。專業(yè)下設(shè)5個實驗室，醫(yī)學(xué)儀器及設(shè)備實驗室、醫(yī)學(xué)成像及光譜成分分析實驗室、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實驗室、醫(yī)學(xué)建模與仿真實驗室、膜片鉗實驗室，擁有一批踏實肯干、敢于創(chuàng)新、勇于攻關(guān)的年輕科研人員，并將不斷吸引其他相關(guān)學(xué)科的碩士、博士研究生、博士后等進行學(xué)科交叉的研究工作?？蒲蟹矫胬萌梭w信息檢測技術(shù)與智能服裝相結(jié)合，設(shè)計出檢測、監(jiān)控、調(diào)節(jié)人體狀態(tài)的一體化智能服裝;膜片鉗方向主要進行生物物理和生物化學(xué)方向研究，同時與天津大學(xué)和天津各大醫(yī)院開展密切合作，在醫(yī)療儀器研制和臨床實驗等方面積累一定的經(jīng)驗和成果。
本專業(yè)開設(shè)的主要課程有：C語言程序設(shè)計、電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、大學(xué)物理、分析化學(xué)、高頻電子技術(shù)、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)、工程光學(xué)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理及DSP技術(shù)、通信原理、嵌入式系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、醫(yī)學(xué)成像新技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、生物醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計基礎(chǔ)等。本專業(yè)畢業(yè)生可以在國家機關(guān)、醫(yī)院、國防、科研機構(gòu)、學(xué)校、工廠等企事業(yè)單位從事醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)和管理工作，服務(wù)于天津醫(yī)療產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的發(fā)展需求。本專業(yè)學(xué)制四年，學(xué)生畢業(yè)后可獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位，本專業(yè)具有碩士學(xué)位授予權(quán)。
在本科生人才培養(yǎng)方面，本專業(yè)也是廣開思路，在大一剛?cè)雽W(xué)就進行思想教育，根據(jù)學(xué)生興趣對其未來發(fā)展進行規(guī)劃，由于本專業(yè)是一門新興的交叉學(xué)科，因此學(xué)生喜歡的專業(yè)方向也不一樣，有生物、醫(yī)學(xué)、電子等設(shè)計物理、化學(xué)等不同方向的需求，學(xué)生提出的就業(yè)方向也不完全一致，區(qū)別于傳統(tǒng)的專業(yè)學(xué)生，如電子信息工程專業(yè)學(xué)生雖然興趣不統(tǒng)一，在專業(yè)方向上容易把握，而生物、醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等涉及的學(xué)科更多，對新專業(yè)教學(xué)提出新挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)不同學(xué)生不同需求，我們系的老師進行了深入探討。
關(guān)鍵詞：稀土上轉(zhuǎn)換納米材料；生物醫(yī)學(xué)；生物材料；發(fā)光材料
1稀土上轉(zhuǎn)換納米材料結(jié)構(gòu)組成
UCNP通常由基質(zhì)、敏化劑與激活劑構(gòu)成。目前研究發(fā)現(xiàn)，以NaYF4作為基質(zhì)，Er3+、Tm3+、Ho3+離子對共摻雜的材料是UCL性能最好且最具潛力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法等。其中，水熱/溶劑熱法和熱分解法因具有靈活控制晶粒生長并且一次合成過程可以同時實現(xiàn)納米材料的制備及表面修飾等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的合成方法[4]。通過以上方法合成的UCNP通常由疏水性配體（油胺、油酸）封端，導(dǎo)致合成的材料水溶性和生物相容性差。為了將UCNP更好地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對其進行表面功能化修飾尤為重要。主要方法包括配體除去、配體氧化、配體交換、表面硅烷化，以及兩親性聚合物包覆等方法。
2生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
2.1生物傳感
UCNP具有多個發(fā)射峰且發(fā)射譜帶窄，以及近紅外激發(fā)下顯示出低背景自發(fā)熒光的特性，使其特別適用于生物傳感的應(yīng)用。UCNP已被廣泛用于檢測各種生物變量（如溫度、pH值）。支持溫度傳感應(yīng)用的是波爾茲曼分布理論。Er3+是常見用于溫度傳感的鑭系離子，Er3+在520nm和550nm處的UCL，分別對應(yīng)2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能級躍遷，因此可以用來檢測溫度。MaestroLM等[5]設(shè)計了第一臺NaYF4∶Yb/Er納米材料用于細胞測溫，使用它可以精確檢測單個癌細胞，如HeLa癌細胞的溫度（25℃~45℃，區(qū)間區(qū)分低至為0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]將具有光熱轉(zhuǎn)化作用的金納米棒與細胞共孵育后，向培養(yǎng)液中加入UCNP，最后采用800nm激光對金納米棒進行輻照，使其產(chǎn)生熱量，進而引起細胞周圍溫度的升高，通過UCNP的熒光值計算出相應(yīng)位置的溫度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是臨床診斷和治療中應(yīng)用最廣泛的成像技術(shù)之一，該技術(shù)基于X射線衰減系數(shù)。UCNP中一些鑭系元素離子具有較強的X射線衰減能力，所以其可作為CT造影劑。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數(shù)。ShenJW等[7]將NaLuF4作為基質(zhì)材料的UCNP應(yīng)用于CT成像。其他研究者也對基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作為CT成像進行了充分研究[8，9]。UCNP為CT造影劑的構(gòu)建提供新的原料來源。
2.2.2MRI成像
MRI是一種較新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其掃描通常需要造影劑以提高靈敏度和準確度。在元素周期表中具有最高數(shù)目未配對電子的Gd3+常用作MRI造影劑。Gd3+與二亞乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是臨床上最常用的造影劑之一[10]。研究發(fā)現(xiàn)其造影劑在體內(nèi)釋放游離Gd3+具有高毒性，將Gd3+離子摻入UCNP中可以顯著降低釋放從而減少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于標記T細胞的超小型NaGdF4-TAT納米探針，靜脈注射24h后通過T1加權(quán)MRI可以靈敏地跟蹤標記過的T細胞簇。BijuS等[13]研究出一種新型UCNPMRI造影劑（NP-PAA-FA），其可作為低于1.5TT1加權(quán)造影劑、3TT1/T2雙重加權(quán)造影劑和超高磁場高效T2加權(quán)造影劑。該造影劑主要特征是通過改變磁場強度而改變造影劑的類型，此項研究將極大地推動MRI造影劑在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展。
2.2.3光學(xué)成像
UCNP已經(jīng)引起了許多研究者對將其應(yīng)用于光學(xué)造影劑的興趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激發(fā)下發(fā)出明亮的熒光，由于其聲子能量低、上轉(zhuǎn)換熒光效率高和發(fā)光顏色豐富等優(yōu)點，已廣泛用于小動物成像[14]。ZhangK等[15]通過酰胺化反應(yīng)將納米金剛石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er納米顆粒結(jié)合，制備出UCNP-ND用于光學(xué)成像和細胞中藥物遞送的新型納米平臺，由于強烈的上轉(zhuǎn)換熒光和pH響應(yīng)性藥物釋放，UCNP-ND可以為可視化和腫瘤治療中藥物遞送提供新的思路。
2.2.4多模態(tài)成像
常規(guī)的單個成像技術(shù)有其固有的限制和缺點。多模態(tài)成像可以彌補其缺點，使疾病在早期診斷階段得到更加準確的信息，從而提高疾病的治愈率。MRI/CT雙模態(tài)成像是最普遍的成像組合。JinX等[16]通過熱解法首次合成具有優(yōu)異的MRI/CT成像性能和相對低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修飾NaGdF4∶Dy的納米粒子。CT和MRI成像無法進行細胞水平成像，光學(xué)成像在細胞水平具有較高分辨率和靈敏度，但不具有較高空間分辨率和難以提供三維組織的缺點。因此，將熒光成像與CT和MRI成像相結(jié)合，可以獲得組織和細胞級的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有優(yōu)異MRI/UCL/CT三模態(tài)成像性能、較低毒性且無熒光淬滅的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb納米材料。將多種成像相結(jié)合制備一種多功能成像探針在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
2.3腫瘤治療
2.3.1光動力治療
光動力治療（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激發(fā)光的照射下，光敏劑（photochemicalsensitizer，PS）被激發(fā)將氧氣轉(zhuǎn)化為活性氧，殺死癌細胞的治療方法。其因具有微創(chuàng)性和時空選擇性被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療領(lǐng)域。典型PDT由PS、激發(fā)光和氧氣構(gòu)成。常規(guī)PDT受到激發(fā)光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性質(zhì)用于PS的激活，從而提高穿透深度[19]。UCNP介導(dǎo)的PDT在深部腫瘤治療方面已取得巨大成果。然而，缺乏腫瘤選擇性而對正常組織不可避免的光毒性仍然是一個棘手的問題。LiF等[20]研究出腫瘤pH敏感光動力納米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自組裝PS接枝的pH響應(yīng)性聚合物配體（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP組成。在正常血液pH=7.4時，PPN帶負電，沒有光活性，在腫瘤細胞外pH=6.5時快速將其表面電荷從陰性轉(zhuǎn)變?yōu)殛栃?，并在腫瘤細胞內(nèi)/溶酶體pH=5.5時進一步分解成單個UCNP，此過程促進聚集的PS解離成自由分子，而顯著增強PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以誘導(dǎo)酸性腫瘤微環(huán)境中游離PS的光激發(fā)，從而殺傷腫瘤細胞。體內(nèi)和體外實驗均表明，PPN可以克服傳統(tǒng)PS不足作為潛在新型PDT用于未來癌癥診療。
2.3.2光熱治療
光熱療法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料作為光熱劑，在NIR照射下吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能來殺死癌細胞的治療腫瘤的新方法。由于稀土離子的消光系數(shù)較低，在直接光照下轉(zhuǎn)化為熱能的能力有限。而當(dāng)其與較強消光系數(shù)等電位納米粒子（如Au、CuS）耦合時，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制備出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米顆粒（粒徑70～80nm）用于PTT可有效破壞人神經(jīng)母細胞瘤細胞，顯示出較好的抗腫瘤療效。FanW等[23]將超小型CuS加入到UC-NPs@SO2納米粒子表面制造出一種核心衛(wèi)星納米治療(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物質(zhì)，基于CuS顯著的PTT效應(yīng)，CSNT可以在NIR照射下產(chǎn)生細胞毒性熱，還通過摻雜的高-Z元素（Yb/Gd）作為放射增敏劑產(chǎn)生高度局部化的增強輻射效果。
2.3.3成像指導(dǎo)腫瘤治療
近年來，隨著納米醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，集多功能為一體的可視化成像指導(dǎo)的腫瘤診療成為一個熱點話題。研究發(fā)現(xiàn)UCNP可以同時實現(xiàn)腫瘤的診斷與治療。YuZ等[24]研究出一種超小型具有良好靶向性并可在光學(xué)成像，MRI、CT成像下進行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。該UCNP對過表達Y1受體的腫瘤（如乳腺癌細胞）具有高靶向性，核殼MNP（MC540）可以實現(xiàn)優(yōu)異的上轉(zhuǎn)換熒光成像，其中摻雜Gd3+和Lu3+稀土離子可分別增強MRI和CT成像。其在體外和體內(nèi)顯示出良好PDT治療效果。該納米材料的研發(fā)將為臨床中過表達Y1受體的腫瘤診療提供一個新思路。為了提高腫瘤治療效果，研究者將兩種或以上治療模式集合于一體，實現(xiàn)療效互補、協(xié)同作用以增強抗腫瘤療效。LuM等[25]制備多功能納米材料AuNRs@SiO2-IR795，實現(xiàn)集成的PTT/PDT和熒光成像，協(xié)同PDT/PTT對體外癌細胞抑制效率顯著增高。
3總結(jié)與展望
(一)背景及意義
二十一世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫(yī)院容量有限,以及由于獨生子政策導(dǎo)致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫(yī)療形式是通過PSTN(公共電話網(wǎng)絡(luò))進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫(yī)療技術(shù)研究與試驗則是伴隨當(dāng)前IT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領(lǐng)域。它是現(xiàn)代通訊技術(shù)和計算機與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,它利用電子通訊及多媒體技術(shù)實現(xiàn)遠距離醫(yī)學(xué)檢測,監(jiān)護,咨詢,急救,保健,診斷,治療,以及遠距離教育和管理等等。遠程醫(yī)療旨在通過提供一種管理良好、高效和跨越時空障礙的全新醫(yī)療保健服務(wù)模式,最終達到共享醫(yī)療保健資源,降低醫(yī)療保健費用,提高醫(yī)療效率和質(zhì)量的目的。另外,在戰(zhàn)場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫(yī)療技術(shù)也有很大的應(yīng)用價值!廣義地講,遠程醫(yī)療是指醫(yī)護人員利用通訊和電子技術(shù)來跨越時空障礙、向人們提供醫(yī)療保健服務(wù)。根據(jù)不同的應(yīng)用,遠程醫(yī)療又可分類為遠程監(jiān)護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。
(二)發(fā)展過程
最早的遠程醫(yī)療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數(shù)據(jù)傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫(yī)療系統(tǒng)在50年代才開始出現(xiàn),該系統(tǒng)可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。而在70~80年代遠程醫(yī)療開始利用電視系統(tǒng)傳輸醫(yī)學(xué)圖像,即以遠程放射醫(yī)學(xué)(Tele-radiology)為主。隨著現(xiàn)代微電子學(xué)、通訊技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在90年代人們開始實踐與評估該系統(tǒng)在遠程醫(yī)療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應(yīng)用。近幾年來,隨著醫(yī)用數(shù)字影象設(shè)備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫(yī)院采用數(shù)字圖像存儲通訊系統(tǒng)(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現(xiàn)醫(yī)院的無膠片管理,為普及遠程醫(yī)療奠定了良好基礎(chǔ)。當(dāng)前,遠程醫(yī)療系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)支持有:交互視頻影像設(shè)備(interactivevideo),高分辨監(jiān)視器(high-resolutionmonitors),計算機網(wǎng)絡(luò)(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關(guān)系統(tǒng)(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛(wèi)星通信為核心的信息高速公路等。需要說明的是,在目前的中國,由于網(wǎng)絡(luò)的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫(yī)療專家又缺少足夠帶寬的信息網(wǎng)絡(luò),患者的經(jīng)濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫(yī)療服務(wù)在一定程度上滿足了當(dāng)前的需求,顯示出了一定的發(fā)展空間,值得國內(nèi)的醫(yī)療電子企業(yè)重視。
(三)適宜范圍和初步的臨床效果
遠程醫(yī)療技術(shù)(Tele-medicine)最大的作用在于它對農(nóng)村和不發(fā)達國家的那些得不到良好服務(wù)的人群提供健康護理服務(wù)。在這些地方,合格醫(yī)生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫(yī)療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監(jiān)護,家庭監(jiān)護,病人教育,醫(yī)學(xué)教育等。有些醫(yī)學(xué)部門,如放射學(xué)(radiology),病理學(xué)(pathology)和心臟病學(xué)(cardiology),他們需要高保真的電子醫(yī)務(wù)數(shù)據(jù)和圖像為診斷服務(wù),因而特別適合于采用遠程醫(yī)療。隨著遠程醫(yī)療技術(shù)的成熟,它能夠提供服務(wù)的醫(yī)學(xué)部門和范圍也會隨之相應(yīng)地增加。比如,以下這些領(lǐng)域的遠程醫(yī)療實踐正在逐步增多:矯形外科學(xué)(orthopedics),皮膚病學(xué)(dermatology),精神病學(xué)(psychiatry),腫瘤學(xué)(oncology),神經(jīng)病學(xué)(neurology),兒科學(xué)(pediatrics),產(chǎn)科學(xué)(obstetrics),風(fēng)濕病學(xué)(rheumatology),血液學(xué)(hematology),耳咽喉科學(xué)(otolaryngology),眼科學(xué)(ophthalmol-ogy),泌尿科學(xué)(urology),外科(surgery)等。總的來說,有關(guān)報告顯示,遠程醫(yī)療提供了醫(yī)生與遠端之間的可靠的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和音頻視頻通信。通過將遠程醫(yī)療和直接的醫(yī)生診斷相比較發(fā)現(xiàn),二者沒有大的差異。這些初步的結(jié)果說明,遠程醫(yī)療提供了與醫(yī)院相當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量。目前,遠程醫(yī)療已被成功地用于直接的病人監(jiān)護,它明顯地改進了醫(yī)生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫(yī)療在臨床醫(yī)學(xué)中的作用已被完全證實,它的使用情況已經(jīng)超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監(jiān)護工業(yè)的發(fā)展策略中,遠程醫(yī)療應(yīng)是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現(xiàn)兩個“所有”:方便地實現(xiàn)所有的醫(yī)學(xué)服務(wù)和面向所有的地方。
(四)遠程醫(yī)療系統(tǒng)與信息技術(shù)
很顯然,遠程醫(yī)療(Tele-medicine)應(yīng)當(dāng)有許多不同的系統(tǒng)和技術(shù)要求(分級的)。但大致可分為兩類:實時的(RealTime,RT)和先收集后處理的(store-and-forward,SAF)。對于RT交互模式,病人與現(xiàn)場醫(yī)生或護理人員一起在遠處,專家在醫(yī)學(xué)中心。對于SAF模式,所有相關(guān)的信息(數(shù)據(jù)、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應(yīng)不必是立即的。在大多數(shù)情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫(yī)療系統(tǒng)當(dāng)然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復(fù)合模式意味著顯著增加的費用。例如,一個理想的RT-SAF組合,需要在急診室內(nèi)或附近有一個基站,并在遠處有多個對病人實施治療計劃的地方,那里帶有診斷室或移動的監(jiān)護單元?；拘枰锌刂葡到y(tǒng)或工作站、在線的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫、視頻相機和監(jiān)護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設(shè)備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監(jiān)護儀、各種診斷設(shè)備、圖形圖像輸入設(shè)備、PC或工作站等。如上所述,當(dāng)前的技術(shù)可以使得遠程醫(yī)療系統(tǒng)具有可靠的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和視頻-音頻通信(在醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)生和遠端病人之間),能夠提供與到醫(yī)院就診相當(dāng)?shù)姆?wù)。隨著遠程醫(yī)療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關(guān)注的技術(shù)和臨床問題包括:傳輸?shù)膱D像、視頻信息的知覺質(zhì)量以及其他臨床完善性所要求的程序;當(dāng)前技術(shù)能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫(yī)療服務(wù)和當(dāng)前臨床常規(guī)檢查的有機結(jié)合問題等。遠程醫(yī)療當(dāng)中的一個重要技術(shù)成份是通信系統(tǒng),它的基本的傳輸介質(zhì)是銅質(zhì)電纜、光導(dǎo)纖維,微波中繼,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。一個混合的網(wǎng)絡(luò)可能是,衛(wèi)星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數(shù)據(jù)、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預(yù)測。RT模式要求短時間內(nèi)傳送大量的信息,它強調(diào)的重點是傳輸、交換和交互的時間。它的決定性因素是容許能力(傳輸速率和帶寬)。而SAF模式則對傳輸速率和帶寬的要求不大。只要能將整塊的數(shù)據(jù)傳送就行。一般的多媒體遠程醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫(yī)療系統(tǒng)的組成劃分,它一般由三個部分構(gòu)成:用戶終端設(shè)備,醫(yī)療中心終端設(shè)備和聯(lián)系中心與用戶的通訊信息網(wǎng)絡(luò)。不同的遠程醫(yī)療應(yīng)用,對通訊系統(tǒng)和系統(tǒng)終端設(shè)計又有不同的要求。相應(yīng)的設(shè)備費用也依要求的不同而變動較大。
(五)相關(guān)的有待解決的技術(shù)問題
仍然有待解決的,與遠程醫(yī)療全面、廣泛地實施有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題包括:數(shù)碼醫(yī)院的建立,目前有些醫(yī)院己有醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)和圖像歸檔與通信系統(tǒng)(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫(yī)院現(xiàn)有的這些系統(tǒng)是遠程醫(yī)療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫(yī)療系統(tǒng)的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫(yī)學(xué)信息庫;開發(fā)功能可靠、操作方便的終端設(shè)備•以及接口技術(shù)問題,因為遠程醫(yī)療系統(tǒng)涉及多種醫(yī)療設(shè)備與通訊系統(tǒng)的連接,建立通用的標準接口將會減少系統(tǒng)建立時的復(fù)雜程度和節(jié)省費用;系統(tǒng)加密問題,以確保醫(yī)療數(shù)據(jù)在通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸中的安全性,維護病人的隱私權(quán);家庭以及偏遠地區(qū)的寬頻通訊問題,初期通訊網(wǎng)絡(luò)的鋪建應(yīng)考慮到遠程醫(yī)療的用途。目前,有關(guān)研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網(wǎng)絡(luò)的研究,主要解決各種信息的有效上網(wǎng)和傳送;(2)傳感器技術(shù)的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現(xiàn)生理信號的方便而可靠、準確而無損的測量;(3)各種先進的數(shù)據(jù)與圖像壓縮方法的研究,在盡可能減低有用信息丟失的同時,達到盡可能高的壓縮率,最終實現(xiàn)遠程醫(yī)療數(shù)據(jù)與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫(yī)學(xué)信息與數(shù)據(jù)傳輸安全問題的研究,為相應(yīng)的立法等提供技術(shù)保證。
二、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像處理
(一)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)
1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線,并被應(yīng)用于醫(yī)學(xué),產(chǎn)生了以X光照片為標志的醫(yī)學(xué)影象學(xué)。此后的整個20世紀可以說是醫(yī)學(xué)成像的盛世。面對各種紛紛涌現(xiàn)的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術(shù)各有何特點?它們的發(fā)展前景又如何呢?到目前為止出現(xiàn)的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關(guān)。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫(yī)學(xué)成像模式進行分類,在靜態(tài)場領(lǐng)域有電生理成像,低頻領(lǐng)域有阻抗CT,高頻領(lǐng)域有微波CT,光領(lǐng)域有光學(xué)CT,在更高的頻率領(lǐng)域有X線CT。其中X線CT早已進入實用的階段。此外還有利用磁場相互作用機制的磁共振成像技術(shù)(MRI)。加上最近受到重視的一些功能成像方法,如功能磁共振成(fMRI)和正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫(yī)學(xué)影象手段提供了大量的有關(guān)病人的各種信息,包括形態(tài)的和功能的、靜態(tài)的和動態(tài)的等,被廣泛應(yīng)用于診斷和治療,成為現(xiàn)代化中必不可少的手段和工具。
1•電阻抗斷層成像技術(shù)
電阻抗斷層成像技術(shù)(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內(nèi)部的圖像。它通過體表電極向人體送入一交流電流,在體表不同部位測量產(chǎn)生的電壓值,由此重檢一幅電極位置平面的人體組織電特性圖像。這種圖像不僅包含了解剖學(xué)信息,更為重要的是,某些組織和器官的電特性隨其功能狀態(tài)而改變,因此圖像也包含了功能信息在內(nèi)。此外加上對人體幾乎無創(chuàng)傷、廉價、操作簡便等優(yōu)點,EIT受到了日益廣泛的關(guān)注。但由于受到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和算法等因素的限制,目前該技術(shù)并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術(shù)根據(jù)測量目標的不同可以分為兩類:靜態(tài)EIT和動態(tài)EIT。靜態(tài)EIT以測量對象內(nèi)部電阻(導(dǎo))率的分布為成像目標;而動態(tài)EIT則是測量對象內(nèi)部的電阻(導(dǎo))率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態(tài)EIT技術(shù)只需反映阻抗的相對變化量,相應(yīng)地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統(tǒng)對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設(shè)條件難以滿足、推導(dǎo)過程不嚴格等缺點使得動態(tài)EIT的成像質(zhì)量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應(yīng)性強、能反映變化的信息等優(yōu)于靜態(tài)EIT的這些優(yōu)點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質(zhì)量的提高,動態(tài)EIT有望在臨床上發(fā)揮更大的作用。
2•電生理成像技術(shù)
電生理成像技術(shù)指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內(nèi)電活動情況成像的技術(shù)。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術(shù)上是密切相關(guān)的,它們分別是利用測量得到的心電圖(Electrocardiogram,ECG)和腦電圖(Electroen-cephalogram,EEG)來研究人體的功能。這里以腦電為例,其中又可以分為兩個層次,一為腦電源反演,一為成像。在成像方面,人們希望能從頭皮上獲得的空間分辨率較低的電位分布推算出皮層表面上空間分辨率較高的腦電電位分布,因也稱為高分辨率EEG成像。人們相繼發(fā)展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網(wǎng)絡(luò)法(楊福生等,1999),和球諧譜分析方法(Yao,1995)。腦電源反演就是利用測得的頭皮電位,推算顱骨內(nèi)腦電活動源的空間位置的一項技術(shù)。其具體方法有非線性優(yōu)化算法和子空間分解算法。在這些方法中,大都是以某一時刻的電位觀測值為已知信息,唯有子空間分解算法是直接建立在一段觀測記錄之上,從而較好地同時利用了觀測記錄中的時間和空間信息,因而受到了廣泛的重視(Mosher,1992;堯德中,2000)。電生理成像技術(shù)與其它的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如CT、MRI等相比,具有其不可替代的獨特功能。它檢測的是生物體的自發(fā)(或誘發(fā))的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術(shù),且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發(fā)的間接的功能信息。另外一個優(yōu)點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發(fā)展方向是,電生理成像技術(shù)與其它影像技術(shù)相結(jié)合(如EEG與fMRI結(jié)合),實現(xiàn)優(yōu)勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結(jié)果,幫助研究人員進行更精確的分析和判斷。
3•微波CT
微波CT可以說是一種比較新的成像模式,它是1978年才被提出來的。它的基本原理是:利用電磁波的傳輸特性,通過測定透過身體的電磁波來重建體內(nèi)圖像。微波CT大體可以分為兩大類:被動測定型和主動測定型。被動測定型也可以稱為無源型,利用的是由生物體發(fā)出的屬于微波范圍的那一部分電磁波,如人體熱輻射等,最終獲得熱圖像(因此,類似的還有紅外成像);主動測定型也叫有源型,是用外部入射微波照射生物體,然后利用透過微波和反射微波重構(gòu)圖像,獲得的是形態(tài)圖像。微波CT作為一種醫(yī)學(xué)成像模式,它的主要特點是,同X-CT相比更容易查出癌變組織;與超聲相比更有利于肺的診斷;不存在電離輻射的危險性。微波CT需要解決的最大問題是如何提高空間分辨率。要想提高分辨率,必須縮短波長,提高頻率,但波長愈短其在體內(nèi)的衰減愈大。同時,微波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的衍射和散射會造成重建圖像的模糊。所以提高微波CT的圖像分辨率是一件極為困難的工作。隨著技術(shù)的進步和圖像分辨率的提高,微波CT將很有希望成為新一代的醫(yī)學(xué)成像手段。
4•光學(xué)CT
光學(xué)CT也將是21世紀的重要研究領(lǐng)域。其基本思路是將光輸入待測組織,測量其輸出,重建該組織。由于人體對可見光是屏蔽的,但對紅外或紅外波段的光有一定的穿透能力,利用它進行斷層成像。光學(xué)CT大致可以分為內(nèi)稟(Intrinsic)光學(xué)成像、光學(xué)相干層析成像、光子遷移技術(shù)成像等幾種。內(nèi)稟信號指的是,由組織活動(如神經(jīng)元活動)引起的有關(guān)物質(zhì)成分、運動狀態(tài)的改變而導(dǎo)致起光學(xué)特性發(fā)生變化,而這種變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器探測到這些光信號的某一時間間隔內(nèi)的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內(nèi)稟光學(xué)成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學(xué)相干層析成像,即將光學(xué)相干剖析術(shù)(OCT)用于成像,它是采用低相干的近紅外光作為光源,采用特制干涉儀完成光的相干選通,這樣接收到的信號就只包含尺度相應(yīng)于相干長度的一薄層生物組織的信息。若同時加以掃描,就能得到三維剖析圖像。OCT技術(shù)從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現(xiàn)出極為誘人的應(yīng)用前景。目前它已在視網(wǎng)膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。這種技術(shù)已成為國內(nèi)外在生物光學(xué)方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當(dāng)?shù)闹貦z算法,就可以確定測量組織的光學(xué)特性。通過檢測組織的光學(xué)特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態(tài)動態(tài)監(jiān)護、藥物分析及光動力學(xué)治療等場合。光子遷移技術(shù)成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區(qū),生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現(xiàn)出不同特性,而且在不同生理狀態(tài)下的組織光學(xué)參數(shù)也不大相同。高頻調(diào)控的正弦入射光經(jīng)組織傳播后,由于吸收和散射延遲了光子行程時間,引起了相位和光子能量密度的變化,顯著和精確的相位變化體現(xiàn)了吸收的變化。光學(xué)方法正處于迅速發(fā)展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學(xué)CT具有價格低廉、運行安全,另一方面,它體積小重量輕,特征信號容易獲得,技術(shù)發(fā)展成熟。光學(xué)CT還有一個吸引人的優(yōu)勢是,它在空間分辨力和時間分辨力這兩個基本的成像性能上可以說是首屈一指,目前已達約5mm的物方象素和每秒25幀以上的視頻速度。因而可以預(yù)料,光學(xué)CT會在醫(yī)學(xué)研究和臨床等方面發(fā)揮越來越大的作用。
5•正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)
正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統(tǒng)的核醫(yī)學(xué)成像技術(shù),它的歷史可以追溯到1932年,在那一年CarlAnderson在研究宇宙射線所拍的云室照片時發(fā)現(xiàn)了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發(fā)明了可發(fā)射β+核素的回旋加速器,這些是實施PET的兩個不可缺少的前提條件。PET的成像原理是,將由發(fā)射正電子β+的核素標記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環(huán)至全身。正電子與人體內(nèi)的電子相遇并湮滅產(chǎn)生兩個背對背的γ光子,這對具有確定能量的光子可以穿透人體,被體外的探測器接收,從而得到正電子在體內(nèi)的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標記藥物很豐富,且這些核素的半衰期都很短,病人所受到的輻射劑量可以說是微乎其微,并可在短期內(nèi)進行重復(fù)測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態(tài)成像、定量檢測化學(xué)物質(zhì)分布及實現(xiàn)真正的功能成像等獨特的優(yōu)點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術(shù)缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應(yīng)用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、腦科學(xué)等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經(jīng)類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設(shè)計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經(jīng)類疾病的發(fā)病機制。因為各種精神類疾病,如癲癇、精神分裂癥、癡呆等,以及腦腫瘤、腦血管病等,都將引起血流、葡萄糖和氧代謝的異常,PET即可通過測量這些生理參數(shù)來診斷疾病。同時,PET的獨特優(yōu)點也給神經(jīng)科學(xué)提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學(xué)習(xí)、思維、記憶等的生理機制,幫助人類進一步了解自身。因為給正常人不同的刺激(如光、語言等)或讓其進行不同的活動(如記憶、學(xué)習(xí)、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區(qū)域的血流和代謝的變化,進而幫助研究腦的功能。相信在不遠的將來,隨著PET技術(shù)的進一步成熟,PET將會成為診斷和研究上不可缺少的工具。
6•X-線成像技術(shù)
X-線成像技術(shù)可以說是在醫(yī)院當(dāng)中應(yīng)用的最傳統(tǒng)、最廣泛的一種醫(yī)學(xué)影象技術(shù)。X-線圖像建立在當(dāng)X-線透過人體時,各種臟器與組織對X-線的不同吸收程度的基礎(chǔ)上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統(tǒng)的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,這種傳統(tǒng)方法的弊端日趨突顯出來。當(dāng)X-線圖像一旦形成,其圖像質(zhì)量便不能做進一步改善;不便于計算機處理,也不便于存儲、傳輸和共享等。在評價20世紀X成像技術(shù)時,多數(shù)資深專家均認為影像的數(shù)字化是最新、最熱門及最重要的進展。數(shù)字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術(shù),以數(shù)字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫(yī)學(xué)影象及相關(guān)信息,使臨床醫(yī)學(xué)徹底擺脫對傳統(tǒng)硬拷貝技術(shù)的依賴,真正實現(xiàn)X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數(shù)字化X-線影象的方法主要有兩種:直接X-線影象探測儀(DirectRadiographyDetector,DRD)和平板探測儀(FlatPanelDetector,FPD)。DRD最早由Sterling公司申請專利,現(xiàn)已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術(shù)的發(fā)展方向均是設(shè)法進一步提高分辨率和實時性。數(shù)字影像可以說是伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生。1981年第15屆國際放射醫(yī)學(xué)會議上首次展出了數(shù)字放射新產(chǎn)品。進入90年代中后期,國外已經(jīng)推出了多種新型的數(shù)字化X-線影象裝置;傳統(tǒng)X-線裝置中的X-線乳腺影像設(shè)備也已數(shù)字化。到目前為止,市場上的數(shù)字化的X-線影像設(shè)備已占70%以上?？梢灶A(yù)期,數(shù)字化的X-線影像設(shè)備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發(fā)生令人矚目的變化。
7•磁共振成像(MRI)
在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領(lǐng)域,自從1946年哈佛大學(xué)的E•M•Purcell和斯坦福大學(xué)的F•Bloch發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象并因此獲得1952年諾貝爾物理獎起,直到70年代初,它一直沿著高分辨核磁共振波譜學(xué)的方向發(fā)展,成為化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域研究分子結(jié)構(gòu)不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關(guān)于核磁共振成像的專利,提出了磁共振成像的思想,并指出可以用磁共振成像儀掃描人體檢查疾病。1982年MRI掃描儀開始應(yīng)用于臨床。由于質(zhì)子(1H)結(jié)構(gòu)簡單,磁性較強,是構(gòu)成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫(yī)學(xué)上主要利用質(zhì)子(1H)進行MRI成像。其成像主要利用磁共振原理,以一定寬度的射頻脈沖磁場使具有磁性核的原子產(chǎn)生共振激發(fā);被激發(fā)的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環(huán)境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。磁共振成像由于其空間分辨率高、對人體危害性小、又能提供大量的解剖結(jié)構(gòu)信息等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于臨床診斷。隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的提高,動態(tài)成像或功能成像是未來世紀MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應(yīng)用是用外面的造影劑或內(nèi)生的血氧度相關(guān)效應(yīng)(BOLD)描述視覺皮層的活動。BOLD的成像原理是基于血紅蛋白的磁化率隨脫氧過程而急劇變化。在靜脈血管內(nèi)脫氧血紅蛋白濃度發(fā)生變化時,會在血管周圍引起磁場畸變,而這種變化可以被探測記錄下來。在功能神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域中,BOLD成像有很多優(yōu)點。這類研究完全非侵入性,產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)與解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是完全配準的。BOLD技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態(tài)的功能方面很有前途。迄今為止,fMRI雖然只有短短幾年的歷史,但理論與實驗都已取得了許多有重要意義的結(jié)果。它的最大優(yōu)點是無損傷(不用外源介質(zhì)),可以直接進行反復(fù)的非侵入性的功能測量。與同樣屬于功能成像的PET相比,fMRI則是更新的技術(shù),成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發(fā)展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質(zhì)的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設(shè)備的硬件和軟件的結(jié)合上進一步提高靈敏度和分辨率(包括時間分辨率和空間分辨率),這是核磁共振現(xiàn)象的本質(zhì)決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關(guān)的成像技術(shù)外,還有基于超聲波的多種結(jié)構(gòu)、組織和功能的成像技術(shù),這里不再詳述。
(二)三維醫(yī)學(xué)圖像處理
醫(yī)學(xué)圖像處理是指對已獲得的圖像作進一步的處理,其目的或者是使不夠清晰的圖像復(fù)原,或者是為了突出圖像中的某些特征信息,或者是對圖像做模式分類等。隨著技術(shù)的發(fā)展,醫(yī)學(xué)圖像的處理已開始從二維轉(zhuǎn)向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫(yī)學(xué)圖像分析所包含的研究問題很廣,目前主要有:圖像的分割、邊緣檢測、多模式圖像和數(shù)據(jù)的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、圖像的快速重建和顯示、圖像處理算法性能評估、信息集成(Informationintegration)和傳輸技術(shù)等。所有這些的研究都可以集中到如下兩個方面:
1•圖像的融合和可視化
醫(yī)學(xué)影象技術(shù)的發(fā)展為臨床診斷和治療提供了包括解剖圖像和功能圖像在內(nèi)的多種圖像模式。臨床上通常需要將同一個病人的多種成像結(jié)果結(jié)合起來進行分析,以提高醫(yī)學(xué)診斷和治療水平。比如在放射治療中,CT掃描可以用于計算放射劑量的分布,而MRI可以很好地定位病灶區(qū)域的輪廓。常規(guī)的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫(yī)生很難對幾幅不同的圖像進行定量分析,首先要解決的這幾幅圖像的嚴格對準問題。所謂醫(yī)學(xué)圖像配準與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術(shù)使各種影象模式統(tǒng)一在一個公共坐標系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應(yīng)點達到空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫(yī)生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫(yī)學(xué)圖像配準和融合技術(shù)的研究和應(yīng)用日趨受到醫(yī)學(xué)界和工程界的重視。對醫(yī)學(xué)圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標準。1993年,VandenElsen等人對醫(yī)學(xué)圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標準。一般的匹配方法的實現(xiàn)步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數(shù);執(zhí)行變換。基于特征點選取的不同,匹配算法可以分為兩種:基于外部特征的圖像配準方法和基于內(nèi)部特征的圖像配準方法。基于外部特征的圖像配準通常是在研究對象上設(shè)置一些標志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標準點為標準對圖像進行配準。這種配準方法因為不受圖像畸變等因素的影響,所以精度很高,可達1~2mm,可以作為評估基于內(nèi)部特征的圖像配準方法的標準。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術(shù)室使用。目前的研究集中在基于內(nèi)部特征的圖像配準方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫(yī)學(xué)圖像中相對運動較小的解剖結(jié)構(gòu),如點(血管分叉點等)、2D輪廓線、3D曲面等。用這些提取出來的特征對之間的位置變化和變形來確定圖像之間的變換和配準。配準的精度取決于圖像分割的準確性。這種方法優(yōu)點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標記點)也可以用內(nèi)部特征點進行匹配。目前,基于內(nèi)部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應(yīng)用于臨床。但目前大多數(shù)模糊動態(tài)圖像的精確分割和特征提取仍是一個尚未完全解決的問題。最近又發(fā)展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準方法,又稱為相關(guān)性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統(tǒng)計特性進行全局最優(yōu)化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩(wěn)定,并能獲得相當(dāng)準確的結(jié)果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現(xiàn)的各種相關(guān)性算法,如互相關(guān)法(correlation)、聯(lián)合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當(dāng)中,臨床評估的結(jié)果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫(yī)學(xué)影像的三維重建和可視化也是一個值得關(guān)注的問題。常規(guī)影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫(yī)生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫(yī)學(xué)圖像的重建將有助于觀察復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體形態(tài);有利于醫(yī)生制定放射治療計劃;有助于神經(jīng)外科手術(shù)的實施;有助于對不同治療方案進行評估等。對三維圖像重建算法的研究,近幾年來國內(nèi)外學(xué)者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結(jié)構(gòu),再由計算機圖形學(xué)中的光線跟蹤法(RayTracing),根據(jù)一定的光照模型和給定的觀察角度、光源強度和方位來模擬自然景物光照效果,計算物體表面各點的灰度值,最終構(gòu)成一幅近似自然景物的三維組織或器官圖像。目前各種各樣的圖像所涉及的數(shù)據(jù)量越來越大,各種算法也越來越復(fù)雜,所以處理時間也較長,而用戶則希望實時、快速地得到圖像處理結(jié)果,及時用于診斷與治療。因此,醫(yī)學(xué)圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統(tǒng)的運行速度,當(dāng)然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應(yīng)用多處理器進行醫(yī)學(xué)圖像處理與分析的加速是一種不錯的方法。在有些情況下可以直接利用DSP進行加速。
2•基于影象的計算機輔助治療方法及系統(tǒng)
發(fā)展各種醫(yī)學(xué)影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結(jié)構(gòu)和功能,輔助醫(yī)生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質(zhì)量。目前以此為目標的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統(tǒng)、立體外科手術(shù)仿真系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。在過去的放射治療時,先有醫(yī)生根據(jù)CT或MRI膠片上的定位標志點來計算病灶的三維坐標,然后根據(jù)病灶位置和形狀布置焦點,經(jīng)計算機計算出等劑量線,在燈箱上用打印輸出的劑量線與膠片上的病灶進行對比,如不吻合則重新規(guī)劃焦點。反復(fù)重復(fù)直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間?？偟恼f來這個過程很不方便,而且可能會引起很大的誤差。目前臨床上開始采用的三維放射治療計劃系統(tǒng)則大大方便了腫瘤醫(yī)師的工作。在整個治療計劃的計算機化過程中,可以說是涉及到了三維醫(yī)學(xué)圖像處理的各個環(huán)節(jié),如圖像配準與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統(tǒng)的推出不僅提高了醫(yī)生的工作效率,而且精度大大提高,是以后腫瘤治療中心制定放療計劃的常規(guī)工具。今后放射治療的方向是適形放射治療(ConformalRadiotherapy,CR)。該方法通過旋轉(zhuǎn)照射或靜態(tài)多射野照射,使得高劑量區(qū)劑量分布的形狀在三維上與靶區(qū)(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區(qū)周圍的健康組織和重要器官(如脊髓)的照射量,從而大大提高治療效果。CR由于能夠調(diào)整射野內(nèi)的射線強度分布,故又稱為調(diào)強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調(diào)強算法根據(jù)醫(yī)生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫(yī)生要求的強度分布,是一個典型的多參數(shù)優(yōu)化問題。1989年,英國科學(xué)家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調(diào)強算法可以說是層出不窮,成為當(dāng)今放療中的一個熱點。隨著多葉準直器技術(shù)(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發(fā)展,醫(yī)生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術(shù)的效果。虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環(huán)境代替一個現(xiàn)實世界的真實環(huán)境,讓使用者在這個三維環(huán)境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學(xué)、傳感技術(shù)、高性能計算機和網(wǎng)絡(luò)等的一門新興學(xué)科,涉及學(xué)科面廣且發(fā)展十分迅速。VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構(gòu)成最終實用的手術(shù)模擬器。隨著醫(yī)學(xué)成像可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家們已經(jīng)有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)發(fā)起的可視人計劃(VisibleHumanProjects,VHP)正是基于這樣的目的。虛擬人體可以提供模擬的診斷、治療、計算機成像、內(nèi)窺鏡手術(shù)等等。例如在內(nèi)窺鏡手術(shù)中,外科醫(yī)生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內(nèi)的手術(shù)器械。虛擬環(huán)境技術(shù)可大大改善這種手術(shù)過程。事實上,虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)(Virtualendoscopy)是目前發(fā)展比較快的一個方面。
三、網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器人才的培養(yǎng)
生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的范疇很廣,各高校的側(cè)重點各不相同。我校本學(xué)科專業(yè)與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學(xué)、計算機科學(xué)為支撐平臺,強調(diào)與生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療儀器相結(jié)合,在醫(yī)療儀器的智能控制、管理方面有很強的優(yōu)勢。隨著以上醫(yī)學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展,我們提出了依拓本校的優(yōu)勢專業(yè)如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化醫(yī)學(xué)儀器方向人才的設(shè)想。
(一)培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器人才的依據(jù)
計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,世界正進入一個數(shù)字化的時代。在醫(yī)療領(lǐng)域,數(shù)字診斷設(shè)備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫(yī)院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數(shù)字X光機、CT、B超等,在一些發(fā)達國家,已經(jīng)取代常規(guī)設(shè)備成為臨床診斷的主流。醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)到了一個更新?lián)Q代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫(yī)療信息實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化將是21世紀醫(yī)學(xué)發(fā)展的主流。而遠程醫(yī)療系統(tǒng)則以其迅猛的發(fā)展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫(yī)生都成為專家,讓每一位患者都能請得到專家”的美好前景。社會的需求為高等院校的人才培養(yǎng)提出了新的要求,同時具有醫(yī)學(xué)知識和網(wǎng)絡(luò)技能的復(fù)合型人才將會受到社會的廣泛青睞。“網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器”作為本學(xué)科領(lǐng)域出現(xiàn)的新方向,在國內(nèi)外沒有現(xiàn)成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設(shè)計劃。
Design, Modeling and
Characterization of
Bio-Nanorobotic Systems
2011
Hardcover
ISBN 9789048131792
納米機器人的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇，是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計原型，在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，研制可編程的分子機器人，是納米機械裝置與生物系統(tǒng)有機結(jié)合的產(chǎn)物。在生物醫(yī)學(xué)上，科學(xué)家們利用納米技術(shù)制造納米機器人，讓它在人的血管網(wǎng)絡(luò)中漫游，進行巡邏和檢查，盡早發(fā)現(xiàn)異常細胞，而且可以對人體內(nèi)細胞組織進行修復(fù)。它不僅可以完成早期診斷工作，更重要的是可以充當(dāng)微型醫(yī)生而發(fā)揮治療作用，解決傳統(tǒng)醫(yī)生難以解決的問題，如：殺死癌細胞、疏通血栓、清除動脈脂肪沉積物等。納米機器人發(fā)展到現(xiàn)在大致分成三代：第一代，是把生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)有機結(jié)合的新系統(tǒng)；第二代，是由原子或者分子裝配成的具有特定功能的納米尺度的分子裝置；第三代，可能是包含有納米計算機的一種可以進行人機對話的裝置。
納米機器人代表了一種納米級器件。在這個器件中諸如DNA的蛋白質(zhì)和碳納米管可以充當(dāng)馬達、機械接頭、傳動元件或傳感器。當(dāng)這些不同的組件組合在一起時，它們可以形成多度自由的納米機器人，能夠在納米世界中對對象施加力以及進行操縱。本書重點講述了兩種納米機器人的研究方法。第一種方法：結(jié)合虛擬現(xiàn)實的先進技術(shù)的多尺度建模工具（量子力學(xué)，分子動力學(xué)，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)）。為了設(shè)計和評估分子機器人的特點，本書提出了互動基于納米物理的仿真。這種仿真允許在分子動力學(xué)模擬時帶有實時力反饋和圖形顯示的操縱分子、蛋白質(zhì)和工程材料。第二種方法：使用一種新的協(xié)同原型方法，具體表現(xiàn)為納米機器人的多尺度模型與實驗測量的耦合。本書通過5章來說明上述兩種方法，1.納米機器人組件與設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了納米機器人設(shè)備結(jié)構(gòu)、生物納米技術(shù)設(shè)計的虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建模和表征方法；2.生物納米器件和納米機器人設(shè)計和表征方法，主要講述了生物納米器件的設(shè)計和表征方法、納米機器人結(jié)構(gòu)的協(xié)同原型；3.生物納米機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算分析，主要講述了基于蛋白質(zhì)的納米彈簧的表征，基于蛋白質(zhì)的納米機械的多尺度設(shè)計和建模、DNA納米機器人、用DNA激勵的線性納米管馬達的設(shè)計和計算分析、藥物輸送中應(yīng)用的多尺度平臺的表征；4.納米結(jié)構(gòu)的表征與原型，基于直線軸承的NEMS表征，基于主管到主管碳納米管梭旋轉(zhuǎn)馬達的設(shè)計， 通過碳納米管的阿克物質(zhì)傳輸和汽化；5.結(jié)論和展望，對本書的內(nèi)容進行了總結(jié)，對納米機器人的發(fā)展進行了展望。
本書以實現(xiàn)在納米機器人系統(tǒng)內(nèi)的最優(yōu)納米級運動為目標，研究了生物和人造分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計、組裝、仿真以及原型，提出了一個新的基于DNA的納米機器人、生物納米執(zhí)行器和基于碳納米管的旋轉(zhuǎn)納米器件的概念，所提出的平臺有助于表征新型藥物輸送系統(tǒng)和細胞膜之間的相互作用，是從事納米機器人學(xué)研究的相關(guān)科研人員與工程師的很好的參考書。
作者Mustapha Hamdi和 Antoine Ferreira在法國布爾日國立高等工程師學(xué)校工作，主要從事機器人及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)研究。
杜利東，助理研究員
（中國科學(xué)院電子學(xué)研究所）
關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)儀器；課程改革；虛擬儀器
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0164-02
一、課程特點分析
生物醫(yī)學(xué)工程是一門跨學(xué)科的相對較新的專業(yè)，它綜合性強，在十幾年的發(fā)展過程中，生物醫(yī)學(xué)工程在生物、醫(yī)學(xué)、工程各個領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展，所涉及的領(lǐng)域也越來越廣。但在國內(nèi)外高校中，對于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的培養(yǎng)方式則一直秉持著用工程角度來審視生物/醫(yī)學(xué)問題的理念。所以在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程中，既有細胞生物學(xué)、人體解剖與生物學(xué)等生物醫(yī)學(xué)課程，也有數(shù)字信號處理、單片機原理及應(yīng)用等工程類課程。旨在用技術(shù)科學(xué)的概念和方法來解釋和描述人體各層次的成分、結(jié)構(gòu)和功能，以及人體各種正常生理功能與病理狀態(tài)之間的差異，同時探索防病、診斷、治療及功能輔助的具體技術(shù)和設(shè)備[1]，因此《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》課程一直是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)重要的特色專業(yè)課之一。
作為生物醫(yī)學(xué)工程系的專業(yè)必修課，《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》課程的教學(xué)體系的建立對于本專業(yè)學(xué)生專業(yè)知識的學(xué)習(xí)起著至關(guān)重要的作用。它涉及到生物醫(yī)學(xué)工程與電子信息技術(shù)及儀器兩個專業(yè)的知識交叉與融合，所以該課程的特色化建設(shè)對于一個學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展尤為重要?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展和現(xiàn)代臨床的診斷、治療中所發(fā)揮的作用是不可或缺的。從簡易的數(shù)字血壓計到大型CT（X射線電子計算機斷層掃描）的結(jié)構(gòu)，都是與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子技術(shù)密不可分的。因此，了解并掌握它們的工作原理、電路組成和設(shè)計原則，對促進學(xué)科、教學(xué)發(fā)展，保障學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量和提高自身的市場競爭力都具有重要意義。
同時，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器又是現(xiàn)代工程技術(shù)的結(jié)晶。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計無論是內(nèi)容、方法還是成本都發(fā)生了根本的變化。計算機與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器儀表的結(jié)合已成為一種趨勢，這項技術(shù)來自于虛擬儀器的概念[2]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)應(yīng)該是一個開放式的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，可以根據(jù)當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)測量技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)和集成制造技術(shù)等的發(fā)展，隨時改善其系統(tǒng)構(gòu)成，從而使其永遠是一個先進的系統(tǒng)。而借助于近幾年發(fā)展起來的虛擬儀器技術(shù)，可以方便地實現(xiàn)這一目標。虛擬儀器強大的功能是傳統(tǒng)儀器所無法比擬的：虛擬儀器是在通用計算機平臺上，用戶根據(jù)自己的需求來定義和設(shè)計測試功能的儀器系統(tǒng)。也就是說虛擬儀器是由用戶利用一些基本硬件及軟件編程技術(shù)組成的各種各樣的儀器系統(tǒng)[3]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計過程必將和虛擬儀器產(chǎn)生交集，所以醫(yī)學(xué)儀器相關(guān)課程的傳統(tǒng)內(nèi)容已經(jīng)遠遠不夠，我們必須教會學(xué)生在虛擬儀器的平臺上進行醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計，這樣，培養(yǎng)出來的大學(xué)生才能緊跟時展的腳步，掌握最新的科學(xué)技術(shù)。
杭州電子科技大學(xué)近年來在《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》課程上做了一系列的探討，在培養(yǎng)目標和課程設(shè)置上基本上有了一定的科學(xué)依據(jù)。然而在實際的教學(xué)過程中，我們還是發(fā)現(xiàn)了一些問題：《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》課程知識點多，而且課程內(nèi)容比較抽象，學(xué)生不易理解透徹；并且實踐性強，需要進行理論與實踐相結(jié)合的課程訓(xùn)練。同時，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計方法也已經(jīng)跟不上發(fā)展形式。因此，改變以往單一方式的該課程教學(xué)模式，建立一個由醫(yī)學(xué)儀器基本原理介紹、不同種類醫(yī)學(xué)儀器簡介及設(shè)計原則、醫(yī)學(xué)虛擬儀器設(shè)計構(gòu)成的新的教學(xué)體系，是順應(yīng)現(xiàn)代儀器技術(shù)發(fā)展的趨勢，可以最大程度地實現(xiàn)教學(xué)相長。因此我們對《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》課程教學(xué)模式進行了如下的改革，通過改革，使醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)的發(fā)展不再拘泥于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)的框架，最大限度地滿足現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的要求，使學(xué)生畢業(yè)以后能夠在醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計應(yīng)用上有一個質(zhì)的飛躍，更能適應(yīng)社會需要。
二、課程改革的主要內(nèi)容
1.教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化。醫(yī)學(xué)儀器的概念非常寬泛，涉及到的內(nèi)容也十分繁復(fù)。要在短短的48課時內(nèi)講授完所有的醫(yī)學(xué)儀器相關(guān)知識是不現(xiàn)實的[4]。所以對于課程內(nèi)容的選擇就顯得尤為重要。在研究了多個高校類似課程的內(nèi)容設(shè)計之后，我們結(jié)合本學(xué)院專業(yè)交叉的特點，對課程的內(nèi)容進行了優(yōu)化?！夺t(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》要在內(nèi)容上做到點和面的結(jié)合，既要保證知識面廣，同時又要重點突出，要有體現(xiàn)較寬專業(yè)綜合理論和較強實踐特點的課程內(nèi)容。在目前高校常用的教材基礎(chǔ)上[5][6]，我們將課程內(nèi)容進行整合與優(yōu)化。從基本原理知識出發(fā)，了解生物醫(yī)學(xué)信號的特點，通過數(shù)學(xué)建模方法的講解，深入醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則，最后詳細介紹各類典型醫(yī)學(xué)儀器，包括：基礎(chǔ)生理信號（血壓、心電）的檢測儀器，臨床監(jiān)護儀器，治療及恢復(fù)設(shè)備，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，臨床檢測儀器等。此外，還涵蓋了國際和國內(nèi)關(guān)于醫(yī)學(xué)儀器的認證和監(jiān)管，電器安全評估以及現(xiàn)在醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展的方向等內(nèi)容。
2.教學(xué)方式和教學(xué)手段的多樣化。單一的教學(xué)方式無法滿足這類專業(yè)特色課程的需求，所以我們在教學(xué)過程中采用以多媒體為主，板書為輔的教學(xué)方式。由于課程內(nèi)容豐富，信息量大，需要借助多媒體的方式形象地展示各種圖片與視頻文件，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果[7]。而板書的融入可以提高學(xué)生對知識的理解和掌握能力，使其學(xué)懂學(xué)透，起到事半功倍的效果。
此外，為了充分調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、歸納整理以及表達的能力，將學(xué)生分為5～6人一組，課外通過對任何一種醫(yī)療儀器的學(xué)習(xí)，在課堂上做一個10分鐘左右的presentation，內(nèi)容涉及該種醫(yī)療儀器的原理方法、使用過程、行業(yè)前景等內(nèi)容。這種互動方式可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時直觀地了解教學(xué)安排是否合理，效果是否明顯，為教學(xué)改革提供依據(jù)。
3.實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計和加強。《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》是一門理論性和實踐性都很強的課程，單一的課堂講授遠遠不夠，為此，本課程采取理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合的方式。具體來說，實踐環(huán)節(jié)包括課堂實驗和上機課程設(shè)計兩個環(huán)節(jié)。課堂實驗旨在讓學(xué)生最直觀地接觸市場上的醫(yī)療儀器，在使用過程中體會學(xué)習(xí)過的原理知識，感受不同廠家的產(chǎn)品在細節(jié)處的差別，以及不同檢測原理在測量同一生理參數(shù)時結(jié)果的區(qū)別。主要實驗儀器包括：水銀血壓計，電子血壓計，紅外體溫計，血糖儀，電子刺激器等。上機課程設(shè)計環(huán)節(jié)主要為虛擬醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計。基于虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺Labview（美國NI公司），使用圖形語言，讓學(xué)生4人一組，共同設(shè)計一個能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能的醫(yī)學(xué)儀器，并在全班同學(xué)前進行演示和講解。通過這種課程設(shè)計，讓學(xué)生切身體會一下虛擬儀器平臺在醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展中的重要作用，同時在設(shè)計醫(yī)療儀器的時候，又把在課堂上學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行了綜合運用，既扎實了知識，又鍛煉了能力，為今后走向工作崗位奠定了堅實的基礎(chǔ)。
4.建立合理全面的考核方式。以往單一的僅用期末考試成績反映學(xué)生課程水平的方法已經(jīng)不適用于《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》這類綜合性專業(yè)課。我們建立了一套多形式、多層面的教學(xué)評價方法，既檢測學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握程度，又可以衡量學(xué)生的獨創(chuàng)性、探索性和分析應(yīng)用知識的能力。平時課堂表現(xiàn)、小組presentation的質(zhì)量、課程設(shè)計程序的優(yōu)劣以及期末考試成績，均成為新考核體系中的一部分。
課程的考核方式和考核結(jié)果并不是我們追求的最終目標，在新考核體系的指導(dǎo)下，最大程度調(diào)動學(xué)生的積極性、鞏固學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識、鍛煉學(xué)生的專業(yè)綜合能力、公平評價每個學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度才是課程考核體系的不斷完善的目標方向?？己瞬皇亲罱K的結(jié)果，但卻是必不可少的一個重要手段。
三、總結(jié)
通過一個學(xué)期課程實踐，我們發(fā)現(xiàn)，改革后的《醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計》課程在多個方面都有了明顯的進步與提高。新的課程安排在內(nèi)容上體現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的多學(xué)科交叉，課堂內(nèi)容的講解和學(xué)生自主學(xué)習(xí)有效融合，實驗課程讓專業(yè)知識不僅僅局限于課本演示，虛擬儀器設(shè)計的訓(xùn)練緊跟現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器發(fā)展的腳步，全面提升了學(xué)生的專業(yè)知識和行業(yè)競爭力，為他們今后進入社會，從事相關(guān)行業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)。同時，學(xué)生對于這種新的教學(xué)模式十分喜歡，接受度很高，在實驗報告上，經(jīng)常可以看到他們這樣寫道：“喜歡這樣的課程，很開心也挺有收獲”；“第一次接觸血壓計，比課堂上講解更直觀”；“嘗試了很多新東西，很有趣”，“既興奮又倍感收獲”……學(xué)生喜愛，教學(xué)效果良好，緊貼行業(yè)發(fā)展步伐，培養(yǎng)行業(yè)需要的人才，這正是我們高校課程改革的最終目的。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞:醫(yī)學(xué)圖像分析;實踐教學(xué);教學(xué)改革
一、課程背景
醫(yī)學(xué)圖像分析是一門醫(yī)學(xué)影像與信息學(xué)圖像處理相結(jié)合的課程。主要學(xué)習(xí)如何采用圖像處理方法對醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)進行增強、勾畫、分割、識別等操作［1］。主要授課對象為醫(yī)工結(jié)合專業(yè)如生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)信息工程等的本科生或研究生。其主要教學(xué)目標是讓學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)圖像的采集原理，各種不同類型的醫(yī)學(xué)圖像的特點，不同醫(yī)學(xué)圖像主要面臨的問題，不同醫(yī)學(xué)圖像遇到的問題的傳統(tǒng)解決方法，并啟發(fā)學(xué)生思考新的解決思路［2］。近幾年，由于計算機運算速度的進步以及機器學(xué)習(xí)算法的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像分析發(fā)展迅速，在醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用越來越廣，例如肺結(jié)節(jié)的識別、腦灰質(zhì)白質(zhì)的分割以及輔助診斷等?？傊t(yī)學(xué)圖像分析在臨床上扮演著越來越重要的角色。目前醫(yī)學(xué)圖像分析在產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展迅速，相關(guān)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)目前相關(guān)企業(yè)超過100家，融資上億的企業(yè)近20家。因此，該課程的重要性也逐漸突顯。醫(yī)工結(jié)合是醫(yī)學(xué)與工科學(xué)科結(jié)合而產(chǎn)生的未來醫(yī)學(xué)的重要發(fā)展方向。近幾年，綜合類大學(xué)紛紛創(chuàng)辦醫(yī)學(xué)院，其中醫(yī)工結(jié)合是這些綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院的重要方面，而醫(yī)學(xué)圖像分析又是目前醫(yī)工結(jié)合的優(yōu)秀范例［3］。然而，目前醫(yī)學(xué)圖像分析課程的教學(xué)存在重視理論講述，忽略實踐操作的現(xiàn)象。同時醫(yī)學(xué)圖像與傳統(tǒng)自然圖像存在著較大差異，例如信噪比低、圖像維度更高、與自然圖像紋理顯著不一致等問題。因此，醫(yī)學(xué)圖像分析與傳統(tǒng)圖像處理課程存在較大差異。筆者在教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程后，存在理論與實際脫節(jié)的情況。大部分學(xué)生反饋在進行課程學(xué)習(xí)之后，嘗試將學(xué)會的圖像處理方法用于實際醫(yī)學(xué)圖像分析時，遇到各種問題，例如:由于數(shù)據(jù)維度不一，傳統(tǒng)二維自然圖像處理方法無法用于三維或者四維的醫(yī)學(xué)圖像中;由于信噪比的問題，傳統(tǒng)自然圖像處理方法運用到醫(yī)學(xué)圖像上后效果不佳。因此，醫(yī)學(xué)圖像分析的教學(xué)應(yīng)該與傳統(tǒng)自然圖像的處理課程有所區(qū)分，需要針對醫(yī)學(xué)圖像進行分析與教學(xué)。
二、現(xiàn)存教學(xué)問題分析
在教學(xué)完成后，通過學(xué)生反饋，獲得的教學(xué)反饋問題如下:(1)課程中講授的圖像處理方法多基于二維圖像，但醫(yī)學(xué)影像中存在大量其他維度影像，如腦電信號為一維圖像，CT、磁共振為三維圖像，PET、功能磁共振為四維圖像，不知如何處理;(2)課程講授中出現(xiàn)的自然圖像大多分辨率較高，而醫(yī)學(xué)圖像分辨率較低，將算法運用于圖像分析后效果不佳;(3)構(gòu)建輔助診斷模型時，自然圖像樣本量較大，而醫(yī)學(xué)影像樣本量相對較小，同時數(shù)據(jù)維度更高，構(gòu)建出的模型效果較差。如圖1所示，筆者分析與總結(jié)現(xiàn)存教學(xué)問題之后，認為主要是以下三個原因?qū)е鲁霈F(xiàn)了上述教學(xué)問題。
(一)自然圖像與醫(yī)學(xué)圖像存在差異
如表1所示，傳統(tǒng)自然圖像與醫(yī)學(xué)圖像存在較大差異，目前醫(yī)學(xué)圖像分析課程講授的大部分課程內(nèi)容與傳統(tǒng)圖像處理一致，涉及的醫(yī)學(xué)圖像多為與自然圖像性質(zhì)相近的二維X光圖像或單層CT圖像。這種差異導(dǎo)致課程所學(xué)算法難以直接用于醫(yī)學(xué)圖像的分析與處理。
(二)學(xué)生缺乏對醫(yī)學(xué)圖像特性的了解
學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的時候?qū)︶t(yī)學(xué)圖像的采集過程以及圖像特性不了解，導(dǎo)致難以對現(xiàn)有圖像處理方法進行改進或者提出新的圖像處理方法以適用醫(yī)學(xué)圖像。圖2所示為一個典型的三維大腦MRI醫(yī)學(xué)圖像，該圖像具有分辨率低、維度高等特點。
(三)缺乏與臨床影像科醫(yī)生的交流
本門課程的教學(xué)主要由圖像處理相關(guān)老師完成，臨床醫(yī)生沒有參與教學(xué)。這種缺失進一步導(dǎo)致學(xué)生對醫(yī)學(xué)圖像以及醫(yī)學(xué)圖像在臨床上遇到的實際問題缺乏了解，難以提出真正解決臨床實際問題的醫(yī)學(xué)圖像處理方法。
三、教學(xué)改革方案
鑒于目前醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)存在的問題，筆者結(jié)合綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)條件，提出以下五方面的教學(xué)改革措施，并設(shè)計了一套醫(yī)學(xué)圖像分析教學(xué)流程。
(一)增加醫(yī)學(xué)成像原理教學(xué)
醫(yī)學(xué)成像原理是一門講解各種醫(yī)學(xué)影像的采集原理、采集方法的課程。該課程可幫助學(xué)生深入理解醫(yī)學(xué)圖像的由來，從圖像成像原理的部分深入理解各種醫(yī)學(xué)圖像的特性，例如腦電信號的位置坐標系統(tǒng)、磁共振圖像的無標度特性、PET圖像如何從四維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿S圖像等。學(xué)生通過該部分理論的學(xué)習(xí)，了解不同醫(yī)學(xué)圖像的特點。
(二)圖像處理老師與臨床影像科醫(yī)生攜手教學(xué)
綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院教學(xué)相對于其他學(xué)院的一大重要優(yōu)勢在于學(xué)院具有大批一線臨床工作者。相對于學(xué)校教師而言，一線臨床工作者對于目前醫(yī)學(xué)影像在臨床實踐中需要解決的問題更為熟悉。臨床醫(yī)生參與教學(xué)，可進一步讓學(xué)生了解自己所學(xué)知識可用于解決哪些臨床實際問題。在了解到這些的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠理清今后工作中的實際問題，對實際問題有了進一步的了解后才能思考如何對所學(xué)理論方法進行融會貫通，并在此基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新改進。
(三)增加醫(yī)學(xué)影像采集教學(xué)環(huán)節(jié)
在完成醫(yī)學(xué)成像原理的理論教學(xué)之后，為進一步讓學(xué)生理解醫(yī)學(xué)影像采集原理及其特點，結(jié)合醫(yī)學(xué)院條件，可安排學(xué)生進行各種醫(yī)學(xué)影像采集的實踐操作。在影像采集實踐操作過程中，學(xué)生不僅能深入理解各種醫(yī)學(xué)影像的成像原理，還能進一步了解到各種圖像常見噪聲的來源與特點，例如磁共振圖像的運動偽影的由來及其特點。學(xué)生在進行圖像處理算法學(xué)習(xí)之后，能夠針對性地對各種不同噪聲進行處理分析，或者在了解噪聲特點的情況下，能夠針對性地提出圖像處理算法降低噪聲的影響。
(四)結(jié)合
Octave進行實踐算法教學(xué)傳統(tǒng)圖像處理是一門理論性較強的課程，近些年，該門課程的教學(xué)更多地提倡理論與實踐融合。Octave是一個類似MATLAB的數(shù)學(xué)計算軟件，其語法模仿了MATLAB。MATLAB是目前世界上最常用的數(shù)學(xué)分析軟件之一，其具有強大的圖像處理能力，是目前科研界常用的圖像處理平臺。Octave在繼承MATLAB語法的同時，還具有免費開源的優(yōu)點。在講授完圖像算法理論之后，將要求學(xué)生基于醫(yī)學(xué)影像采集環(huán)節(jié)得到的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，基于Octave進行編程實踐，在實踐過程中學(xué)生將切實感受到各種圖像處理算法的作用，以及在醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)上與自然圖像不一致的效果，從而激發(fā)學(xué)生繼續(xù)探索，對算法進行改進以適用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)。
(五)改變課程考核方式
基于實踐教學(xué)的醫(yī)學(xué)圖像分析課程在考核環(huán)節(jié)應(yīng)該更加注重考核實踐操作［4］。筆者在教學(xué)過程中，最終考核環(huán)節(jié)題目設(shè)置為:基于課程講授以及實踐教學(xué)，提出一個醫(yī)學(xué)圖像問題，并給出解決方法。答題模板如表2。學(xué)生通過回顧與總結(jié)本門課程中的醫(yī)學(xué)圖像實踐采集環(huán)節(jié)與后續(xù)圖像處理算法理論，思考一個現(xiàn)實生活中會遇到的醫(yī)學(xué)圖像問題，最后選用合適的圖像處理方法或者對現(xiàn)有的圖像處理方法進行改進來解決該問題。上述考核方式注重考核學(xué)生“提出問題”與“解決問題”的能力。
(六)醫(yī)學(xué)圖像分析的實踐教學(xué)流程總結(jié)
前面筆者提出了不同的醫(yī)學(xué)圖像分析課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，最后對全部環(huán)節(jié)進行一個總結(jié)，提出一套醫(yī)學(xué)圖像分析的實踐教學(xué)流程，如圖3所示。希望上述教學(xué)模式能給具備相應(yīng)條件的綜合類大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)提供一定的幫助與啟示。
結(jié)語
通過總結(jié)與分析醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)中遇到的問題與學(xué)生反饋，結(jié)合本單位的實際情況與優(yōu)勢，本文提出在醫(yī)學(xué)圖像分析課程教學(xué)中增加諸多實踐環(huán)節(jié)，以提升學(xué)生對本門課程的認識，增強對醫(yī)學(xué)影像原理及問題的深入理解，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)與提高學(xué)生“提出問題”的能力。在圖像處理教學(xué)環(huán)節(jié)，提出基于Octave的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在圖像處理理論學(xué)習(xí)的同時，增強學(xué)生理論結(jié)合實踐的能力。最終通過實踐考核，考核學(xué)生“提出問題”與“解決問題”的能力，通過提出并解決醫(yī)學(xué)圖像相關(guān)問題達到對本門課程教學(xué)內(nèi)容的深入理解，從而培養(yǎng)出能夠?qū)W以致用，并能解決實際臨床醫(yī)學(xué)影像問題的學(xué)生。
參考文獻:
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［2］陳躍，楊建茹．醫(yī)學(xué)圖像分析實驗教學(xué)改革的研究與實踐［J］．中華醫(yī)學(xué)教育雜志，2004(03):45-46．
［3］黃忠江，姜增譽，陳文青，張智星．基于人工智能的醫(yī)學(xué)圖像分析在腦腫瘤中的應(yīng)用進展［J］．中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2021(6):626-630．
