郑敏敏 林晖

摘 要：“医学图像处理”课程旨在让学生掌握处理生物医学图像的基本原理和方法，并能应用医学图像处理技术开发医学图像处理系统，进行医疗分析和设计。本文在生物医学工程专业背景下，围绕医学图像处理的课程目标，并结合实际教学经验，从理论教学设计、实验教学设计和考核方式三个方面探讨了医学图像处理的教学改革。实践表明，通过这些改革措施，本专业学生的专业素养得到有效提高。

关键词：生物医学工程；医学图像处理；理论教学设计；实验教学设计；考核方式

Abstract：The course of medical image processing aims to enable students to master the basic principles and methods of biomedical image processing，and to develop medical image processing systems using medical image processing technology for medical analysis and design.Under the background of Biomedical Engineering，this paper discusses the teaching reform of medical image processing from three aspects：theoretical teaching design，experimental teaching design and assessment methods，centering on the curriculum objectives of medical image processing and combining with practical teaching experience.Practice shows that through these reform measures，the professional quality of students in this major has been effectively improved.

Keywords：Biomedical Engineering；Medical Image Processing；Theory Teaching Design；Experimental Teaching Design；Assessment method

1 背景介紹

生物医学工程学是一门理工医相结合的交叉学科，它是应用工程技术的理论和方法，研究解决医学疾病的预防与治疗，保障人民健康的一门新兴的边缘科学［1-2］。近几年该学科发展快速，开办生物医学工程专业的综合性高校越来越多，其中不乏地方性综合大学。“医学图像处理”作为该专业的一门核心专业课，在培养工程技术基础好、医学基础知识扎实、具备医学与工程技术结合能力的生物医学工程高级技术人才中发挥了重要作用［3］。

医学图像处理是一门交叉性学科，它综合了数学、计算机科学和医学影像学等多门跨专业学科［4］。各种医学影像设备在医疗系统中的作用越来越重要，其本质原因是医学图像中所包含的诊疗信息极其丰富，为医生的诊断和治疗提供了客观依据，而医学图像处理成为整个医疗系统运行的关键环节。作为生物医学工程专业的核心课程，医学图像处理将数字图像处理和现代医学影像相结合，利用数字图像处理技术对医学图像进行处理，而数字图像处理涉及大量与数学有关的内容、理论性较强，同时又具有较强的实践性，只有在编程实践过程中才能加深对所学理论知识的理解和掌握，对于工科专业的学生而言，这种课程的学习难度较大。传统的教学方式偏重于理论教学，较为枯燥，不能激发学生对本课程的兴趣；课内实验大部分是与实际医学图像处理关联性不大的基础性、验证性实验，不能达到让学生了解所学理论知识的实际应用的效果。针对上述问题，本文从理论教学设计、实践教学设计和考核方式三个方面分别介绍在教学过程中所进行的尝试，实现改善教学效果的目的。

2 理论教学设计

2.1 医工结合

目前，各种医疗影像设备对医学图像的主流存储格式基本上是DICOM（Digital Imaging Communications in Medicine），而非常见的JPEG（Joint Photographic Experts Group）、BMP（Bitmap）和PNG（Portable Network Graphics）等图像格式。因此本课程的理论教学部分，将图像处理技术与“医学”背景相结合，注重培养具备医学与工程技术结合能力的生物医学工程高级技术人才［6］。首先，让学生了解医学图像处理中几个重要的基础技术，了解最常用的DICOM图像编码的技术方法；接着了解医学图像的预处理和增强技术；在获得高质量医学图像基础上，理解图像分割原理和重要的图像分割技术，并掌握基本的图像分割技术，以及医学图像中几种器官分割技术；理解图像配准技术，初步掌握图像配准中的基本技术；对二维图像进行三维重构，了解三维重构的重要技术，掌握三维重构的方法；了解重构后的人体器官可视化技术；了解基于三维医学图像的设计技术，并和3D医学打印技术联系起来，了解3D医学打印中的医学图像，以及相关人体系统以及手术治疗中的工程分析方法。通过将图像处理技术与实际医学图像处理过程相结合，学生能够真切认识到课堂上所学的内容是如何应用到实际，并达到了何种效果，从而激发学生的学习兴趣。

2.2 线上线下结合

随着信息的爆炸式增长，课堂上有限的时间内能呈现的内容非常有限。因此除了向学生提供课件作为主要的学习资料外，本课程在教学过程中还充分利用发达的网络技术，将网络中优质的学习资源推荐给学生，供学生在课后进一步学习本课程较为前沿的知识。与此同时，本课程根据相应章节的知识重难点设置多个设计选题供学生选择，学生自行分组并以组为单位选择感兴趣的设计选题，在规定期限内分工完成审题、查阅文献、方案设计、仿真调试等图像处理的各个环节，并在课堂上将小组的合作成果展示出来，让学生在实际操作中将所学知识融会贯通并学以致用。在此过程中，设置了分组任务互评环节，使学生了解到其他组的完成情况，在给其他组评分的过程中，能够互相学习，取长补短，彼此促进，进一步提升学习效果，下表列出了其中一次分组互评任务的评分指标。除此之外，在课堂上也会设置相关的测试题检验学生对线上学习资源的学习效果，督促学生学习。本质上，就是以线上线下混合式的教学方式来引导学生涉猎更多的专业知识［7-8］。

2.3 中英结合

图像处理领域中各种专业术语及专业词汇大部分是从国外翻译的，让学生清楚所学知识的专业英语表述对学生毕业后走上工作岗位并尽快熟悉工作内容非常重要。同时，学科前沿和最新技术大部分也是以英文的形式在全球传播。目前，国内很多高校也都在积极推进双语教学［9-11］。因此，本课程在教学过程中会要求学生掌握专业词汇的英文单词，同时考虑到不同学生的英语水平存在差异，在教学过程中循序渐进地增加英文词汇所占的教学比重，在保障教学质量的前提下使学生逐渐接触国际前沿专业技术理论和发展趋势。在向学生推荐线上学习资料的过程中，也会注重英语视频、英文文献和英文原版教材的推送，使学生尽可能全方位接触英文学习环境，提高学生熟练进行英文学习的能力。对课后作业和课内实验，也会专门以英文的形式进行布置。这种中英结合的形式，不仅能够提升生物医学工程专业学生的专业水平，了解所学专业的发展前沿，增加学生对所学专业的自信，也能为学生大四毕设查阅外文参考文献打下基础，同时拓宽学生的就业选择范围。

3 实验教学设计

目前，市场上流行的图像处理软件较多，其中既包括用于处理一般数字图像的软件，如PS（Adobe Photoshop）软件、3d Max软件和Matlab软件等，也包括专门用于处理医学图像的商业软件。为了让生物医学工程专业的学生更熟悉本专业的发展现状，本课程要求学生掌握的图像处理软件为商用软件Mimics和Geomagic。这两款软件可以对医学图像进行专业化分割和重构，并能进行重构后处理，对于重构图像中出现的几何缺陷如凹陷、漏洞和漂移的几何体，进行交叉干涉和几何处理，获取高质量的三维结构，从而实现康复辅具设计。本课程设计了两个课内实验，分别为人体四肢影像的三维重构和基于影像个性化四肢医疗辅具模型设计。通过第一个实验让学生掌握医学图像重构的流程，熟悉软件大体框架，熟悉三维重构的方法；通过第二个实验让学生了解辅具设计的发展方向并初步了解设计康复辅具的基本流程。相对于利用Matlab软件进行基础性和验证性的图像处理实验，利用Mimics和Geomagic软件进行医学三维重构，以及基于图像的医疗设计能让学生对医学图像处理的确切应用有深刻的了解。

4 多元考核方式

传统的教学模式是教师负责讲、学生负责听，这种模式无法实时捕捉学生的学习效果，另外学校限制学生上课使用手机的政策也不能严格执行。对于新时代的大学生，传统的教学模式及其考核方式已经不能够适应时代的发展。为了达到理想的教学效果，医学图像处理进行了多元化的考核方式，进行全过程量化考核，避免学生存在平时上课不重视学习质量，期末考试突击学习。

4.1 课前检查

课前要求学生自学教师提供的学习资料，并在正式上课前完成相应章节的任务，包括小测或者是系统设计，其中系统设计一般为分组任务，并在完成上述任务后参与主题讨论，将自学后的收获及进一步需要提高的地方进行总结。学生经过上述一系列的课前学习及完成任务后，在正式上课时就会带着问题听课，达到有的放矢，上课的积极性显著提高。

4.2 课中提问

在课前阶段，教师已经从任务的完成情况和主题讨论中收集了班级所有学生的自学情况，在正式上课时会对涉及的重难点知识点进行补充强化，并针对学生存在的共同问题设置特定的问题进行抢答，鼓励学生在自学和老师教授完知识点后再次思考自己课前存在的问题，学生在课上的互动情况及回答问题的质量都将作为课程考核的一部分计入最终的课程成绩。

4.3 课后小测

经过课前学生的自学和课中教师的讲授，学生对章节的学习已经基本完成，此时通过课后的小测环节可以引导学生再次进行知识的复习、巩固及查漏补缺，本次的小测成绩可看成是平时作业的成绩，至此整个章节的课前、课中和课后三个步骤的考核也基本结束，通过分阶段、分重点的考核基本上对学生的掌握知识情况有一个全方位的了解，对章节中的疑难点也进行了加固，保证学生的知识点不存在盲区及薄弱点。

4.4 实践考核

医学图像处理的最终目的是使生物医学工程专业的学生能够把理论知识应用于实践，因此本课程的考核方式中加强了对学生实验完成情况的考核，包括实验课的课堂表现情况和实验报告的撰写情况。其中课堂表现情况是指学生在给定的时间内完成实验的数量和质量，它真实反映了学生在课堂中的知识掌握情况。而实验报告的撰写情况是指学生在课后对实验结果的完善、整理、分析及对思考题的解答情况，它则反映了学生在课后再次学习后对课上未掌握知识点的补救效果。

总之，本课程的最终成绩包括了平时、实验和期末的纸质考试，其中平时的考核又分为了课前、课中和课后三个阶段的考核，这三项成绩组成从多维度对学生的理论知识掌握程度及实践能力进行综合评估，实现了多元化考核，这种考核方式能够避免学生被动接受知识的情况，激发学生主动思考的积极性。

结语

“医学图像处理”是生物医学工程专业本科生必修的核心专业课，本课程为学生提供处理医学图像的能力，为基于图像的医学分析和高级应用提供基础。本文从理论教学设计、实验教学设计和考核方式三个方面对医学图像处理这门课进行教学探讨。通过实践，学生对本课程的理论知识掌握情况和实践能力得到有效提高，教学效果改善较为明显。随着图像处理技术和计算机技术的不断发展，以及教育部对教学改革的重视，本课程的教学内容和教学方式的研究也在不断推陈出新，因此对于本课程的教学探讨是一项长期工作，需要我们跟随时代步伐，不断努力，改进教学方式，进一步改善教学效果。

参考文献：

［1］张海生，张瑜.多学科交叉融合新工科人才培养的现实问题与发展策略［J］.重庆高教研究，2019，7（06）：81-93.

［2］谢勤岚，李正义.“生物医学传感器与检测技术”课程教改实践［J］.中国电力教育，2014（03）：96-97.

［3］李明彩，李曉辉.《医学图像处理》课程教学质量改进方法的探讨［J］.现代计算机（专业版），2017（16）：34-36+49.

［4］董默，苏奎，周志尊，等.生物医学工程专业《医学图像处理》实践教学的改革［J］.软件，2017，38（02）：37-41.

［5］刘李漫，谭龙雨.数字图像处理中的医学图像处理应用［J］.教育现代化，2019，6（85）：214-216.

［6］朱松盛，段磊，王伟，等.“医工融合”培养创新型医学工程人才［J］.实验室研究与探索，2016，35（12）：212-214.

［7］李文，杨莉，宋德志.基于MOOC平台的线上线下混合式课堂教学改革探究——以医用传感技术课程为例［J］.大学教育，2018（09）：70-73.

［8］杨君君，房丽娜，邱晨.“互联网+”背景下闭环教学模式探究——以“Photoshop图像处理”课程为例［J］.科技与创新，2021（13）：80-81.

［9］周振南.关于生物医学工程专业《医学图像处理》教学方法的几点思考［J］.科技风，2019（02）：45.

［10］娄向新.“生物医学工程”课程双语教学的实践与认识［J］.纺织服装教育，2017，32（03）：248-251.

［11］宁春玉，赵春华，黄丹飞，等.理工科专业课程双语教学的实践——以生物医学工程专业《医学图像处理》课程为例［J］.职业技术教育，2012，33（29）：28-30.

基金项目：本文系2020年莆田学院校级教育教学改革研究项目（JG202033）；2021年福建省科技厅项目（2021J011108）的研究成果

*通讯作者：郑敏敏（1988— ），女，汉族，福建莆田人，工学博士，讲师，主要从事生物信号处理研究。

作者简介：林晖（1970— ），男，工学博士，教授。