创新人才培养模式下的《医学成像技术与设备》教学改革
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作者:黄敏 周到 陈军波
【摘 要】《医学成像技术与设备》是生物医學工程相关专业一门重要的专业课。我们对CT，MRI在工程实现中所涉及的硬件关键部件、数据扫描、图像重建等重要技术环节进行了扩展，辅以实际成像设备的产品开发制作的视频及图片，提高学生的工程实现能力，培养创新人才。
【关键词】医学成像技术;创新人才;教学改革
【资助项目】中南民族大学教研项目资助：JXSHX17020
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）19-000-02
我国在医疗影像领域的研发生产与国外三大巨头“GPS”的差距很大，缩小此差距是中国在“十三五发展规划”医疗卫生健康领域的一项重要任务。
近年来，联影等公司在此领域发展迅速，CT、MRI等设备已拿到医疗器械许可证，开始装机，促使中国医疗器械从中低端产品向高附加值产品转化[1]。
《医学成像技术与设备》是生物医学工程等专业的一门专业课。结合国家在医疗影像装备上的政策引导，如何把理论知识和工程应用结合起来，培养创新人才，让学生学以致用，提高工程能力，是新时期本科教学在该课程中需要认真考虑的问题。
1.教学内容改革
在本科阶段，《医学成像技术与设备》课程理论教学一般都涉及五类成像设备，包含：X线机、CT、MRI、超声及核医学成像设备。主要讲述与各种设备相关的成像原理，结构组成，以及在临床上的不同应用范围[2]。但长期以来，国内的教材几乎都只有理论内容，连设备的基本结构的实物图片都很少看见，书本内容局限性很大。我们通过与国内大型医学影像设备公司的调研与合作，获得一些很有价值的工程实现的材料，提供给学生进行理论和实践的结合学习。
教学内容上，要讲述的设备多达5类。由于传统X线机结构简单，现在被DR所代替，我们对书本上占1/3篇幅的X-线机的内容进行删减，对胶片模式简单带过，而将空出来的时间分配到更关键的工程实现部分。我们主要以CT和MRI设备相关内容作为改革试点，再后续扩展到其它设备。
2.CT教学改革
CT设备主要包含两部分：硬件主要是X线管，前后准直器，探测器，以及为X线管提供高压支持的高压发生器等;软件部分则主要是对扫描数据进行图像重建的方法以及结果显示技术。
在CT的教学中，首先对硬件的组成增加了很多实物图片，比如CT的全貌，准直器的实物，探测器的组合等，并以视频的方式播放设备的安装和使用过程。学生通过观看从病人摆位，定位，到数据扫描，图片显示等一套完整的过程，射线的发射模式有扇形和锥形，与探测器的结构和排数有密切关系。
然后，授课内容增加了CT重建算法部分，从简单到复杂循序渐进地介绍了：直接图像重建法，并以程序演示的方式来对比几种方法在图像重建质量上的差异，并且给出了采用快速FFT的重建方法。
重建后的CT图像反应的是组织的衰减系数，CT值范围很大，从-1000到+1000，显示采用窗宽-窗位调节，才能清晰的观察不同部位，得到正确的临床诊断结果。以实际的胸部，腹部等CT重建图像为例，展示了不同部位窗位的选取方法和窗宽的设置。通过肺窗，软组织窗举例，以及临床病例展示，教会学生如何进行程序设置，以更好的观察肺区，纵隔，肝脏等。
在教学中采用“理论—工程应用”的模式，将理论知识和工程应用密切结合起来讲解，和专业实践及以后的工作是密不可分的。学生体会到了令他们‘讨厌’的FFT在设备开发中是必不可少的，让病灶“大白于天下”。这种“理论—工程应用”的教学模式极大地调动了学生的积极性，潜移默化地培养了工程思维。
3.MRI教学改革
MRI设备主要包含两部分：硬件主要是磁体，梯度线圈，射频线圈等;软件则主要是脉冲序列的编写，数据采集方法以及图像重建方法。MRI是几大类设备中最难理解的一种，我们采用工程实现步骤中与脉冲序列运行时序相对应的方式来讲解。
从（N）MRI四个字母，从四个方面清晰明了地对成像过程进行说明。N就是人体组织中水里的氢核，而不是核辐射！M是人置身磁场后产生的磁化矢量，R是通过射频线圈作用后的共振信号，I就是为了得到图像要采用梯度磁场对空间每个不同位置进行磁场的改变，以进行空间定位。数据扫描过程中，硬件部件都会顺序工作，从而引入脉冲序列的概念，让学生可以想象在每个步骤中是哪个硬件开始工作，而工作的时候送入的是什么频率及幅值的电流，以及该电流波形如何实现，序列的编写要注意哪些问题。为方便学生理解MRI关键部件，展示了大量的实物图片。播放重要的超导磁体的线圈绕制，磁体安装，液氦的添加等视频，体会超导磁体制作的难度和在MRI中的重要性。对于射频线圈部分，我们都以实物进行讲解，三个梯度线圈是MRI成像进行空间定位的关键部件。选层梯度决定了选层方向属于轴位、矢状位和冠状位中的一种;而剩余的两个梯度方向的波形决定了k空间数据采集的频率域轨迹。各种快速成像方法的实质是改变数据采集的采样位置，以及TR的重复次数。
授课内容增加MRI重建算法。由于MRI数据扫描要根据脉冲序列的不同形式来进行，从而图像重建方法也要根据不同的成像技术进行改变。介绍FT图像重建算法。由于MRI采集的数据是复数数据，而且是频率域采集的k空间数据，这完全颠覆了学生平时的简单认识，他们以为设备采集数据都是时间域或者空间图像域的数据！在讲解的时候，将上学期的数字信号处理课程中的FFT变换与MRI结合起来讲解，为什么FFT也是复数运算。
MRI成像速度慢，引入快速成像方法，介绍工程上通用的螺旋MRI，并行多线圈MRI技术，体会k空间采用不同编码后，成像速度如何快速提高。提高速度和仪器的硬件配置密切相关，梯度的切换率是必须考虑的问题。
配以实例展示，以软件演示方式让学生体会这几种技术对应的图像重建结果的差异。而是要知道各个知识点在实际工程实现中都是如何实现的，这样才能调动学生的积极性。
4.结束语
我们就《医学成像技术与设备》课程的特殊性进行了分析，以CT和MRI授课内容的改革和讲课方式为例，使学生对在开发和生产该类设备中要注意的关键问题及实现方法有直观的印象。这些改革对提高《医学成像技术与设备》的教学质量有很好的参考价值，有助于提高学生的创新能力，为其毕业后在大型影像设备公司的就业提供更好的理论和工程基础。
参考文献
[1]全球CT行业运作模式分析与十三五发展规划建议报告2017-2022年，华研中商研究院，2017.
[2]汤乐民，包志华，李敏，医学成像的物理原理，2017.
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