生物医学成像技术
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生物医学成像技术范文第1篇
作者简介：杨春兰（1980-），女，河北石家庄人，北京工业大学生命科学与生物工程学院，副教授；吴水才（1964-），男，江西九江人，北京工业大学生命科学与生物工程学院，教授。（北京 100124）
基金项目：本文系北京工业大学2013年度研究生课程建设项目（项目编号：015000542513528）、北京工业大学教育教学研究项目（项目编号：ER2013B21）的研究成果。
中图分类号：G643.2 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0105-02
“生物医学图像编程实现技术”是生物医学工程专业研究生的选修课。该课程的主要内容是分别利用Visual C++和ITK两种编程工具实现常见生物医学图像的读写、点运算、配准、分割等涉及医学图像分析基本问题的程序编制。本课程共32学时，包括7个章节：常用医学图像处理软件编程环境介绍；生物医学图像的类型及其数据表达；各种医学图像的读写方法和显示；生物医学图像处理类库的实现；医学图像配准；医学图像分割；基于医学图像的统计分析。
本课程教学方式主要采用课堂讲授和学生上机讨论同步结合的形式。教学思路围绕利用VC等编程工具实现图像处理程序的编写展开：以ITK学习作为算法理论指导的基础和主线，在学生理解具体算法的核心内容后，再利用VC完成算法的实现，进而使学生掌握VC进行生物医学图像处理的编程技巧。在课堂教学中充分发挥学生的积极性，鼓励创新思路和团队合作。本课程目前主要选用与ITK和VC图像处理紧密相关的指导书和参考书，以及笔者编写的教学讲义。
针对该课程教学内容中ITK和VC均采用英文开发平台的特点，目前英文多媒体课件已达教学内容总量的2/3以上。笔者多年从事生物医学图像处理领域的科研工作，近年来查阅并收集了大量英文文献。在各章节的教学中为学生提供了丰富的英文学习资源。此外，教学中采用英文ITK编程指导书作为程序编写的基本算法理论参考。程序设计中，示例程序英文注释占到1/2以上篇幅。鉴于目前的教学现状， 拟将该课程建设为双语课程。
一、双语教学改革的必要性
“生物医学图像编程实现技术”作为生物医学工程专业硕士生的专业选修课，目的是使学生学会利用VC和ITK等编程工具完成生物医学图像处理的程序设计和相关科研任务。目前Microsoft Visual C++6.0开发平台和ITK开发平台均为英语环境，ITK学习资料和网站亦均使用英语，因此，掌握VC和ITK程序设计中的常见专业术语，具备阅读并编写英文注释的程序代码能力是教学中的一个重要目标。前几轮教学中主要存在以下问题：
第一，学生本科阶段专业背景和英文水平存在差异，在学习以英文为主的教学内容时存在一定困难。北京工业大学（以下简称“我校”）生物医学工程专业研究生大多来自其他各地方院校，很多学生在计算机语言学习和编程操作方面基础较为薄弱，编程水平亟待提高。目前生物医学工程专业开设的研究生课程中，“医学图像处理”仅从基础理论方面论述了生物医学图像处理的内容、模式和发展趋势，学生缺乏利用计算机编程工具实现图像处理算法的技术入门和指导。本课程目前主要以ITK用户学习指导书和Visual C++图像处理参考书作为学生学习的参考资料。ITK指导书和相关学习资料为全英文编写，通常程序开发者使用的VC6.0开发平台为英文版，帮助查询信息也为英文，在一定程度上增加了学生学习编程技术的难度。双语教学的开展成为解决该问题的重要途径。
第二，已有经试用一定时期、教学效果良好的上机指导讲义，但尚无与英文学习资料配套的双语教学讲义。生物医学图像处理的基本概念和相关算法是本课程的理论基础，利用ITK和VC进行编程是学生学习本课程应掌握的基本技能。鉴于在课堂教学中，理论讲授仍是主要教学手段，笔者围绕使用ITK和VC图像编程两条主线来安排课堂教学，精选出能够提高生命科学与生物工程学院（以下简称“我院”）研究生科研水平的课程内容。
目前的课堂教学主要以ITK用户学习指导书和Visual C++图像处理参考书作为学生学习的参考资料，尚无可供使用的正式出版教材。基于前期该课程教学改革建设，笔者编写了该课程的上机编程指导讲义，教学中已试用3轮，学生普遍反映对其学习很有帮助，取得了较好的实验教学效果。然而，单独一本上机指导书或者几本相关参考书无法满足教学中的实际要求。此外，目前编写的上机指导书中缺少英文专业术语，而在实际教学中应当注重专业术语的解释和英汉对照，使学生在掌握专业知识和技能的基础上进一步学会专业词汇的运用，提高其科研能力。因此，教学中亟需使用将基础理论内容与上机操作有效紧密结合的双语教学讲义，使课堂教学中学习资料与上机指导书内容相对应，从而使教学内容系统化，能够同时满足学生理论学习和上机操作的实际需要。
第三，学生自主学习内容来源均为英文资料，尚需教师做中英对照指导。培养学生的创新意识和动手实践能力是研究生教学的基本指导思想。计算机程序设计类课程需要足够的上机操作练习和课后自主学习来巩固学习成效。只强调课堂讲授往往使学生的思路受到限制，不能达到同步跟随讲解掌握编程要点和调试技巧的目的。笔者鼓励学生在自学中利用互联网等现代学习工具，并结合自己在生物医学图像处理领域的科研工作，针对教学内容收集了大量英文文献，在各章节的教学中为学生提供了丰富的英文学习资源。但多数学生在计算机语言学习和编程操作方面基础较为薄弱，且缺乏图像处理方面的先修专业知识，在自学时遇到了较多困难，需要教师对相关专业术语和概念做中英对照解释和指导。因此，课堂讲授和课后师生答疑及作业等均宜采用双语模式。
综合以上分析，本课程在教学中需组织并精选双语教学内容，并在此基础上编写与英文学习资料配套的双语课堂教学讲义，在课堂讲授等环节亦适合采用双语教学模式。双语教学是解决前述几个教学问题的必要手段，也是增强本课程教学效果的重要途径。
二、双语教学建设的具体措施
1.教学内容建设
本课程主要以利用ITK和VC两种工具进行生物医学图像处理的程序设计展开。ITK的学习相对易于掌握和理解，可作为引导和帮助学生形成编程思路和整体框架的基础部分；针对生物医学图像的特点，在ITK对应内容学习的基础上，重点使学生掌握利用VC进行各种处理算法的程序实现。由于课时数的限制，教学内容将紧密联系目前医学图像处理领域的热点问题，参照国内外常用生物医学图像编程软件的基本功能，精选有助于学生今后开展科研工作的内容，在此基础上完成教学内容的中英对照优化。
在目前使用的英文ITK学习指导书、VC图像处理参考书和自编的上机指导讲义中，对于图像文件的读写、图像滤波等内容，是交叉重合的部分，也是教学中的重点内容。因此，可依据学习资料将上述章节的教学内容重新整合，组织成中英双语对照的形式；对于无交叉的内容，如图像配准、统计分析等，以中文参考书为主导，英文指导书相关知识点为参考，通过查阅参考资料，完善该部分的中英对照内容。
2.教学方式建设
双语教学的目的是使学生能够在专业领域进行学习和应用，使外语不再成为专业学习和交流的困难和障碍。因此，双语教学不能仅仅立足于提高学生的外语水平，更应在教学中注重专业术语的解释和英汉对照，使学生在掌握专业知识和技能的基础上进一步学会专业词汇的运用。[1-3]本课程双语教学的目标必须以掌握专业知识及技能为基础，进而培养学生的动手能力和利用编程理解各种理论算法的学习能力。
基于上述教学思想，教学方式主要采取课堂教师讲授与学生同步上机操作相结合的形式。在双语教学过程中充分发挥学生使用英语学习的主动性和创新意识，鼓励团队合作完成较复杂程序的设计。[4，5]针对课堂讲授环节，以英文多媒体课件为依据，在各章节末给出专业术语的中英文对照总结。对基本理论算法采用英语讲解，重点和难点部分用汉语加以强调。
每个专题内容的教学中，首先由教师给出具体的设计任务，以ITK示例程序作为基础理论指导，利用VC演示经典程序的编写调试过程，重点强调编程中的技术要点和中英对照专业术语，并对易错点进行提示。根据设计任务，鼓励学生在实现程序的基本功能基础上，加入自己对算法的理解和功能扩展，并请学生在课堂上对程序设计思路用英语进行讲解和交流。课后程序作业要求学生在程序编写时给出各种函数功能和关键语句的英文注释。
在医学图像配准、分割专题的教学中，让学生分析查阅中英文献资料，结合自己今后的科研方向制作简单的软件实现配准、分割的常用算法。在这些专题中组织学生进行英文口头报告和学术讨论。对于功能模块较复杂的程序，让学生自由分组，注重培养学生团队协作精神和个性特长的发挥。
3.教材建设
目前该课程没有指定的正式出版教材，在实践教学中主要采用自编的上机指导讲义《上机指导说明书》，课堂教学环节中主要从ITK和VC实现图像处理两个方面为学生提供了相应的英文学习资料和参考书。
结合该课程的专业特色和注重上机操作环节的特点，在优化中英对照教学内容的基础上，编写本课程双语教学讲义。讲义内容涉及中英对照的医学图像处理相关基本概念和术语、ITK程序运行步骤及结果分析中文注释、ITK专业术语中英对照详解、VC图像编程技巧要点等。由于该课程实践性强，在编写讲义的同时，对重要的教学内容和教学难点可以制作视频讲解的VCD光盘予以辅助。
三、双语课程建设的可行性
本课程教学内容是在了解学生知识水平和专业背景的前提下，结合我院生物医学工程中心各研究室的研究方向和主要工作而安排的。针对VC开发平台和ITK教学示例程序及注解均为英语的特点，后续教学中可以做到对双语教学内容结构的进一步完善和调整，从而达到提高教学效果的目的。
尽管目前本课程尚无可供使用的正式出版教材，但已有适应学生学习水平的相关中英文参考资料和申请者编写的学生上机实验指导书和讲义，后续建设中编写与中文对照的英文讲义是完全可行的。
选修该课程的生物医学工程专业学生人数相对固定，课堂教学过程便于控制。授课对象具备良好的英语基础和专业知识，具备双语教学的接受水平和理解能力。因此可以探索更为合理的双语教学模式，从而充分发挥学生学习的积极性，培养研究生利用英语查阅文献和学习的研究能力，提高其国际交流水平。充分发挥本课程教学内容和参考资料为英文的优势，让学生在该课程的学习中对利用英语进行科研的训练得以实现。
本课程教学团队的师资力量和业务素质达到了对“生物医学图像编程实现技术”进行双语课程建设的基本要求。笔者曾赴英国华威大学参加了校青年骨干教师出国培训，口语流利，专业基础知识扎实；为生物医学工程专业本科生主讲“Visual Basic程序设计”（双语）课程，具有为该专业学生讲授计算机类课程的双语教学经验，了解该专业学生在学习计算机类课程时的知识水平和心理特点；多年从事生物医学图像处理领域的科研工作，查阅并收集了大量英文文献，在各章节的教学中为学生提供了丰富的英文学习资源。
本课程隶属生物医学工程专业硕士生计算机类选修课。我院设有生物医学工程一级学科博士学位、硕士学位授权点，该学科是北京市重点建设学科。生物医学工程中心下设2个生物电子与仪器研究室，1个生物力学与仿真工程研究室。生物医学图像处理是生物医学工程领域的主要研究方向之一，上述研究室均开展了涉及生物医学图像处理的研究工作，可为本课程的实践教学环节提供科研实践训练环境；此外，产学研基地还可吸纳学生进行与图像处理相关课题的编程创新训练。我院与美国桑利尼亚州立大学签订了联合培养协议，为开展双语教学提供了有利的国际学习和交流条件。
四、展望
为推进国际化教育进程，研究生课程建设应积极做到与国际化接轨。“生物医学图像编程实现技术”以提高学生图像处理的编程水平为基本出发点，结合当前该课程的教学现状，在教学内容和教学方式等方面都有望实现双语化。通过借鉴相关计算机类课程双语教学的宝贵经验，不断进行总结，从而实现预期教学目标，切实提高研究生的实践能力和研究水平。
参考文献：
[1]曹东云.影响高校双语教学效果的学生、教师因素调查研究[J].教育探究，2010，（5）.
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[3]苏晓云.地方高校双语教学课程质量保障体系的研究与实践[J].中国电力教育，2010，（19）.
生物医学成像技术范文第2篇
关键词：生物医学工程；计算方法；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）22-0119-02
一、引言
《计算方法》综合了计算数学和计算机科学相关知识，具体研究利用计算机解决数学问题的相关理论和相关方法。该课程作为我校生物医学工程专业本科学生的课程，目前仅有理论教学环节，教学效果有待提高。本文结合生物医学工程专业特点，基于我院在医学影像成像方法的研究成果，借助我校信息学科与计算机学科的优势，对《计算方法》课程教学改革进行探讨。将《计算方法》课程的理论知识应用于医学成像中，包括CT成像、近红外光学成像和光致超声成像等，以期摸索出适合生物医学工程专业学生的《计算方法》实验教学体系，培养知识与能力并重、理论与实践兼顾的创新型生物医学人才。
二、计算方法课程特点及教学存在的问题
随着科学技术特别时计算机科学与技术的高速发展，科学计算已成为继理论分析、实验研究之后的第三种科学研究手段。计算方法研究利用计算机解决科学问题的相关理论和方法，是科学计算的核心。作为数学理论与工程应用之间的一个纽带，计算方法在很多学科领域发挥着重要作用，很多高校已将该课程作为学生的必修或选修基础课程。
计算方法紧密结合数学理论和计算机科学，是数学的一个重要分支，也是理工科学生一门重要的基础课程。计算方法研究利用计算机解决数学问题的相关理论和方法，强调计算机技术的实际应用和数学算法的工程实现，对学生的动手能力有较高的要求。由于与工程实践密切结合，该课程的教学必须理论与应用并重。
《计算方法》课程具有以下特点：（1）计算方法课程不仅涉及高等数学中学过的相关理论内容，而且注重运用这些理论去解决问题，而不是理论本身。它有助于加深学生对数学理论的理解和认识。（2）计算方法课程公式较多而且难记。（3）强调对计算机的使用，尤其是在计算机上借助一定的软件平台实现相关算法。
生物医学工程是一门兴起于20世纪60年代的交叉学科，涉及化学、数学、物理、药学、生物t学、电子技术、工程技术、材料、计算机技术和信息技术等众多学科及领域。该学科综合了工程学、生物学和医学的理论和方法，具有综合性强、知识结构交叉跨度大、发展速度快等特点。从事该专业的本科生不仅需要电子技术、生命科学、电子与信息科学相关的基础理论知识；而且还需具备生物医学与工程技术相结合的科学研究能力。由于生物医学工程学科知识结构的交叉性和综合性，对高校培养的该专业人才需要更高、更全面的能力素质要求。
我校生命科学技术学院将《计算方法》课程作为大三生物医学工程与生物技术专业学生的选修课，经过几年的教学，存在的主要问题如下：
1.《计算方法》课程教学内容照本宣科，与生物医学工程专业基本无联系。目前，课程教学内容与生物医学工程专业以及生命科学技术学院研究方向基本上没有联系，结合不够紧密，没有将生物医学工程专业领域涉及的科学计算学生所学专业领域科学计算问题融入教学计划和教学内容。
2.《计算方法》重点在于理论教学，对数值实验能力的强调不够。以往的教学环节中，选用的教材在内容安排上没有对数值计算过程中实验过程的描述。老师在授课过程中，忽略了学生数值实验能力的培养。实际上，这门课程不仅具有完整的理论体系，更是一门实践性很强的课程，数值实验在该课程中必不可少。
三、教学改革具体措施
针对上述问题，本文从教学内容、教学模式和考核方法等方面进行研究，结合生物医学工程专业特点，基于生命科学技术学院科研平台，加强数值实验，摸索适合生物医学工程专业学生的《计算方法》实验教学体系，培养知识与能力并重、理论与实践兼顾的创新型生物医学人才。
1.扩展《计算方法》教学内容。我校《计算方法》课程选用西北工业大学出版社出版的教材《计算方法》，教材内容包括计算误差、基于二分法和迭代法的方程近似求解、直接法和多种迭代法求解线性方程组、特征值和特征向量的计算、最小二乘法求解方程组、曲线拟合、曲线插值、以及数值积分与数值微分等，课程内容大部分涉及的都是数学理论，以及各种方法的详细推导，教材上的例子主要是简单的数学问题，与实际应用联系较小，与生物医学工程专业更是没有联系。我们在教学过程中，结合我院科研以及生物医学工程专业特点，在理论讲解与公式推导的同时，融合医学成像具体实例，让学生了解如何在本专业领域运用该课程相关知识。
2.开设《计算方法》实验教学。为提高学生动手能力，我们在经典计算方法课程内容基础上，结合生命学院科研项目，加入与生物医学工程专业相关的应用实例，例如CT图像重建，计算方法课程中的迭代法和最小二乘法均可用于CT图像重建，基于学院CT硬件系统采集的数据，结合合适的成像模型，学生上机编程完成CT图像重建。通过该实例学生不仅了解了CT成像原理，更掌握计算方法在CT成像中的应用。再例如辐射传输方程的求解问题，该问题在生物医学成像中普遍存在。辐射传输方程属于复杂的偏微分方程，在光学成像前向建模中，需要求解该方程，而计算方法课程中有一章的内容讲解偏微分方程的数值求解方法，学生可以开展基于数值方法的辐射传输方程求解。同时，我们加大编程仿真，特别要指导学生应用所学知识进行生物医学工程应用实践。
3.完善《计算方法》教学模式。《计算方法》课程的目的是让学生利用计算机，结合一定的软件工具，解决实际问题。考虑到课程特点，以及学生前期已经学习Matlab语言，我们使用Matlab软件作为计算方法的编程工具。我们在当前计算方法课程的课堂教学安排中，除了理论教学，还增加仿真实验。教师在课堂讲解时，进行详细演示，同时要求学生课后进行编程与上机。课后作业采用计算机编程完成，学生提交报告，给出程序代码以及运行结果。使学生通过仿真实验掌握计算方法中的理论知识，同时学会编程运用计算方法相关内容解决实际问题，提高动手能力。
4.改进《计算方法》考核方式。传统《计算方法》课程考核采用笔试形式，主要考查的是学生对基本知识点的掌握情况。本文改革中，我们兼顾知识与能力的评价标准考核学生学习效果。评价标准主要包括：计算方法基本理论知识、基于Matlab工具的编程仿真实现计算方法相关算法、生物医学工程实际问题解决能力。对于计算方法基本理论知识的考核，采用笔试闭卷形式；对基于Matlab工具的编程仿真实现计算方法相关算法，考核学生在计算机上利用Matlab语言编程实现误差分析、二分法和迭代法求解方程组、数据插值、数据拟合、数值积分与微分等；对于生物医学工程实际问题解决能力的考察，给出两到三个生物医学应用问题，要求学生根据现有数学模型，基于测量数据问题求解，并给出误差分析结果。总之，采用形式多样的考核方式，对学生的综合能力进行测评。
四、结语
本论文对计算方法课程改革进行了探讨，构建教学研用有机结合的计算方法教学体系。通过基础知识传授、计算机仿真实验、医学断层成像具体问题实践，建立包括基础理论――验证实验――应用实践三个层次的相互衔接的计算方法学教学体系；同时，生物医学工程专业背景下的算方法教学，融合了包括分子数学、生物、计算机与信息等多学科知识，对学生的理论、实践与应用能力协同训练与提升，为多学科交叉复合型创新人才的培养奠定基础。
参考文献：
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[3]胡春玲，袁。吕刚.应用型本科院校《计算方法》课程教学模式研究[J].大学数学，2013，29（2）：10-13.
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[5]焦纯，卢虹冰，张国鹏，等.结合计算思维能力的培养，深化生物医学工程教学改革[J].医疗卫生装备，2014，35（9）：141-143.
Teaching Reform of "Computational Methods" for Biomedical Engineering Students
CHEN Duo-fang
（School of Life Science and Technology，Xidian University，Xi'an，Shaanxi 710071，China）
生物医学成像技术范文第3篇
BME的重要目标之一是发展非侵入式的诊断技术用于治疗和诊断疾病。生物医学影像是一种非常有效的对结构与功能进行诊断的非侵入式技术。现在，生物医学影像学已成为现代化医院的主要标志之一，它是临床研究的一种主要工具，也是医院开展新技术、新业务的重要基础。生物医学影像学是如此的重要，美国国立卫生研究院（NationalInstitutesofHealth，NIH）在20世纪初就改变了它们传统的疾病和器官的机构模式，建立了国立生物医学影像学与生物工程学研究院（NationalInstituteofBiomedicalImagingandBioengineering，NIBIB）。而在我国国家基金的医学科学三处，影像医学不再是BME中的一个分支，而是被放到与BME同等的地位。美国最近开展的一项被认为可与人类基因组计划相媲美的脑科学研究计划，正是生物医学影像学在神经科学领域的巨大应用。根据美国劳工部的统计显示，BME专业是美国就业领域中需求增长最快的专业，从2010年到2018年预计有72%的增长，而生物医学影像学又是BME中增长最快的领域。
生物医学影像学随时间在飞速地发展，被广泛应用在临床和基本生理和生物学的研究之中。大量的新发明出现在生物医学影像领域，被用于创建新的影像模式；提高图像的空间与时间分辨率与对比度；提供更为方便使用的影像数据分析和可视化；进行远程医疗等。生物医学影像学是一门交叉学科，它的飞速发展不仅需要优秀的生物医学影像从业人员，也对生物医学影像的教育提出了更高要求和全新的挑战。如何提高生物医学影像人才队伍的综合水平，已迫在眉睫。
二、生物医学影像学教育
1.生物医学影像学从业者的变化
现代化的大型生物医学影像设备是集物理、材料、机械、电子、计算机、自动化、网络等多种技术于一体的精密仪器。它的操作、维护和保养均十分复杂，对操作者的素质要求比较高。数十年前，大型生物医学影像设备的从业者是一些受过医学图像培训的物理学家。随后，这项工作主要由本科物理专业、研究生医学物理专业的毕业生充当。而在今天，大型生物医学影像设备的操作者主要来自于BME专业毕业的本科生和研究生。BME的教育由于融合了物理科学、工程方法和技术以及生物医学，使得BME专业的毕业生极为适合生物医学影像学方面的工作。生物医学影像学从业者的变化给人们提出了三个教育中的问题：是否所有的BME学生都需要对生物医学成像有一些基本的了解和认识？BME专业的学生需要掌握哪些生物医学影像学知识？如何使学生更好地了解、设计及使用成像系统？
2.生物医学影像学的知识结构和应掌握的基本知识
生物医学影像学的知识来自于多个学科领域，包括电气工程学、机械工程学、生物物理学、数学、物理学、材料科学、生物学等。生物医学影像学需要具备基本能量物理、辐射、辐射能量与物质的交互、硬件设计与实现、数据收集、分析和可视化、组织器官基于图像的建模、数学变换、信号和图像处理、软件工程、信息论以及高性能计算等多方面的知识。由于生物医学影像学在BME教育中的重要性，BME的学生即使未来不从事相关的工作，他也应该学习生物医学成像和生物医学图像处理的基础课程。他们应该理解常用图像模式的基本成像原理和它们的优缺点，如何进行基本的图像分析与处理，常用模态图像的基本解释等。而未来准备从事相关工作的BME学生，则应该选择一到两种影像模式，围绕它们的具体应用进行更深入的学习与研究。
3.生物医学影像学教育中存在的挑战
在生物医学影像学教育中，存在着一些挑战阻碍着高质量的生物医学影像学教育。这些挑战包括有限的动手实践、教科书中的知识老化等。生物医学影像学是一门理论与实践、原理与应用紧密结合的学科，实践教育可以使学生快速有效地掌握必要的基础理论、基本知识，节省时间，提高授课的效率。医疗机构对生物医学影像专业大学生的实际操作能力要求越来越高，因此，必须提高医学影像工程专业实践教学，提升学生的就业竞争力。而在生物医学影像学教育中，使用实际影像设备进行教育，往往由于安全问题和成本高而变得不可行。例如，小型x-射线管和在影像中使用的放射线核素在成本上是可行的，但它们所释放的电离辐射对人体存在安全危害，不适合在高校课堂中使用。如果不考虑安全问题，会发现一台基础的磁共振设备就需要数十万元，而且后期也存在着大量的维护费用，往往不是高校的教育经费可以承担的。当前，在医院的放射科、影像科等科室中，现代化的大型生物医学影像设备被广泛地采用。而在大学的实体教学中，学生却往往没有机会接触这些设备，这就造成了教学与实践环节的脱节。另外，生物医学影像学是一个高速发展的领域，每隔五到十年都会有较重大的突破。而在教学中教材的建设是一个较长期的过程，一本教材往往需要数年才能成形，这就导致了有时教科书和其他教育资源还没出版就有些过时了。
4.生物医学影像学教育中的资源
在生物医学影像学教育中，网络可以为学生与教师提供了一个开放、共享与实时的资源平台，大量的不同影像模式和针对不同的生物医学应用的影像被放在网络上共享，这就使得学生们可以更好地理解图像形成的方式和认识如何根据工程和科学的需要生成图像，从而将抽象概念形象化、具体化。一个在线的超声波教程被证明在帮助BME学生学习超声波的基本知识上比常规教程更为有效。当前，在课堂中使用真正的成像设备是有一定难度的，而影像设备模拟器则是课堂学习一种非常有用的辅助手段。仿真大脑数据库可以根据磁共振设备扫描参数的不同生成T1、T2以及PD模式的大脑磁共振图像。美国的MedSim公司也直接提供了超声图像仿真仪用于实体仿真。在教学过程中，应加强实验室、实习基地、模拟器、网络资源等实验实践教学平台建设，提供给学生一些重要的电子资源，便于学生课外自学，巩固知识，巩固基础性、实用性、稳定性的实践教学资源。根据教育技术的发展，对教学方式、内容与手段等进行改革。从过去的以教师传授，学生被动接受知识向以学生为主体，增强对学生创新意识和动手能力的培养、应用与综合能力的培养，教师积极引导的方式转变，构建良好的学习与交互平台，培养学生主动探索和高级思维的能力，广泛而深入地参与到教学过程。
5.生物医学影像学教育中的教学方法的改进
生物医学影像学的教学不再是以课堂灌输为主，传统的教学模式必然会导致教学质量和学生学习积极性下降，它的改革势在必行。如何高质量地完成现代医学影像学的教学成为摆在教师面前的一项艰巨的任务。学科的迅速发展与实际应用的需求产生导致生物医学影像学技术也不断创新，新的理论、新的方法被应用于生物医学影像学领域，如多模态成像系统的出现，从解剖图像到功能图像，从宏观的组织结构影像到微观的分子影像，成像技术与手段不断更新等。随之，也出现了一些新的生物医学影像处理方法，包括图像的融合、三维图像分割、图像动态跟踪、分子影像分析等。教师的科研方向及课题都具有一定的前瞻性，采用的理论与方法较新。教师可结合具体的项目，实施“产学研”结合，根据所在领域的国内外研究动态，以专题讨论或穿插于课堂教学的方式，及时跟踪学科发展动态，将最新的知识与先进技术介绍给学生，使其掌握本学科最前沿的学术思想与专业知识。此外，宜结合国内外医学影像乃至生物医学工程产业的现状与发展，分析国内相关技术水平与差距，使学生能从宏观上把握学科知识与相关产业发展情况。
三、小结
生物医学成像技术范文第4篇
【关键词】量子成像；单像素成像；鬼磁共振血管造影；量子光学相干断层扫描；综述
前言
生命科学的发展离不开各种成像设备和手段，图像分析从手工绘制到静态照片，再到如今的计算机（半）自动测量。今天的成像技术产生了大量的数据，需要可视化、多维度、定量和动态的图像分析。随着理论的发展和技术的进步，量子成像自20世纪90年代登上了历史舞台，伴随着其成像的高分辨率、非局域性和抗干扰性强等天然优势，在生物医学、保密通信、军事和气象等领域有着很高的应用前景。
1量子成像
1.1概念和历史
量子成像，又称鬼成像（GhostImaging）或关联成像（CorrelatedImaging），是利用辐射场的量子涨落来获取物体信息的一种非局域成像方法。典型的量子成像方式为纠缠光源符合成像，基本过程如图1所示。首先用自发参量下转换的方法制备纠缠光源，即当泵浦激光通过非线性晶体时，由于随机的真空涨落，一个泵浦光会以很小的概率劈裂为一对纠缠双光子，此过程满足能量、动量守恒，因此两光子具有时间、偏振、频率、自旋纠缠等特性。下转换光子经分束器PBS后分成两路，分别称为信号光和闲置光。待成像物体置于信号光一路，用一个无空间分辨能力的桶探测器接收；闲置光一路无待测物体，信息由可探测空间光场分布的空间探测器接收。因此，无论是信号光还是闲置光，任何一路的单独测量都无法成像，但两路的符合关联计数却能恢复物体的像。量子成像的实现归功于1956年Brown等［1］利用二阶光强干涉的方法测量双星角半径的实验，而在此之前，光的干涉都是基于相干光源的一阶干涉实验。在Brown等的实验中，干涉不再要求必须是相干光源，因此产生干涉的两束光的光程差几乎不影响测量结果，大大提高了实验的抗干扰性。1994年，Ribeiro等［2］利用纠缠光子对首次观测到非相干光源下的杨氏双缝干涉现象；Shih等［3］和Pittman等［4］观测到满足高斯成像公式的量子几何成像；随后，Strekalov等［5］实现了量子干涉和量子衍射实验；1999年，Fonseca等［6］观测到双缝的亚波长干涉现象，即干涉条纹间距为同波长相干光干涉条纹间距的一半，可见量子成像可以实现超越衍射极限的超分辨成像。以上实验都是基于纠缠光源实现的，那么“纠缠”是量子成像的必要条件吗？答案是否定的。自2002年起，随着赝热光源关联成像［7］、真实光源关联成像［8］、非相干热光场无透镜关联成像［9］和亚波长干涉［10］相继实现，经典热光场的关联成像也得以证实。人们发现关联成像不仅可以用基于纠缠光子的量子理论来解释，同时也可以用基于统计光学的经典理论来解释。
1.2单像素成像
除了基于纠缠光子对的符合计数成像和基于热光场的强度关联成像之外，另一个与量子成像密不可分的概念是单像素成像，又称计算关联成像。2008年，Shapiro［11］从理论上证实了量子成像中闲置光一路的信息可以通过对光场的计算得出，因此并不是量子成像所必须的，该理论的可行性随后得以证实［12］。计算关联成像中光源可由激光照射空间光调制器产生强度涨落光场，这一过程由计算机控制，因此闲置光一路的光强、相位等理论测量值已知，实验中无需包含空间探测器的闲置光一路，只需一个无空间分辨能力的桶探测器即可成像。将桶探测器收集到的光强信号和空间光调制器的理论数据进行符合关联运算，即可得到最终的像。单像素成像方法由于少了一路闲置光，较普通量子关联成像方法而言，实验光路更简单，因此实用性和可操作性更强。
1.3量子成像的优势
与传统成像方式相比，量子关联成像凸显出了明显的优势：（1）成像分辨率高。经典成像受限于瑞利衍射极限，而亚波长干涉现象的发现预示着量子成像可以实现超越衍射极限的超分辨成像。对于N个纠缠光源的系统，Boto等［13］于1999年证实了其在理论上可将成像分辨率提高N倍。（2）非局域成像，抗干扰能力强。首先，量子成像中“物的探测”与“像的重建”是分开进行的，并且可以用非空间探测器（桶探测器或单像素探测器）获取物体的空间信息。其次，量子成像可以实现非相干光源的相干成像，因此成像结果不受光路扰动影响，在一定程度上可以消除大气湍流和散射介质对成像的干扰，提高成像的抗干扰能力。（3）采样少，速度快，成像效率高。量子成像中的光场可以看作是服从高斯分布的随机噪声，利用压缩感知理论［14-16］，可以实现在采样数远低于奈奎斯特采样极限的情况下，以很高的概率进行图像的恢复，从而大大减少测量次数，提高成像速度，而无需像传统的成像方式那样对待测物体进行逐点全像素采样。
2量子成像的医学应用
2.1鬼磁共振血管造影
传统的磁共振血管造影是一种成熟的技术，可以精确地描绘多个区域的血管形态。为了降低背景信号，增加图像对比度和分辨率，我们通常采用加速并行处理技术，然而，若标准相控阵线圈的并行加速因子过大，则会引入严重的图像噪声。鬼磁共振血管造影是一种全新的血管成像方法，它可以用于非对比和对比度增强的血管造影技术。即使在更大的并行加速因子条件下，也可以近乎完美地对背景噪声进行抑制。三维数据集的偶数kz行用强化前的数据填充，奇数行用强化后的数据。沿kz方向的信号调制产生了一个对比度增强的血管的鬼像，这个像可以用最大强度投影来处理，并在三维空间中旋转，就像传统的磁共振血管造影一样。Edelman等［17］对6名健康受试者分两组进行扫描，成像区域从肾动脉穿过大腿上部，一组用传统磁共振血管造影，另一组用鬼磁共振血管造影。磁共振血管造影在血管醒目性和背景抑制性上都优于传统磁共振血管造影，并且可以提高扫描速度，支持更大的并行加速因子。
2.2量子光学相干断层扫描
近年来，许多非传统的量子光源已成为人们关注的焦点，但很少有实际应用出现，其中一个应用是量子光学相干断层扫描［18-19］，这是一个四阶干涉光学切片技术，利用自发参量下转换产生频率纠缠的光子对。量子光学相干断层扫描的一个典型优点是它天生不受群速度色散的影响［18］，而传统的光学相干断层扫描是一种二阶干涉测量方案，会造成群速度色散，从而降低成像的分辨率。在光学相干断层扫描的背景下，量子光学相干断层扫描在处理群速度色散和图像分辨率方面有着绝对优势。Nasr等［20］实现了量子光学相干断层扫描的第一个实验生物样本：一个涂有金纳米颗粒的洋葱表皮组织，将三维图像以不同深度的二维横截面和不同横向位置的二维轴向剖面展示出来。量子光学相干断层扫描在提高源光子通量、增强空间分辨率、缩短图像采集时间方面有着明显的优势，未来有望成为一种可行的生物成像技术。
2.3X射线量子成像
最近，X射线成功实现了量子成像，开启了X射线鬼断层摄影的可能性。单像素相机方案的成功，结合压缩感知方法，可以实现从更少的测量中产生图像，这无疑为X射线量子光学相干断层扫描提供了重要思路。可以肯定的是，X射线鬼成像可以减少辐射剂量。因为一般来说，图像质量与总流量成正比，但高能光子（如X射线）会对生物有机体造成辐射损伤，因此如何降低辐射剂量，同时保持图像质量是一个根本问题。Zhang等［21］利用桌面X射线源，用预录的一系列散斑场作为参考光信号，另一路放置待测物体，由桶探测器接收后进行计算关联成像。通过这种方法，可以成功地在超低X射线照度下，甚至在准单光子水平下，获得高质量的X射线鬼成像图像。与传统的X射线成像相比，同一辐射剂量可以获得较高的对比噪声比，因此这项新技术可以大大减少对生物标本的辐射损伤。在此之前，所有已发表的X射线鬼成像的重建都是一维的，因此探讨二维和三维的X射线鬼成像是非常有医学意义的。Kingston等［22］结合鬼成像和传统断层摄影技术，对X射线鬼断层扫描技术给出了一些建议，提供间接和直接两种方法来进行X射线量子光学相干断层扫描：（1）过滤后投影，通过重建二维鬼投影来获得三维图像；（2）同步迭代重建技术，直接从X射线的鬼断层扫描成像数据到三维重建。目前还不清楚哪种方法会在该领域的未来发展中更有效。不过在未来，基于机器学习和人工智能的改进方法会逐渐成为X射线鬼成像的重要组成部分。
2.4用单像素探测进行生物组织的透射成像
长期以来，科学家们一直关注的一个挑战是，如何清楚地看到被浑浊介质隐藏的物体，如生物组织，这对疾病的早期诊断有着重要的意义。光学方法是一个很好的候选者，具有非侵入性和快速成像的优势，并且不像电离辐射那样会造成健康风险。然而，与超声波或X射线相比，光学测量最大的问题是进入组织的穿透深度较浅。一般的解决方案是模拟漫射光子的随机传播成像技术，如多谱光声断层摄影，或者混合荧光分子断层摄影，此技术可以达到更深的穿透深度（在组织中超过1cm），但缺点是分辨率较低。Duran等［23］利用压缩感知理论对生物组织进行单像素成像，提供了一种能在散射介质中成像的新技术。在此之前，单像素成像实验都是考虑没有散射的照明传输，而在生物医学中，通过散射介质进行图像传输是至关重要的。因此需要展示一个完全嵌入在非齐次介质中的吸收物体的单像素成像。作为初步的实验，Duran等［23］为一个被若干全息扩散器隐藏的物体进行单像素成像，可见单像素成像的效果在全波段都优于传统成像。为了进一步测试在生物组织中的成像，随后扩散器被两个3mm厚的鸡胸肉所取代。对于这样的组织厚度，多重散射是最终成像结果的主要影响因素。击中目标的光线由两个叠加的部分组成：一个强大的漫射晕加上一个带有弱信号的图像。由图可见，虽然单像素成像的分辨率仍然优于传统成像方法，但是对于不同波长的光，单像素相机的效果呈现出了差异性。
生物医学成像技术范文第5篇
Discussion on Improving the Professional Knowledge of Bio-medical Engineering Students
BAO Xuan， CAI Li
（Anhui University of Chinese Medicine， Hefei 230012， China）
Abstract： This article takes the Bio-medical Engineering of Anhui University of Chinese Medicine Specialty as an example to discuss how to undergraduate professional knowledge from five aspects consist of orientation of market demand， basis of professional characteristics，post function as the goal， teacher's ability as a support and students' ability as a fundamental.Enable students to achieve full employment and perfect career.
Key words： bio-medical engineering；professional knowledge；medical imaging technology
作为一个理工医相结合的高度综合性边缘交叉学科，生物医学工程崛起于上世纪60年代，并从80年代开始，全球生物医学工程医疗器械类产品销售额每年保持6-10%的增长率，因而被誉为产业界的“常青树”，是国民经济可持续发展的生长点。如此大的规模和市场，对人才的需求自然不言而喻。所以，大多医科类院校都开设生物医学工程专业，由于是新开设的专业，难以在较短时间内形成一套系统的人才培养模式。这就造成了经济社会的求贤若渴、高校教育的捉襟见肘、专业人才的凤毛麟角互相矛盾的局面。所以，有针对性地作好思想教育疏导工作，并循序渐进地指导学生根据主客观条件进行未来职业规划，发挥学生主观能动性，圆其成才梦，是新设专业的班主任、辅导员和任课教师以及学校各有关部门必须面临的重要课题。
经过调查研究，学生在不同阶段身心状态的突出表现为：初期缺乏对专业的认知，导致思想困惑迷茫；中期课程学习任务繁重，导致心理压力加大；后期就业前景不明朗，导致缺乏学习动力[1]。为了帮助学生消除以上的顾虑，本文以安徽中医药大学生物医学工程专业为例，对如何使学生对于未来求业择业有一个清晰而理智的认识作了探讨。
1 以专业特点为基础，培养什么人才
安徽中医药大学生物医学工程专业（医疗器械方向）是一个集数学、物理学、计算机科学、信息技术以及医学科学于一体的新兴专业。所学跨学科的课程，既有医学成像原理和电离辐射防护的知识，又有图像重建算法和图像后处理内容；既有理科工科知识，又有医科内容。合理的教学计划和科学的培养方式以具有坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识、熟练的实验操作技术，可以从事各类医学影像设备的研制、开发、技术支持的复合型高级专业技术人才为培养目标，使毕业生具备在医学影像技术及相关领域，从事产品研发、设计制造、经营管理、技术服务、教育培训等工作的能力。
此外，当今的医学影像学科向数字化、网络化、融合化、标准化的方向发展，高级人才也要与时俱进，掌握专业国内外学术发展动态，富有科学思维能力，勇于在专业前沿领域探索与创新，应具有使用新型功能设备和应用新颖科学技术的能力。
2 以市场需求为导向，需要什么技术
医学影像技术主要是指为开展医疗或医学研究，以非侵入方式获得人体某部分内部组织影像的技术与处理过程，为临床疾病诊断提供重要参考依据[2]。其中出现最早的装置是X线机，随着影像技术在不断地探索中改进，超声、磁共振、单光子等断层成像技术和系统的大量涌现，为医生在出示诊断中提供更为详细、精确的信息依据，涵盖了解剖、病理、功能、代谢等多个领域，更早、更准确地发现病变，也为临床制订治疗方案、评价治疗效果提供帮助。具体体现在：现代医学影像率先建设并实现了数字化与网络化体系，成为数字化医院建设的基础和重点；数字成像技术将数据远距离传输，实现远程诊断；从传统的显示宏观结构发展到反映分子、生化水平的变化，为彻底治愈某种疾病提供了可能；从单一的诊断学过渡到了诊断与治疗并举的临床学科[3]；从简单的信号传导跟踪到实现定量成像；电阻抗成像作为无创无放射损伤的成像技术，既能显示形态改变又能反映功能变化；利用多模成像技术实现对疾病的早期诊断和活体病理成像；单光子发射成像和正电子成像根据医学的放射性核素示踪原理实现影像；无创、无害性的检查技术不断发展，辐射剂量的控制逐步得到强化等等[4]。时至今日，医学影像的应用领域已经遍布人体主要的器官和疾病类型，从神经疾病、代谢紊乱到心脑血管疾病、传染疾病，肿瘤诊治方面的应用也有相当进展。医学影像技术逐渐成为临床研究的可靠工具和活力平台。
3 以岗位职能为目标，从事什么工作
总结近些年生物医学工程专业本科生的就业去向分析可知，从事本专业相关工作的毕业生主要集中在三大领域，综合性医院、医疗器械企业和医疗器械监督管理部门。
3.1 综合性医院的放射科、放疗科、设备科、核医学科
从事医学影像设备的应用、管理和维护工作，主要涵盖以下4个方面内容：①具有常规放射学、超声医学、核磁共振及CT等系统理论知识与操作技能；②具有临床医学、基础医学及电子学等有关理论知识；③在疾病诊断中比较熟悉各种影像诊断技术的应用；④比较熟悉医学影像学各专业分支前沿技术及发展趋势[2]。其中，理论知识内容在本科教学过程能够充分体现，而技术应用及操作技能则必须在各功能科室第一线长期工作并积累经验才能够获得，两者是相互制约相互促进的关系。对前沿技术的关注是医学影像技术工作者对自我提升的一个必然要求，也是为良好开展工作必须做到的知识储备。
3.2 中外医学影像设备研发机构和生产经营企业、教育培训机构
相关工作岗位主要包括市场和销售、研发和技术支持，产品注册和产品质量检测。前两者对从业者个人能力的整体水平要求较高，如沟通交际和处事应变能力，从事产品营销和市场推广等工作；中间两者看重专业素质，从事产品研制、开发设计、维修保养等工作；后两者主要是在品管部门，需要熟悉产品质量监管相关的法律法规，从事质量检测、控制和监督工作，了解产品注册要求和撰写标准并能独立完成产品注册、申报、体系认证等工作。
3.3 医疗器械监督管理部门
主要工作职责包括：组织拟订医疗器械注册管理制度并监督实施；组织拟订医疗器械标准、分类规则、命名规则和编码规则；拟订医疗器械注册许可工作规范及技术支撑能力建设要求并监督实施；组织拟订医疗器械生产、经营、使用管理制度并监督实施，拟订医疗器械互联网销售监督管理制度并监督实施；组织开展医疗器械不良事件监测和再评价、监督抽验及安全风险评估；拟订问题医疗器械召回和处置制度等[5]。
4 以教师能力为依托，具备什么知识
生物医学工程本身是一门多交叉学科，教师具有多元化的学科背景对于研究和教学是至关重要的。在注重多种知识和技能的复合的同时，将生物医学与药学、化学、统计学、材料学、电子信息学等相关学科有机结合起来，努力将其他学科的思维方式引入到生物医学领域中来，并将这种优势带到学生的学科设置以及综合实验当中，去启发学生的思维。理工科背景的教师深入临床接触病例，医科背景的教师参加理工科理论培训，任课教师深入行业调研，企业专家走进校园，充分利用不同学科、不同领域间的优势进行教学和科研，为共同促进学科发展起到了强大的推动作用。
5 以学生能力为根本，锻炼什么技能
理工医相结合是生物医学工程的专业特色，在知识结构上培养既懂医学又掌握工程技术的复合型人才，也是社会的需求。学生主要学习电子学、机械学、光学、计算机，医学等基础理论知识、医学电子仪器的系统设计、医学影像设备的系统设计以及产品质量检测标准和风险评价方法，接受典型医疗器械应用的训练，系统地掌握生物医学工程领域宽广的基础理论知识和专业技能，成为具有较强实际动手能力的应用型人才。他们的特点应该是具有较强的技术思维能力，擅长技术的应用，能够解决实际中的具体技术问题，他们是现代医疗技术的应用者、实施者和实现者[6]。
