生物医学工程的意义

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生物医学工程的意义范文第1篇

关键词:合作;研究生;科研能力

1 医院合作的理念和必要性

长期以来,在高层次科学人才培养方面,研究型大学一直重视学术型研究人才的培养。然而随着新科技革命不断深化、经济全球化日益普及和高等教育大众化的逐步实现,研究型大学的研究生教育也担负了为工业发展和经济进步培养高层次研发人才的重要使命。树立合作教育理念,增加学校和企业合作培养研究生的机会,是我国研究型大学研究生教育发展与改革的重要方向[1]。重点大学在基础研究方面有很强的优势,科研工作主要以学术成果和科技奖励为导向,研究缺乏市场意识,研究生的学习研究比较容易脱离实际[2],而且,随着研究生招生规模的扩大,传统的研究生培养模式也出现很多弊端,单一的培养模式已经不能适用师生比例扩大的研究生教育,尤其是交叉学科的研究生的培养[3]。因此,通过学校与医院的合作交流,进行多样化培养方案,在一定程度上可以实现优质资源共享,提高研究生培养质量,把大学的培养目标同经济发展的需要相结合,符合时代的要求和高校发展的趋势,更好地适应经济社会发展对不同类型高层次人才培养的多样性要求[4]。

生物医学工程是一门理、工、医相结合的交叉学科,它的发展依赖电子学、 材料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的进步,而且生物医学工程的众多的新课题及其研究成果都有着极好的产业化前景。这对该学科研究生的知识、能力和素质的培养提出了更高要求[5]。因此,在研究生的培养过程中,应当注重结合社会实际,增加研究生在医院等机构中的合作交流,弥补理工院校医学教育等方面的不足,。这对培养学生的团队精神,合作意识和集体荣誉感也是非常有帮助的[6]。

2 医院合作在生物医学工程研究生培养中的应用

多年来,人工心脏小组一直重视生物医学工程研究生的跨学科培养,充分利用和医院的合作交流机会,培养了许多高水平的复合型人才,而且取得了大量的教学科研成果。生物仿真与力学实验室人工心脏小组09级优秀研究生经过三年的认真学习与努力研究,取得了优秀的科研成果,她发表了十余篇重点期刊杂志论文,其中包含有着高水平含量的SCI 4篇,EI 2篇,并成功申请了两个专利,一个软件著作权,荣获了本校科技新星,优秀毕业生等多个荣誉称号。这只是众多优秀研究生的一个代表, 该小组还培养了许多高水平人才,而这些成果与成功的研究生培养方法是密不可分的。

例如人工心脏小组,在研究生入学之后,即根据学生各自的课题特点,联系医院进行合作交流,充分利用社会资源,安排与课题相关的实验验证,这丰富了研究生研究课题的内容,也提高了研究生对于所研究对象的深层次理解,同时还为研究结果提供了必要的实验数据等。另外,该小组研究生和医院合作进行了人工心脏应用于动物的临床实验,在老师的指导下,实验室研究生根据自己的课题内容,团结合作,自行研发了人工心脏的控制系统,这整套系统涵盖了电学,生物力学,医学,材料学,计算机技术等大量综合的学科,也体现了生物医学工程专业的特点,即是众多学科的交叉综合。他们不但合作实现了系统的设计,制作;在该套系统被用于动物实验中,他们还独立设计了实验流程,参与了动物实验的术前准备和术后监护过程,对实验数据进行采集和分析。这为学生提供了一次学习机会,学习了解到临床医学的一些常识,同时为研究生阶段的实验设计等提供临床验证,确保了实验结论的真实性,正确性,这也大大促进了研究生科研成果的获得。在合作这个过程中,也增强了研究生的社会沟通能力,有利于研究生毕业后的职业发展。该小组还与医院合作进行了粒子成像测速(PIV)实验,该技术广泛应用于测量流体的流动特性,利用医院的设备,并且进行了相关的PIV实验培训,为心血管内血液的流动特性的仿真结果进行了验证,增加了课题的完整性和可靠性。

并且,根据心衰课题,还安排研究生进行医院手术室见习,通过学生在手术室的见习,他们能够更直观地了解到辅助循环(人工心脏等设备)在改善心衰中的地位,也可以了解到辅助循环在整个过程中的工作原理,通过实际的观察学习,学生能够更扎实地理解辅助循环。同时,通过在手术室中的学习,学生还可以对生理知识有更多的了解,他们接触到了很多参数,比如生化标记物BNP的浓度能够表征心脏功能等,同时学生还了解了一些药物的作用,补充了理工类学科医学知识的不足,这对于学生之后的学习以及生活都有着极其重要的意义。

该小组还给了学生很多其它的机会去与人合作,提供给每一个成员充分的机会去提升自己,在这样的培养方式下,小组取得了很大的成绩,受到了学院学校以及社会的高度认可,经过三年训练,小组成员可以独立的完成一些合作项目,进行实验设计,实验操作,科研思维的严谨性也得到提高。研究生经过自己的努力,科研成果大大增加。截止2008到2011年,通过与医院合作教育,小组研究生SCI类9篇,EI类13篇,核心期刊会议十余篇。该小组研究生毕业后均有良好的职业发展,就业范围涉及医院,软硬件企业公司及研究机构,实践证明,合作培养方式取得很大的成功。

3 医院合作的重要意义

通过人工心脏小组的例子可以看到,合作这种培养方式,对于生物医学工程专业研究生能力的提升是很有效的。由于生物医学工程专业有着高度的学科交叉性,因此研究生的培养也应当注重培养学生的综合能力。学校和医院等企业进行合作交流,弥补了工科院校医学资源的不足,为生物医学工程研究生提供实验机会,为学生研究内容提供必要的数据和验证,帮助研究生取得科研成果;同时,学生走出校门,提高了动手能力,锻炼了社会交往能力;最后,学生在合作中,更进一步了解自己的专业在社会的发展情况,他们对职业有了更深的认识,有助于其毕业后的职业发展。我院根据研究生各自的课题特点,为研究生提供与医院的合作机会,充分利用了校外资源,积极帮助学生进行,这种方式是适应教育的趋势的,对提高学生的综合能力及以及帮助学生取得科研成果有着重要意义。

参考文献:

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[2] 黄泽霞. 重点大学产学研合作现状分析. 科教论丛,2007(8):134

[3]徐瑞,曾宝成,刘浩源. 产学研合作联合培养研究生模式探析. 集体经济职教培训,2011(36):184-185

[4]张晶,刘东明. 产学研合作培养应用型人才. 科教论丛,2009(22):211

生物医学工程的意义范文第2篇

关键词：3D打印；生物医学工程；发展现状

前言

三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，它由计算机辅助设计（CAD）数据通过成型设备以材料逐层堆积的方式实现实体成型。“三维打印”在技术界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分层制造”等[1]。三维打印起源可追溯于上世纪八十年代，1984年查尔斯・赫尔发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，并于1986年成立了3D Systems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机，1988年，斯科特・克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，随后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先进的两家3D打印公司。我国清华大学颜永年教授于1988开始研究3D打印成型技术，华中科技大学王运赣教授以及西安交通大学卢秉恒院士等，纷纷于上世纪90年代起就开始涉足3D打印成型技术的研究。

1998年，清华大学的颜永年教授又将3D打印成型技术引入生命科学领域，提出生物制造工程学科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印设备，为制造科学提出了一个新的发展方向--生物制造。生物制造的一个重要手段即是生物3D打印。生物三维打印是以活细胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向[2，3]。

1 3D打印技术的分类

目前比较典型的3D打印快速成形技术主要分为三种[4]：

1.1 粉末粘结3D打印光固化材料3D打印与熔融材料3D打印

粉末粘结3D打印是目前应用最为广泛的3D打印技术，其工艺过程如下：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料；其次，依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层；再次，将工作台下降一个单位层厚；最后，重复第一步至第三步，逐层堆砌，形成三维打印产品。其存在缺点是，通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低，一般需要后续工艺提高其强度，但后续处理工艺会导致零件体积收缩，变形严重。

1.2 光固化3D打印（光敏三维打印）

该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型，光敏材料三维打印成形基于喷射成形技术和光固化成形技术，喷头沿X方向往复运动，根据零件的截面形状，选择性喷射光固化实体材料和光固化支撑材料形成截面轮廓，在紫外光照射下光固化材料边打印边固化，层层堆积至制件成形完毕。但其应用于骨骼类产品打印的主要缺点是，当前具有生物活性的骨骼类材料如羟基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需与光敏材料混合使用，因此影响产品的生物活性在打印后将受到很大影响。

1.3 熔融材料3D打印成形

熔融材料三维打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）专利技术，分别加热两种丝状热塑性材料至熔融态，根据零件截面形状，选择性涂覆实体材料和支撑材料形成截面轮廓，并迅速冷却固化，层层堆积至制件成形完毕，其原理与光敏材料3D打印成形类似 [16]。目前熔融材料三维打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有机盐配置而成的骨水泥，不需要额外添加紫外光照射固化所需的光敏介质，有利于保证材料后续的生物相容性和生物活性。但由于挤压式喷头的喷嘴处压力大，容易造成阻塞现象，因此对喷嘴和材料浆料的粒径要求较高。

除三维打印外，应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括立体光刻成形（SLA）、选择性激光烧结成形（SLS）堆叠、实体制造（LOM）、熔融堆积成形（FDM）等，但这些工艺大多需要配备价格昂贵的激光辅助系统，且成型工艺实质上还是类似于上述三种材料叠加-固化技术。因此，三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术，发展潜力巨大，在医学中的应用前景广阔，其推广应用将对传统的医疗产品生产模式带来颠覆性的影响。

2 三维仿生重构建模技术的发展

基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要研究内容之一。3D打印生物构件的实现首先需要在计算机环境下有效重构和建模，生成可用于驱动打印喷头的指令数据进而操控成型设备实现产品成型。随着医学影像技术的发展，人体组织的二维断层图像数据可以方便地获取以进行医学诊断和治疗。但是，二维断层图像只是表达了某一截面的解剖信息，医生可以凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，可三维打印设备却无法根据这些断点数据进行立体三维成型，因此，基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要前驱步骤。

由于CT或MRI等检测设备扫描得到的二维图像信息不能直接用于快速成型，只有通过专用软件将二维断层图像序列重建为三维虚拟模型，并生成为快速成型机可以接受的STL（Stereo Lithography）格式图形文件，才能最终制造出生物产品三维实体模型。近十多年来，欧美等发达国家的科研机构对于医学图像三维重建的研究十分活跃，其技术水平正从后处理向实时跟踪和交互处理发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能工作站和虚拟现实结合起来，代表着这一技术领域未来的发展方向。

在市场应用领域，国外已经研制了三维医学影像处理的商品化系统，其中，比较典型的有比利时Materialise公司的Mimics、美国Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在国内，中国科学院自动化研究所医学影像研究室自主开发的3D Med是基于普通微机的三维医学影像处理与分析系统，系统能够接收CT、MRI等主要医疗影像设备的图像数据，具有数据获取、数据管理、二维读片、距离测量、图像分割以及三维重建等功能。清华大学计算机系研发的人体断面解剖图像三维重构系统能给外科手术中的影像诊断提供一定的参考。中国科技大学在应用Delphi开发三维重构软件的研究上取得了很好的成果。国内企业也研发了一些三维医学影像处理系统。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高级图像处理软件”于2005年4月投入市场。它能对二维医学图像进行快速的三维重建，并能对临床影像的数据进行科学有效的可视化和智能化挖掘和处理，为临床提供更多有价值的信息。但目前国外优秀软件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的价格非常昂贵，且其技术严格保密。国内的产品大多没有自主知识产权和成熟的商业应用模式。

3 3D打印技术在生物医学工程中的应用

3D打印技术在生物医学工程中应用广泛，其应用领域大致包括：体外器官模型、仿生模型制造；手术导板、假肢设计；个性化植入体制造；组织工程支架制造；生物活体器件构建以及器官打印；药物筛选生物模型等。如图1所示为3D打印在生物医学工程中的各种应用情况[5-7]。

3.1 体外器官模型、仿生模型制造。该类应用主要用于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平，缩短时间、节省费用。便于医生、患者之间的沟通，为诊断和治疗提供了直观、能触摸的信息，从而使手术者之间、医生和病人之间的交流更加方便。

3.2 手术导板、假肢设计。该类应用便于订制精确的个性化假体，实现个性化医疗需求。根据患者缺损组织数据量身订制的假肢，可提高假肢设计的精确性，提高手术精确度，确保患者的功能恢复，减少患者的痛苦。

3.3 个性化植入体制造。人体许多部位的受损组织，需要个性化定制。如人类面部颌骨（包括上下颌骨） 形态复杂， 极富个性特征， 形成了个体间千差万别的面貌特点。人类的头颅骨，需要准确与颅内大脑等软组织精确匹配扣合，人体的下肢骨、脊柱骨等会严重影响患者今后的步态及功能恢复。因此这类修复体可通过3D打印技术实现个性化订制和精确 “克隆”受损组织部位和形状。

3.4 组织工程支架制造。如通过3D打印技术设计和制备具有与天然骨类似的材料组分和三维贯通微孔结构，使之高度仿生天然骨组织结构和形态学特征，赋予组织工程支架高度的生物活性和骨修复能力。

3.5 生物活体器件构建以及器官打印。此方面的应用大多涉及活体细胞的生物3D打印技术。细胞三维结构体的3D构建可以通过活细胞及其外基质材料的打印构建活体生物器件。如英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能。美国康奈尔大学研究人员最近在其发表的研究论文中称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。

3.6 药物筛选生物模型。药物筛选指的是采用适当的方法，对可能作为药物使用的物质（采样）进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做大规模横向比较，因此有研究人员指出通过3D打印技术，精确设计仿生组织药物病理作用模型，可以使人们开在短时间内大规模高通量筛选新型高效药物。最近，四川大学联合加州大学圣地亚哥分校等科研机构，通过3D打印技术设计了一款肝组织仿生结构药物解毒模型（如图1-c），该研究成果发表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究领域的广泛关注。

3D打印在生物医学工程中应用：（a）3D打印磷酸钙骨组织工程支架； （b）3D打印细胞、活体器官构件；（c）3D打印肝组织仿生结构药物解毒模型。

4 结束语

三维打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，3D打印技术在生物医学工程中得到了广泛的应用，其应用以及发展现状表明：3D打印在体外器官模型、组织工程与再生医学、个性化医疗以及新药研发等方面展现出广阔的应用前景。抓住生物材料及植入器械的三维打印技术新一轮发展浪潮，发展我国生物三维打印技术，对发展我国生物材料医疗器械产业步入国际先进水平具有十分重要的意义。

参考文献

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[6]Solaiman Tarafder， Neal M. Davies， Amit Bandyopadhyaya， Susmita Bose. 3D printed tricalcium phosphate bone tissue engineering scaffolds： effect of SrO and MgO doping on in vivo osteogenesis in a rat distal femoral defect model[J]. Biomaterials Science， 2013.

生物医学工程的意义范文第3篇

摘要：结合医学院校特点，探讨了以医学院校为背景的生物医学工程领域工程硕士培养模式的创新与优化，从培养目标、课程设置、教学内容、学位论文等方面进行了探索和优化，以不断完善和规范生物医学工程专业工程硕士的培养过程。

关键词：生物医学工程；工程硕士；培养模式

工程硕士教育已成为我国涉及面最广、规模最大的一种专业学位。工程硕士专业学位是我国学位与研究生教育中的一个新类型，注重在教育实践中的不断创新［1-2］。生物医学工程是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科。针对生物医学工程领域特殊行业特点，按照工程硕士培养的目标，探讨面向医学院校的生物医学工程领域工程硕士培养新模式十分必要。

以医学院校为背景的生物医学工程领域工程硕士培养应注重以下三个方面：一是课程设置和教学内容，如何使学生在不脱产的情况下保证学习质量；二是按照研究生学位条例，在这种培养模式下如何确定论文的要求；三是如何体现以医学院校为背景的工程硕士特色培养模式。工程硕士教育要抓住这三个环节，进行教育思想和培养模式上的创新。

一、优化课程设置和教学内容

课程教学是工程硕士培养的重要环节，是知识再积累和知识更新的基础环节，在整个研究生培养过程中，是学校可控时间最长，影响最大的环节［3］。因此在课程设置和教学内容上，考虑工程硕士的特殊性，才能培养出高质量、特色鲜明的工程硕士。在进行生物医学工程硕士培养模式探索期间，我们通过对生物医学工程专业的工程硕士进行了问卷调查及现场调研，并对调查及调研结果进行总结分析，对课程设置和教学内容进行了优化。

在课程设置上增设了实用设备类课程的讲解，针对工程硕士要求动手能力强等特点，加设了与医疗相关的设备维修理论及实践课程和相关实用性较强的应用类课程。同时，在教学内容上也进行了优化调整，主要表现为：1.在讲解基本理论的基础上，增加如电子病历等热门话题的开放式教学模式探讨；2.攻读工程硕士学位的学生已经具有一定的工作经验及在某一领域已经有一些独到见解，在教学内容上可以安排一些学生讲座，让学生针对自己所熟悉的领域与班级学生进行讲解与互动，从而扩大工程硕士在教学内容上的局限性；3.在时间充裕的前提下可以尝试邀请相关医院及厂家的专家进行专题讲座，可以增加解决某一专业问题的针对性。

二、优化学位论文指导与评价体系

工程硕士学位论文是工程硕士培养的主要环节，也是最终环节。与工学硕士不同，生物医学工程领域工程硕士的选题应来源于医院及相关部门的实际需要或具有明确的生物医学工程背景，研究成果要有应用价值。因此，在学位论文指导方面可以实施由学校具有工程实践经验的教师与医院相关部门的技术人员联合指导，医、校双方导师发挥各自优势，共同指导。

为制定更具实用性的论文指导与评价体系，我们调研了省内10余家附属医院和部分相关企事业单位的相关科室，了解附属医院及相关科室对人才的需求情况，根据相关部门及临床医生提出的意见进一步完善生物医学工程领域工程硕士的毕业论文制订及相关评价体系。在充分调研的基础上，制订了工程硕士论文学位论文质量参考标准，并在多家培养单位中应用，取得了较好的效果。

三、构建适合医学院校生物医学工程领域工程硕士培养的模式

生物医学工程的研究是电子技术、现代通讯技术、计算机技术、生物技术以及材料科学、数学、化学、物理学等新技术的飞速发展和研究的深入，由多学科的渗透与综合作用于传统医学领域而形成的一门新型的交叉的边缘学科。生物医学工程专业具有跨学科、交叉的学科特殊性，在培养模式方面会出现偏重于工科或医科的现象，没有真正体现出医学工程的多学科交叉的特点。那么如何更好地将理、工、医三者有机的结合在一起，使得培养出来的学生的知识结构和基本素质更加完善，这已成为我们在人才培养方面的一个突出问题。

为了更好地构建适于医学院校生物医学工程领域工程硕士培养模式，应重视以下几个方面［4］：

1.以社会需求为导向

专业设置及培养目标都以社会需求为导向，紧密结合生产和科技发展变化的需要，及时调整课程设置，不断更新课程内容和教学方法，使学生能够尽快地接受新技术与信息。

2.重视实际能力

在教学过程中可以开展课程讨论会，重视学生实际操作能力，培养创造精神与创新意识。

3.师生共同参与课程设置

课程目标由侧重传授知识转向培养探究能力，由片面增加学生认知成长转向兼顾学生情感发展，课程内容由静态的稳定划一走向动态的开放灵活，课程不再仅仅作为面向过去知识的载体，而更多地呈现为面向未来发展的过程；课程设计趋向更大的弹性，在必修课的基础上，增加了选修课的数量，多方位地开拓学生的知识面，激发学生的想象力和创造力。鼓励学生积极参与课程设置与发展，通过学生在学习过程中的感受与需要，由学生和老师共同参与课程的设置与修改，而不仅仅是由学校单独制定，课程的组织不再限于学科界限而是面向跨学科和综合化的方向发展。

培养模式的创新主要表现为：

1.由学校教师和医院临床医生共同承担教学任务，真正实现理、工、医的有机结合。

2.以培养复合型人才为目标，真正做到与实际相结合。针对医生在诊疗过程中对现有仪器设备的看法和改进意见以及病人的需要建立起一个良好的沟通环境。

3.引进先进的教学理念与方法。

四、结语

生物医学工程领域是一个典型的交叉科学技术领域。生物医学工程领域是生物医学信息、医学电子、医学影像技术、基因芯片、纳米技术、新材料等技术的学术研究和创新的基础。生物医学工程专业工程硕士的培养目标就是为医院及相关企事业单位培养复合型的高级技术人才。本文通过对生物医学工程领域工程硕士培养模式的探讨，包括从课程体系的建设、论文评价标体系优化等，不断完善培养模式。以医学院校为背景的生物医学工程专业工程硕士的培养工作既有优势也有局限性，具有创新性和实用性的培养模式还需要不断探索研究，希望能够不断探索出培养该工程领域高素质、创新型工程硕士人才的新实用模式。

参考文献：

［1］ 吴太山，朱军，孟伟.试论工程硕士教育管理的规范化

［J］.高等工程教育研究，2009，（2）：130-132.

［2］ 梁艳.对完善工程硕士专业学位教育的几点建议［J］.黑

龙江教育，2009，（10）：13-14.

［3］ 邢淑清，麻永林，李慧琴.冶金和材料工程领域的工程硕

士学位教育［J］.中国冶金教育，2007，（4）：31-33.

生物医学工程的意义范文第4篇

现今,生物医学图像在医疗诊断中起着不可低估的重作用。核磁共振(MagneticResonance,简称MR)、计算机X射断层扫描(ComputedTomography,简称CT)、超声波(Ultrasound)以及其他的成像技术等,都是无侵害性的器官体外成像的力手段。这些技术丰富了正常的以及病状的解剖知识,同它也成为了诊断和治疗体系重要的组成部分。随着医学图像在数量和大小上的增加,越来越有必要用计算机处理并分析这些图像。有一种算法用于找出解剖构和其它感兴趣的区域,这种算法叫做图像分割算法(imagsegmentationalgorithms)。图像分割是由图像处理到图像分的关键步骤[1],它在大量的生物医学图像的应用起着至关重要的作用,比如:解剖结构的研究、诊断等。在承担自然科学基金项目的过程中,为研究分割算法在医学图像中的应用,我们对过去国内外二十多年里医学图像分割算法的发展和现今广泛使用的分割法进行了较详细的调研,感到国内在这方面的文献和研究还比较少。为进一步推动图像分割在生物医学工程中的应用,本文结合我们目前的研究结果,对医学分割算法、特别是其应用做了介绍。

2现今广泛使用的生物医学图像分割方法

利用“区域间不连续性”和“区域内相似性”两个准则,分割算法可分为的“基于边界的算法”和“基于区域的算法”。另外,根据分割过程中“判断和决定是否可独立地和同时地做出”的处理策略,分割算法又可分为“并行算法”和“串行算法”。所以分割算法可根据这两个分成四类[1]。那么对于生物医学图像,也有相应的四类分割法。图像、成像方式以及其它因素。比如:对脑组织分割的要求就不同于对肝脏的要求,MR图像有异于超声图像。更进一步的情况,成像中的人为和不可抗拒的天然因素(例如噪声和物体的运动等)也会在很大程度上影响后继的分割。所以,至今没有一种适用于任何医学图像的通用的分割技术。我们总结了现今国内外广泛使用的生物医学图像分割方法。重点放在对方法的介绍上,和使用时会面临的具体问题上。方法的详细数学推导超出了本文的范围,读者可以查阅参考文献。虽然这些方法是分开描述的,但在实际应用中,很多复合法也用于解决各种不同的实际分割问题。我们将这些方法分为四类6种:1)并行区域法:阈值法。2)串行区域法:区域生长法。3)结合特定理论工具的方法:①模式识别法(分类器法,聚类法);②人工神经网络法;③可变模型法。4)其他方法。

2.1阈值法

阈值分割法是将灰度图像变为二值图像以达到分割目的的方法[4],它是一种PR(并行区域)法。阈值法的过程是决定一个灰度值,用以区分不同的类,这个灰度值就叫做“阈值”。把灰度值大于阈值的所有像素归为一类,小于阈值的所有像素归为另一类。阈值法是一种简单但是非常有效的方法,特别是不同物体或结构之间的有很大的强度对比时,能够得到很好的效果。此分割法通常是交互式的。因为阈值法能够实现实时操作,所以它更能够建立在用户视觉估计的基础上。阈值法一般可以作为一系列图像处理过程的第一步。它的主要局限是,最简单形式的阈值法只能产生二值图像来区分两个不同的类。另外,它只考虑像素本身的值[1],一般都不考虑图像的空间特性,这样就对噪声很敏感。针对它的不足,有许多经典阈值法的更新算法被提了出来[5]。

2.2区域生长法

区域生长法是根据预先定义的标准,提取图像中相连接的区域的方法[4]。这个标准可以是灰度信息,也可以是图像的边界,或者是两者的联合。在此法的最简单形式中,先人工给出一个种子点,然后提取出和种子具有相同灰度值的所有像素。和阈值法一样,区域生长法一般不单独使用,而是放在一系列处理过程中,特别用它来描绘诸如肿瘤和伤口等小而且简单的结构。它主要的缺陷是,每一个需要提取的区域都必须人工给出一个种子点,这样有多个区域就必须给出相应的种子个数。此法对噪声也很敏感,会造成孔状甚至是根本不连续的区域。相反的,局部且大量的影响还会使本来分开的区域连接起来。为减轻这些缺点,产生了诸如模糊分类的区域增长法[6]和其他方法。

2.3模式识别法

2.3.1分类器法

分类器法是一种统计模式识别的方法[7],用以区分从已知标记的图像数据衍生而来的特征空间。灰度直方图,就是最常见最典型的一维特征空间的例子。因为分类器法需要用已知的人工分割结果作为训练样本、对分类器进行训练后才能自动分割新的数据,所以它是有监督的模式识别方法。它的训练方法有很多种,其中,最简单的一种是“非参数最近邻”分类器。它将像素或者体素划分在与其灰度值最接近的那一类中。而参数分类器中,使用得最多的是贝叶斯分类器(Bayesclassifier)[5]。标准的分类器要求被分割的结构具有明显的定量特征。因为如果训练样本数据能够被标记,分类器就能够将这些可以明显区分的标记转化为新的数据而不需要反复迭代。所以相对于阈值法,在区分多区域图像时它有较高的计算效率。它的缺点是是,需要人工交互方式获得训练数据。另一方面,对于大量的生物图像使用相同的训练样本,会因为没有考虑不同物体的解剖特性和物理特性而导致不准确的结果。

2.3.2聚类法

聚类法的基本原理和分类器法大体是相同的,不同点在于它不需要训练样本数据。所以它是无监督的模式识别方法。为了弥补没有训练数据这一点,聚类方法反复做两件工作:分割图像和刻画每个类的特征,从而使用已有的数据训练自身以达到分割的目的。最常用的聚类方法是模糊C-均值算法[1],它通过对目标函数的迭代优化实现集合划分,并且可以表示出各个像素属于不同类别的程度。虽然聚类算法不需要训练样本数据,但是它需要一个初始的分割。和分类器方法一样,聚类法同样不考虑空间建模,所以对噪声和非同质的灰度很敏感。然而,这一缺陷却加快了计算速度。

2.4人工神经网络法

人工神经网络法是使用大量的平行的神经网络达到对图像分割的目的[8]。这些网络由模拟生物学习机理的节点或者元素组成,网络中的每个节点能够执行最基本的运算。通过调整节点之间的权值可以达到网络对生物机理的学习。比如,用它实现图像的边缘检测[8]。文献[9]局部兴奋全局抑制振荡网络(LEGION,LocallyExcitatoryGloballyInhibitoryOscillatorNetwork)就是一种基于人类视觉特性的人工神经网络方法。LEGION是一个由张弛振子构成的网络,每个振子皆由一个兴奋单元x和一个抑制单元y组成(图2)。分割结果见图3。可以看出,与LEGION分割所得图像相比,单阈值法所得图像区域单一,细节较差,一些细小结构未能表现出来。将LEGION这种算法完善,自适应设置神经网络中的参数,并且将它应用在彩色图像上。使用神经网络法的时候,因为网络中有许多相互连接,所以空间信息就能很容易包涵在分类过程中。虽然神经网络法具有平行继承性,但是它的处理过程和标准的串行计算机很类似,这样就降低了它计算方面的潜在优势。

2.5可变模型法

可变模型法是基于模型的、使用闭合参数曲线或曲面描绘边界的分割方法[3]。它的最初思想来源于物理概念:为了描绘出物体的边界,首先设置一个离真实曲线或曲面不远的初始曲面或曲线,在外力和内力的作用下,推动这个曲面或曲线移动,最后在图像能量最低处停下来。因为曲线或曲面的移动类似于蛇,所以这个模型又叫做Snake模型,曲线或曲面叫做Snake。在图像轮廓处灰度变化率(即梯度)最大,定义此处能量最小,那么Snake停下的地方就是真实边界。由于1988年Kass首次提出的经典Snake的外力场捕获区很小[3],这就使得初始化和进入凹陷区很困难。为此,科学家们多次改进这一算法。其中,1998年Hopkins大学的ChenyangXu和JerryL.Prince[12]用梯度矢量流代替经典外力场,这就是有名的GVF理论(GradientVectorFlow)。它很好地解决了经典Snake中的初始化问题和凹陷区问题。[12]是采用GVFSnake对左心室核磁共振图像的腔体分割。

2.6其它方法

还有一些生物图像的分割方法,比如:微分算子的边缘检测[1],Hough变换[4],它们均属PB法(并行边界)的范畴;用样条进行曲线拟合,它是一种SB法(串行边界)。因为生物医学图像中软组织的物理和解剖特性,以上的方法一般不单独使用,而是融入其它的方法里。此外,基于信息论[9]和基于小波分析[1]的分割技术也逐渐被应用在生物图像中。

生物医学工程的意义范文第5篇

进行生物技术工程类课程群的模块化教学

大多数地方高校由于历史发展的原因，偏重文理，工程类课程实践教学硬件不够，办学经费不足，师资力量有限，生物技术本科开出的工程类课程除了基因工程、生化工程、微生物工程（发酵工程）和细胞工程为必修课程外，蛋白质工程、酶工程等工程类课程大多作为选修课程开设。由于工程类课程不能全部开设，极大地限制了学生动手能力的培养，培养复合型应用人才成为空谈。因此必须保证生物技术全部工程类课程理论与实践教学正常进行，将工程类课程整合，大力推进工程类课程群的模块化教学。

在以前的生物技术专业教学中，虽然很多的工程类方面的课程业已开设，但课程之间的联系并不紧密，课程与课程之间、理论与实践之间的联系松散、脱节，有些课程的教学内容甚至出现重复，比如生物制药技术课程里面的细胞培养部分和细胞工程里面的相应内容重复。学生没有形成核心技能，没能把生物技术工程类课程从理论到实验再到实践整合为一体，将来会有较长的时间不适应实际的工作岗位。因此，学生在校学习期间，教师应将专业实验课与实际工程密切联系，使学生能较早地接触工程实际，了解和熟悉未来可能从事的工作[3]。为了使学生举一反三，学到分析、解决问题的方法，我们可以进行典型工程教学。因此，我们在进行生物技术专业教学改革中，把相关的课程集中起来，形成多个教学模块，工程类课程方面的基础课程（主要是生物化学、细胞生物学、微生物学和分子生物学）和专业方向课程就很容易形成一个教学模块。为了大大提高学生的学习兴趣，养成勤于动手、自觉学习的习惯，形成核心应用能力，我们可将教学模块内部的知识连贯有序起来，系统化，将理论知识、实验技能、实践训练有机结合。这样学生学习的时候就不会感到枯燥，知识易于掌握，学习时能循序渐进，同时理论与实践充分结合，使学生能明显感到可以“学以致用”[2]。模块化教学，将更有针对性地培养应用型人才，将社会上的职业岗位所需要的理论知识和技能与模块化教学一一对应。学生进行模块化学习之后，通过参加相应的职业资格考试，取得某种资格证书，进行上岗。如参加工程类课程模块学习之后，参加发酵工种的职业资格考试，取得职业资格证书，这样学生就能在将来的就业竞争中脱颖而出，率先找到工作，并很快适应工作岗位，刚刚工作就成为一名合格的技术工人，再通过一定的工作、实践锻炼，发挥自己的专业素养，逐步成为工厂的工程师。

加强生物技术工程类课程的工程化教学

生物技术工程类课程实验、实践教学比重极大，极为重要，课程之间联系紧密，为了人才培养需要，应强调课程的工程化教学。传统的专业实验一般是单纯用于理论验证，要从根本上改变它与实际工程脱节的现状，我们就应该将实际工程中所涉及的实验作为实验课的内容，这些实验课一般都具有很强的探索和研究性质。同时由于以实际工程为背景，实验更具有针对性，更接近工程实际，学生更能从全局上把握，这样将极大地促进学生积极地思考，激发学生的学习兴趣和聪明才智，提高创新能力。作为大部分面向工厂企业一线岗位的地方高校毕业生，通过强化工程教育，在校期间，加强学习基础课程，夯实基础，增强后劲，工作之后参加工程技术人员的基本训练，增强工作能力，适应工作环境。

生物技术本科工程类课程模块设置

生物技术工程类课程实行模块化教学，体现工程化特征，结合工业的实际需要，培养学生核心应用能力。我们认为在生物技术工程类课程模块内需设置理论、实验和实践课程的教学环节（见表1）。

以应用型为基点，加快推进生物技术工程类课程理论教学内容体系改革