医学图像重建课程的实验教学

摘 要：医学图像重建是我校生物医学工程专业的专业基础课之一,主要介绍医学成像与分析系统中的现代图像重建技术.本文针对该课程的特点,以提高医学图像重建教学效果为目标,增加实验教学环节,主要包括医学图像重建课程的基础仿真实验和应用实践实验.教学实践证明,通过本文所设计的实验训练,能激发学生的学习兴趣,加强学生对课程内容的理解与掌握,改善医学图像重建课程的教学效果.

关 键 词：医学图像重建实验教学基础仿真实验应用实践实验

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2014.17.027

1引言

医学图像重建课程主要讲解医学成像与分析系统中的现代图像重建技术,内容包括图像重建解析算法和迭代算法以及这些算法在XCT（X-RayComputedTomography）、SPECT（SinglePhotonEmissionComputedTomography）及MRI（MagicResonanceImaging）等医学影像中的应用,是生物医学工程专业的一门十分重要的专业基础课.掌握现有的医学图像重建技术,并基于此研究速度快精度高的新型医学图像重建技术将大大促进医学影像技术的发展与进步.医学图像重建课程要求学生具有基础物理、数学、线性系统、电子电路方面的基础知识,旨在培养学生掌握现代医学成像的物理原理、成像理论以及应用等,是一门理论与实践紧密结合、涉及多个领域的学科.对于本科生来讲,通过这门课程的学习不仅仅需要获得坚实的理论知识,还需要从实验实践中更好的理解知识,掌握更加先进有用的科研技术.医学图像重建课程专业性强,综合性高,并且理论和实践紧密结合.目前大多院校主要开设医学图像处理课程,教学重点在于利用图像处理方法对医学图像进行处理与分析,而医学图像重建属于医学成像技术,课程教学重点在于如何利用算法处理医学影像设备采集的原始数据从而得到医学图像,针对本科生开设该课程的院校不多.而开展该课程教学工作的院校主要限于理论教学,并且由于基础实验设备缺乏,实验条件不成熟等因素影响,极少涉及实验教学,学生对该课程内容的掌握情况并不十分理想.目前,公开文献主要针对医学影像成像课程的教学研究及教学改革,尚没有针对医学图像重建课程的实验教学研究论文公开.笔者结合本校该课程的教学情况,展开一些该课程基础仿真实验与应用实验教学环节的设计研究,以全面培养学生的学习技能,激发学习兴趣,改善教学效果.

2基础仿真实验设计

为了让学生掌握本课程设计的成像理论以及成像算法,基础仿真实验分为三大部分,分别为XCT图像重建仿真实验,SPECT图像重建仿真实验和MRI图像重建仿真实验,重点为XCT图像重建仿真实验.基础仿真实验要求学生利用计算机仿真实验采集数据,并选取合适的重建算法对实验数据进行重建.以XCT图像重建仿真实验为例,学生2人1组,首先利用Matlab软件产生平行束XCT的360度投影数据,再编写解析重建算法――滤波反投影算法和迭代重建算法――代数迭代重建算法函数程序代码,并将仿真的投影数据作为编写号的函数的输入参数,进行重建,输出重建后的断层图像,最后将重建后的断层图像与理论图像相比较,分析重建算法的性能.对于学习能力较强的学生,可自主选择课本上的其他算法进行图像重建与结果分析.通过基础仿真实验,学生可以深入了解医学成像系统的成像原理与成像过程,掌握图像重建算法,并学会分析比较不同算法的重建性能,真正掌握课程中的医学图像重建理论.

3应用实践实验设计

医学图像重建是一门理论与实践密切结合的综合性课程,在掌握各种重建方法的同时并将其应用于医学图像重建是学习本课程的最终目标.在课程理论教学以及基础仿真实验基础上,有必要进一步进行应用实践实验的设计,让学生用学到的知识解决实际问题.笔者所在学校的生命科学技术学院定位为研究型学院,搭建了适用于小动物成像的微型XCT硬件系统,并开发了与之配套的图像采集与图像重建软件平台.该微型XCT硬件系统中的X光管和X探测器固定,将成像对象固定在转台上,通过电动控制旋转转台,进行多角度投影数据采集.笔者基于课题组的科研背景以及学院软硬件条件,设计了小鼠XCT成像以及基于XCT图像的小鼠主要器官分割应用实践实验.实验时,学生4人1组,首先准备好实验材料,即麻醉小鼠并尾静脉注射CT造影剂,熟悉微型XCT硬件系统的构成以及性能指标并开启成像软件和硬件系统,采用由8个钢珠构成的仿体对微型XCT系统进行几何校正,消除转台的转动误差以保证成像精度,几何校正完成后,将小鼠固定在转台上,以1度为间隔,旋转360度,采集360幅投影图像,利用软件平台在怎么写作器上对投影图像进行重建,得到小鼠的断层图像和三维结构,基于小鼠的断层图像,利用Amira软件,采用人机交互方法进行小鼠主要器官分割.通过应用实践实验,学生亲自操作微型XCT成像系统,并对采集的投影数据进行重建.经过该实验训练,学生能够熟练掌握微型XCT系统的结构、系统的工作过程以及数据处理流程,对微型XCT成像及其应用有了系统深入的认识,锻炼了动手操作能力.

4结论

本文结合笔者教学与科研经验,基于学院科研条件,以提高医学图像重建课程教学质量为目标,针对该课程的实验教学环节提出一些改革措施.本课程以有代表性的重建理论和有典型性的应用实践作为实验内容,结合“课堂理论指导、计算机仿真巩固以及真实实验提高”三个层次的教学手段,巩固学生的图像重建理论基础,锻炼学生的实验操作技能,提升学生的综合知识水平,为以后从事相关领域工作奠定坚实基础.