生物醫學工程專業綜合訓練平臺的建設

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[摘要]目的：探索生物醫學工程專業實踐綜合訓練平臺的建設和教學模式，以便培養適應社會需求的醫學工程學科人才。方法：基于實驗室現有條件，構建涉及醫學儀器操作、醫學信號處理和醫學程序模擬仿真的綜合訓練平臺，提高學生的動手實踐能力、協作意識和專業素質。結果：教學實踐表明，學生對醫學儀器、醫學信號和醫學程序的實際處理技能得到大大提高，就業和創新能力得以顯著提升。結論：專業實踐綜合訓練平臺能夠促進學生的全面發展，為其將來從事生物醫學工程相關工作奠定堅實的基礎。

[關鍵詞]生物醫學工程；專業實踐；醫學儀器；醫學信號；教學

0引言

隨著生物醫學工程學科的迅速發展，醫學儀器相關的應用型和研究型人才的需求日益增加，因此高等院校生物醫學工程專業基本上都開設了特色的專業實踐綜合訓練課程來提高學生的綜合素質。專業實踐綜合訓練課程的內容主要包括醫學儀器的使用、醫學信號的分析和處理以及醫學程序的理解和掌握。在生物醫學工程專業的教學中，學生在課堂上學習了醫學儀器和醫學信號處理的基本理論，但缺乏對醫學儀器和醫學信號的動手操作和處理能力。生物醫學工程專業綜合實踐訓練是本科階段最重要的課程之一，目前已成為塑造生物醫學工程專業畢業生的關鍵環節[1-2]。因此，專業實踐綜合訓練平臺的建設勢在必行。基于社會需求和學生的知識儲備，我院生物醫學工程專業開設了專業實踐綜合訓練課程，該課程為實踐環節必修課，設置在大學四年級的第一學期，共計60學時。專業實踐綜合訓練課程的目的在于培養學生的創新意識和團隊協作意識，增強學生對醫學儀器、醫學信號和醫學程序的直觀理解和操作能力，為學生構建合理的知識平臺。

1生物醫學工程專業的專業實踐綜合訓練課程教學現狀

在生物醫學工程專業的專業實踐綜合訓練課程的教學中，國內外大學存在一定的差異。美國大學為了突出特定研究領域的專項訓練，一般將專業實踐綜合訓練結合到一些課程的課程設計中[3]。在國內大學的教學中，通常單獨設置醫學儀器綜合訓練的相關課程。西南醫科大學醫學信息和工程學院采用面向應用和研究的臨床儀器、探索學生動手能力和學習興趣的形成性評價考核方式，培養學生主動參與和自主學習的能力[1]。陸軍軍醫大學（原第三軍醫大學）科研部生物醫學分析測試中心結合當前研究的前沿和熱點，采用經驗教師授課-學生實驗操作模式來培養學生的動手能力和創新思維[4]。空軍軍醫大學軍事生物醫學工程學系（原第四軍醫大學生物醫學工程學院）基于產業發展對生物醫學工程專業人才的需求，提出了細分教學內容、引入示教儀器和設計綜合性試驗的教學方式，培養適應生物醫學工程專業發展趨勢的人才[5]。清華大學醫學院生物醫學工程系緊跟學科前沿和專業發展趨勢，更新教學內容、建設立體化教學資源和創新性支撐平臺，主攻基礎性、創新性、趣味性和研究性，并通過臨床醫院實習，形成了特色的專業綜合訓練教學體系[3]。長治醫學院生物醫學工程系采用研究性教學和開放性實驗室模式，培養學生的科研能力和團隊精神，鍛煉學生的綜合素質[6]。上海理工大學醫療器械與食品學院針對學生獨立動手能力和工程實踐能力較弱的缺點，實行實踐性教學，通過加強院企合作和實踐基地建設來提高學生的醫療器械操作水平[7]。根據國內外專業實踐綜合訓練課程的教學情況，如何培養學生的動手實踐能力和自主學習能力，如何使專業實踐內容面向臨床和社會應用，如何在實踐中培養學生的科研能力和創新思維成為該課程的關鍵所在[8-10]。針對專業實踐綜合訓練課程的開展現狀并結合我院生物醫學工程專業的特色，建立了醫學儀器實驗室，通過教學平臺來開展專業實踐綜合訓練課程的教學工作。

2專業實踐綜合訓練課程教學平臺的建設和實踐

教學平臺是專業實踐綜合訓練課程順利開展的基礎保障。為了有效地加強本專業學生的綜合性實踐能力，建設了3個創新性教學平臺。在基于專業實踐綜合訓練平臺的教學過程中，發現學生存在動手能力較差的問題。如何提高學生實踐與理論相結合的能力，深化學生對醫學儀器、醫學信號和醫學程序的理解和認識是專業實踐綜合訓練教學的重中之重。

2.1醫學儀器操作平臺的建設和教學探索

基于醫學儀器實驗室的現有條件，建立了醫學儀器操作平臺，以便使學生能夠掌握臨床醫學儀器的基本原理，熟練地操作和使用常見的臨床醫學診斷和治療類儀器，了解醫學儀器的維修和維護。醫學儀器操作平臺包括MRI教學成像儀JXMRI-Ⅱ、醫學歸檔和通信系統（picturearchivingandcommunicationsystems，PACS）、心功能血流參數無損檢測儀TP-CBS-Ⅱ、彩色多普勒超聲診斷儀SSI-3000、心電分析系統MedEx、腦電檢測分析系統NT9200、高頻電刀B-15、經顱多普勒TCD-2000、全數字超聲實訓儀PY-2000、微波熱消融儀MTC-3C等。基于醫學儀器操作平臺的教學主要采取專項實訓和小組合作的實踐方式。為了使學生系統地認識各種醫學儀器，教師應適當講授醫學儀器的基本工作原理，例如，MRI的成像原理、PACS的工作流程等，由此可使學生在后續操作中有的放矢。在醫學儀器的實驗中，采用專項實訓的方式，針對專業特色設置了8個實訓項目以供學生輪流進行專項實踐。研究表明，小組合作學習方式通常有助于學生獲得團隊管理、交流和表達方面的社會和專業技能[11]。因此，為了鍛煉學生的分組合作和協作能力，提高學生的積極性和創造性，每3人組成實驗小組。分組合作的醫學儀器實訓場景。為了培養適應社會需求的研究型人才，在完成教學實訓的同時，支持學生在該平臺上進行科學研究，發表相關科技論文[12]。

2.2醫學信號處理平臺的建設和教學探索

醫學信號處理平臺主要由基礎醫學信號數據和編程工具構成，其中基礎醫學信號數據包括MIT心電數據庫、MRI原始K空間信號、醫學斷層圖像（CT、MRI圖像）等；編程工具包括VC++、MATLAB等。通過醫學信號處理平臺的實踐，可以大大地提高學生的編程能力，同時使學生能夠更好地理解、分析和處理醫學信號，這對于培養學生綜合運用所學知識實踐基礎教學理論，鍛煉學生的綜合素質具有非常重要的意義[13]。醫學信號處理平臺的教學主要采取專題訓練、循序漸進和課程設計的方式。在醫學信號處理領域中，醫學信號的計算機輔助診斷仍是研究的熱點[14-16]。基于社會需求，開展了心電信號自動分析診斷系統的課程設計。首先，教師適當講授醫學信號的基本特征和處理算法；為了解決學生無從下手的難題，采用專題訓練的方式，層層推進，輔助學生建立VC++工程，讀取和瀏覽心電信號，設計簡單的心電信號處理算法（例如高通濾波、低通濾波等）；在專題訓練的基礎上，進行綜合課程設計，要求學生從MIT數據庫中讀取心電信號，提取特征參數，同時對心電信號進行分析和診斷，并要求學生撰寫課程設計說明書一份，詳細介紹程序流程圖和具體實現過程以及課程設計中所遇到的問題。通過醫學信號處理平臺的訓練，學生能夠系統地掌握醫學信號處理和分析理論，并能夠較大地提高編程能力和動手能力。

2.3醫學程序模擬仿真平臺的建設和教學探索

在一些醫學程序中，學生無法獲得實際的中間過程，從而不能徹底地掌握醫學程序的進展和細節。例如，熱消融已成為治療肝腫瘤的綠色療法，但熱消融過程中的腫形態和真實消融效果無法直接獲悉。因此，建設了醫學程序模擬仿真平臺，該平臺主要由臨床醫學圖像，三維可視化軟件Amira和有限元仿真軟件Comsol、Ansys構成。通過醫學程序模擬仿真平臺，學生能夠掌握模擬仿真軟件的使用，并可通過仿真獲得每個醫學程序的具體實施狀態。在醫學程序模擬仿真平臺上，針對目前圖像處理和熱消融領域的研究熱點開展教學，教學內容包括肝腫瘤和血管的三維模擬和量化、熱消融溫度場仿真以及熱消融手術的效果評估等。通過適當講授、講義成冊和專題實訓，可培養面向實際臨床應用的專業工程人才。

2.4以過程評價為中心的考核方式

在教學考核中，為了調動學生主動學習和積極動手的興趣，采用過程評價考核方式。專題訓練完成后，綜合學生每個教學環節的具體表現來給定成績。在醫學儀器操作平臺的考核中，基于學生對醫學儀器的掌握情況和實際動手能力給定成績；在醫學信號處理平臺中，基于每個專題的編程情況以及課程設計的綜合分析情況給定成績；在醫學程序模擬仿真平臺的考核中，根據學生對每個醫學程序的掌握情況以及最終仿真結果的細節給定成績。課程考核成績最終基于學生出勤情況（20%）、課堂表現（40%）以及實驗結果和分析報告（40%）等方面來綜合評定。

2.5專業實踐綜合訓練平臺的教學效果評價

經過多年的教學積累和平臺完善，專業實踐綜合訓練平臺獲得了良好的教學效果。學生通過專業實踐綜合訓練平臺的教學和實踐，普遍認識到操作技能和創新意識的重要性，從而由被動學習逐漸變為主動學習。近3a的生物醫學工程專業本科生教學成績。從該表可以看出，隨著學生學習興趣的提高，學生平均成績的優秀比率逐年上升。通過專業實踐綜合訓練課程的專項實踐，學生的專業素質得到顯著改善。首先，學生可在該平臺上進行星火基金的研究以鍛煉自己解決實際問題的能力；其次在就業方面，學院的本科生越來越受到用人單位的歡迎，近年來不少學生畢業后進入三甲醫院醫學工程科從事醫學儀器操作和醫學過程仿真（心臟的三維建模等）工作，得到用人單位的高度認可；另外在繼續教育方面，有些學生直接考取研究生，從事圖像處理和熱消融手術計劃方面的研究，研究生導師普遍反映，學生能迅速地進入課題研究。總之，專業實踐綜合訓練平臺為學生奠定了良好的實踐基礎。

3結語

通過專業實踐綜合訓練平臺的建設和專業實踐綜合訓練課程的專項實踐，不僅使學生熟悉了臨床醫學儀器、醫學信號處理算法和臨床醫學程序的基本原理和操作方法，還使學生掌握了生物醫學工程專業必需的編程工具和模擬仿真工具。在專業實踐綜合訓練課程的教學過程中，學生對貼近日常生活應用的醫學儀器和醫學程序較為感興趣，如血壓計、生理參數采集儀等，因此使課程教學與學生的實際情況相結合能夠進一步調動學生實踐操作的積極性和能動性。在后續教學中，需加強設計性試驗以提高學生的自主設計能力，由此進一步改善實踐教學的效果。專業實踐綜合訓練的教學探索是一項長期任務，教學內容和考核方式仍需不斷改進，以便更好地培養出適應社會發展的復合型人才。

作者：高宏建 白燕萍 王笑茹 吳水才 單位：北京工業大學生命科學與生物工程學院