医学影像技术专业的微机原理课程教学研究

2018-07-09许红玉周颖任杰王远军上海理工大学医疗器械与食品学院上海200093

生物医学工程学进展 2018年2期

许红玉, 周颖, 任杰,王远军上海理工大学医疗器械与食品学院(上海，200093)

医学影像技术所培养的学生，要能在医学影像技术领域从事相关的设备研发、管理经营以及技术服务方面的理、工、医相结合的高级工程技术人才。他们将来要在医院、企业等单位工作，要研发和操作大型CT机、磁共振设备、 X线机等多种现代化设备，这些设备现在已经基本与PC机相连，其医学图像需要经过图像处理编程算法进行分割、增强或融合，帮助医生诊断和治疗。其中一些电路板也采用微型计算系统设计，工作时需要定期维修与设计，所以医学影像工程专业的学生应认真学习《微机原理及应用》这门专业基础课程，掌握微型计算机原理的硬件连线与编程思想。而且，在所有专业课当中，这门课是学生接触最早的一门专业基础课，是培养学生的专业核心知识和核心能力的重要阵地[1]。

图1 微机原理在课程体系中的位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the position of the microcomputer principle in the course system

本课程教学目前采用的还是传统的通用微机教学，围绕微型计算机原理和应用主题，以Intel x86 CPU为主线，系统介绍微型计算机的基本知识和基本组成[2]。目前本专业大部分学生感觉，一方面理论课程不仅知识点繁多，而且学起来比较枯燥乏味；另一方面由于个人计算机的发展迅速，市面上出现的计算机无论从软硬件配备，还是外型设计，都远远超出了书本上的描述，这导致学生认为教学内容陈旧，从而对教学讲授失去兴趣，使理论授课困难；另外，该课程内容繁杂、知识点零散，理论性和实践性都较强，初学者普遍感到内容抽象、难以理解。因此，如何提高该课程的教学效果，激发学生们的学习兴趣，培养学生们分析解决问题的能力，是教学过程中必须充分重视的问题[3]。基于以上原因，本文讨论在教学中的几点体会。

1 注重理论基础教学引导

一门课程要引起学生的学习兴趣并不容易，尤其是理工科的课程，其中充满各种枯燥的公式、编程和硬件电路分析等内容；在教程编写上也不像文科一样做过多修饰，它的每一句话都具有科学的严谨性。但是，如果学生带着目的性和好奇心去学习，那么它就不会那么难懂了。所以，在第一次课时，有必要通过对实际情况的分析和这门课在整个专业的位置等做详细讲解。

1.1 强调课程在专业课程体系中的位置和重要性

在学习这门课程之前，学生已经选修了C语言编程课程，但学生反映很难理解和掌握，究其原因，是因为学生对计算机的硬件结构、工作原理和编程方式不了解。而且，医学影像专业的后续课程包含硬件医学图像处理、医学影像设备、磁共振成像设备等内容，从技术的角度来看，是硬件电路设计和软件算法编程，而学生前期所学习的C语言和电子电路等内容，不能完全满足专业需要。所以应从本专业对计算机的编程和电路板设计的应用举例开始,指出这门课是本专业的基础，学好这门课，不仅能够帮助学生解决软件编程和硬件设计的一些基础问题，而且也为后续课程奠定了基础。

1.2 强调学习的关键部分应是编程思想和理念

教材主要讲授8086系统的结构、编程以及扩展芯片等内容，有必要告诉学生，在硬件方面的数字芯片模块化设计理念和编程的一些常用算法和编程基本方法，仍然是相关研发人员沿用至今的，掌握了这些基础的理念和思想，将来学生学习任何相关软硬件技术都很容易掌握和理解。

1.3 强调要关注计算技术的发展和应用

本课程强调的是微型计算机的计算技术在医疗器械领域内的应用与研究，而不仅仅局限在个人电脑上。计算技术在医学影像专业的应用尤其突出，以医院X线机的影像拍摄为例，为了避免医院工作人员受到更多剂量的射线照射，目前已经采用了计算机在拍片室外面进行控制，而且图像的后期处理和辅助计算机诊断也成为重点技术，这应当引起学生足够的重视。

2 加强编程实践积累

医学影像专业的学生后期要学习医学图像处理课程，它要求学生能够熟练使用MATLAB语言、 Visual C等高级编程语言，所以对学生的编程能力要求很高。而C语言是一种编译型程序设计语言，具有程序可读性好、开发效率高、移植容易等优点，又具备汇编语言的部分功能[4]。因此在讲授到编程部分时，要拿一些编程语句和方法与C语言进行比较学习，帮他们进一步理解汇编语言的编程，掌握汇编语言与C语言的编程区别，提高学习的效率。

例如，在讲到算术运算指令时，将INC指令和DEC指令与C语言中的加1指令相比较；在讲到查表指令时，将它的编程过程与C语言中的查表编程相比较；在讲到循环控制指令时，着重讲授循环控制程序的方法和思想，其中排序法和逻辑尺可以专门拿出多种情况来讲解，并通过C语言的编程举例说明，加深学生对程序段的理解，最后可以引用本专业图像处理中常用的二维图像像素扫描和灰度提取算法、图像灰度直方图等的编程。

再如，在讲到标志寄存器PSW 时，教材并没有对奇偶校验位PF展开说明。因此，在讲课时，指出奇偶校验能够检测出在信息传输过程中的部分误码，类型分为奇校验和偶校验，其做法是在所传输的每一字节(8位)之外又增加了一位作为错误检测位。在某字节中存储数据之后，在其8个位上存储的数据是固定的，假设为1、1、1、0、0、1、0、1，把每个位相加，结果是奇数。对于偶校验，校验位就定义为1，对于奇校验，就定义为0，这样，当CPU读取所存储的数据时，它会再次把每位数据相加，计算结果看是偶数还是奇数，从而能检测出传输错误，并列举相关编程片段说明。通过这样的讲解，学生对PF有更深的理解，也明白PF的用途，并对数据传输检错纠错编程有了一定了解，最后再要求学生去查询工程设计技术常用的循环冗余检验(CRC)方法。

另外，在讲到程序设计方法中，除了讲授教材中所列的编程结构，包括顺序结构、分支结构、循环结构和子程序结构外[5]，还专门就编程算法展开讲授，结合本专业MATLAB课程和C语言编程应用经验，补充讲授了常用的插值算法、数字信号滤波算法以及一些简单的数字信号处理算法的编程思路，再引申到数据的拟合、函数的极值计算和数据的均值、平均差、标准差等数据统计应用描述。为学生学习后期的专业课程打下坚实的编程基础。

3 重视结合硬件技术

在学习本课程前，学生已经修读完或者正在修读模拟电子技术和数字电子技术课程，但是学生对独立芯片的学习和应用还停留在实验室阶段，而医学影像专业学生后期要学习医学影像设备、核磁共振成像设备以及放射测量与防护等专业课程，这些课程中所讲解的设备大多都是电子设备，着重讲述电子线路原理图以及相应的实验测试和设计等，这也要求学生对集成电路的设计要比较熟悉。

因此，在讲到后面的芯片扩展时，要首先讲解一个芯片的外部特点，从简单的74LS138译码器开始，着重讲述所有数字芯片外围管脚的类型特征、使用方法、以及如何与其他芯片连接，如何进行工作等，指导学生学会自己理解和应用新的芯片的使用说明。然后对存储器扩展、输入输出扩展、以及定时计数器的使用等展开讲解，并举出相应的电路原理图进行原理分析和工作编程，让学生深入了解可编程芯片如何连接电路以及如何对其进行编程，并结合实验室操作和学习掌握相关技能。这一部分可以在实验室里让学生一边实践操作，一边进行理论学习，这样可以达到事半功倍的效果。

4 仿真平台建设

实验教学在对学生能力培养方面起着理论教学不可替代的作用，是培养学生实验技能、应用能力和科学作风的重要环节[6]。现在实验室操作系统大多已是Win7以上的版本， CPU以64位为主流，所以我们采用基于8086CPU的EMU8086交互式集成仿真软件，与具有独特的8086模块的协同仿真功能VSM的Proteus ISIS相结合，来满足教学和学生自学的双重需求[7]。

结合医学影像技术专业课程中的主要内容，实验室设计了医学数字图像的灰度变化算法、灰度直方图算法、数组的平移、均值和中值算法、阈值化去噪算法滤波算法等与专业相关的实验编程，以及设计了射线测量系统、磁共振信号检测系统、 X线机信号检测系统等多个具有医学影像技术专业特色的硬件系统实验。图2为射线测量系统，为了避免辐射，射线探测探头的信号用已经实测到的数字信号替代。

5 结束语

综上，《微机原理及应用》课程涉及面广，知识点比较繁杂，学生不仅要掌握系统结构，而且还要会进行电路设计和连线，最后还要对其进行编程测试，所以学习起来比较困难。因此针对本专业特点和需要，在理论讲授中着重讲述软件的编程经验和电子线路原理图的设计与连接。在教学手段上，不但借助多媒体技术提升课堂教学效果，将书上的一些内容做成动画或者其他生动形象的形式，以激发学生的学习兴趣，增加学生的注意力，而且充分利用网络教学平台辅助教学，建立了教学网站，在线进行问题解惑和试题解答等，有效调动本专业学生的学习积极性和主动性，达到了很好的讲授效果。