微创与介入医疗器械设计课程教学改革与实践探索

毛琳,崔海坡,宋成利

上海理工大学 健康科学与工程（上海，200093）

0 引言

医疗器械作为构筑医疗体系的重要支撑点，对人类生命健康产业的发展起着至关重要的作用。医疗器械是医学和工程学交叉融合的一门学科，涉及医学、生物学、工程学、电子学和材料学等多个领域，是精密制造与精准医疗创新融合的典型代表，近年来越来越受到关注［1-2］。

上海理工大学生物医学工程专业主要面向医疗器械产业进行高层次人才培养，定位清晰、特色鲜明，已为我国医疗器械产业输送了很多的优秀人才。通过理论与实践，学科知识与临床医学相结合的教学方式，培养能力素质全面发展的创新和创业人才。微创与介入医疗器械设计是一门多学科有机融合的技术密集型课程，具有很强的综合性和实用性。本课程的建设发展经历了十余年，2010 年开设本科课程微创医疗器械概论，并于2011 年申报了上海高校示范性全英语教学课程，2016 年本课程列入生物医学工程专业本科教学培养计划。

作者自参加工作以来，一直从事微创医疗器械与介入器械的教学与科研工作［3-4］。在教学过程中，作者搜集了大量文献资料和图片视频，访问了众多医疗器械企业和医院，针对生物医学工程专业人才的培养方案，进行了一系列的课程创新和教学改革。

1 教学目标与人才培养的结合

生物医学工程专业以培养掌握生物医学工程基本理论、基本知识和基本技能，具有较强实践能力和创新能力，以及良好人文素养和团队合作精神的高层次、复合型人才为目标，着重培养学生的法律意识、道德伦理、专业技术以及创新能力，以满足社会医疗保障体系发展的特定需求。

本课程的教学目标是：在完成大学三年的通识课程和专业基础之后，学生能够进行知识的综合运用，提高锻炼分析问题和解决问题的能力，为毕业设计打下坚实的基础。通过本课程，可以深入学习微创医学知识，了解最先进的微创介入医疗技术特点，掌握微创外科器械的设计原理，通过血管支架和微创外科抓钳的结构设计，掌握基本的微创医疗器械的设计方法，锻炼学生将临床需求及痛点转变为工程问题，并提出具体解决方案的能力。

2 教学内容与教学模式的改革

2.1 课程内容与资源

微创与介入医疗器械设计课程涉及的教学内容很多，包括医学基础、疾病与治疗、机械设计、生物力学等多学科知识，学生面对的重点和难点是如何将复杂的知识体系建立起来，同时还要具有动手操作和解决临床医学问题的能力。本课程也是生物医学工程专业重要的专业课，具体的课程内容包括：①微创医学的背景介绍；②微创外科及器械；③微创外科器械的生物力学原则；④微创医疗器械的设计思路和方法；⑤心血管支架和微创外科抓钳的设计步骤和流程等。面对生物医学工程学科所面临的挑战，结合本专业医工交叉的特点，作者与研究团队多次深入医院，与临床医生沟通，实践了基于临床问题的学习和设计思维（design thinking），应用了斯坦福大学Biodesign 医疗科技创新理论［5］。

课程教学内容改革的重点就是通过具体的微创医疗器械设计，重新定义医学问题的边界，利用工程技术原理和设计思维（design thinking）提出解决具体问题的方案，通过实际案例，融合各学科基础知识，锻炼学生创新设计的能力。本课程还提供了充足的软硬件资源，供学生学习、观察、测试和设计，同时，课程还提供了丰富的微创医学参考文献、心血管支架和微创外科器械样品以及必备的测绘工具和测试设备。

2.2 课程组织与实施

激发学生的学习兴趣和求知欲望是组织教学的关键。本课程在教学内容和组织实施之间探索了教师主动性教学和学生自主性学习的有机融合。在课程讲授前将教学问题，特别是医学问题告诉学生，让学生带着问题思考，与教学内容相符合，以此激发学生的兴趣，并结合多媒体教学和视频录像，沉浸式体验微创医学的特点和难点，引导学生勤思考多分析。

本课程非常受欢迎，每学期选课学生都很多，2018 年95 人，2019 年80 人，教学过程分小组进行，每个小组约6 人，组内同学分工合作，要能独立查找相关文献，测试样品并进行三维设计，小组同学一起克服困难，共同成长。

依托“产学研”合作教学，注重利用最新的科研成果改进课堂教学内容，培养医工交叉高层次人才。由于微创医疗器械技术发展迅速，教学内容需要不断创新，授课团队积极向学生展示了最新的国家基金科研成果，包括微创外科机器人等项目，使学生理论和实践知识得到提高，大大激发学生的学习兴趣。

另外，利用实践基地巩固教学效果。微创医疗器械的设计需要系统的训练，教学团队利用了教育部微创医疗器械工程中心专业实验室，使学生能够将课堂知识直接用于实践，并带领学生参观实验室，学习使用测试和实验设备，让学生真正学有所用。

2.3 线上教学模式探索

医疗器械产业是我国的战略性新兴产业，通过新冠疫情更凸显出其对人民健康和国家安全的重要作用。微创医疗器械是高科技产业，对于人才的需求很大。今后五年，本课程的建设将对接国家重大战略需求，融合最新医疗科技，不断优化课程设计。

本课程正在建设完备的线上课程，拟向全国大学和产业界开放，预期实现线上课程广泛覆盖，线下课程深度挖掘，培养更多的微创医疗器械专业人才。目前线上课程已经开发在线教学机器人 -基于人工智能的机器人助教（图1），届时可以把大部分标准化的知识点和教学内容移植到线上，通过文字、图片、视频和课件PPT，实现远程教学和智能教学。

图1 助教机器人Fig.1 Teaching assistant robot

3 评价体系的探索

课程成绩评定方式采用平时成绩（30%）+课程报告和PPT 答辩（70%）的形式。其中平时成绩包括每日考勤，由研究生助教完成。讨论积极度和团队合作参与度，由各小组长完成。各组按时完成报告PPT，要求学生每人按时完成课程报告4～6 页，包括文字和图片，可以配有医学图片和设计截图，在课程教学结束后第二周完成，并装订成册。其中包括对于医疗器械设计难点的讨论，以及领悟、收获和思考。各组完成一份课题答辩PPT，在最后一天进行答辩演示，从内容、团队、风度等各方面打分。答辩环节课堂气氛非常热烈，掌声不断。

学生对本课程的评价都非常积极，特别是最后的报告答辩部分印象深刻。学生总结了学习本课程的领悟和收获，并能以团队的形式向授课教师及团队进行讲解，锻炼了团队合作能力和表达能力，增加了自信，提高了对专业的理解和热爱，对学生以后就业创业都很有帮助。

4 小结

微创与介入医疗器械设计课程体现了医工交叉、设计理论和项目实践相结合、医学知识和工程能力相结合的特色，传统的课程教学模式不能适应新工科背景下生物医学工程专业的特点，必须通过项目锻炼能力，通过临床需求激发创新创意，通过工程技术提供解决方案，通过实际运作反馈临床。本课程通过心血管支架的设计，使学生深刻领悟了冠心病的危害，发病机理和治疗方法，掌握了医学领域的专业术语和思维方式，具备了与医生进行沟通，并将医学问题转化为工程技术问题的跨专业能力，为生物医学工程专业的教学改革做出了有益的探索和创新。