多物理场仿真在生物医学工程专业课程教学中的应用

刘学超，张 涛，徐灿华，杨 滨，刘本源，李 磊，付 峰

（空军军医大学军事生物医学工程学系，西安 710032）

0 引言

在国家创新驱动发展战略的支撑下，生物医学工程（biomedical engineering，BME）将成为塑造多元化、创新人才的重要高地[1-2]。BME 是一门高度融合的交叉学科[3-4]，对BME 专业学员的教学也必须更加注重学科交叉融合，培养学员解决问题的能力和实践创新能力[5]。然而，在教学过程中，如何将多学科知识有效融合，使课堂教学真正做到“授之以渔”[6]，使学员乐于学习、善于交叉融合，增强学员专业认同感一直是BME 专业教学中的难点问题。

医学仪器原理与应用是空军军医大学BME 专业开设的本科必修专业课程，在BME 专业人才培养中起重要作用。为满足多元化、创新人才培养需要，该课程不仅要求学员能够理解各种医学设备的基本原理，还要求学员能够掌握并灵活运用以往学习的电子、计算机、物理学、生理学等多学科知识，为创新医疗设备应用与研发奠定基础。该课程内容多、综合性强，学员掌握难度大、学习热情和参与感较低，因此需要在以往理论讲授的基础上探索融入一些新的教学手段。

目前，仿真技术已在BME 教学中发挥了重要作用。例如：陆军军医大学利用高级智能模拟人等仿真技术，在BME 专业生物医学传感器教学中大大提高了学员的学习热情[7]；华中科技大学建立的磁共振成像虚拟仿真实验平台进一步提升了BME 专业学员的综合素质与创新能力[8]。基于此，仿真技术有望为医学仪器原理与应用课程高端医疗设备的教学提供一种新的教学方法。然而，目前的仿真教学大都局限于设备的使用方面，与其数学物理原理结合的教学案例较少。COMSOL 作为一款多物理场仿真软件，已被广泛用于其他专业本科教学中，特别是在声学理论[9]、电磁场理论[10]、热传导[11]、力学[12]等课程中的应用大大提高了学生的学习兴趣，加深了学生对抽象理论的理解。COMSOL 软件用于BME 本科教学中，也有望提升教学效果。COMSOL 软件中与BME 相关的主要物理场模块包括电磁、传热、声学、结构/固体力学、电化学、物质传递等。在BME 研究中通常需要使用多种物理场之间的耦合才能有效模拟真实情况。然而，目前基于COMSOL 的仿真教学局限于单个物理场的讲解，没有涉及多物理场耦合的思想，而BME 所关注的医疗设备研发、医学传感器设计等领域通常涉及多种物理场的耦合，因此加强学员的多物理场仿真思维、学习和掌握必要的仿真技术对培养具备设备研发能力的复合型人才也具有重要意义。

基于此，本文在BME 专业医学仪器原理与应用课程中探索使用COMSOL 软件引入多物理场仿真教学，引导学员理解和掌握医疗设备中涉及到的复杂的数学、物理基础知识，培养其多物理场耦合的思维和实践创新能力，为其今后学习、工作奠定基础。

1 医学仪器原理与应用课程教学难点分析

医学仪器原理与应用课程融合了生物医学、电子、计算机、信号测量与处理、传感器技术等多课程的核心内容，在BME 专业第四学年上学期开展该课程教学。一方面，学员经过生物医学电子学、医用传感器、数字信号处理等专业课程学习，已打下较好的专业基础，在课程教学中要引导学员将所学理论知识进行交叉融合与实践。另一方面，课程教学要着眼于帮助学员理解并掌握仪器工作的基本原理、了解仪器设计的基本方法，培养具有创新思维的应用型、研究型人才。因此，分析医学仪器原理与应用课程教学过程面临以下教学难点：

（1）课程中涉及的一些操作较难的设备以及新型医疗设备无法进行实物教学，导致学员在理论学习中参与感和学习热情较低，课后自主学习投入不足。

（2）课程中讲授各类医学设备常涉及电磁、流体、结构力学、声学、传热等物理场过程。学员通常容易掌握上述基本过程，但对于设计原理复杂、公式较多、内容涉及多物理场耦合的医疗设备，如射频治疗设备、高强度聚焦超声等，学员难以理解其多物理场耦合及计算过程，知识掌握难度大。

（3）传统的板书和多媒体教学主要包含文字、静态图片、视频等内容，虽然可以阐述理论知识，但医学仪器设备的结构不够直观，教学效果仍需提高。纯粹的理论讲授已难以满足培养具备设备研发能力的高层次人才需求。

2 多物理场仿真教学实践

针对医学仪器原理与应用课程教学中常见的多物理场问题，引导学员开展利用电磁热耦合的射频消融仿真实验[13]、基于流固耦合的蠕动泵仿真实验、基于压电耦合的压电传感器仿真实验以及声热耦合的生物组织聚焦超声加热实验等。以生物组织聚焦超声加热为例，在教学过程中开展多物理场仿真教学，将仿真演示、学员实践与理论讲授相结合，帮助学员理解抽象的数学物理过程，使学员加深对知识的理解与掌握，提高学习兴趣和技能。

2.1 理论讲授

课堂教学以理论讲授为主，主要采用幻灯片进行知识点讲解，并通过板书和多媒体视频满足学员知识学习的需要。如教学中首先向学员讲解聚焦超声引起的人体组织发热现象，主要包含声场和生物传热2 个物理场之间的耦合。其次向学员阐述如何实现2 个物理场之间的耦合及计算。第一步，对生物组织中的声场进行计算，获得声强分布，在该过程中主要利用Westervelt 方程进行计算[14]；第二步，计算吸收的声能，将其作为热源引入生物传热的物理场得到温度场分布结果，在该过程中主要通过Pennes生物传热方程计算[15]；最后，讲解实验过程中的假设条件以及边界条件设定。

同时，教学中注重运用启发式教学方法。医学仪器原理与应用课程包括生理检查类仪器、治疗类仪器、光学类仪器、临床检验类仪器、生命支持类仪器等主要内容，每一大类仪器中各种设备之间存在一定的相关性、差异性、互通性，复杂仪器的数学物理基础及实现过程也存在相通之处。因此，在教学中采用启发式教学，引导学员发现和总结不同设备之间的异同点，有助于学员快速掌握所学知识，加深对不同设备原理的理解与应用。

2.2 仿真演示

教学过程中加强模拟法教学，通过引入多物理场仿真演示，将枯燥的数学物理过程及公式可视化，以更加形象地展示设备结构，从而帮助学员理解所学知识，激发学员学习的兴趣，如课程中采用COMSOL软件自带案例库中的模型进行生物组织聚焦超声加热过程演示操作。在理论讲授基础上，教员通过分步骤操作演示，引导学员认识声-热耦合仿真过程及理解其基本原理。首先，建立用于仿真的几何模型：仿真模型的几何结构如图1 所示，其中声换能器呈碗形，假设生物体为圆柱体，生物组织与声换能器均浸在水中。简化后的实际几何结构分布如图2 所示。其次，设置边界条件进行有限元计算：利用压力声学模块可以求得声场分布；将声场的解作为热源引入生物传热模块，计算生物组织的热量分布。最后，分析结果：声场的有限元计算结果如图3 所示，可以看出聚焦区域与图2 中预设区域几乎一致；生物传热过程的计算结果如图4 所示，可以看出加热位置、大小与图2 所示超声聚焦区域大致相同，且聚焦区域外的组织损伤范围很小。

图1 仿真模型的几何结构

图2 简化后的仿真模型

图3 声场有限元计算结果

图4 生物传热过程计算结果

同时，教学中注重运用互动式教学方法。在教员的演示、引导和指导下，学员可自主完成多物理场仿真建模和求解，提高学员课堂参与度、学习积极性和实验效果，强化相关理论知识。

2.3 学员实践

教学过程中注重理论联系实践，培养学员的建模思维和实践能力，激发学员学习动力和融合创新能力。在课堂的有限时间内，通过教员的理论讲授和仿真演示，学员可以认识并了解所学设备的相关知识和实现过程，但很难做到真正掌握并灵活运用于解决实际问题。因此，我们采用以课后作业为牵引，加强学员对知识的掌握和运用，锻炼其实践动手能力的教学方法。教学组自2004 年起不断探索医学仪器原理与应用课程课后作业的内容与形式，确定了“项目式”课后作业的基本模式[16]。在此基础上，一方面要求学员根据仿真演示完成相应内容的课后仿真实践，获得实验结果并进行分析；另一方面要求学员能够“举一反三”，在所学内容中可选择任意一种设备开展多物理场仿真实践，通过数学物理理论分析、构建仿真模型、设定边界条件、仿真计算及结果分析的基本过程，完成课后作业。这种方式既能锻炼学员的实践能力，也有助于培养其逻辑思维能力和科研思维，为今后学习和工作打下基础。

此外，我们鼓励学生积极参与学科相关竞赛，在比赛中灵活运用所学知识和技能，提高个人能力。

3 教学效果评价

授课过程中通过COMSOL 软件向学员传达多物理场仿真理念、讲授多物理场仿真技术，对于学员理解医疗设备的数学物理原理具有重要作用。同时，针对具备医疗设备研发能力的BME 专业人才而言，多物理场仿真技术也是应该具备的一个重要技能。

在教学过程中，学员普遍反映基于COMSOL 软件的仿真将枯燥的数学方程进行可视化实现的教学方法，能够帮助大家理解和掌握设备的基本原理。课后学员能够自主利用仿真软件，探索和设计与BME应用相关的仿真案例，在掌握了基本的操作后，也可以自己动手设置不同参数进行仿真计算，观察理解不同参数的真正含义。这种教学模式提高了学员课堂参与的积极性，激发了学员的学习兴趣。近3 a 的课程考核表明学员成绩明显提高，成绩优秀及良好比例分别为23.08%、35.71%和42.75%。

学员在课后实践中，逐步探索完成了仿真模型建立、物理场求解、仿真结果可视化、实验结果深度分析的“实践小闭环”操作流程。这有助于学员从复杂的医疗设备设计的实际问题中发现本质，理解物理现象，提高自身的实践创新能力和逻辑思维能力。通过调查问卷发现，上课前学员对多物理场仿真概念的了解度几乎为零。课后的问卷调查结果表明，学员能够接受多物理场仿真案例教学方法，对授课满意度有所提高。此外，学员通过仿真实践，认为自己掌握了一项重要技能，增加了自身对编程的兴趣和自信心，能够更积极主动参与相关专业竞赛（如生物医学工程创新设计竞赛）。

此外，开展仿真案例教学促进了教员自身能力的提升。教员在教学过程中除了讲解简单的多物理场耦合过程，帮助学员理解知识以及开展课后实践，还需要掌握BME 前沿的一些仿真研究作为案例展示来拓宽学员视野。这些都对教员自身紧跟BME 研究热点，加深对医疗设备数学物理过程的理解有明显的推动作用。

4 结语

本文针对医学仪器原理与应用课程中医学仪器涉及的复杂数学物理原理讲解难、学员掌握难度大、课后自主学习不足等问题，提出将多物理场仿真案例引入课堂，向学员讲授医疗设备中蕴含的多物理场过程。通过教学实践，学员提高了学习兴趣并加深了对知识的理解，掌握了多物理场仿真技能，锻炼了将实际问题进行抽象建模仿真的能力，这为培养具备设备研发能力的融合创新型BME 专业人才打下了良好的基础。