医工融合视角下的医学影像成像系统教学模式探索

王思琪,钟仁云,陈昆涛,3

(1遵义医科大学珠海校区医学影像学系医学影像诊断学教研室, 珠海 519041; 2遵义医科大学珠海校区医学影像学系办公室; 3遵义医科大学第五附属(珠海)医院医学影像科)

随着人类社会的发展,人们对于医疗健康的重视程度越来越高,未来医疗健康产业将进一步蓬勃发展。这也将催生医疗健康技术、医学教学和相关科学研究在内容和手段上的革新[1]。从医疗健康领域的现状来看,虽然生命科学理论与技术的发展带动了现代医学朝着多元化、信息化和精准化的方向发展[2],但目前人类社会日益增长的医疗需求与尽管已经在迅猛发展的医疗技术和资源之间仍存在矛盾,主要体现在:①人们对于生命健康、疾病的本质的认识还不够全面彻底,进而导致检测、监测与诊断上的不足;②实际医疗效果与临床经验、医学理论、医疗技术之间的映射关系不够清晰或不够量化,进而导致医疗效果的不稳定和存在难以量化的误差。

对于医学类高等院校的人才培养而言,上述矛盾既给我们带来了启示和挑战,也提出了新的要求:医学健康方向的人才培养既要在“形而上者谓之道”的理论方向上探索生命健康与疾病的本质,也要在“形而下者谓之器”的技术方向上解决问题。由于工科或工程技术思维的本质是“逢山开道,遇水搭桥”式地解决实际问题,因此在上述背景下,医学与工学的交叉、医疗技术与工程技术的结合就显现出一定的优势和必要性[3]。

事实上,医工融合并非一个新概念,早在20世纪70年代,哈佛大学、麻省理工学院等一批世界一流大学就制定了交叉学科政策并建立交叉性研究所,揭开了医工结合发展的序幕[4]。更是早在1976年,Science期刊上就发表了认为在临床医疗效果上“跨学科的努力可能会带来更优的临床决策”的专业论文[5]。

本文从医工融合的角度审视了新时期医学人才的培养方案,分析了当前医工融合在医学学科教育教学方面的现状和问题,探讨了开展新型教研模式的必要性、本质内容、实施方法以及实际影响。同时结合笔者教授的专业方向,重点讨论了医学影像成像系统的教学研究方法。此外,由于本文讨论的问题起源于学科教育,因此本文对于医工融合和医工交叉学科的概念不做区分。

1 医工融合的内涵与发展

1.1 一般定义与具体内涵

一般认为,医工融合即为医学与工学的结合。20世纪80年代,我国将理工科大学与医科类院校合并以及设立生物医学工程专业,实质性地推进了医工融合。其本质就是要采用医科+工科的新的研究思路、研究成果去解决依靠传统医学理论和方法无法解决的医疗健康领域的重大问题。直到2021年12月6日,国务院学位委员会印发《交叉学科设置与管理办法(试行)》认定:交叉学科是在学科交叉的基础上,通过深入交融,创造一系列新的概念、理论、方法,展示出一种新的认识论,构架出新的知识结构,形成一个新的更丰富的知识范畴,已经具备成熟学科的各种特征[6]。医工融合本质是为了发挥工学之优势、补医学之不足。因此参考上述定义,本文定义医工融合的概念为:将医学与工学学科进行交叉融合,创造新的概念、理论、方法,形成新的知识结构,与时俱进地服务于医学实践活动。在不同的医学领域,医工融合有不同的内涵解读,融合程度和方式也存在差异。具体到医学影像学专业,医工融合就是要将工科手段、技术应用到医学影像学相关的研究和实践中,以提高医学影像学专业的人才培养质量:从定性到定量,从经验到数据,从片面到全面,从粗糙到精细等。

1.2 发展现状及不足

从我国医工融合的发展现状上看,目前仍然存在融而不合的现象,同时产学研交流合作与成果转化存在一些难点、堵点,亟待加快破解。根本原因在于当前的医工融合主要体现为“医师+工程师”的思路,而非“医学思维与工程思维结合”的思路。实现新的医工融合,表面上依赖于科学技术的发展,但本质上取决于医学类高等院校的人才培养方法与模式。事实上,我国当前医学教育面临一系列问题与挑战,主要体现在医学培养与医疗需求脱节、医学理论与医疗实践脱节、医学教学与医学科研脱节,同时也有医学生源质量、毕业生质量下降以及医学教育理念落后等问题[2,7]。随着经济、社会和科学技术的发展,高等医学教育也需顺应时代、追赶潮流。如何抓住新的发展机遇、注入新的发展动力,进而更好地面对现实挑战、适应社会需要、履行教育职责,仍然是当前医学类专业教育,尤其是本科教育教学改革研究领域的关键问题之一[8]。因此,笔者认为当前医工融合存在现实必要性,同时也是医学高等教育所面临的新的发展机遇。

具体到医学影像成像专业,其主要面向医疗健康检测、监测与诊断,是诸多疾病治疗效果的主要评价方法。医学影像成像系统是医学影像学专业的基础核心课程,该课程具有医、工、理等多学科在不同层次上进行相互交叉、渗透的特点,是典型的交叉学科。然而,目前我国多数医学类的医学影像成像系统课程教学所采用的教学方式仍较为传统单一,主要由单一学科背景的教师任教,在基础理论、临床经验、学术热点或前沿、先进技术手段和设备等方面不可能做到面面俱到,从而导致影像医学生的培养无法充分跟踪本学科和相关技术的发展动态,以致于影响培养质量。

1.3 学生观点及启示

笔者通过问卷的形式调研了本校医学影像学专业2019级到2023级合计300名学生对于医工融合概念的认知情况。数据显示,90%的学生认为本专业需要引入工程科学或本专业本身需发展成为医工融合专业,其中高年级学生、智育成绩排名靠前的学生表现得更加显著。医学物理学、医学影像图像处理、基于MATLAB数据处理方法、人工智能算法等含工学技术方法的课程是在本文调研中被70%以上学生选择认为应该进行授课的课程,其中前两门课程的需求比例更是高达90%以上。医工融合的教育实践探索形式多样,笔者采用的是“1+N”教学组合形式,1为传统的课堂教学,N为多维度课下实践教学形式如指导学生参加大学生创新创业项目、学科类竞赛、综述型科研论文的撰写、前沿科研信息分享会等。以笔者的授课对象2020级医学影像学专业学生为例,1为所有学生必选,N为自选项,由学生根据自己的意愿选择是否参与以及参与的形式。经调查显示,在选择“1+N”医工融合教学模式探索组的群体中,68%的学生在智育排名中取得了提升,88%的学生认为该方式可有效改善学习方法,100%的学生自评取得显著进步。与此同时,该方式可有效提高人才培养质量,相关学生在近1年中的创新创业、学科竞赛、科技论文发表等实践活动中收获颇丰。

因此,笔者认为应提出培养医工融合的跨领域影像医学人才的理念,充分利用影像医学课程医工融合的学科特点,挖掘融合的维度和角度,打造新型教育教学与科学研究模式,不断优化课程的教学目标、教学内容与教学方法,激发学生的学习热情与主动性,提高学生的创新能力与科研素质,在确保学生的基础知识、基本技能外,拔尖专业素质,提升整体素质,最终实现人才培养与影像医学医疗需求、发展脉络、技术前沿、研究热点等方面的融会贯通,适应新时代健康中国战略下的影像医学新型人才要求,并实现人才培养体系的可持续发展。

2 医工融合下的新教研模式

基于前文的分析,读者不难意识到医工融合的基础应从医学学科高等教育抓起。笔者认为在高等教育研究上,应从教师和学校两个层面上充分发挥影响作用,具体包括如下几个方面。

2.1 深入研究并全面解读指导政策

在医学高等教育相关的国家政策方面,都能看到国家力推医工融合的身影。随着《“健康中国2030”规划纲要》的实施[9],医学人才培养更加受到重视。对于相关政策的解读,使我们能够更加清晰地把握发展动向,提高思想与认识的高度。事实上,从“十一五”至今,学科交叉和融合的概念一直都存在。表1总结了相关政策及其主要观点。

表1 与医工融合交叉相关的指导政策

2020年以来,政策层面更加强调高层次复合型医学人才培养、医教协同创新,尤其是医学与人工智能、材料等工科以及生物、化学等理科交叉融合。其中2021年工信部发布的《“十四五”医疗装备产业发展规划》更加明确指引了医工融合创新:建立医学+工业、医院+工厂、医生+工程师等多维度医工协同创新模式;推进医疗装备与智能制造、新一代信息技术、新材料、生物技术等领域融合创新;强化医工协同,提升有效供给能力。针对医学高等教育教学,这些政策一方面从内容上指明了方向,即鼓励不同学科的交叉与学科建设[10,11];另一方面从形式上提供了参考,即鼓励医、教、研等多模式的协同培养[12-14]。

2.2 完善工学基础与医学学科设计

医工融合离不开工学相关基础课程的引入。从完成医学实践目的的角度而言,几乎所有的工学学科均具备引入医学类高等教育的可行性。但我们需要根据具体的医学学科方向、医学学生基础以及就业方向进行综合考虑选择,同时也要根据相关工学学科的特点和必要性程度,选择以主修、辅修或者选修的形式进行课程设计,鼓励学生通过自己的专业兴趣和就业规划进行自主选择。具体到医学影像学专业方向,笔者根据切身的教育教学及科研经验,认为高层次复合型医学影像学专业人才的培养,除了夯实公共及专业基础能力外,还需与例如计算机类、能源动力类、材料类、生物医学工程类、电子信息类、电气类、仪器类等工学学科门类加以融合交叉。具体到二级学科或专业方向上,医学影像学专业更加适合且必要与信息科学与技术专业(如图像识别与处理)、电子信息工程专业(如人工智能技术)、材料科学与工程专业(如纳米材料与技术)、生物医学工程专业、传热与流体力学专业、机械设计与自动化专业等进行融合。事实上,上述的生物医学工程类本身即生物工程类与医学类学科交叉融合而产生的新工科门类。

2.3 将科研方法应用于教学实践中

科研方法是研究生教育的必修课程,对于本科生教育是否有必要引入,不同的学者和教师或许有不同的看法。笔者认为,从医工融合的角度审视面向本科生的高等教育课程,十分必要将科研方法引入本科教学。本文的调研结果也印证了这一点:90%以上的学生认为科研方法学、文献检索等对于基础科研训练有重要的帮助。

科研方法主要包括科技信息的检索、专业问题与背景分析、科技论文写作等,是学生接触现实专业问题的最佳且正式的途径。通过科研方法的教育教学,能够将现实中的专业问题以“素材”的形式引入课堂,能够直接对传统的本科教育进行检验并指示其不足,从而使得学生从根本上意识到通过更多学科交叉融合提升解决问题能力的必要性,增强其步入医工学科交叉融合的内在动力。实践中,医、教、研三位一体的本质是将医学思维与工程思维相结合,并付诸于医疗实践、教学和科研活动中,提升医学人才的实践能力与创新思维,发展并完善医、教、研协同育人的体制和机制。以医学影像成像系统课程为例,我们在绪论部分论述3.0T磁共振成像系统、双向平板血管造影系统(DSA)、智能心血管应用超声诊断仪、3D超高清腹腔镜、摄影X射线机(DR)等高端医疗设备的基本原理后,启发学生根据主题或兴趣点成立教研小组调研各种成像方式的适应症及跟踪其相关的前沿信息,最终形成综述型的专题报告进行小组汇报。本阶段主要训练学生对信息的检索、查阅、收集及凝练汇总的能力,实现初步的认知体验。随后在实验设计中,注重医工交叉综合型实验的设计,体现不同学科知识的整合,突出工程技术方法在临床医学中的应用,这一阶段主要训练学生以多学科思维及知识储备解决临床问题的实践能力。最后,学生通过自主选题,主持参与大学生创新创业项目设计及实施。这一阶段以学生为主导、教师指导为辅,充分发挥学生自主探索的能力,实现医工知识的深度融合,促进学生创新能力可持续发展。我们通过不同阶段的分层次训练、不同程度的“医工渗透”、不同维度的“医工融合”,最终实现医工交叉培养智慧医疗复合型人才培养的初步探索。

2.4 完善评价和激励机制

学校及管理者应面向交叉学科或具有医工融合必要的专业方向,完善建立评价和激励机制。学科的建立和建设工作不能操之过急,需尊重其固有的发展规律[7]。对于从事医工融合的教学科研型教师而言,学校应对其工作量、工作效果进行妥善评价,对于面向重大科学问题和关键技术领域通过学科交叉融合手段进行基础理论研究和技术开发的工作予以鼓励。此外,在学位授予方面,用规模化、规范化培养人才的理念引导交叉学科教学,尤其根据本校、本单位的具体专业特色,开展交叉学科的建设工作以及高层次复合型人才的培养工作。

3 展望

健康中国战略的深入实施,必将催生出超大规模、多层次且快速升级的先进医疗需求。这为医工融合、医工学科交叉提出了新的要求,带来了新的发展机遇。尤其是与新一代的信息科学与技术、人工智能技术、新材料科学与技术、生物医学工程技术、微纳加工与微纳米技术等的融合发展,必将给医疗健康领域带来更新、更优的理论和实践效果。

具体到医学影像学专业,迅猛发展的新医疗手段和概念,例如医疗机器人、人工智能诊断、远程医疗、医疗大数据、生物芯片、生物3D打印等医工融合技术手段,将深远影响影像医学教育与科研的方式、方法和改革方向。作为教育工作者,笔者认为应当使医工融合的种子在高等教育阶段生根发芽,并在就业实践阶段茁壮成长。