滤波反投影法重建CT图像开放式实验建设

摘 要：提出滤波反投影法重建CT图像开放式实验项目建设，以培养学生主动学习、创新性、团队合作精神及解决实际问题的能力。由于CT重建算法抽象难懂，因此先由教师讲解算法，然后利用开发的教学演示软件让学生对算法有更深的理解，在此基础上学生组成团队独立设计编程完成实验。通过实验，学生的自学能力、分析解决实际问题的能力有明显提高，创新性和团队精神也得到了加强，学生参与实验的主动性、积极性也有了显著提高。

关键词：滤波反投影法 CT图像重建 开放式实验建设

滤波反投影法重建CT图像一直是《医学影像物理学》教学中的重点和难点，涉及到卷积、滤波、插值及积分运算，比较枯燥和抽象，尤其对数学不好的学生，学习更是困难，但又是必须掌握的。考虑到《医学影像物理学》课时已被压缩到48学时，因此教师在课堂上只能简单提及反投影重建算法，而把这部分内容单独列出，放在实验中详细讲解。下面介绍反投影重建CT图像开放式实验：

一、教学演示软件的设计

考虑到Matlab语言在数值计算上方便、易上手等优点，我们选用Matlab7.0设计滤波反投影法重建CT图像教学演示软件。软件主界面如图1所示。学生可选用不同的投影数据，选择不同的滤波函数、不同的插值方式及不同的投影角度数目重建图像，以图形的方式显示结果，加深理论与实践的结合，为学生提供直观的处理过程，激发学生的学习兴趣。

图1、滤波反投影法重建CT图像教学演示软件主界面

图2为采用180个投影角、Ram-Lak Hamming滤波、三次插值重建得到的CT图像。

图2、采用180个投影角、Ram-Lak Hamming滤波、三次插值重建得到的CT图像

二、开放式设计实验的组织

开放式设计实验分为以下几个部分：

1、讲解算法。考虑到学生的实际水平，我们安排了4个学时重点讲解了滤波反投影法重建CT图像涉及的基础知识及算法，包括中心切片定理、傅立叶变换法、直接反投影法、滤波反投影法及用到的一些滤波函数，让学生对算法有大致的了解。

2、运行教学演示软件。通过运行教学演示软件，学生选用不同的投影数据，选择不同的滤波函数、不同的插值方式及不同的投影角度数目重建图像，以图形的方式显示结果，使学生认识到不同的滤波函数、插值方式及投影角度数目重建得到图像质量的差异，进一步加深对算法的理解。

3、学生组对。每3至5名学生组成一个团队，自愿结合，选举组长1名，负责组内任务分工，讨论设计方案，安排工作进程，组织编程及实践总结。

4、团队自学。以团队为单位，查阅资料，进一步学习CT图像重建算法及计算机仿真知识，商议小组内部分工，制定编程方案，利用图书馆或学生自己的电脑开始编写算法。

5、辅导答疑。在实验中期及末期阶段，各安排4个学时，在学院机房分组上机。实验中期辅导答疑可以了解学生的实验进展情况，对于设计方案有问题的团队，及时纠正并作出调整。实验末期的辅导答疑帮助学生进一步完善程序。

6、总结交流。经过约6周的开放式设计实验后，各团队在完成必需的计算机仿真练习工作，完成滤波反投影法重建CT图像程序后撰写实验报告。安排4个学时召开答辩会，各团队推选代表用PPT讲解，进行讨论和交流。教师结合学生的平时表现、实验报告及答辩情况给予成绩评定。

三、实验效果及总结

在开放式设计实验中，大多数学生能积极查阅资料、独立思考、独立设计、完成实验，最后通过学生实验报告、答辩，教师集体讲评方式巩固所学知识，并获得新知识，养成良好的自学习惯，提高实践能力，逐步培养科学创新精神。各团队在总结报告会上互不示弱、各显才华，展示了各具特色的编程思路。实验下来，学生普遍反映效果较好，对于滤波反投影重建CT图像算法的理解及编程水平都有提高。有同学说，过去只知道在课堂上被动地接受知识，实验只能跟着老师的指点走，从未主动去设计一个实验解决一个实际问题，而这在实际工作中却是常事，需要自主学习、知识更新的能力和独立思考、敢于创新的精神。

在实验中，有的团队因未能很好地进行人员分工、相互配合而迟迟未取得正确结果，这使他们深刻认识到齐心协力、取长补短的团队精神的重要性。有的团队组长领导有方，能群策群力、紧密配合，因而较快地得到了理想结果，与其他团队相比，优势明显。可见，凡是自学能力、创新精神强，配合默契、团队协作好的团队往往有较强的分析解决问题的能力。通过开放式设计实验教学实践活动后，我们感到，学生的自学能力有明显提高，更注重自主学习和知识更新，独立分析和解决实际问题的能力也有提高，团队精神得到了加强。最后应注意，在实验实施过程中，考虑到学生的个体差异，在实验设计上要不断根据学生的学习情况和接受能力进行调整，避免学生由于编程失败而失去信心，导致学习积极性受挫。因而，对基础差的学生可提供算法的源代码，让他们读懂程序，先完成难度相对低的仿真实验，慢慢增加难度，这样就能增加他们学习的信心和动力。

参考文献

[1]万柏坤、李清、曾周末.等.新世纪生物医学工程本科教改的思考与实践.高等理科教育, 2005, 第1期:82-86.

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