原创 苏卫锋 冀敏 物理与工程
摘 要
在本文里, 拿“A 型超声原理及应用实验”作为一个例子来展开说明, 对医学物理实验教学内容的具体设计方式进行了一番介绍。这个实验内容的设计工作被划分成了三个层次, 这么做主要是为了把典型的学科交叉实验所特有的特点给凸显出来。
这三个具体的层次分别是第一层, 物理原理与实验设计；第二层, 物理与医学相互结合之后的探究；以及第三层, 面向具体医学应用而开展的实践操作。教学的具体内容, 它主要是围绕这三个层次来展开的, 我们希望在医学类专业学生的物理实验课时数减少的这个背景之下, 努力去做, 力求做到更高效的实验教学。
关键词 医学物理实验；教学内容设计；A 型超声
关于A式模型, 以及作为某个特定对象的情况, 其对应的数值或者状态得到了确认。为了实现某个特定的目标, 对相关主体的相关属性进行了分析, 同时涉及了某个特定群体的情况以及相关流程的处理。
基于上述这三种情况的综合分析, 我们希望在按照每个特定小时段的安排进行相应操作的前提下, 使得每一个具体的执行单元或者部分都能够变得更加高效或者更加完善。
物理学在医药学发展的过程当中起着非常重要的作用, 它的应用范围很广, 涉及到了医学诊断这一方面、治疗这一方面、康复这一方面还有药物研发这一方面, 物理学的最新技术成果在这些领域里都有着非常广泛的应用, 从而为现代医学的发展提供了有力的保障, 与此同时也对医药专业学生所具备的物理基础提出了更高的标准要求。
但是, 我们观察到像物理这样的基础课程在医学类专业的培养过程中, 并没有得到足够的重视, 就拿童家明等人开展的调查来说吧, 他们的调研结果表明, 对于医学技术类专业来讲, 物理基础课程的课时有普遍减少的情况, 并且与2004年那次调查的结果进行对比的话, 那些没有开设物理实验课的学校数量出现了大幅度的增加。
面对课时数量变少的这一种现实状态, 我们身为那些处在教学第一线的老师, 我们就需要去进行更深层次的思考, 去思考一下关于物理这门基础课程的课堂教学内容究竟应该设置为什么东西, 以及具体的教学方法又应该如何来进行调整和改变。
我们是从复旦大学物理教学实验中心那里出发的, 他们已经有十余年的医学物理实验教学经验了。我们本着一种要求来进行, 这个要求里包含了三个层次的内容, 就是要有“物理基础、物理与医学的结合、医学应用”这几个方面。
我们就自主建设了一些实验项目, 比如人造骨杨氏模量的测量, 比如压力传感器特性的研究, 还有数字血压计的组装, 以及A 型超声原理及应用等等。并且我们也是根据实验类型的不同, 才把医学物理实验课的教学内容分成了四个模块。这四个模块具体是什么呢?
也就是生理物理量的产生与测量, 医学影像物理原理与实验, 生物材料物理参数测量, 设计性的医学应用实验。
在教学过程里, 我们看到了一个情况, 医学物理实验用的那种办法, 和学生平时做的普通物理实验办法得不一样, 大家得清楚这一点, 学生不光是要把那个实验里的物理道理学会, 还需要搞懂具体的做法和一些技术能力这些基础的东西, 另外还有一层更重要的要求, 就是学生得知道上面说的那些原理或者方法还有相关的技术应用起来, 是怎么跟医疗卫生这个大的领域挂钩的, 并且在医疗行业里面到底能够用在哪些具体的地方上面去。
这就意味着, 我们需要改变原本那种传统的实验课上课方式。我们需要对实验的具体内容进行精心的设计。同时, 在课堂上要注意把讲解、讨论以及实际操作这三方面放在同等重要的位置上来进行。我们选用“A 型超声原理及应用实验”这个例子, 目的是为了深入剖析在实际教学中应该如何去开展实验教学内容的设计工作。
1 实验器材
如图1显示的, 就是实验所用的那些仪器。在本文里, 我们所设计的实验教学相关内容, 是基于这些仪器来开展的, 不过当然也不仅限于此。实验仪的主机电路部分会发出高频脉冲信号, 把这个信号传递给压电换能器。我们在文中把这东西叫做超声探头, 它的主要功能就是既要发射超声脉冲, 也要接收超声脉冲。
发出的这个脉冲主要有两个用途。其中一个用途是把它当作被取样考察的对象, 把它输入到示波器里面去, 这样就可以形成始波脉冲了。另一个用途是用它来激发压电换能器, 让它产生出超声波来。
当超声波传播的时候, 若是遇到两种不一样的介质的分界面, 那么就会发生反射, 那些被反射回去的超声波会被探头所接收, 而这个信号在经过放大处理以及检波处理和形状整理事务之后, 会输入到示波器中去, 于是便可以在显示器的屏幕上观察到回波脉冲, 实验仪器里还配有相同的外形但是材质却有别的样品、还有有缺陷的金属块和金属薄片等等, 也可以根据具体的需要自己去设计或者是选取一定形状的以及具有某种材质的样品。
2 实验的引入
爱因斯坦曾经讲过, 兴趣是最好的老师, 那我们在教学里面, 到底应该怎么做, 才能把学生的学习兴趣给激发出来。请看图 2, 在这个实验还没有开始的时候, 我们先从大家都特别熟悉的 B 超影像谈起。这个时候我们完全不需要去涉及 B 超的什么原理。比如说, 我们可以给学生展示一张胎儿的 B 超图像。
然后我们要从这个图像里面, 去引出一个需要大家去研究的问题。这个问题就是, 我们应该怎么样使用超声技术, 来获得胎儿某一个部位的位置信息以及尺寸的大小情况? 这就顺理成章地引出了一个必须要搞明白的问题, 那就是为什么要去测量超声波在介质里传播的速度, 以及这个事情到底有着什么样的意义所在。
3 物理建模及实验设计
请看图 3(a)的情况, 我们把超声探头安排在水箱的后边那一端, 当超声波传到水箱的前表面时会发生反射现象, 如果你能把初始波和前表面反射回来的波之间的时间差, 也就是时刻 t 给测量出来, 然后再明确水箱本身的长度 L 是多少, 那么就可以得出用来计算超声波速 v 的那个测量用的式子了, 这个式子就是 v = 2L/t。
在实际展开实验的过程之中, 为了能够将测量的精度提高到更高的水平, 研究人员通常的做法是在水箱这一容器内部放置那些可以被移动地操作的样品, 这样的配置可以参考如图 3b 所示的内容, 随后通过不断调整样品这个物体和水声探头两者之间的直线距离也就是 x 变量, 以此来测得各自对应的回波所花费的时间数值, 最后利用数学手段对这些收集到的数据情况进行拟合处理, 进而推算并且得出超声波在水介质中传播时候的声波速度。
图 4 展示了一种典型的测量结果, 其中峰 1 被判定为超声始波，峰 2 属于样品表面回波, 而峰 4 则是水箱前端面回波。
既然实验的目的就是用来测量超声在水中传播的声速, 那么在这种情况下, 我们就应该回过头去重新审视一下在实验开头所提出的那个问题, 也就是当人们知道了超声在一个具体的介质当中进行传播时的声速数值之后, 究竟是不是真的能够借助这一信息来准确地确定出样品与探头二者之间的空间距离。
再进一步进行观察可以发现, 峰2这个部分实际上是由两个分立开的峰组合起来的, 那么如果我们去测得在峰2里面那两个峰之间的间隔时间, 然后再加上已知条件就是在样品里面的超声波速度是多少, 就可以推算出样品在传播声音的方向上的那个大小了, 在实验过程中要提醒学生去做一步一步的思考, 这样就能够引导学生去把实验刚开始引入的时候关于怎么利用超声影像来做定位以及如何测量器官或者组织尺寸的那个问题给回答出来了。
此外, 可以依照上面这些原理来搭建一些存在瑕疵的样件, 这样就能让参与学习的人去操作并找到那个瑕疵的具体地点。另外, 也能够把不同物质的样件放进去, 通过查看反弹回来的电信号是什么样的, 来测定声波在这些不同材质的物品里面跑得多快。
4 实验中观察到的现象与 B 型超声伪像的联系
我们仔细查看图 4, 结果发现之前没有预料到的峰 3 以及峰 5。在进行实验的时候, 我们能够确定水箱里面仅仅只有一个样品。由此可以判断, 峰 3 与峰 5 并非直接来自该样品经一次反射之后所形成的回波。那么, 这些回波究竟是从什么地方产生的呢。
经过分析, 我们能够画出如图5所示的、用来表示各个反射回波来源的示意图。这里为了简便起见, 我们暂时不考虑样品的厚度因素。关于峰3, 它的来源是超声在探头以及样品的前表面之间所发生的二次反射行为。这一点可以参见图5中A2部分所展示的内容。另外, 关于峰5, 它是水箱前端面的回波所产生的。
这个回波是在探头与样品表面反射之后从而形成的信号状况。大家可以查看图5中A3位置来理解这一现象。不过在我们把技术用在实际工作里的时候, 因为根本看不到要检查的那部分地方的里面是啥样, 所以就没有办法像我们在实验室里做实验那样, 直接又清楚地把非样品表面出现的一次回波给排除掉。
我们会把像峰3、峰5这种的回波信号叫做伪像。只有把产生各个回波的那个物理原理给彻底弄明白了, 以后在实际用这个方法的时候, 才能更好去判断这个像到底是真的还是假的。在接下来对实验内容展开设计这一环节的时候, 需要将 A 超伪像与几个典型的 B 超伪像融合在一块儿。
这种做法的其中一个方面, 在于它能够去促使学生们对于 A 超原理产生更深一层次的认知和理解；另外一个方面, 则是将原本基础层面的实验同具体的实际应用场景紧紧地结合了起来。
通过这样的方式, 不但能够为后续阶段深入展开关于 B 超原理的学习以及相关的实验操作奠定下比较坚固的基础, 同时还可以让当下的学生们清楚地了解到进行基础性实验究竟具备着怎样的现实意义上的价值, 并且能够有效激发出他们在整个学习道路上的强烈兴趣。
4.1 一维混响伪像
把一块金属薄片样品放到水箱里去, 放在离超声探头近的地方, 然后用数字示波器去看那个回波信号, 再把得到的数据用来作图, 因为超声波在金属表面这块地方会产生很强的反射, 回来的声波还会再一次被反射回来, 这样就会跟金属表面之间发生多次反复的反射, 结果就可以测到像图 6 那样展示出来的那种多次出现回波的信号。
这与在B超检查中的情况相关, 因为在近体表的地方存在强的反射界面, 例如软组织和气体的界面, 所以声波会在探头以及强反射界面之间反复地反弹, 每一次再反射所形成的回声都会等距离地返回过来, 机器会把这种回声解读为来自机体内多个等距界面的回声, 这样屏幕中就会显示出与原始图像平行的、且位置更深的、间距均匀的多个高反射界面。
4.2 一维声影
做超声检查的时候, 医生能看到组织后面的回声是怎么样的, 然后靠这个来判断那个组织到底是个什么东西。就拿大家熟悉的胆囊超声检查来说吧, 当看到胆囊里面有个东西的时候, 医生是看这个东西后面有没有声影, 来分清它到底是息肉还是结石的。
在咱们的实验里, 我们挑了两个东西, 一个是有机玻璃做的, 一个是铜做的, 它们的形状一样, 厚度也一样, 然后把它们分别放到水箱里去测了, 最后把测出来的数据画成图, 就变成了你看到的图 7。
图中黑色曲线显示的是未放入样品时所得到的那部分数据, 其中峰R1与峰R1′分别代表超声波在水箱端面所产生的第一次回波以及第二次回波。红色曲线代表在将有机玻璃样品放入水箱之后所采集到的数据, 从该图可以清晰地观察到, 当有机玻璃样品被放入以后, 来自水箱前端面的回波信号强度出现了显著的下降现象。
拿出那个有机玻璃。然后在相同的位置那儿, 放上同样厚度的铜样品。这时候就能看到水箱前端面的反射回波 R3 几乎就消失了。原因在于有机玻璃样品和铜样品的声阻抗是不一样的。超声波在其界面的反射率有所不同。在其中传播时的衰减系数也各有差异。从而造成了观察到的回波有显著的差别。
在 B 超检查这种手段里面, 正是利用不同性质的组织具有的声阻抗和衰减系数都是不同的这一事实, 从而造成在组织后方的声影大小存在差异, 以此来作为判断组织结构性质的一项依据。另外, 我们在图 7 当中可以非常清晰地看出来, 这超声波在有机玻璃或者说是铜样品的前表面之间是存在着多次反射现象的。
4.3 一维镜面伪像
我们在图 7 里面看到了有机玻璃样品的测量曲线, 从这条曲线中能够看出, 基于水箱的前端面, 确实存在两个回波, 分别是 A1 和 A4, 这两个回波是相互对称的, 而且它们跟水箱前端面产生的那个回波之间的时间间距是一模一样的, 这种情况恰恰可以模拟出 B 超检查设备里显示出来的镜面伪像, 大家可以直接参考图 8 所给出的示例来理解。
超声波会碰到肝脏包膜, 而且肝脏包膜对超声信号的反射特别强, 于是超声波就在包膜和周围组织之间来回乱跑, 之后又跑回到探头的表面去, 这样的二次反射会让超声波在组织里面花的时间变得更长一点, 所以最后生成出来的图像显示的位置会比实际的 离探头看起来要远上一丢丢, 最终就在包膜的旁边两边搞出了一对长得一模一样的对称影像出来。
4.4 实验内容拓展
在前一节的内容中, 我们已经列出了利用A超回波来模拟常见的三种B超伪像的方法。如果同学们学的情况允许, 也就是学有余力的时候, 还可以进一步引导学生去设计其他的实验, 以便对更多的B超伪像进行模拟。
举例来说, 可以通过旋转样品的办法来改变超声的入射角度。具体做法是, 把样品转到某个特定的角度之后, 这时候反射回来的声波将无法被探头接收。通过这样一个过程和行为, 就可以实现对B超里面所谓的“侧边回声失落”现象的模拟。
此外, 能够开展M型超声模拟操作。所用的设备为如图9所示的圆柱形空腔。该空腔的一端安装有橡胶薄膜或者硅胶薄膜。操作人员通过规律性地挤压吸球的方法来改变空腔内部的气体体积。这一变化促使薄膜发生规律性的运动。
在实验里, 把这个样品放到水箱之中, 让薄膜A对着那个超声探头那边, 然后去挤压吸球, 接着薄膜就会基于超声探头的后面和前面来回运动, 这个时候在示波器上面就可以看到反射回来的那个波的信号随着时间在发生变换了, 说白了, 就是那个反射回来的波, 会随着薄膜的运动跟着相应地移动。
在现今的临床活动里面, 大家普遍使用超声技术去做一个测量动作, 这个动作是为了获取肌肉还有其它组织内部的杨氏模量, 以此来清晰说明这些组织自身的生物力学样子, 并且把病理和生理发生的变化给展现出来。
针对当前进行实验的这个特定情况, 我们也能够去搭建一套实验方案, 借用手头有的那一种A型超声仪器, 去把超声波这种波在一个固体材料里面往前走的时候, 横着传播的那个速度给测出来, 然后根据测出来的数据, 再把构成那个固体的材料的杨氏模量给计算得出。
另外, 我们还可以去设计另外的实验环节, 目的就是将超声扫描设备探头的分辨细节的能力大小给研究清楚。
5 小结
从上文列出的实验教学内容来看, 我们要建设那种具备物理背景、并且把物理和医学搞在一起、还能用在医学上的所谓“三有”医学物理实验, 这事儿是能办到的。
再者说, 只要我们把实验设计得好一点, 就可以做出那种适应不同基础学生、也满足不一样课时安排的特色实验项目。同时呢, 我们也盼着大家能拿这个实验当个例子, 一起动脑筋, 设计出更多更特别的医学物理实验。