基于網(wǎng)絡(luò)的超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

袁藝標(biāo)+葉新華+黃華興+李?yuàn)W

（1.南京醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)國家級(jí)虛擬仿真中心，江蘇 南京 210029；2.南京醫(yī)科大學(xué) 第一臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 211166）

摘要：本文分析了超聲影像學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)與現(xiàn)狀，介紹了當(dāng)前國內(nèi)外超聲教學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)；提出采用工程學(xué)的理念進(jìn)行構(gòu)建，以自主學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為超聲室三維漫游、超聲儀器虛擬操作、虛擬人體超聲檢查、超聲虛擬病人庫、在線考核及超聲資源庫等功能模塊，闡述了系統(tǒng)構(gòu)建的意義。

關(guān)鍵詞：超聲影像學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)；自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）52-0094-03

一、現(xiàn)狀

超聲診斷作為三大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，在臨床診治疾病中發(fā)揮著重要的作用。在超聲影像學(xué)教學(xué)中，由于超聲診斷的基礎(chǔ)知識(shí)涵蓋范圍廣，知識(shí)點(diǎn)涉及物理學(xué)、聲學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等多門學(xué)科，公式繁雜且相互交叉，教師授課難度較大，學(xué)生理解比較困難；另一方面，由于超聲診斷疾病時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、連續(xù)、多切面、多角度、多模式、多參數(shù)動(dòng)態(tài)觀察病變的特征，而目前超聲影像學(xué)的教學(xué)模式仍是基于書本式的教學(xué)模式，內(nèi)容抽象、形式單調(diào)，雖然在課堂教學(xué)時(shí)采用幻燈片，里面包含一些典型的疾病影像圖片，但學(xué)生課后的學(xué)習(xí)主要還是通過書本上的文字進(jìn)行學(xué)習(xí)的，針對(duì)超聲教學(xué)內(nèi)容的考試，也還是主要依賴的是文字內(nèi)容的考試。因此，如何將枯燥的教學(xué)過程變得生動(dòng)形象，調(diào)動(dòng)師生雙方的積極性是目前超聲影像學(xué)教學(xué)面臨的重要問題。

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展以及高等教育的逐步完善，計(jì)算機(jī)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛而深入，引起醫(yī)學(xué)教育的傳統(tǒng)觀念和教學(xué)模式發(fā)生了前所未有的變革，極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)教育事業(yè)的發(fā)展[1]。在超聲影像學(xué)的教學(xué)改革中，國內(nèi)外諸多影像專業(yè)教育工作者積極探索，將現(xiàn)代的多媒體技術(shù)應(yīng)用于超聲影像學(xué)的教學(xué)中，成功研發(fā)出一些超聲多媒體教學(xué)軟件，并通過實(shí)踐取得了較好的應(yīng)用效果。但是，大部分超聲教學(xué)軟件是局限在局域網(wǎng)內(nèi)，甚至于單機(jī)版，功能較為單一，而且，目前國內(nèi)外在超聲教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)中尚沒有加入超聲仿真操作部分，即借助于多媒體仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)者可像在真實(shí)環(huán)境中一樣進(jìn)行各系統(tǒng)超聲檢查，所以，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬超聲影像學(xué)教學(xué)系統(tǒng)很有必要。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)架構(gòu)。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)學(xué)專業(yè)虛擬仿真學(xué)習(xí)軟件，系統(tǒng)研究思路是結(jié)合所涉及的醫(yī)學(xué)專業(yè)特點(diǎn)，采用軟件工程的理念進(jìn)行構(gòu)建，首先進(jìn)行需求分析，明確系統(tǒng)功能定位與結(jié)構(gòu)模塊，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)平臺(tái)，可用于超聲影像學(xué)的虛擬自主學(xué)習(xí)與教學(xué)，系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用服務(wù)器/客戶機(jī)模式，服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫及其相關(guān)資源，進(jìn)行授權(quán)認(rèn)證、數(shù)據(jù)管理，客戶機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)及其通訊協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和各模塊功能顯示。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)既可以在校園網(wǎng)上獨(dú)立運(yùn)行，又可以與學(xué)校E-Learning平臺(tái)整合，融入課程學(xué)習(xí)，并且可以在校外公共網(wǎng)絡(luò)上通過合法認(rèn)證后，登錄學(xué)習(xí)（圖1）。

2.開發(fā)平臺(tái)。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)中涉及大量三維場景、三維模型，并需要在三維環(huán)境中，進(jìn)行角色控制、三維交互，依據(jù)需求選擇Unity3D游戲開發(fā)引擎作為三維模塊的開發(fā)工具。Unity3D降低了開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率，是目前最受熱捧的游戲開發(fā)引擎之一，近來被廣泛應(yīng)用于虛擬平臺(tái)開發(fā)中[2]。Unity3D能夠?qū)?dMax中的場景、模型、貼圖、動(dòng)畫等資源，與3dMax實(shí)現(xiàn)完美融合。Unity3D擁有可視直觀的游戲編輯環(huán)境，支持JavaScript、C#等腳本語言，Unity3D降低了開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率，配合圖文、音視頻及動(dòng)畫可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的三維體驗(yàn)感，極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)中非三維模塊主要采用Microsoft.NET平臺(tái)進(jìn)行整合開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)從需求分析到詳細(xì)設(shè)計(jì)，再到功能分解、接口定義，再到功能開發(fā)；在虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)先制定稿本流程，再制作相關(guān)3D模型，制作分步動(dòng)畫，再到程序編寫；再系統(tǒng)整合測試運(yùn)行，之后根據(jù)反饋再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，最后發(fā)布運(yùn)行。

3.模塊設(shè)計(jì)。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)從自主學(xué)習(xí)理論出發(fā)，以學(xué)習(xí)者為中心，進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性[3]。超聲影像學(xué)虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)將課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生感興趣、迫切需求的知識(shí)面進(jìn)行提取梳理，并以此進(jìn)行系統(tǒng)的模塊劃分，同時(shí)配套拓展相關(guān)臨床學(xué)習(xí)資源，以滿足更高要求學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，系統(tǒng)包含超聲室三維漫游、超聲儀器虛擬操作、虛擬人體超聲檢查、超聲虛擬病人庫、在線考核及超聲資源庫等模塊（圖2）。

超聲室三維漫游模塊是按照醫(yī)院超聲科的真實(shí)布局，進(jìn)行數(shù)字化的三維超聲室場景構(gòu)建，熱區(qū)設(shè)置，三維交互程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)構(gòu)建的三維場景包含超聲預(yù)約登記臺(tái)、候診大廳、超聲檢查室、診室外等候區(qū)（室外走廊）、醫(yī)生辦公室等，每個(gè)場景均參考醫(yī)院真實(shí)工作環(huán)境布置。三維漫游模塊可以讓學(xué)生在三維空間里，熟悉科室結(jié)構(gòu)分布，功能分區(qū)。每個(gè)場景中所需傳授的知識(shí)點(diǎn)，通過構(gòu)建熱區(qū)的方式，讓學(xué)生進(jìn)行自主漫游式學(xué)習(xí)。三維漫游模塊可以讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)習(xí)前，提前熟悉醫(yī)院超聲科真實(shí)環(huán)境、了解工作設(shè)備及相關(guān)注意事項(xiàng)等情況，在傳授相關(guān)知識(shí)同時(shí)，也滿足學(xué)生的早接觸臨床實(shí)習(xí)的需求、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。三維漫游模塊亦可服務(wù)于患者，患者在進(jìn)行三維空間漫游時(shí)，通過三維空間的熱區(qū)，了解超聲診斷的就診流程、注意事項(xiàng)，解除了患者的就診困擾。

超聲儀器虛擬操作模塊通過構(gòu)建超聲儀器的三維模型，設(shè)計(jì)交互式的虛擬操作程序，虛擬使用超聲儀。該模塊用于虛擬訓(xùn)練超聲儀器的模擬參數(shù)變化、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的超聲圖像獲取、測量、分析等方面的操作及相關(guān)注意事項(xiàng)的處理。解決實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生多而超聲儀器資源相對(duì)不足，學(xué)生難以滿足操作訓(xùn)練需求的問題，學(xué)生可以不受時(shí)間、場所、設(shè)備等限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。

虛擬人體超聲檢查模塊通過三維人體進(jìn)行模擬檢查，當(dāng)檢測探頭移動(dòng)到人體相關(guān)檢查部位時(shí)，檢查儀器屏幕即顯示該部位的檢查結(jié)果，并可分析檢查結(jié)果。系統(tǒng)的虛擬人體超聲檢查包含產(chǎn)科、婦科、肝膽胰脾、腎輸膀、腹腔腫塊及血流、胸水定位、甲狀腺、乳腺、淺表腫塊、睪丸血流、陰囊、頸動(dòng)脈、椎動(dòng)脈、上肢動(dòng)脈、上肢靜脈、下肢動(dòng)脈、下肢靜脈、腹部血流顱內(nèi)血管等，基本能做到與臨床一致，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

超聲虛擬病人庫模塊以虛擬病人為中心，構(gòu)建超聲病例庫，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的寬度與深度。每一個(gè)虛擬病人包含病人基本信息、病例摘要、超聲檢查影像資料、超聲檢查報(bào)告及檢查分析等部分，學(xué)生可以通過虛擬病人庫進(jìn)行大量案例學(xué)習(xí)，積累臨床經(jīng)驗(yàn)。

在線考核模塊是超聲學(xué)在線考核系統(tǒng)，在線考核模塊功能結(jié)構(gòu)包含個(gè)人事務(wù)、成績查詢、賬號(hào)管理、題庫管理、試卷管理、過程管理、成績管理、系統(tǒng)設(shè)置等部分，主要用于理論考核。超聲資源庫模塊為學(xué)生提供超聲教學(xué)視頻、PPT等學(xué)習(xí)資源，該模塊同時(shí)可以與課程中心相互連接，通過教學(xué)門戶或數(shù)字化校園進(jìn)行賬號(hào)認(rèn)證。

三、結(jié)語

眾所周知，超聲影像學(xué)的學(xué)生畢業(yè)后，不僅需要具備超聲圖像識(shí)別的能力，更重要的是需要具備規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的超聲圖像獲取、測量和分析的能力，而不是只會(huì)背出疾病的影像學(xué)表現(xiàn)的文字背誦能力，因此，建立完善網(wǎng)絡(luò)化的超聲影像學(xué)教學(xué)軟件，激發(fā)學(xué)生對(duì)超聲的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)超聲圖像的理解，訓(xùn)練學(xué)生超聲操作技能，不僅是提高教學(xué)效果、深化教學(xué)改革的需求，更是培養(yǎng)高素質(zhì)影像醫(yī)學(xué)人才的重要需求。構(gòu)建集圖、文、動(dòng)畫、視頻和聲音為一體的交互式超聲影像學(xué)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，并引入仿真操作模塊，將枯燥的教學(xué)過程變成生動(dòng)活潑的教學(xué)方式，極大地調(diào)動(dòng)了師生雙方的積極性；將此教學(xué)系統(tǒng)整合入學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，學(xué)生可在校園網(wǎng)部署內(nèi)的任何地點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，極大地方便了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

超聲影像學(xué)教學(xué)系統(tǒng)未來可以與醫(yī)院超聲工作站相連，使學(xué)生更好地理解和掌握超聲知識(shí)，最大化發(fā)揮超聲影像學(xué)虛擬自主學(xué)習(xí)平臺(tái)的作用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，推動(dòng)實(shí)踐教學(xué)改革。隨著教育部對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)深入推動(dòng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然發(fā)展方向[4]。

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