醫(yī)學影像虛擬仿真實驗平臺建設探索

于毅 楊楠 任瓊瓊 李振新 林俊堂

摘要：醫(yī)學影像平臺利用醫(yī)學影像虛擬技術來創(chuàng)建X射線成像、核磁共振成像、超聲波成像系統(tǒng)，解決了影像設備耗資太大，涉及輻射與防護等問題。該平臺共現(xiàn)已開設17項實驗課程，目的是培養(yǎng)學生的影像設備操作和平臺使用能力， 通過3D模擬的手術動態(tài)過程指導臨床教學醫(yī)療訓練和手術規(guī)劃，目前已得到廣泛應用。

關鍵詞：虛擬仿真;醫(yī)學影像;X射線;核磁共振;3D模擬

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0193-01

0 引言

醫(yī)學影像虛擬仿真實驗平臺根據(jù)“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，構建了以真實實驗與虛擬仿真實驗融合、現(xiàn)場實習實訓與虛擬仿真實驗融合為主要特色的虛擬仿真實驗平臺，實施了多專業(yè)多個課程實驗項目。現(xiàn)實操作中不可避免遇到實驗無法或難以進行的情況，這些實驗總體歸結起來體現(xiàn)在：高危險性、高消耗性、極端環(huán)境需求性、不可逆轉性、不可替代性、高成本性，給學生的直觀理解度和教師教學的效果帶來困難，而虛擬仿真實驗教學依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和仿真軟件等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，在日益發(fā)展的當代大學教育中運用虛擬仿真技術進行虛擬實驗是專業(yè)廣度、寬度、針對性發(fā)展的必然趨勢。

1 系統(tǒng)總體設計

醫(yī)學影像是一門實驗科學，與其相關的規(guī)律現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)無不依賴實驗。醫(yī)學影像實驗課程在培養(yǎng)學生科學素質、創(chuàng)新能力以及研究能力方面起著非常重要的作用。但由于實驗設備耗資太大，涉及輻射與防護等等原因，阻礙了醫(yī)學影像實驗的開展。在這背景下，醫(yī)學影像仿真實驗應運而生，它可彌補實驗方面的缺陷。醫(yī)學影像仿真實驗主要是借助于計算機編程來營造一種仿真實驗環(huán)境氛圍，包括X射線影像、磁共振影像、核醫(yī)學影像、超聲波影像和紅外線成像。本研究擬構建如圖1的醫(yī)學影像平臺模塊。

1.1 X線機模塊

X線機模塊利用計算機軟件等設備來虛擬X線機的工作站，無需X線產生及成像的相關設備，對其數(shù)字化的醫(yī)學影像進行仿真和后處理。開設圖像灰度變換、數(shù)字減影技術、窗口技術、圖像重建、后處理技術等虛擬仿真實驗。

1.2 磁共振模塊

磁共振模塊利用計算機、虛擬軟件等設備來虛擬仿真磁共振內部結構基本工作原理、磁共振成像和后處理。通過虛擬仿真的學習深刻了解磁共振內部模塊的工作原理，如梯度磁場的調節(jié)和測量、連續(xù)譜磁共振、自旋回波法測量橫向弛豫時間、反轉恢復序列測縱向弛豫時間。

1.3 醫(yī)學超聲模塊

醫(yī)學超聲模塊包括A、B型基本超聲類型成像原理虛擬仿真，人體部位B超影像成像。該模塊的目的是通過虛擬仿真A、B超來訓練對超聲的使用，掌握A、B超的工作原理。通過對人體部位B超成像，提高對設備操作的規(guī)范性和流程性。

2 結果分析（以梯度磁場的調節(jié)與測量為例）

2.1 項目功能

通過本仿真實驗可了解載流線圈與亥姆霍茲線圈磁場分布特點，掌握弱磁場的測量方法，證明磁場的疊加原理，設計梯度磁場。

2.2 項目流程

（1）點擊主界面上的仿真按鈕進入實驗，點擊仿真按鈕進入實驗主界面，選擇電流方向，選反向，進行梯度實驗測量，選同向，進行亥姆霍茲線圈磁場測量。（2）亥姆霍茲線圈軸線上各點磁感應強度測量。將線圈A與線圈B之間間距調節(jié)到與線圈半徑相等，即d=R=10cm，選擇兩線圈通同樣方向電流，電流為I=400mA時，左右移動毫特計探頭（藍色方塊），測軸線上各點的磁感應強度值B。（3）梯度磁場的設計。使兩線圈間距為d=R=10cm，選擇兩線圈中的電流方向相反，電流為I=400mA時，左右移動毫特計探頭（藍色方塊），測量軸線上各點的磁感應強度值B值。

2.3 項目效果

與真實實驗比較，該仿真軟件操作簡便，實驗數(shù)據(jù)可靠，能夠加深學生對梯度磁場及亥姆霍茲線圈磁場的理解，便于推廣。

3 結語

醫(yī)學影像儀器的高成本會限制實驗的可持續(xù)發(fā)展，但若實驗不涉及這部分內容，會遠離前沿研究，使學生與社會需求，醫(yī)院要求相背離。新的虛擬現(xiàn)實技術從多種來源抽取圖像和數(shù)據(jù)，能夠極大地提高患者治療的效果。在臨床上試驗中，虛擬現(xiàn)實模擬的手術規(guī)劃時間節(jié)省了40%且手術準確性增加了10%。

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Exploration on the Construction of Medical Image Virtual Simulation

Experimental Platform

YU Yi， YANG Nan， REN Qiong-qiong， LI Zhen-xin， LIN Jun-tang

（College of Biomedical Engineering， Xinxiang Medical University，Xinxiang Henan 453003）

Abstract：Medical imaging platform uses medical imaging virtual technology to create X-ray imaging， nuclear magnetic resonance imaging， ultrasonic imaging system， which solves the problem of too much cost of imaging equipment， involving radiation and protection. The platform has set up 17 experimental courses， aiming at cultivating students' ability to operate imaging equipment and use the platform. It guides clinical teaching， medical training and surgical planning through the dynamic process of 3D simulation， and has been widely used.

Key words：virtual simulation;medical image;X-ray;nuclear magnetic resonance;3D simulation