計算機體層成像虛擬仿真教學(xué)平臺的設(shè)計與開發(fā)

郁仁強 ，張志偉 ，呂發(fā)金 *，彭 剛 ，周 旸 ，曾勇明 ，莊 俊

（1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，重慶 400016；2.銳珂（上海）醫(yī)療器材有限公司，上海 201206）

虛擬仿真教學(xué)平臺是將軟、硬件技術(shù)集成的一個具有高度仿真實驗教學(xué)環(huán)境的操作平臺。在高校中建設(shè)多功能的虛擬仿真實驗室，有利于學(xué)生培訓(xùn)的標(biāo)準化和一致性。早在20世紀70年代，基于仿真的教學(xué)模式開始應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生教育領(lǐng)域[1]。近幾年，得益于計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)作為一種新興的教學(xué)方式，可以克服時間和空間的限制，擺脫設(shè)備的依賴性，模擬真實環(huán)境，在臨床教學(xué)中取得了良好效果[2-3]。

傳統(tǒng)的計算機體層成像（CT）檢查技術(shù)教學(xué)模式為理論課和實驗教學(xué)“圍觀式”的臨床見習(xí)。由于其理論知識比較抽象，技術(shù)要點及掃描參數(shù)較多，不易掌握；“圍觀式”的臨床見習(xí)，學(xué)生比較集中、學(xué)習(xí)時間相對固定，通常實驗教學(xué)與繁重的臨床工作同時進行，不可能無限制地將設(shè)備用于學(xué)生學(xué)習(xí)和培訓(xùn)。

為改善CT檢查技術(shù)實驗教學(xué)現(xiàn)狀，探討一種新型的實驗教學(xué)模式，我們引入虛擬仿真教學(xué)模式，設(shè)計與開發(fā)一種新型的教學(xué)工具——CT檢查技能培訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺。筆者將本團隊在建設(shè)該平臺中的相關(guān)工作匯報如下。

1 設(shè)計與開發(fā)思路

構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗教學(xué)環(huán)境和對象，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進行訓(xùn)練，不再受設(shè)備數(shù)量、檢查時間和操作次數(shù)的限制，使實驗教學(xué)達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。為達到實驗教學(xué)大綱的要求，開發(fā)一種不依賴硬件設(shè)備的CT檢查技能教學(xué)軟件，該軟件可以在一般的計算機上運行，高度虛擬仿真CT檢查環(huán)境和對象，讓學(xué)生自由進行CT技能訓(xùn)練，可以解決設(shè)備不足、時間限制及醫(yī)學(xué)倫理學(xué)相關(guān)問題。先設(shè)計一個常見、簡單的檢查部位——顱腦CT平掃檢查的虛擬仿真教學(xué)平臺，由一般推廣到特殊，由個體推廣到整體。先由多名CT檢查技能培訓(xùn)專家/技師根據(jù)實驗教學(xué)大綱，規(guī)劃符合要求的病例，并制定顱腦CT平掃檢查的標(biāo)準流程，包括選擇符合教學(xué)大綱要求的病例，受檢者檢查前的準備，體位擺放、定位，掃描序列，掃描基線，掃描參數(shù)，優(yōu)質(zhì)圖像標(biāo)準/實例等。將流程的每一步細化，采集相應(yīng)的文字、圖片、音頻和視頻，每一步均設(shè)置一定的干擾項，便于培訓(xùn)考核，流程完結(jié)后，附加相關(guān)的專業(yè)理論知識解釋，便于實現(xiàn)擴展學(xué)習(xí)。這樣，基于虛擬仿真教學(xué)平臺的使用，以最經(jīng)濟、最便利的設(shè)備，實現(xiàn)對學(xué)生基本CT檢查技能的培訓(xùn)和考核。

2 設(shè)計與開發(fā)步驟

2.1 分工及過程

根據(jù)虛擬仿真教學(xué)平臺的總體設(shè)計思路，采用分階段、分工作小組方式進行設(shè)計和研發(fā)。第一階段，由CT檢查技能培訓(xùn)專家/技師根據(jù)教學(xué)大綱要求設(shè)計病例，并將顱腦CT平掃檢查的流程細化，每一個檢查步驟都是以圖片、文字、音頻或視頻的形式表現(xiàn)出來，將相關(guān)的專業(yè)理論知識穿插在相應(yīng)的檢查流程中。第二階段，IT小組根據(jù)CT檢查技能培訓(xùn)專家/技師的要求，結(jié)合臨床CT檢查的標(biāo)準流程，將相關(guān)的資料整合成一個可操作的軟件平臺，實現(xiàn)CT檢查虛擬化。第三階段，由CT檢查技能培訓(xùn)專家/技師和IT小組一起完善虛擬仿真教學(xué)平臺，進行演示及調(diào)試；并由部分醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生試用，根據(jù)試用效果及反饋，CT檢查技能培訓(xùn)專家/技師和IT小組進一步改進虛擬仿真教學(xué)平臺的設(shè)計。

2.2 構(gòu)建虛擬仿真設(shè)備和環(huán)境

在實踐教學(xué)中，要求教師將抽象的原理、重點和難點等知識點在示教中形象生動地表現(xiàn)出來，傳統(tǒng)的“圍觀式”示教模式存在設(shè)備不足，學(xué)生過多、動手機會少、無法重復(fù)學(xué)習(xí)等問題，加上CT檢查過程及參數(shù)不易講解，對于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生而言，虛擬仿真教學(xué)可以給其創(chuàng)造“真實”的學(xué)習(xí)環(huán)境，使其更好地學(xué)習(xí)。

構(gòu)建CT檢查技能培訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺，重中之重是將真實的CT檢查過程用軟件還原，因此需要提前采集文字、圖片、音頻及視頻等比較容易實現(xiàn)的資料，然后將資料整合到CT檢查技能培訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺中。在虛擬仿真實驗室中，構(gòu)建虛擬仿真的CT檢查設(shè)備、CT檢查環(huán)境和CT檢查病例。虛擬仿真的CT檢查設(shè)備可以由簡單的外形類似真實的CT設(shè)備實現(xiàn)；虛擬仿真的CT檢查環(huán)境可以由標(biāo)準化的檢查室實現(xiàn)；CT檢查病例是臨床真實的、典型的病例，掃描參數(shù)設(shè)置等訓(xùn)練由虛擬仿真平臺的軟件資源實現(xiàn)，CT圖像由真實的CT圖像來展示。整合后的CT檢查技能培訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺可以不再依賴CT設(shè)備，不再占用珍貴的醫(yī)療資源和臨床工作時間，可真實還原CT檢查過程。學(xué)生使用CT檢查技能培訓(xùn)虛擬仿真教學(xué)平臺時，既可以保證隨時練習(xí)，又可以反復(fù)練習(xí)，并實時有相關(guān)的專業(yè)理論知識要點作為CT檢查技術(shù)選擇的依據(jù)。

2.3 實驗教學(xué)培訓(xùn)及考核

醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)目標(biāo)有機結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在實驗教學(xué)中引入虛擬教學(xué)手段，實驗教學(xué)不再采用傳統(tǒng)的“圍觀式”示教模式，而是將特定病例放在虛擬平臺中，實現(xiàn)實驗教學(xué)培訓(xùn)的標(biāo)準化及一致性，這種實驗教學(xué)模式，可以保證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情。

虛擬仿真教學(xué)平臺用于培訓(xùn)后，學(xué)生自由在平臺上進行預(yù)實驗，進行課后練習(xí)，還可以隨時在平臺上與教師互動交流。課前的預(yù)實驗為實驗教學(xué)打下良好基礎(chǔ)，課后練習(xí)實驗操作，平臺互動交流便于解惑答疑，提高了實驗教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。平臺中文字、圖像、音頻和視頻等與臨床實際緊密結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合思維能力。考核模塊可以考核實驗操作，也可以考核與實驗相關(guān)的基本理論知識，以便學(xué)生全面掌握實驗操作和相關(guān)基本理論知識。這種考核方式，既不占用數(shù)量稀少的大型醫(yī)療設(shè)備資源和緊張的臨床工作時間，又不會違背醫(yī)學(xué)倫理學(xué)基本原則，同時可以保證考核的公平性和便利性。使用虛擬仿真教學(xué)平臺，可最大限度提高實驗教學(xué)效果，保證技能操作考核的高度仿真和一致性，形成一套標(biāo)準化的培訓(xùn)和考核模式。

2.4 虛擬仿真教學(xué)平臺的用戶管理功能

在虛擬仿真教學(xué)平臺的使用中，為了便于對學(xué)生的考核和教師教學(xué)工作量的評估，必須要有用戶管理功能模塊。一方面，讓學(xué)生有權(quán)限隨時登錄平臺進行實訓(xùn)和學(xué)習(xí)，教師對學(xué)生考核給予量化評分；另一方面，讓教師有權(quán)限管理平臺用戶、編輯平臺病例、對學(xué)生的考核進行評分和與學(xué)生互動交流等，輔助教師更好地教學(xué)，有效管理學(xué)生的學(xué)習(xí)，并及時給學(xué)生答疑解惑。

虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的核心是共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源，推動高等教育信息化和實驗室智能化建設(shè)。以虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開放共享和便利使用為目標(biāo)，制定并實施有效保障虛擬仿真實驗教學(xué)的學(xué)生培訓(xùn)與考核、教師工作績效考核，實驗教學(xué)中心維護與平臺病例的更新等措施，建立有利于激勵學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的考核、評價和反饋機制。

3 平臺應(yīng)用前景

《教育部衛(wèi)生部關(guān)于加強醫(yī)學(xué)教育工作 提高醫(yī)學(xué)教育質(zhì)量的若干意見》（教高[2009]4號）文件提出，高等醫(yī)學(xué)院校“要積極創(chuàng)新醫(yī)學(xué)實踐教學(xué)體系，加強實踐能力培養(yǎng)平臺的建設(shè)，積極推進實驗內(nèi)容和實驗?zāi)Ｊ降母母?，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力”。根據(jù)文件精神，很多醫(yī)學(xué)院校開始建設(shè)虛擬仿真實驗室，積極推進實驗教學(xué)模式的創(chuàng)新。醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)技能培訓(xùn)的特殊性，傳統(tǒng)的“圍觀式”示教模式的缺陷越來越突出，已不能滿足時代進步和專業(yè)學(xué)科發(fā)展的要求，積極推進醫(yī)學(xué)影像技術(shù)學(xué)科的虛擬仿真技能培訓(xùn)教學(xué)平臺建設(shè)，可以滿足日益增加的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)教學(xué)需求。采用虛擬仿真教學(xué)平臺后，技能培訓(xùn)可以不占用寶貴的臨床患者檢查時間，同時也可以避免因?qū)W生操作帶來的臨床上的隱患和醫(yī)療糾紛。虛擬仿真教學(xué)平臺的建立和使用，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，是對傳統(tǒng)課堂實驗教學(xué)的有益補充和延伸[4]。

CT機屬于醫(yī)院高端昂貴設(shè)備，數(shù)量有限，以CT設(shè)備和患者為實驗對象存在實驗操作地點、時間受限和醫(yī)學(xué)倫理學(xué)方面的相關(guān)問題，限制了學(xué)生上機操作機會，因此很難保證教學(xué)效果。如果是分時分段由不同教師來培訓(xùn)，會產(chǎn)生教學(xué)是否標(biāo)準化及一致性的問題。由于CT檢查技術(shù)實驗教學(xué)中設(shè)備的稀缺性和檢查的特殊性，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式已不能滿足醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)學(xué)生的實習(xí)需求。

設(shè)計和開發(fā)虛擬仿真教學(xué)平臺不但可以解決以上問題，而且可實現(xiàn)常規(guī)CT檢查技能實驗教學(xué)中“不具備或難以完成的教學(xué)功能”[5]。將虛擬仿真教學(xué)平臺應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的CT檢查技能培訓(xùn)中，充分體現(xiàn)了虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，可開展可靠、安全和經(jīng)濟的實驗教學(xué)。