醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)的設(shè)計與實踐

(徐州醫(yī)科大學 醫(yī)學信息學院，江蘇 徐州 221004)

0 引言

醫(yī)學影像診斷學是臨床醫(yī)學的重要分支學科，隨著醫(yī)學影像技術(shù)的進步，其在疾病的診療過程中發(fā)揮越來越重要的作用。在以往的醫(yī)學影像學教學實踐中，多采用以書本為中心的教學模式，形式死板難以激發(fā)學生的學習興趣。醫(yī)學影像診斷學是一門實踐性比較強的學科，需要接觸大量的臨床病例進行鞏固學習，然而學生臨床見習時間比較少，見習時學生比較多，大多走馬觀花，實踐教學效果不夠理想[1-3]。

隨著計算機科學與醫(yī)療設(shè)備的迅猛發(fā)展,數(shù)字化圖像技術(shù)與現(xiàn)代通訊及計算機技術(shù)相結(jié)合,形成了PACS(Picture Archiving and Communication System,影像存儲及傳輸系統(tǒng))。利用計算機對醫(yī)學圖像進行采集、存儲、管理、處理及傳輸，使得圖像資料得以有效管理和充分利用。在更好地為臨床醫(yī)療服務(wù)的同時，也為醫(yī)學影像診斷學教學提供了更先進的手段，使醫(yī)學影像診斷學教學在原有的基礎(chǔ)上又提高了一個層次。以學校附屬醫(yī)院PACS服務(wù)器為基礎(chǔ)，邀請醫(yī)學影像學診斷專家對海量病歷資源進行整合歸類，建立以系統(tǒng)和病歷為主線的醫(yī)學影像診斷學教學新模式。

通過設(shè)計醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)，學生可直接通過瀏覽器訪問，獲取海量的病人影像資料，并能夠?qū)D像進行處理和標注，操作快捷方便。同時教師則可從大量繁雜的重復(fù)性工作中“解放"出來，全力注重于教學內(nèi)容、技巧和教學質(zhì)量的探討與改革[4-5]。醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)有利于學生課外自習和復(fù)習，通過計算機網(wǎng)絡(luò)，學生可以在電子閱覽室和多媒體教室等地自主學習，可以在任何時間對沒有掌握的內(nèi)容反復(fù)學練。醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)采用云端存儲，將影像資料和學習記錄存儲在云端，既保證了數(shù)據(jù)的安全也做到了隨到隨用，在任何一臺計算機上只要登錄自己的賬號就能查看自己的所有學習記錄。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)采用PHP語言進行編寫，部署在Linux服務(wù)器上。為了提高服務(wù)器的訪問速度，增強學生在線學習的體驗，研究設(shè)計了一種單用戶獨占服務(wù)器的方案。這就需要較多的服務(wù)器資源，傳統(tǒng)的物理服務(wù)器不僅占用空間，而且資源得不到合理的優(yōu)化，浪費了人力物力[6-7]。為了解決這個問題，服務(wù)器端采用VMware vSphere虛擬化解決方案。VMware vSphere 是業(yè)界領(lǐng)先且最可靠的虛擬化平臺。vSphere將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)從底層硬件分離出來，從而簡化了IT操作。vSphere利用虛擬化在較少的服務(wù)器上運行多種工作負載，使難以管理的服務(wù)器數(shù)量劇增現(xiàn)象得到控制，減少對物理服務(wù)器的需求，降低數(shù)據(jù)中心的運營成本[8-9]。

如圖1所示，服務(wù)器端以vSphere為基礎(chǔ)進行搭建，包括平臺層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。平臺層包括三臺物理服務(wù)器，每臺服務(wù)器上安裝ESXi系統(tǒng)，通過虛擬化每臺物理服務(wù)器可將其劃分為多個虛擬服務(wù)器，將虛擬服務(wù)器的內(nèi)網(wǎng)端口映射到物理服務(wù)器的外網(wǎng)端口，即可通過外網(wǎng)訪問虛擬服務(wù)器。系統(tǒng)層主要包括原型機和執(zhí)行機，原型機負責存儲系統(tǒng)的影像教學資源、試題資源，專家利用醫(yī)院PACS中的海量影像資料，以系統(tǒng)和病歷為主線歸類整理PACS影像資料，上傳到原型機中(教學PACS服務(wù)器)，執(zhí)行機從原型機中獲取課程資源與考試題庫展示給用戶。學生通過應(yīng)用層與服務(wù)器端進行交互，進行在線影像診斷學習與在線考試。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次清晰，分工明確，運行平穩(wěn)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

通過可行性分析和需求分析，充分考慮系統(tǒng)的實用性，按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的要求，醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)主要分為用戶模塊、專家標注模塊、在線學習模塊、在線考試模塊。用戶模塊包括用戶注冊、用戶登錄；專家標注模塊包括影像分類、影像標注、報告書寫；在線學習模塊包括圖像學習、報告學習、病歷學習；在線考試模塊包括試題管理、試卷管理、錯題管理、練習模式、考試模式。幾大模塊相輔相成，共同構(gòu)成了一個完整的醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)，從自主學習到自主測驗，形成了一個閉環(huán)的學習過程，教學效果顯著提高。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

2.1 用戶模塊設(shè)計

2.1.1 用戶權(quán)限設(shè)計

醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)的用戶包括醫(yī)學影像專家、學生、教師，不同角色擁有不同的系統(tǒng)功能，因此有必要對用戶的權(quán)限進行設(shè)計。在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計用戶權(quán)限字段，包括專家權(quán)限、學生權(quán)限、教師權(quán)限，根據(jù)不同的權(quán)限執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊，如圖3所示，專家負責醫(yī)學影像圖像的分類整理，擁有影像資料分類、圖像標注、報告書寫的權(quán)限；教師負責提供在線考試試題，擁有試題管理與試卷管理的權(quán)限；學生登錄系統(tǒng)，要具備在線影像診斷學習與在線考試的權(quán)限。

圖3 用戶權(quán)限圖

2.1.2 用戶登錄設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的運行速度，系統(tǒng)采用多服務(wù)器策略，單用戶獨占一臺服務(wù)器，用戶在使用服務(wù)器期間，會定時發(fā)送心跳包(心跳時間設(shè)置為1分鐘，采用javascript的定時器向服務(wù)器端發(fā)送http請求，更新服務(wù)器活動時間),告訴其他用戶這臺服務(wù)器正在被獨占，請選擇其他空閑的服務(wù)器進行學習。登錄流程如圖4所示。

步驟1：用戶輸入網(wǎng)址進入系統(tǒng)登錄界面；

步驟2：輸入用戶名密碼點擊登錄；

步驟3：系統(tǒng)判斷用戶是否在server表(記錄服務(wù)器活動狀態(tài))中，如果在則查看對應(yīng)的服務(wù)器活動時間是否小于一分鐘(小于一分鐘表明此用戶已登錄服務(wù)器，自動跳轉(zhuǎn)到登錄界面；大于1分鐘，登錄到此服務(wù)器，驗證成功進入系統(tǒng)，驗證失敗返回登錄界面)

步驟4：如果用戶不在server表中，選擇服務(wù)器活動時間大于一分鐘的進行登錄，重復(fù)步驟3。經(jīng)過以上的幾步操作，用戶方可進入系統(tǒng)進行醫(yī)學影像診斷學的自主學習。

圖4 系統(tǒng)登錄流程圖

2.2 專家標注模塊設(shè)計

專家標注模塊在醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)中處于核心地位，為系統(tǒng)提供了學習資源，是學生在線自主學習與在線考試的基礎(chǔ)。利用學校附屬醫(yī)院PACS中的海量影像資源，以系統(tǒng)和病歷為主線將影像病歷分為呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)6大系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對每個系統(tǒng)中病歷的難易程度進行劃分，分為初級、中級、高級。專家對每個系統(tǒng)中的影像圖像進行標注并書寫標準診斷報告，并上傳到教學PACS服務(wù)器中，作為學生在線學習的病歷資源。

2.3 在線學習模塊設(shè)計

學生登錄進入醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)，可以進行圖像學習、報告學習、病歷學習。圖像學習主要學習影像圖像的后處理操作，每個學生使用一個電腦終端，實時調(diào)閱PACS圖像，利用系統(tǒng)的圖像處理模塊對圖像的位置、窗寬、窗位、灰度、偽彩色、正相反相及比例的調(diào)整，使圖像獲得最佳的效果。如模糊不清的原始圖像不利于對微小病灶的顯示，直接影響診斷的準確率，而通過調(diào)整，則可以避免這一消極影響，提高準確性，避免誤診和漏診。報告學習主要學習報告的書寫規(guī)范及注意事項，學生利用系統(tǒng)進行模擬讀片，書寫影像診斷報告，并可以與專家報告進行核對，以檢查自己診斷報告中的不足與錯誤。對自己有疑問或者認為重要的診斷報告，可以添加收藏，在個人中心的我的收藏里可以找到，方便下次快速進行鞏固學習。同時學生的診斷報告可以上傳到云端，記錄到個人報告學習記錄中，方便教師和個人的查閱與批改。這大大調(diào)動了學生學習的積極性，增強了其實踐動手能力，為以后進入臨床工作打下堅實的基礎(chǔ)。病歷學習模塊提供了疾病的影像及病理資料，通過此模塊的學習讓學生對該病歷有一個全面系統(tǒng)的認識，在不進入臨床診療現(xiàn)場的情況下增加學生的臨床診療經(jīng)驗。病歷的學習會記錄到病歷學習記錄中，形成個人的學習曲線，為系統(tǒng)的智能化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，系統(tǒng)可根據(jù)學生的學習情況進行相關(guān)病歷的推薦。

圖5 圖像學習界面

圖6 報告學習界面

2.4 在線考試模塊設(shè)計

在線考試模塊包括試題管理模塊、試卷管理模塊、錯題管理模塊、練習模塊、考試模塊。在線考試模塊按照試題的難易等級、系統(tǒng)等分類，以圖形化的方式查看各系統(tǒng)的考題比例。

教師角色：教師輸入用戶名密碼，進入在線考試模塊進行題庫的建設(shè)、考試組卷、答案分值的設(shè)置、統(tǒng)計分析學生答題的正確率。學生角色：在線考試、自主練習(可根據(jù)需要進入系統(tǒng)中去選擇題目)、錯題復(fù)習[10-11]。

專家標注模塊已經(jīng)為在線考試模塊打下了基礎(chǔ)，教師可以利用專家分類好的影像資料進行題庫的建設(shè)。具體建設(shè)方法及步驟：(1)在教學PACS服務(wù)器中按照系統(tǒng)和難易等級進行影像資料的檢索，找到合適的圖片進行分類保存。(2)點擊新建考題，輸入題干(包括問題描述和影像圖片)、選項、正確答案、試題解析，選擇試題的難易等級、所屬系統(tǒng)、分值，然后單擊保存按鈕進行保存。(3)所以題目都錄入好后，題庫建立完成，接下來可以教師手工組卷或者系統(tǒng)智能組卷。構(gòu)建考卷的方法及步驟：(1)點擊建試卷，輸入試卷的名稱及考試時間，單擊保存。(2)點擊選擇試題，從系統(tǒng)中選擇合適的試題添加到該試卷中，完成組卷。學生可以進入系統(tǒng)點擊相應(yīng)的考卷進行在線考試。

學生登錄系統(tǒng)進行在線考試，點擊開始考試，系統(tǒng)自動計時，學生可以考試開始20分鐘后提前交卷，如果答題時間超過系統(tǒng)設(shè)置時間，系統(tǒng)自動提交答卷?？荚嚱Y(jié)束后，系統(tǒng)會自動給出考試成績，并繪制餅形圖對考生的考試情況進行分析。教師在試卷統(tǒng)計分析中，查看所有學生的答題情況，針對錯誤率比較高的知識點加強之后的教學。學生的錯題會記錄到錯題管理中，學生可以進行錯題的練習，加強薄弱知識點的再學習。系統(tǒng)根據(jù)學生的錯題情況會自動推薦相關(guān)練習給學生，學生點擊相關(guān)知識點進行學習，避免以后再出現(xiàn)類似的錯誤，大大提高了學生的學習效率。

圖7 考試界面

3 系統(tǒng)操作步驟

第一步，下載最新版本的chrome瀏覽器，點擊安裝，完成基礎(chǔ)環(huán)境的搭建；

第二步，在chrome瀏覽器中輸入醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)的訪問網(wǎng)址，該系統(tǒng)部署在公網(wǎng)服務(wù)器中，任何一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機都可以訪問。網(wǎng)址輸入正確后，跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)登錄界面；

第三步，輸入用戶名密碼，點擊登錄按鈕，系統(tǒng)自動分配空閑服務(wù)器給用戶，登錄成功后進入系統(tǒng)主界面；

第四步，選擇在線學習模塊，進行影像診斷學在線學習；學習模塊按照系統(tǒng)進行組織，包括呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)6大系統(tǒng)，學生可按系統(tǒng)和難易等級進行圖像的學習、報告的學習、病歷的學習；

第五步，選擇在線考試模塊，根據(jù)自己的需要，可進行專項智能練習、階段測試、錯題智能練習；

第六步，結(jié)束學習，點擊退出系統(tǒng)按鈕退出醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)。

系統(tǒng)操作簡單便捷，除了課題教學外，在課余時間面向全校學生開放，只要有一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機，學生就能進行自主學習，突破了時間和空間的限制，提高了學生學習的能動性。

4 實驗結(jié)果與分析

采用該系統(tǒng)進行醫(yī)學影像類課程的實驗教學，由于系統(tǒng)采用的B/S架構(gòu)，無需安裝多余的軟件，只需下載安裝chrome瀏覽器，簡單便捷。系統(tǒng)運行平穩(wěn)，操作過程中暫未出現(xiàn)客觀性問題。

在系統(tǒng)試運行兩周后，通過對使用過醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)的學生進行調(diào)查隨訪發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠加深學生對于醫(yī)學影像診斷學的了解，增強學生的實際閱片能力，獲得學生和老師的一致好評。

該系統(tǒng)的設(shè)計特點：(1)采用多服務(wù)器策略，單個用戶獨占一個服務(wù)器，提高了服務(wù)器的響應(yīng)速度，為用戶帶來良好的體驗；(2)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，學生通過瀏覽器即可登錄進入系統(tǒng)進行醫(yī)學影像診斷學的學習，操作便捷；(3)醫(yī)學影像資料按照系統(tǒng)和病歷為主線進行組織歸類，符合學生的學習規(guī)律；(4)系統(tǒng)權(quán)限明確，不同的角色使用系統(tǒng)不同的功能；(5)從在線學習到自主練習再到在線考試，形成了一個閉環(huán)的學習過程，學生學習效率顯著提高。

5 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)與影像技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的以課本為中心的醫(yī)學影像學教學方式已經(jīng)不能滿足學生的學習需求，急需開發(fā)一套符合現(xiàn)代醫(yī)學影像診斷學習的系統(tǒng)。本論文在對醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)的功能需求與專業(yè)知識的綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，論述了醫(yī)學影像診斷學自主學習系統(tǒng)的設(shè)計與實踐。重點介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)的總體設(shè)計、系統(tǒng)的操作步驟。本系統(tǒng)實現(xiàn)了PACS與醫(yī)學影像診斷學的融合，系統(tǒng)的病歷資源完全采用學校附屬醫(yī)院的真實影像數(shù)據(jù)。學生通過此系統(tǒng)能夠?qū)︶t(yī)學影像圖片進行處理、模擬報告書寫、在線病歷學習、在線智能考試。由于采用都是真實影像數(shù)據(jù)，使學生獲得親臨醫(yī)院現(xiàn)場的感受，提高了自身學習、實踐和創(chuàng)新的能力。系統(tǒng)符合現(xiàn)代影像診斷學的教學改革趨勢，有很好的應(yīng)用前景。