基于VR技術(shù)的CT設(shè)備結(jié)構(gòu)拆裝與故障維修示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吉振寧，何威震，沈江燕，高俊逸，羅 江，曹 逸，時(shí)梅林

徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 江蘇 徐州 221004

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可使人機(jī)交互更加人性化，用戶可以更直接地與數(shù)據(jù)交互[1-2]。同時(shí)，在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》[3]中明確指出，要大力發(fā)展虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生更快地掌握設(shè)備知識(shí)，利用碎片化時(shí)間隨時(shí)隨地開展實(shí)驗(yàn)[4]，從而培養(yǎng)學(xué)生更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和更好的研發(fā)思維。針對(duì)計(jì)算機(jī)斷層成像(computer tomography,CT)在傳統(tǒng)教學(xué)中單純借助文字及圖片資料導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程單調(diào)、效率低下、欠缺實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)[5-6]，且由于CT設(shè)備昂貴、體積較大、拆裝和維修實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于VR技術(shù)的CT設(shè)備結(jié)構(gòu)拆裝與故障維修示教系統(tǒng)并應(yīng)用于教學(xué)，取得了較好的效果，現(xiàn)介紹如下。

1 系統(tǒng)的主要模塊設(shè)計(jì)

1.1 虛擬場景管理與渲染

主要對(duì)虛擬場景建立管理機(jī)制，在展示同一設(shè)備的維修與拆裝時(shí)，可以節(jié)約資源，直接調(diào)用場景資源加快系統(tǒng)運(yùn)行速度。項(xiàng)目主要利用貼圖的方式在3Ds Max中進(jìn)行初步渲染，再打包至Unity 3D中進(jìn)行最終渲染與虛擬場景的管理，如圖1所示。

1.2 拆裝教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

拆裝教學(xué)模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，實(shí)現(xiàn)拆裝路徑的生成，對(duì)三維模型的拆裝先后順序進(jìn)行邏輯判斷，如圖2所示；通過電腦端或手機(jī)端的虛擬現(xiàn)實(shí)門戶，控制場景內(nèi)相機(jī)的位置；在交互外設(shè)適配及控制上，給出一種通用的適配方式，可以用不同方式進(jìn)行交互，如點(diǎn)擊按鈕、設(shè)備結(jié)構(gòu)的拖拽等；以第一人稱視角進(jìn)行角色控制，可在模型的拆裝過程中，主動(dòng)調(diào)整觀看視角與距離，使沉浸感加強(qiáng)，如圖3所示。

1.3 故障維修教學(xué)模塊設(shè)計(jì)

故障維修教學(xué)模塊是系統(tǒng)的重要模塊，在實(shí)際情況中，常見的CT設(shè)備故障有機(jī)械故障、電氣硬件故障、軟件故障和用戶操作故障，而常見的解決辦法有程序測試法、觀察法[7]。

因此，系統(tǒng)內(nèi)置了故障診斷測試程序界面、指示燈變換、正常與故障聲音、關(guān)鍵點(diǎn)的萬用表、示波器維修等方式。實(shí)現(xiàn)步驟如圖4所示。

圖1 虛擬場景管理與渲染流程圖 圖2 系統(tǒng)拆裝邏輯判斷圖

圖3 系統(tǒng)拆裝教學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)步驟圖 圖4 系統(tǒng)故障維修教學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)步驟圖

2 示教系統(tǒng)的主要功能與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維模型庫

三維模型是整個(gè)CT設(shè)備拆裝與故障維修示教系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可利用層次結(jié)構(gòu)模型和模型簡化技術(shù)[8]實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)，便于設(shè)備管理、虛擬拆裝、故障模擬、實(shí)時(shí)交互等功能的實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有CT設(shè)備三維模型中的部件組成包括旋轉(zhuǎn)陽極X線管、探測器、掃描架等。

2.1.1旋轉(zhuǎn)陽極X線管結(jié)構(gòu)其中旋轉(zhuǎn)陽極X線管組成部分有以下6個(gè)：旋轉(zhuǎn)陽極、陰極、靶面、燈絲、轉(zhuǎn)子、玻璃壁。

2.1.2探測器結(jié)構(gòu)以最常用的閃爍探測器為主要模型構(gòu)造對(duì)象。一個(gè)典型的探測器包括：閃爍體、光電倍增管、分壓器和前置放大器；此外，還有軟件、電源等附件。

2.2 拆裝訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫

拆裝訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫是實(shí)現(xiàn)CT設(shè)備拆裝與故障維修示教系統(tǒng)的核心，具有拆裝過程仿真演示、拆裝訓(xùn)練兩部分內(nèi)容。

2.2.1拆裝過程仿真演示采用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)維修過程中CT設(shè)備各部件的原理介紹、拆卸、裝配過程演示，學(xué)生可以從任意角度與位置看到相應(yīng)部件完整的拆卸、裝配過程，過程中可對(duì)部件進(jìn)行拖拽，清晰觀察每個(gè)部件結(jié)構(gòu)，并可以多次重復(fù)進(jìn)行，具有強(qiáng)烈真實(shí)感，大大加深了學(xué)生對(duì)于設(shè)備結(jié)構(gòu)的理解(如圖5所示)。

圖5 拆裝過程演示

2.2.2拆裝訓(xùn)練進(jìn)入訓(xùn)練系統(tǒng)并完成虛擬拆卸、裝配等實(shí)踐。系統(tǒng)可提供有提示、無提示、考核等多種訓(xùn)練模式，以滿足不同學(xué)生的需求。拆裝過程仿真演示及拆裝訓(xùn)練(如圖6所示)。

圖6 拆裝訓(xùn)練界面

2.3 故障模型庫

故障模型庫提供裝備故障數(shù)據(jù)以及有關(guān)部件故障過程演示、故障維修解決方法等教學(xué)資料，使教學(xué)更加靈活、生動(dòng)。

2.4 交互設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)采用第一視角進(jìn)行交互，學(xué)生可通過電腦端的鍵盤或者手機(jī)端的搖桿控制視角，實(shí)現(xiàn)行走功能。

其次，系統(tǒng)使用按鈕點(diǎn)擊以及模型拖拽兩種交互方式。按鈕點(diǎn)擊交互主要用于登錄、選擇、退回等系統(tǒng)功能；部件拖拽主要用于學(xué)習(xí)與訓(xùn)練功能，如拖拽單獨(dú)部件便于觀察及拆裝順序訓(xùn)練，并且CT設(shè)備模型的每一部分均可拖拽、移動(dòng)，學(xué)生可從任一角度觀察其結(jié)構(gòu)。

3 教學(xué)應(yīng)用及效果

目前，系統(tǒng)已完成整個(gè)開發(fā)周期。課堂上，學(xué)生可在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)；課后，學(xué)生只須安裝軟件即可操作。操作步驟：①在電腦端或安卓智能手機(jī)上打開CT設(shè)備結(jié)構(gòu)拆裝與故障維修示教系統(tǒng)初始界面，用戶登錄界面；②登錄成功后，根據(jù)上次測試與學(xué)習(xí)時(shí)長，系統(tǒng)主動(dòng)推薦學(xué)習(xí)或者訓(xùn)練模式，學(xué)生進(jìn)行自主選擇；③完成測試，關(guān)閉軟件。軟件安裝包的安裝環(huán)境為Windows 7及以上操作系統(tǒng)、Andr- oid 3.0版本及以上操作系統(tǒng)，目前電腦與安卓手機(jī)搭載的系統(tǒng)普遍能滿足基本安裝需求，實(shí)現(xiàn)了電腦端、移動(dòng)端的開發(fā)與應(yīng)用，使學(xué)生突破時(shí)間和空間的限制，可隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)訓(xùn)練。

CT設(shè)備拆裝與故障維修示教系統(tǒng)于2018年5月在徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)院的醫(yī)學(xué)影像學(xué)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)的145名學(xué)生開展了實(shí)踐教學(xué)，并且根據(jù)收集到的反饋意見，對(duì)系統(tǒng)題庫以及拆裝順序進(jìn)行更新與改進(jìn)。通過對(duì)使用過該系統(tǒng)的學(xué)生的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在使用該系統(tǒng)學(xué)習(xí)CT設(shè)備的拆裝與維修之后，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象加深。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入CT設(shè)備拆裝與故障維修示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有助于輔助教學(xué)活動(dòng)開展，為拆裝、維修操作訓(xùn)練等提供一個(gè)直觀、可靠的模擬環(huán)境，有效解決時(shí)間和空間受限等問題，對(duì)整合教育資源、降低教學(xué)成本、提高學(xué)習(xí)效率具有重要意義。同時(shí)，利用虛擬拆裝維修代替實(shí)物拆裝維修，突破儀器設(shè)備成本等條件限制的難題，幫助醫(yī)學(xué)影像學(xué)、醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)的在校學(xué)生，以及剛剛進(jìn)入工作崗位的醫(yī)院影像科工程師，進(jìn)一步掌握CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理及故障判斷具有積極意義，彌補(bǔ)了市場空白，具有一定的應(yīng)用前景。