基于Unity與單片機(jī)的DR可交互仿真教學(xué)工作站的設(shè)計與應(yīng)用

費 杰， 魯博洋， 唐鶴云， 胡俊峰

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

0 引 言

目前，直接數(shù)字平板X線成像系統(tǒng)(digital radiography，DR)成為廣泛使用的醫(yī)學(xué)影像檢查手段之一[1]，國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)學(xué)院校都將醫(yī)學(xué)影像設(shè)備相關(guān)課程作為教學(xué)重點。由于醫(yī)院影像設(shè)備機(jī)房工作負(fù)荷普遍較重，加之機(jī)器設(shè)備學(xué)生單獨操作存在設(shè)備損壞及輻射風(fēng)險，因此醫(yī)學(xué)生在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備相關(guān)課程見習(xí)時存在資源短缺、難以操作等缺陷?，F(xiàn)有仿真教學(xué)設(shè)備普遍存在體積龐大、造價昂貴、實際操作性不大等弊端。因此，仿真教學(xué)設(shè)備的小型化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化的發(fā)展具有非常重要的意義。

根據(jù)仿真醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀和實際要求[2-3]，利用3D-max軟件制作DR的三維模型并導(dǎo)入Unity軟件中，單片機(jī)組成的外部操作裝置與計算機(jī)Unity軟件進(jìn)行串口通信，能夠?qū)崟r控制DR設(shè)備模型做出相應(yīng)動作，完全復(fù)制設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作與操作原理，進(jìn)行規(guī)范的操作、擺位等操作訓(xùn)練。同時，利用VB6.0模擬設(shè)計的DR操作界面，模擬病人信息錄入、拍攝部位、參數(shù)選擇、圖像拍攝、影像處理等全過程的操作訓(xùn)練，既可以完全呈現(xiàn)設(shè)備教學(xué)內(nèi)容，同時能夠進(jìn)行實時模擬操作訓(xùn)練，達(dá)到省時高效、無任何輻射風(fēng)險、可重復(fù)多次仿真訓(xùn)練的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)

仿真教學(xué)工作站由硬件與軟件兩部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分為單片機(jī)最小系統(tǒng)(STC89S52)、旋轉(zhuǎn)電位器、開關(guān)按鍵、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC0809)等組成的外部操作裝置。軟件部分包括顯示DR三維演示模型的上位機(jī)Unity軟件、DR設(shè)備操作系統(tǒng)。外部操作裝置與上位機(jī)Unity軟件通過串口通信模塊(MAX232)實現(xiàn)通信，從而控制DR三維模型作出響應(yīng)，進(jìn)行互動式仿真教學(xué)訓(xùn)練操作。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 工作站硬件設(shè)計

仿真教學(xué)工作站硬件部分主要由單片機(jī)控制[4]、模擬輸入、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口通信和電源等模塊組成,電路如圖2所示。

圖2 最小單片機(jī)系統(tǒng)與采集部分

STC89S52[5]是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系統(tǒng)可編程Flash存儲器。與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。

模擬輸入模塊由多個按鍵開關(guān)和電位器組成， 主要功能是通過操縱按鍵開關(guān)與旋轉(zhuǎn)電位器來控制Unity軟件中的DR模型做出相應(yīng)動作，包括控制DR照射野開啟、關(guān)閉及照射野范圍，控制DR多軸運動、工作狀態(tài)演示等功能。同時，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊[6]將多路模擬輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過端口傳送給單片機(jī)控制模塊。

MAX232芯片是專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電。串口通信模塊能夠滿足RS-232串口電壓，使得單片機(jī)與上位機(jī)可以正常通信[7]。單片機(jī)控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，通過串口通信模塊實現(xiàn)與上位機(jī)演示模型通信,串口通信模塊電路如圖3所示。

圖3 串口通信模塊

3 工作站軟件設(shè)計

3.1 上位機(jī)設(shè)備演示模型

本仿真教學(xué)工作站的設(shè)計參數(shù)3臨床一線標(biāo)準(zhǔn)的DR實體，利用3D-max軟件制作三維模型，如圖4所示。將三維模型按照功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分割后轉(zhuǎn)換為FBX格式導(dǎo)入至Unity軟件中。在Unity環(huán)境中[8]，通過編寫Scripts代碼驅(qū)動3D模型顯示DR的基本運動工作流程，主要包括機(jī)架運動、機(jī)頭旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)陽極啟動、燈絲預(yù)熱、曝光[9]以及人體擺位、照射野開關(guān)、大小及角度調(diào)節(jié)[10-11]等功能。

其中，Head腳本通過射線檢測機(jī)頭距離掃描床、人體模型的距離和區(qū)域，從而控制照射野的開關(guān)與縮放以及輻射頭的運動。同時，通過動作函數(shù)實現(xiàn)DR各軸的平移、旋轉(zhuǎn)運動、燈絲預(yù)熱、曝光等動作。部分代碼如下：

public void SetHengZhouXPos(float Value)

{

HengZhou.position = new Vector3(Value, HengZhou.position.y, HengZhou.position.z);

} //橫軸左右移動

public void SetHeadRotation(float Value)

{

Head.eulerAngles = new

Vector3(Head.eulerAngles.x, Head.eulerAngles.y, Value);

RotationYText.text = Value.ToString("f0");

} //機(jī)頭旋轉(zhuǎn)

public void OpenCircle()

{

GameObject parent = Circle.transform.parent.gameObject; parent.SetActive(!parent.activeSelf);

} //照射野開關(guān)

public void SetCircleX(float Value)

{

Circle.localScale = new Vector3(Value, Circle.localScale.y, Circle.localScale.z);

} //照射野x縮放

串口通信部分，SerialThreadBinaryDelimited腳本封裝了從串口讀取數(shù)據(jù)的方法，利用update語句實時讀取從串口接受到的相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)驅(qū)動模型動作。部分代碼如下：

void Update()

{

byte[] message = serialController.ReadSerialMessage();

if (message == null)

return;

string msg = Encoding.Default.GetString(message);

GetData(msg);

}

3.2 DR設(shè)備操作系統(tǒng)

DR設(shè)備操作系統(tǒng)部分以VB6.0及Access2012作為開發(fā)工具，通過對醫(yī)院臨床真實的DR操作流程及設(shè)備操作界面進(jìn)行1∶1全步驟模擬仿真[12-14]，如圖5所示。

整個DR設(shè)備操作系統(tǒng)包括患者選擇、部位選擇、操作界面、以及拍攝圖像處理4大部分組成，主要實現(xiàn)的功能有：

(1) 患者信息的選擇與錄入。能夠模擬選擇信息庫中的患者或手動添加病人信息，包括Date、Time、Name、ID、Accession、Physician、Modality、Desciption、Status等。

(2) 掃描部位選擇。精確模擬選擇人體各部位及組織(頭部、頸椎、肩部、胸椎、腹部、腰椎、盆腔、膝蓋、足部等)進(jìn)行DR掃描。

(3) 操作界面參數(shù)設(shè)置。包括Patient size、Receptor、Reset Technique、FOV、Auto Position、Current、Ion Chamber、Focal Spot、Cu Fitter、Patient Side、Patient Position等參數(shù)的模擬設(shè)置或調(diào)整。

(4) 拍攝結(jié)果處理。拍攝圖像的模擬預(yù)覽、添加標(biāo)注、圖像處理等。

實現(xiàn)以上主要功能的需求與程序的關(guān)系：

(1) 患者信息的選擇與錄入。Adodc控件、調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫等。

(2) 患者拍攝部位的選擇。treeview控件及if函數(shù)的組合等。

(3) 操作界面的參數(shù)設(shè)置。下拉菜單、復(fù)選框等控件及相關(guān)代碼等。

(4) 圖像的預(yù)覽與處理。直接調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫中的圖像、圖像處理代碼等。

工作站中所有影像設(shè)備資料、圖像數(shù)據(jù)均來自于臨床一線，依靠醫(yī)學(xué)院校豐富的資源，不僅可以及時更新系統(tǒng)、擴(kuò)充資源，而且真實的設(shè)備資料、影像數(shù)據(jù)有利于學(xué)生在使用時建立正確的認(rèn)知，有效提高工作站的科學(xué)性和有效性。

4 實際應(yīng)用與效果評價

仿真教學(xué)工作站設(shè)計、建設(shè)完成后，向相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行推廣。同時以2017～2018學(xué)年第1學(xué)期2015級生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的兩個班級共計100名學(xué)生作為樣本進(jìn)行分析，班級1(普通組)采用正常教學(xué)方式，班級2(綜合組)采用仿真工作站與正常教學(xué)結(jié)合的方式，在時間利用率及考核成績等方面進(jìn)行對比分析，驗證工作站的實際效果。

(1) 安裝與運行成功率。工作站主要利用Unity與VB6.0軟件進(jìn)行開發(fā)，安裝情況調(diào)查，結(jié)果顯示在實驗室機(jī)房及學(xué)生個人電腦的安裝與運行的成功率為100%。

(2) 時間利用率與考核成績對比分析。見表1按照正常實驗課時長為120 min，考慮到乘車來回時間、醫(yī)院等待時間等影響因素，取7次實驗課的實際時間分配的平均值計算時間利用率。同時，計算兩個班級相關(guān)課程的3次操作考核成績與期末總成績平均分進(jìn)行對比。

表1 時間利用率與考核成績對比結(jié)果

注：等待時間包括等待設(shè)備冷卻、機(jī)房空閑時間等。

由對比結(jié)果可見，采用仿真工作站的綜合教學(xué)模式在實驗課的的時間利用率大幅提高，多元化考核成績反映出的教學(xué)效果良好。在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備相關(guān)課程的實驗課中使用本工作站，能夠有效緩解見習(xí)醫(yī)院的壓力，彌補(bǔ)資源不足；作為實驗課程中積極有效的課程工具，工作站將實驗課程的多個教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行整合統(tǒng)一，有利于教師對學(xué)生進(jìn)行模塊化或整體化的DR教學(xué)、訓(xùn)練和考核；工作站具有小型化、上手容易等優(yōu)勢，學(xué)生可以不限時間空間地隨學(xué)隨練。作為理論課程的補(bǔ)充，學(xué)生針對于DR設(shè)備的學(xué)習(xí)目的更加鮮明突出，特色的軟硬結(jié)合交互式教學(xué)訓(xùn)練模式，學(xué)生參與度高，學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，知識掌握更加牢固。

5 結(jié) 語

仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)已經(jīng)成為高校教學(xué)、考核、訓(xùn)練輔助的重要途徑[15]。本文以DR等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備實驗課教學(xué)為研究對象，分析了現(xiàn)有仿真教學(xué)設(shè)備的劣勢，并利用軟硬結(jié)合的思路，設(shè)計了一套基于Unity與單片機(jī)的可交互DR仿真教學(xué)工作站，該工作站包含了從DR的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、功能原理、實際互動操作訓(xùn)練到DR操作系統(tǒng)的全過程模擬，實現(xiàn)了DR一站式全過程仿真，通過分析工作站使用效果的對比數(shù)據(jù)，在有效提高實驗課時間利用率的同時，對學(xué)生理論實踐知識的掌握具有積極作用，能夠滿足正常的教學(xué)實驗要求。在其他影像學(xué)設(shè)備及醫(yī)療設(shè)備中可同原理建立一套完整的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，供類似實驗課程仿真平臺借鑒。