基于Unity3D的CT虛擬仿真實驗系統(tǒng)

陶青 葉青 徐紹忠 余瑛

摘 要：為克服CT（電子計算機斷層掃描）實驗教學(xué)受設(shè)備、場地的限制，促進學(xué)生理解CT的實驗原理與操作步驟，本文采用Unity3D軟件與交互式技術(shù)，開發(fā)適用于多平臺的CT虛擬仿真實驗系統(tǒng)。其具有以下突出特點：一是交互性好;二是可以立體、動態(tài)地呈現(xiàn)實驗過程;三是可以記錄操作過程與參數(shù)設(shè)置，并自動生成實驗過程記錄。實踐表明，在本系統(tǒng)中，實驗者僅需要通過鼠標(biāo)、鍵盤即可完成實驗，然后由實驗過程記錄反饋實驗成績。這有利于學(xué)生實踐能力的提高，便于學(xué)生自查，便于教師分析教學(xué)情況，最終可提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：CT;實驗教學(xué);實驗過程記錄

中圖分類號：TP391.9;TG51 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）32-0014-04

Abstract： In order to overcome the limitations of equipment and site for CT （electronic computer tomography） experimental teaching， and to promote students' understanding of the experimental principles and operating procedures of CT， this paper used Unity3D software and interactive technology to develop a CT virtual simulation experimental system suitable for multiple platforms. It has the following outstanding features： one is good interactivity; the other is that the experiment process can be presented in a three-dimensional and dynamic manner; the third is that it can record the operation process and parameter settings， and automatically generate a record of the experiment process. Practice shows that in this system， the experimenter only needs to use the mouse and keyboard to complete the experiment， and then the experimental results are recorded and fed back by the experiment process. This is conducive to the improvement of students' practical ability， facilitates students' self-examination， facilitates teachers to analyze teaching conditions， and ultimately improves the quality of experimental teaching.

Keywords： CT;experimental teaching;record of experimental process

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相關(guān)專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生不僅應(yīng)掌握醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的工作原理，還應(yīng)對其操作規(guī)范有一定了解。因而，國內(nèi)很多高校開設(shè)了相關(guān)實驗與見習(xí)課程。但受限于設(shè)備昂貴且龐大、高危險性、高消耗性、極端環(huán)境需求性、不可逆轉(zhuǎn)性、不可替代性等因素[1]，實驗教學(xué)往往側(cè)重于工作原理與圖像的分析處理，而實地見習(xí)往往是以“圍觀式”開展教學(xué)——指導(dǎo)教師演示，學(xué)生觀察的。這使得學(xué)生參與度不高，且存在難以觀察和記錄操作流程的問題，進而影響實驗教學(xué)效果。

為克服上述問題，國內(nèi)很多高校已開展了關(guān)于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的虛擬仿真實驗的研究與應(yīng)用[2-5]。仿真實驗主要有軟硬件結(jié)合與純軟件兩種形式。軟硬件結(jié)合包括硬件、軟件兩個部分，其中一部分作為控制，另一部分作為仿真對象，優(yōu)點在于虛實結(jié)合，有效地降低了成本。例如，齊現(xiàn)英等[2]采用上位機軟件控制單片機系統(tǒng)，以硬件形式模擬了X線機的旋轉(zhuǎn)陽極啟動、燈絲預(yù)熱和曝光過程;費杰等[3]采用單片機系統(tǒng)控制上位機，以軟件形式模擬了DR虛擬模型的動作，如各軸的平移、旋轉(zhuǎn)運動、燈絲預(yù)熱、曝光等。但該方法的缺點在于，實驗系統(tǒng)的升級換代往往需要配備新的硬件設(shè)備，需要額外的開銷。因而，有研究者就純軟件的虛擬仿真實驗進行了設(shè)計，在保證仿真效果的前提下增加了靈活性。例如，許海兵等[5]設(shè)計的信息化CT虛擬仿真平臺就以純軟件的形式，在虛擬場景中將設(shè)備結(jié)構(gòu)、掃描過程、圖像形成過程等動態(tài)呈現(xiàn)。綜上所述，上述虛擬仿真系統(tǒng)在一定程度上改善了實驗條件，提高了教學(xué)效果，但大多針對設(shè)備控制與拆解，而較少涉及操作規(guī)范。

為此，本文采用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計了一種新的CT虛擬仿真實驗系統(tǒng)，一方面為學(xué)生提供了實驗條件，觀察與控制CT;另一方面通過實驗過程記錄，用于其操作規(guī)范考核與成績評定。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于Unity3D的CT虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括虛擬場景、操作仿真、交互操作、過程管理等環(huán)節(jié)，總體結(jié)構(gòu)可分為三大模塊，即信息展示模塊、交互與過程管理模塊、場景仿真與漫游模塊[6]，如圖1所示。具體實施如下：通過3D建模技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)所需的虛擬場景，如CT設(shè)備、核心組件及操作間等;通過腳本控制實現(xiàn)交互操作與第一視角漫游，如響應(yīng)鼠標(biāo)的指令;采用SQLite數(shù)據(jù)庫管理實驗過程數(shù)據(jù)，用于存儲實驗過程數(shù)據(jù)與用戶信息，為實驗考核提供依據(jù)。

2 開發(fā)流程

2.1 3D模型建模

Unity3D僅支持簡單的、規(guī)則的模型，如長方體、球體、圓柱體等，但針對復(fù)雜形態(tài)的模型，人們需要使用其他3D建模軟件（Maya、3D Max、Solidworks等）。本文具體的做法是，使用Maya對所需模型建模、上色、貼圖、修正坐標(biāo)系等，并導(dǎo)出FBX文件格式的模型。其中，CT設(shè)備模型如圖2所示。

2.2 交互

在小節(jié)2.1的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬場景后，以模塊化思想編寫腳本，以實現(xiàn)用戶與虛擬仿真系統(tǒng)間的交互，具體包括第一人稱視角、CT外殼透明化、CT控制等。為將鼠標(biāo)的功能復(fù)用，即漫游與設(shè)備控制均由鼠標(biāo)完成，將鼠標(biāo)設(shè)置為2種工作模式，即第一人稱視角模式、設(shè)備控制模式，初始化為第一人稱視角模式。

通過上述交互操作，將CT設(shè)備的結(jié)構(gòu)、細節(jié)特征與控制過程向?qū)W生展示。

2.2.1 第一人稱視角。第一人稱視角模式下，設(shè)置鼠標(biāo)功能，控制主相機的位置與旋轉(zhuǎn)角度。具體為：鼠標(biāo)左鍵設(shè)置相機旋轉(zhuǎn)角度;鼠標(biāo)滾輪設(shè)置相機深度位置;鼠標(biāo)右鍵切換工作模式。具體流程如圖3所示。其間通過Input.GetMouseButtonDown判別鼠標(biāo)左、右鍵單擊事件;利用左鍵調(diào)整視角的角度，保持左鍵按下狀態(tài)下移動鼠標(biāo)改變主相機的旋轉(zhuǎn)角度（若鼠標(biāo)前后拖動，則相機繞X軸上下旋轉(zhuǎn);若鼠標(biāo)左右拖動，則繞Y軸左右旋轉(zhuǎn)）;利用右鍵實現(xiàn)模式切換，比如，切換為設(shè)備控制模式，調(diào)制好視角后，保持當(dāng)前視角狀態(tài)，鼠標(biāo)功能用作控制;利用Input.GetAxis（"Mouse ScrollWheel"）判別鼠標(biāo)滾輪調(diào)整方向（正、負），將上述方向乘以一個預(yù)設(shè)的步長從而改變相機在Z軸上的位置，即深度。

2.2.2 CT展示。CT展示的內(nèi)容主要包括兩個方面：設(shè)備內(nèi)部工作過程與關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)細節(jié)。為觀察內(nèi)部工作過程，利用GetComponent（）.materials[1].color修改CT主機外殼透明度，效果如圖4所示。此外，為將關(guān)鍵組件（X線管、探測器、滑環(huán)）展示出來，利用動畫將關(guān)鍵組件從CT中拆解出來，效果如圖5所示。

2.2.3 CT操作。CT操作包括兩個部分：調(diào)整床位;調(diào)整CT主機倒角。在本實驗系統(tǒng)中，利用鼠標(biāo)模擬操作者，單擊CT的控制按鍵進而實現(xiàn)CT操作。其原理是用鼠標(biāo)發(fā)出射線（Ray）檢測設(shè)備的控制按鍵對象（需要添加碰撞體屬性），利用對象名稱執(zhí)行相應(yīng)的操作。其中，CT操作是將移動與旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，以實現(xiàn)調(diào)整床位的位置與CT主機倒角，具體情況如圖6所示。

2.3 實驗過程數(shù)據(jù)管理

SQLite是一種輕型數(shù)據(jù)庫，其具有如下特點：所占資源少，兼容性好（不僅支持嵌入式設(shè)備，還支持Windows、Linux、Unix等主流操作系統(tǒng)），同時支持多種編程語言（如C、C+++、C#、Python等）。因而，本系統(tǒng)采用SQLite記錄用戶的實驗過程。

具體過程為：數(shù)據(jù)庫為每個用戶創(chuàng)建一個表，表中記錄其實驗過程;定義表的字段，包括DateTime（時間戳）、CurrentAction（指當(dāng)前操作內(nèi)容，比如，START是啟動設(shè)備，END是關(guān)閉設(shè)備，BED_UP＼BED_DOWN是調(diào)節(jié)CT床高度等）、DeviceInfo（指當(dāng)前設(shè)備信息，如{（110.02，15.12，13.0），（0）}，第1個括號內(nèi)容是CT床三維坐標(biāo)，第2個括號內(nèi)容是CT主機倒角角度）;將每次操作的時間、當(dāng)前操作內(nèi)容、設(shè)備信息插入當(dāng)前表內(nèi)，比如，顱腦平掃的CT定位實驗過程記錄如表1所示;當(dāng)完成操作后，讀取表中數(shù)據(jù)，依據(jù)操作的順序正確性、設(shè)備參數(shù)的準(zhǔn)確度對學(xué)生的操作規(guī)范進行考核評價。

3 結(jié)語

本文采用Unity3D構(gòu)建交互式的虛擬場景，克服了以往CT實驗教學(xué)問題——CT操作內(nèi)容的缺失與學(xué)生實驗參與度低。此外，本系統(tǒng)具有以下突出特點：兼容性好，支持Windows、Linux、Mac等桌面操作系統(tǒng)，便于教師教學(xué)與學(xué)生自主學(xué)習(xí);交互性友好，將設(shè)備結(jié)構(gòu)細節(jié)與實驗過程直觀呈現(xiàn)，提高了學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)興趣;靈活性高，本系統(tǒng)采用的是純軟件設(shè)計，相比于軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)在優(yōu)化與升級上具有一定優(yōu)勢;可以進行實驗過程數(shù)據(jù)管理，應(yīng)用效果較好。根據(jù)實驗過程記錄結(jié)果及具體分析，該系統(tǒng)可自動對照操作規(guī)范進行考核，有助于教師分析學(xué)情，有助于學(xué)生自主總結(jié)。因而，本實驗系統(tǒng)的應(yīng)用有利于高校醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人才的培養(yǎng)，為實踐性實驗提供了新方法。

參考文獻：

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